某型艦供電系統(tǒng)失電恢復(fù)的改進方案

李文濤 楊書林 郭小松

摘要：艦船供電系統(tǒng)的生命力必須和艦船總體的抗沉性能相適應(yīng)，當艦船遭受戰(zhàn)斗損害而保持不沉?xí)r，電站和配電系統(tǒng)的剩余供電能力必須保證維持艦船機動性、生命力和最低限度自衛(wèi)能力所必須的重要負載的供電。本文通過對某型艦船供電系統(tǒng)失電恢復(fù)試驗時出現(xiàn)的問題進行分析，在不改變系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上，提出系統(tǒng)的優(yōu)化改進方案，并在實船試驗中驗證了其有效性。

關(guān)鍵詞：艦船電力系統(tǒng);供電生命力;失電恢復(fù);舷側(cè)排氣系統(tǒng)

中圖分類號：U665.12? ? ? ? ? ? 文獻標示碼：A

Abstract： The vitality of the warship power system must be consistent with the unsinkability of the warship. When the ship suffers combat damage and remains unsinkable， the residual power supply capacity of the power station and distribution system must supply the vital loads necessary to maintain the warship's maneuverability， necessary ship vitality and minimum self-defense capability. Based on the analysis of a problem in the power loss recovery test of a certain type of warship， this paper proposes an optimization and improvement scheme with simplified system judgment logic on the basis of not changing the system principle， and verifies its effectiveness in the real ship test.

Key words： Power system of warship;Vitality of power supply;Losing electricity recovery; Side exhaust system

1 某型艦電力系統(tǒng)組成

基于電力系統(tǒng)冗余設(shè)計理念和合理布置要求，某型艦電站一次網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由三段主配電板各搭載兩臺柴油發(fā)電機組組成。每段主配電板均可單獨形成電站，為該型艦提供正常航行所需的供電，并在緊急情況下通過事故電力網(wǎng)系統(tǒng)對全船重要負載提供供電。

三段配電板由布置在兩舷的舷側(cè)配電板相互連接，通過調(diào)整舷側(cè)跨接開關(guān)或主配電板跨接開關(guān)的分斷或閉合，可對電網(wǎng)進行分區(qū)供電或聯(lián)網(wǎng)供電;電站控制系統(tǒng)對各個跨接開關(guān)的通斷狀態(tài)進行判斷，在確保供電系統(tǒng)正常的情況下，同時避免形成環(huán)網(wǎng)。

每段主配電板可通過母聯(lián)開關(guān)的分斷，來滿足人員進行配電板的檢修、維護等操作;三段主配電板均與岸電開關(guān)相連接，可通過任一電站的岸電開關(guān)對艦船進行供電，確保停泊狀態(tài)的用電需求;除主電網(wǎng)外，還搭載了一定容量的UPS系統(tǒng)，作為全船應(yīng)急電源使用。

該型艦創(chuàng)新融入了系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計理念，將電站控制系統(tǒng)拆分為多個子系統(tǒng)。其中，供電監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)測各柴油發(fā)電機組運行狀態(tài)，以及負載輸出的參數(shù)，并對機組進行控制;配電監(jiān)控系統(tǒng)負責(zé)監(jiān)測電網(wǎng)各跨接開關(guān)、配電網(wǎng)絡(luò)至一次和二次網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的電力參數(shù)，并可對電操開關(guān)進行遙控操作。同時，監(jiān)測所有一次網(wǎng)絡(luò)以及負載中心內(nèi)開關(guān)的電力參數(shù)以及故障狀態(tài)。

位于集控中心的電力監(jiān)控臺，負責(zé)監(jiān)測報警復(fù)示及遠程遙控操作;電站系統(tǒng)半自動及自動控制系統(tǒng)程序，均集成于電力集中監(jiān)控臺內(nèi)，由其向供電和配電監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送指令，控制整個電站的運行;通過電力監(jiān)控系統(tǒng)的遠程操控和自動化功率管理，可實現(xiàn)類似民用船舶無人機艙的工況模式;作為整個電力系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)，其具備高度自動化、集成化和操作便利等優(yōu)點。

2 供電系統(tǒng)失電恢復(fù)方案設(shè)計

2.1 失電恢復(fù)方案

在艦船供電系統(tǒng)發(fā)生失電后，對于失電狀態(tài)下的自動和半自動恢復(fù)功能，通常有下列3種設(shè)計方案[1]：

（1）按照預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級順序和備車狀態(tài)，優(yōu)先啟動順序靠前的備用柴油發(fā)電機機組，待建立電壓后自動合閘恢復(fù)供電;

（2）直接啟動所有處于備車完畢狀態(tài)的柴油發(fā)電機組，按照預(yù)先設(shè)置的優(yōu)先級順序，待建立電壓后合閘優(yōu)先級高的柴油發(fā)電機組，以恢復(fù)供電;

（3）直接啟動所有處于備車完畢狀態(tài)的柴油發(fā)電機組，最快建立電壓的柴油發(fā)電機組合閘，以恢復(fù)供電。

考慮到艦船生命力的重要性，應(yīng)從失電狀態(tài)快速恢復(fù)到正常航行和戰(zhàn)斗所需的供電狀態(tài)，因此本型艦采取第（3）種恢復(fù)方案;且在失電恢復(fù)過程中，所有未合閘的備用柴油發(fā)電機組將在電網(wǎng)恢復(fù)供電后，自動或人為判斷是否需要增機并聯(lián)運行;如不需增機并聯(lián)，則在延時30s后自動停止備用機組。電網(wǎng)失電恢復(fù)流程圖，見圖1所示：

2.2 柴油發(fā)電機組啟動

當相應(yīng)主配電板處于失電狀態(tài)下，控制回路通過UPS供電，在電力監(jiān)控系統(tǒng)收到備車信號時，可確保各機組在緊急狀態(tài)下通過自動或半自動控制方式正常啟動。

因該型艦具備沉浮作業(yè)工況，處于艦尾部位的5號、6號機組配備了舷側(cè)排氣系統(tǒng)，其啟動流程與其余機組有所不同，如圖2所示：

5號、6號機組啟動條件為：機組向舷側(cè)排氣系統(tǒng)發(fā)送啟動請求信號→舷側(cè)排氣系統(tǒng)處于高位（或低位）運行狀態(tài);高位（或低位）擋板閥打開到位，另一位置擋板閥關(guān)閉到位;高、低位泄放閥均處于關(guān)閉狀態(tài);海水冷卻泵正常運行，電動噴淋閥打開到位→舷側(cè)排氣系統(tǒng)向機組發(fā)送啟動允許信號，發(fā)電機組反饋備車信號至供電監(jiān)控→機組可正常啟動。

2.3 舷側(cè)排氣系統(tǒng)

舷側(cè)排氣系統(tǒng)，主要由排氣管、高（低）位舷側(cè)擋板閥、高（低）位泄放閥、海水冷卻裝置（冷卻海水泵和電動噴淋閥）裝置組成，見圖3所示：

2.3.1 工作模式

（1）低位排氣模式

在艦船正常吃水狀態(tài)下，5號、6號機組將由低位擋板閥處排氣。此時，低位擋板閥及電動噴淋閥打開，高位擋板閥及高、低位泄放閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，機組的排氣經(jīng)由海水冷卻泵輸送的海水在排氣管內(nèi)進行冷卻，冷卻后排氣同海水一并從低位擋板閥處排出。

（2）高位排氣模式

在艦船沉浮作業(yè)狀態(tài)下，因船舶吃水線較高，低位擋板閥出口已處于浸沒狀態(tài)，5號、6號機組將由高位擋板閥處排氣。此時，高位擋板閥及電動噴淋閥打開，低位擋板閥及高、低位泄放閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，排氣同樣由海水冷卻后從高位擋板閥處排處。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計

因5號、6號機組布置位置與機艙棚有較大距離，通過舷側(cè)排氣系統(tǒng)的設(shè)置避免了冗長的排氣管，在提升空間利用率的同時，兼顧了艦船不同作業(yè)工況的吃水要求;同時減少了因排氣產(chǎn)生的紅外輻射效應(yīng)，降低了艦船被探測的風(fēng)險，在一定程度上起到了提高艦船生存能力的作用。

該型艦舷側(cè)排氣系統(tǒng)，將高（低）位擋板閥開關(guān)到位及聯(lián)鎖情況、海水冷卻裝置運行狀態(tài)作為5號、6號機組正常運行和啟動的重要條件，需確保機組的排氣得到冷卻，并在接近水面的部位排出舷側(cè)。

3 供電系統(tǒng)失電恢復(fù)試驗存在的問題及解決方案

3.1 5號、6號機組未能正常啟動現(xiàn)象

在該型艦電站系統(tǒng)系泊試驗過程中，首次進行全電站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)自動控制模式下的失電恢復(fù)試驗，5號、6號機組未能正常啟動。當時電站運行狀態(tài)為：1號機組在網(wǎng)，其余機組均為待機備車狀態(tài);三個電站通過右舷側(cè)配電板的三個跨接開關(guān)聯(lián)網(wǎng)運行;5號、6號機組的舷側(cè)排氣系統(tǒng)處于低位排氣狀態(tài)。此時人為將1號機組緊急停機，造成電網(wǎng)失電，監(jiān)控系統(tǒng)向所有柴油發(fā)電機組發(fā)出運行信號。其中，2號～4號機組均正常啟動，最快建立電壓的3號機組成功合閘并恢復(fù)供電，2號、4號機組在3號機合閘后延時30s自動停機，但5號、6號機組未能正常啟動，且未發(fā)出起動失敗報警。

3.2 5號、6號機組啟動失敗原因分析

問題發(fā)生后，對5號、6號柴油發(fā)電機組進行檢查，兩臺機組各部件均為正常，排除因機組自身故障造成啟動失敗的原因;對舷側(cè)排氣系統(tǒng)進行檢查，低位擋板閥處于正常打開狀態(tài)，但系統(tǒng)向機組裝置發(fā)送了380V失電報警，機組收到擋板閥二級故障，電站系統(tǒng)將其判定為機組裝置一級故障，屬于換機故障，該故障將閉鎖5號、6號機組的備車信號，直接導(dǎo)致5號、6號機組無法啟動。

經(jīng)過進一步查驗，擋板閥為氣動蝶閥，閥的開關(guān)動作由壓縮空氣驅(qū)動，壓縮空氣管路的通斷則由一個DC 24V電磁閥控制。因此在全船失電狀態(tài)下，當壓縮空氣系統(tǒng)處于正常壓力狀態(tài)，該電磁閥仍由不間斷電源持續(xù)供電，在收到運行信號后，DC 24V電磁閥動作，使壓縮空氣管路暢通，擋板閥可正常動作。但因海水冷卻泵需380V電源供電，在全船失電時主電源無法啟動，因此海水冷卻裝置在收到與運行信號后仍未正常運行，此時舷側(cè)排氣系統(tǒng)將向機組裝置發(fā)送380V失電報警，見圖4所示：

由圖4可知：在失電狀態(tài)下，舷側(cè)排氣系統(tǒng)將直接發(fā)出380V失電報警，且舷側(cè)排氣系統(tǒng)海水冷卻泵無法正常啟動，從而導(dǎo)致5號、6號柴油發(fā)電機組無法正常啟動。所以該系統(tǒng)存在不合理設(shè)計。

3.3 優(yōu)化改進方案

依據(jù)舷側(cè)排氣系統(tǒng)的設(shè)計需確保機組排氣得到有效冷卻，因此海水冷卻裝置正常運行是5號、6號機組啟動的先決條件之一。

經(jīng)進一步調(diào)查，海水冷卻裝置電動噴淋閥打開時間約為30s，因此即使冷卻海水泵在收到運行信號后正常啟動，在5號、6號機組啟動過程中仍有約30s的時間不能得到排氣冷卻。因此將海水冷卻裝置作為5號、6號機組啟動的先決條件，該設(shè)計未遵循保障艦船必要生命力的理念，存在一定的缺陷。

根據(jù)以上調(diào)查結(jié)論，對5號、6號機組運行進行調(diào)整，取消380V失電故障導(dǎo)致機組裝置無法收到允許啟動信號，并將擋板閥380V失電故障報警判定類別改為一般報警，在此狀態(tài)下機組裝置可正常運行。

以上實施方案，可通過軟件的優(yōu)化達到效果，無需對硬件設(shè)施進行任何的改動。當電網(wǎng)恢復(fù)供電后，舷側(cè)排氣系統(tǒng)得到來自主配電板的380V電源，海水冷卻泵啟動器在得電后正常運行泵組，對排氣進行冷卻。

經(jīng)實船驗證，5號、6號機組從啟動到合閘時間在30s之內(nèi)，機組啟動過程中排氣未得到冷卻的時間與優(yōu)化前相同，延續(xù)了現(xiàn)有硬件設(shè)施的最大艦船生命力保障。

設(shè)計優(yōu)化后的5號、6號機組啟動流程圖，見圖5：

經(jīng)上述優(yōu)化后，重新對自動及半自動模式電站失電恢復(fù)功能進行驗證，所有機組均可正常啟動，舷側(cè)排氣系統(tǒng)運行正常，未再次出現(xiàn)機組裝置無法啟動的情況，使問題得到了完滿解決。

4 結(jié)論

通過以上方式，對該型艦供電系統(tǒng)原有的失電恢復(fù)原理基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，在維持艦船必要生命力的設(shè)計理念前提下，使系統(tǒng)失電恢復(fù)過程迅速有效，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少了故障點的存在。

該優(yōu)化方案經(jīng)評審后，最終在實船上驗證為有效，表明該優(yōu)化方案滿足該型艦的實際需要。

參考文獻

[1] 李勇 電網(wǎng)失電恢復(fù)及互鎖模塊化設(shè)計[J].上海船舶運輸科學(xué)研究所學(xué)報， 2009年12月，第32卷第2期：16-18.

[2] GJB4000-2000 艦船通用規(guī)范 3組 電力系統(tǒng)[S]. 中華人民共和國國家軍用標準.