某舰艇自动电站优化设计

汪成义，罗伯坤，沈 杰

应用研究

某舰艇自动电站优化设计

汪成义，罗伯坤，沈 杰

（中国船舶与海洋工程设计研究院，上海 200011）

电站作为舰船电力的来源，其安全、稳定的运行在航行过程中至关重要。如何保证舰艇电力供电及其监控系统智能化、自动化是舰船电力系统科研设计、保障工作者一直研究的重要内容。文章首先分析了某舰艇电力供电及其监控系统基本情况，通过对实船自动电站情况验证分析，在不改变原电力供电及其控制系统的基础上，提出增加“主电网失电，自动起动主电站备用机组”的改进性设计方案。方案能有效的提高主电站监控系统的智能化、自动化程度和保证舰艇航行安全。

船舶电站 自动电站 电站监控 失电自起动

0 引言

随着进入21世纪以来，我国造船事业处于高速发展的阶段，伴随着国内电力、电子、控制、通讯和信息技术的发展，电子技术的突飞猛进、集成电路的投入使用以及计算机网络的快速发展，国内船舶自动化电站技术得到迅速发展[3]。经历了几十年的发展，船舶机舱从有人值守到自动化机舱，目前国内外学者普遍研究无人值班机舱，但实现机舱自动化是实现无人值班机舱的必要条件[1,2]。

从技术层面看，船舶电站自动化经历了单元分立式控制、集中式自动控制、分散式自动控制和集散式自动化系统的过程。八十年代之前，单元分立式自动化主要包含自动并车装置、自动并车解列、自动负载分配装置和AVR自动调压装置等组成电站自动化装置。进入八十年代以来，随着计算机和网络技术的发展，先后出现了微机集中式自动控制和分散式自动化系统，集中式自动控制系统便于集中控制，但是该系统故障查找和维修困难。分散式控制提高了系统的可靠性和可维护性，但是不便于无人机舱集中管理要求。目前国内外船舶电站自动化朝着集散型自动化系统发展，它结合了集中和分散的优点。[3]建立在网络通信基础上的集散型控制系统的出现，使得船舶电站自动化开始了一个全新时代。

结合以上电站监控系统的发展，本文以21世纪初期一条舰艇电站自动化为例，增加该自动电站的“主电网失电，自动起动主电站备用机组”功能。

2 基本情况

某舰艇主电网供电装备由4台MAN-B&W 6L20/27主柴油发电机组和1台MWM-TBD234-V12停泊发电机组构成；应急电网供电装备由1台MWM-TBD234 V6柴油发电机组构成；临时应急电网供电装备由若干蓄电池及充放电装置构成。本舰艇主电网及应急电网供电示意图如下图1：

图1 主电网及应急电网供电示意图

该舰艇在进厂进行中修期间船方提出“主电网失电后，主电站无法自动起动备用机组”的情况，希望我们设计、保障人员就目前船舶电站的状态分析，舰艇在航行过程中出现极端情况，全船失电后应如何恢复主电网供电，如果不能自动起动主电站机组，能否通过优化改进实现该功能，希望做出论证分析。

在开展舰艇系泊试验期间，对舰船电力系统电站自动控制功能进行试验验证，电站自动控制功能试验过程如下：

1）在主配电板上将选择开关置于“自动”，设置电站运行控制方式为自动；

2）设置一台主发电机组在网，当在网负载功率大于等于85%时自动增机，备用机组能够自动启动后自动投入电网，此时在网机组共两台；

3）继续增加在网负载功率大于等于170%Pe时自动增机，备用机组能够自动启动后自动投入电网，此时在网机组共三台；

4）继续增加在网负载功率大于等于255%Pe时自动增机，备用机组能够自动启动后自动投入电网，此时在网机组共四台；

5）调节在网负载功率小于等于90%Pe时自动减机，此时在网机组共三台；

6）调节在网负载功率小于等于60%Pe时自动减机，此时在网机组共两台；

7）模拟当一台机组发生A类故障（如滑油压力过低、超速）时，机组停机，此时备用机组能自动起动，自动合闸投入电网供电，此时在网机组为两台；

8）调节在网负载功率小于等于30%Pe时自动减机，此时在网机组共一台，或手动调节，投入停泊机组；

9）手动解列发电机组主开关，此时主电网失电，应急发电机组自动起动，应急配电板供电，但主电站无法自动起动备用机组，无法自动恢复主电网供电。

按照该船实船试验过程状态分析在在航行过程中主电网失电，手动恢复主电网供电过程如下：当主电站机组解列，主配电板失电时，应急发电机组应急起机，应急配电板给船上应急照明供电；停泊发电机组滑油预供油泵为手摇泵，可以通过手动摇动手摇泵润滑停泊发电机组，手动起动主电网停泊发电机组，恢复主配电板供电，继而可通过主配电板恢复主发电机组滑油预供油泵供电，起动主发电机组供电。

3 原因分析

查阅该舰艇电站自动控制功能说明书描述如下：在网机组平均功率≥85%时自动增机，机组起动成功后自动投入电网；在网机组平均功率≤30%时自动减机。在说明书并未涉及“主电网失电，自动起动主电站备用机组”功能要求。依据HJB4000-2000对电站自动化功能设计要求是按照标准可选择、可裁剪和组合。鉴于该舰艇服役入列已近16年之久，电站的设计是一个迭代升级的过程，按照系泊期间电力系统电站自动控制功能试验，满足该舰艇说明书电站自动控制功能要求。

根据对电站自动控制功能试验，在主配电板未失电情况下，主发电机组可以自动增、减机组，那么主配电板上电站控制器可以控制机组自动起、停。考虑“主电网失电后，主电站无法自动起动备用机组”的原因如下几点：

1）当主配电板失电后，电站控制器是否给主发电机组机旁控制箱发起起动机组信号；

2）当主配电板失电后，机旁控制箱内部是否存在自动起动机组的控制电路；

3）当主配电板失电后，机组外围油、汽、水、电是否可以满足起动机组条件。

根据以上三点进行验证研讨发现，主发电机组柴油机MAN-B&W 6L20/27机组特性，主发电机组须在滑油预供油泵建立一定油压才具备起动条件，因此在主发电机组内部的控制线路设置了与滑油预供油泵的压力联锁；当主配电板失电时，主发电机组滑油预供油泵无法起动，滑油预供压力值低于压力开关设定值，此时无法自动起动主发电机组。

主电网停泊发电机组滑油预供油泵为手摇泵，但机组仅手动和半自动控制模式，半自动控制模块无自动起动机组的功能，因此在主配电板失电时，无法自动起动除应急发电机组之外的备用机组。

4 自动起动功能优化改进设计

4.1 自动起动的判决条件[4]

一般的电站控制器自动起动判决条件有如下四种情况：

1）设定的最小运行机组数大于在网运行机组数，电站控制器按差数起动发电机组并自动投网并联运行；

2）在网运行的机组出现故障停机，自动起动备用机组并自动投入电网并联运行；

3）在网负荷超过机组平均功率N%（一般取85%），电站控制器会起动备用机组并自动投入电网并联运行；

4）电网失电时，按照优先级起动备用机组并恢复电网供电。

4.2 失电自动起动控制程序

设置发电机组控制方式为自动时，电站控制器会自动判断以上四种自动起动判决条件，当出现以上情况时，电站控制器会向发电机组机旁控制箱发出起动备用机组的信号。开始电站控制器会判断电网是否有电，如果电网失电，电站控制器会发出1#发电机组起动信号（假设发电机组优先级为1#、2#、3#、4#），当1#发电机组机旁控制箱接收到电站控制器的启动信号时，1#发电机组启动成功后对应主开关合闸，并恢复主电网供电。在此过程中电站控制器会发送三次启动信号，如果在规定时间内1#机组未能起动时，电站控制器发出1#机组起动失败报警，同时电站控制器发起起动2#发电机组信号。依次起动备用机组，最先起动成功者自动投入电网。发电机组失电自动动的流程图如图2。

图2 发电机组失电自动起动的流程图

4.3 失电自动功能优化设计

根据上述“主电网失电时，无法自动起动主电站备用机组”的原因主要为主配电板失电时，主发电机组滑油预供油泵失电，此时机组自动起动与滑油预供油压联锁因此无法自动起动。本文提出了两个解决方案。

（1）方案1、增加蓄电池组、交流不间断电源UPS供电

该舰艇应急直流供电系统总体设计未考虑发电机组滑油预供油泵应急供电需求，在不改变舰艇应急直流供电系统总体设计的情况下。因此在蓄电池室增加一套蓄电池组和充放电装置以满足柴油发电机组滑油预供油泵应急直流供电。在辅机舱配置一台380 V 交流不间断UPS电源供电。主柴油发电机组滑油预供油泵额定功率为1.5 kW 、额定电压为380 V。综合上述实船情况，优化改进后的系统应满足：当主发电机组正常运行时，通过主配电板通过各级配电系统给滑油预供油泵供电，此时主电站如果需要增减机，滑油预供油泵均满足启停机组滑油压力联锁需求。当主发电机组全部停机、主电网失电时，主电网无法给滑油预供油泵供电，交流不间断电源UPS切换到蓄电池经过充放电装置，经过DC/DC变换和DC/AC变化后输出交流380 V电源供滑油预供油泵供电，当电站控制器检测到主电网失电时，主电站滑油预供油泵一直能够有电源不间断供电，满足滑油预供压力联锁要求，发电机组能够起动备用机组，恢复主电网供电。按上述分析，滑油预供油泵增加不间断供电原理图如下图3。

图3 滑油预供油泵不间断供电原理图

（2）方案2、增加两路电源供电装置

该舰艇应急电源由应急发电机组构成，当主电站失电时，应急发电机组此时自动起动，并应急配电板主开关自动合闸供船上应急照明和应急供电装备供电用。当主电网恢复向应急配电板供电后，应急发电机组主开关自动分闸，应急发电机组自动延时停机。

该方案在机舱区域加上4台两路电源转换装置，当主电站供主电网正常供电时，主电网通过各级配电系统向主柴油发电机组预供油泵供电，实现主电站自动增减机的需求。当主电网失电时，应急发电机组通过应急配电板再经两路电源转换装置向滑油预供油泵供电，滑油预供油泵能够建立机组起动的滑油预供油压需求，满足主电站起动机组前提条件，电站控制器向机旁控制箱发起起动信号，起动主电站发电机组，恢复主电站供电，但此方案当主电网失电，需要应急电站自动起动和经过应急配电板供两路电源转换装置开关合闸及两路电源转换装置切换电源的时间，不能完成滑油预供油泵不间断供电。其恢复主电站供电可靠性、时效性较差。

5 结束语

本文对国内船舶电站监控系统发展和趋势进行研究，阐明了不同时期电站监控系统的技术特点。然后对某舰艇自动电站功能进行技术状态分析，针对本船自动电站无法实现“主电网失电后，主电站无法自动起动备用机组”进行原因分析，根据其具体原因提出了两种优化改进方案。两种优化改进方案能够有效保证电站失电自启动功能的完整性，为舰艇航行安全提供有力保障。通过本次对该舰艇的自动电站系统优化改进分析，目前国内外不同舰艇其电站监控系统特点，不同时期电站监控系统有所差异。有些电站监控系统仅手动功能，有些电站存在手动、半自动功能，还有些电站控制功能比较完善，存在手动、半自动、自动功能。同时也存在不同时期电站监控系统的其功能的独特性。需要我们科研、保障人员进行分析。对不同时期的舰艇电站监控系统进行优化改进，以提高船舶电站系统的自动化、智能化程度。同时保证舰艇在航行过程中的安全性。

[1] 巫林生. 浅析船舶电站自动化系统领域的发展现状与趋势. [J] 科学与技术，2020（9）.

[2] 胡鑫. 浅析船舶电站自动化系统领域的发展现状与趋势[J]. 建筑工程技术与设计,2017,(22):3260-3260

[3] 吕付帅. 浅谈船舶电气自动化发展趋势[D]. 重庆交通大学 ,2013（4）

[4] 劳山. 船舶电站自动化及发电机保护的设计与实现[D]大连海事大学，2014（5）

[5] 王闯. 基于PLC的船舶电站综合监控系统的设计[D]：大连海事大学，2008

[6] 王文义. 船舶电站[M]. 哈尔滨：哈尔滨过程大学出版社，2006

Optimal design of automatic power station for a surface ship

Wang Chengyi, Luo Bokun, Shen Jie

（Marine Design and Research Institute of China ，Shanghai 200011, China）

U665

A

1003-4862（2023）10-0041-04

2023-02-09

汪成义(1990-)，男，工程师。研究方向：船舶电气、通导设备及自动控制。E-mail:1192495416@qq.com