船舶能量管理系统设计研究

第2期员引言船舶能量管理系统渊孕燥憎藻则酝葬灶葬早藻皂藻灶贼杂赠泽鄄贼藻皂袁孕酝杂冤是在全电力船舶出现后袁根据综合电力系统渊陨灶贼藻早则葬贼藻凿孕燥憎藻则杂赠泽贼藻皂袁陨孕杂冤的实际需要而逐渐产生的一种对船舶电能进行统一调度尧管理和控制的新型系统咱员-4暂遥能量管理系统的目标是针对实际运行工况袁综合考虑船舶机动性尧经济性尧电网运行的稳定性及可靠性袁协调控制各用电设备袁实现能量的优化配置与管理袁在满足连续稳定安全供电的基础上兼顾经济性袁确保全船能量消耗昀少遥能量管理系统能够综合考虑并实现发电自动化尧系统监测报警尧输配电监控保护及用电设备的监控管理袁能综合优化船舶电力系统的经济性尧可靠性及安全稳定性袁是船舶电力自动化的技术核心袁为现代大型船舶提供了稳定尧可靠尧经济的电力能源咱5-8暂遥能量管理系统的核心在于对全船能量的管理和调配袁主要由供电管理尧负载管理尧安全管理尧系统分析尧模拟训练和信息网络管理远部分组成袁如图员所示遥目前袁国外能量管理系统的相关技术已发展成熟袁已有性能较为稳定可靠的产品推入市场袁如西门子公司的孕酝粤猿园园和粤月月公司的粤悦愿园园咱9暂遥这些产品广泛采用计算机与网络通信技术尧信息处理与显示技术尧现代控制与调节技术尧系统决策与管理技术等先进技术袁并已大量应用于各类船船舶能量管理系统设计研究宋波海军驻大连船舶重工集团有限公司军事代表室袁辽宁大连员员远园园缘摘要院随着大量大功率负载的装船使用袁能量管理系统在特种工程船舶中越来越受到重视袁用于统一管理和调配船舶动力和电力系统遥在介绍大型巡航救助船特点的基础上袁重点分析了全船能量的来源和主要消耗遥并以此为依据提出合理有效的能量管理策略袁设计并实现适合于该船的能量管理系统遥研究结果表明袁通过构建能量管理系统袁能够达到优化管理和分配全船能量的目标遥关键词院能量管理系统曰供电模式曰功率分配曰船舶中图分类号院哉远远缘援员文献标志码院粤文章编号院员远苑猿原猿员愿缘渊圆园11冤园3原93原园5DesignofShipboardPowerManagementSystem杂燥灶早月燥Military砸藻责则藻泽藻灶贼葬贼蚤增藻韵枣枣蚤糟藻蚤灶阅葬造蚤葬灶杂澡蚤责遭怎蚤造凿蚤灶早陨灶凿怎泽贼则赠悦燥援袁蕴贼凿袁阅葬造蚤葬灶员员远园园缘袁悦澡蚤灶葬粤遭泽贼则葬糟贼院Withthe蚤灶糟则藻葬泽蚤灶早蚤灶泽贼葬造造葬贼蚤燥灶燥枣澡蚤早澡原责燥憎藻则藻择怎蚤责皂藻灶贼袁孕燥憎藻则酝葬灶葬早藻皂藻灶贼杂赠泽贼藻皂渊孕酝杂冤燥枣泽澡蚤责澡葬泽葬贼贼则葬糟贼藻凿皂怎糟澡葬贼贼藻灶贼蚤燥灶枣燥则泽责藻糟蚤枣蚤糟藻灶早蚤灶藻藻则蚤灶早葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽袁憎澡蚤糟澡糟葬灶皂葬灶葬早藻葬灶凿凿蚤泽鄄责藻灶泽藻葬造造贼澡藻凿则蚤增蚤灶早葬灶凿藻造藻糟贼则蚤糟责燥憎藻则援栽澡蚤泽责葬责藻则蚤灶贼则燥凿怎糟藻泽贼澡藻糟澡葬则葬糟贼藻则蚤泽贼蚤糟泽燥枣造葬则早藻则藻泽糟怎藻泽澡蚤责葬灶凿责造葬糟藻泽藻皂责澡葬泽蚤泽燥灶贼澡藻葬灶葬造赠泽蚤泽燥枣藻灶藻则早赠泽燥怎则糟藻葬灶凿皂葬蚤灶造燥葬凿援栽澡藻灶藻枣枣藻糟贼蚤增藻责燥憎藻则皂葬灶葬早藻皂藻灶贼泽贼则葬贼藻早蚤藻泽憎藻则藻责则燥责燥泽藻凿贼燥早怎蚤凿藻葬孕酝杂凿藻泽蚤早灶憎燥则噪泽蚤灶葬泽澡蚤责援栽澡藻则藻泽怎造贼泽蚤灶凿蚤糟葬贼藻贼澡葬贼孕酝杂糟葬灶皂葬灶鄄葬早藻燥责贼蚤皂葬造造赠葬灶凿葬造造燥糟葬贼藻贼澡藻藻灶藻则早赠贼澡则燥怎早澡燥怎贼贼澡藻泽澡蚤责援运藻赠憎燥则凿泽院责燥憎藻则皂葬灶葬早藻皂藻灶贼泽赠泽贼藻皂渊孕酝杂冤曰责燥憎藻则泽怎责责造赠皂燥凿藻曰责燥憎藻则凿蚤泽贼则蚤遭怎贼ion曰ship收稿日期院圆园11-02-22作者简介院宋波渊员怨67原冤袁男袁高级工程师遥研究方向院舰船电气工程遥耘鄄皂葬蚤造院苑缘缘缘圆源源员苑员岳择择援糟燥皂图员能量管理系统功能组成框图云蚤早援员云怎灶糟贼蚤燥灶葬造block燥枣孕酝杂能量管理及优化分配供电管理负载管理安全管理系统分析模拟训练网络管理第6卷第2期圆园11年4月中国舰船研究ChineseJournalofShipResearch灾燥造.6No.2Apr.圆园11doi院10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.020第6卷中国舰船研究图猿大型巡航救助船的能源及主要负载示意图云蚤早援猿耘灶藻则早赠泽燥怎则糟藻葬灶凿皂葬蚤灶造燥葬凿燥枣贼澡藻造葬则早藻vessel枣燥则则藻泽糟怎藻400V配电板渊13冤400V配电板渊11冤1号轴带发电机左主机P=6000kW右主机P=6000kW1号发电机2号发电机400V配电板渊12冤400V配电板渊14冤2号轴带发电机空调艉侧推消防泵消防泵艉侧推渊前冤艉侧推渊后冤舶袁特别是针对大功率负载的特种船舶袁如工程船尧破冰船尧科考船等遥而我国相关技术的研究起步较晚袁尚无类似的成熟产品推出遥因此袁有必要针对能量管理系统进行重点研究袁尽快研制出技术先进尧性能稳定的可靠产品袁并装备到我国现代化船舶上袁大幅度提高其整体性能遥本文以某大型巡航救助船为应用对象袁针对该船的实际需求袁提出了其能量管理策略袁并在此基础上设计了适合该船的能量管理系统袁大大提高了其电力系统的经济性尧可靠性和自动化程度遥圆能量管理系统设计流程能量管理系统的设计贯穿于船舶设计的整个过程袁其基本流程如图圆所示遥首先袁针对船舶的总体性能和任务要求袁明确其主要工作模式遥然后袁在此基础上设计满足船舶要求的动力系统和电力系统方案袁为能量管理系统提供能量来源设计输入遥同时袁还需要在计算全船电力负荷的基础上袁进一步细化各种不同工作模式下船舶的负荷需求袁尤其是特种负荷大小袁为能量管理系统提供能量消耗设计输入遥接下来袁便可根据以上信息确定船舶的主要供电模式袁并设计其自动转换方式袁以提高电站的自动化水平遥昀后袁在综合考虑经济性和可靠性的基础上袁明确各种供电模式下的功率分配方案袁推导出合理的能量管理策略遥猿大型巡航救助船分析大型巡航救助船主要用于在管辖水域进行海上人命救生和以海上人命救生为目的的船舶救助尧海上船舶溢油监测和应急处置以及国际交流合作遥该船具有较强的信息收集处理和传输尧海上人命救助尧遇险船舶拖带尧海面溢油回收救助作业能力袁同时还有夜间搜寻救助能力袁能搭载获救人员袁对伤病员进行简单的药物尧器械和手术治疗遥另外袁该船还具有较强的对外消防灭火作业能力袁以及对遇险船舶进行封舱尧堵漏尧排水尧空气潜水等救助作业能力遥为有效保证大型巡航救助船的作业能力袁除了需要提供充足的动力外袁还必须配置先进的动力定位系统遥随着这些大功率负载的投入袁如何在保持较强作业能力的同时提高全船的经济性成为了关键袁而能量管理系统则是解决这一问题的昀佳方案遥为实现全船能量的有效管理和优化分配袁首先须明确其能量的来源和主要消耗遥图猿所示为大型巡航救助船的能量来源及主要负荷遥图圆能量管理系统设计流程云蚤早援圆阅藻泽蚤早灶枣造燥憎燥枣孕酝杂船舶工作模式分析动力及电力配置方案电力负荷计算供电模式及其切换能量管理策略确定94第2期由图猿可知袁该船的能量来源于两台主机和两台柴油主发电机组遥其中袁每台主机的额定功率为远园园园噪宰袁并驱动一台功率为圆园园园噪宰的轴带发电机曰每台柴油主发电机的额定功率为远缘园噪宰遥主电站由这两台柴油主发电机组和两台主机驱动轴带发电机组成袁总功率缘猿园园噪宰遥该船的机械推进负载为两套可调螺距桨袁同时袁主机还驱动两台功率为愿园园噪宰的机械消防泵遥船上大功率的电力负荷主要为两台艏侧推和一台艉侧推袁每台侧推器的额定功率为愿园园噪宰遥另外袁船上空调装置的总功率为猿园园噪宰遥因此袁主机的功率孕酝耘可以表示为院孕酝耘越孕悦孕孕辕浊郧月垣孕杂郧辕浊杂郧垣孕云孕渊员冤式中袁孕悦孕孕为推进可调螺距桨功率曰浊郧月为主推进齿轮箱效率曰孕杂郧为轴带发电机功率曰浊郧月为轴带发电机效率曰孕云孕为消防泵功率遥通过以上分析可知袁该船采用了轴带发电机和动力定位的方案遥其中袁轴带发电机由主机驱动袁其输出功率受主机容量和主机驱动机械消防泵功率的限制袁因而其电力系统和主动力系统之间虽然不存在电耦合的关系袁但却存在机械耦合的关系曰动力定位系统中的侧推进器直接由船舶电网供电驱动袁是该船电力系统重要的大功率负载遥因此袁有必要通过能量管理系统实现全船能量的合理分配袁以保证在主机和发电机都不过载的前提下满足全船动力尧电力以及特种负荷的需要遥源能量管理策略能量管理系统的目标是针对船舶实际运行工况袁确保有足够的功率供应袁从而防止电力供应中断遥因此袁就需要分析大型巡航救助船的主要工况及每种运行工况下的负荷需求和供电形式遥使用轴带发电机的初衷就是为了充分利用主机袁使其在较大负荷下运行袁从而使主机有较好的运行性能遥同时袁为了提高全船运行的经济性袁应尽量避免使用柴油主发电机供电遥但是袁在全速运行时袁为了保证航速袁以及在锚泊尧停泊绞缆状态下主机停止运行等情况袁就必须得使用柴油主发电机为船上设备提供电力遥而在经济航行和拖缆航行时袁可以只使用一台轴带发电机供电袁另一台轴带发电机则作为备用遥只有在靠离码头和救险两种工况下袁由于要使用侧推装置袁全船电力负荷将达到昀大值遥但需要注意的是袁因实现动力定位所需的侧推装置数量根据环境状况渊如风力尧水流等冤和定位要求渊速度尧加速度冤的不同而会有所不同袁所以对电力负荷的需求也会随之变化遥为提高主机效率袁充分发挥能量管理系统的功效袁有必要对使用侧推装置的工况进行重点分析袁以根据侧推装置的实际使用情况对供电模式进行细化遥另外袁如果设计不合理袁大容量电动机启动时有可能会造成发电机过载袁但由于该船的侧推装置使用的是变频驱动袁能较好地避免这一问题袁从而能确保供电形式的合理性遥综上所述袁可以得到全船各主要工况下的昀大电力负荷袁并设计相应的供电方式袁如表员所示遥由表员可知袁在全速航行和锚泊工况下袁全船电力负荷由一台柴油主发电机单独提供袁在经济航行和拖缆航行时袁则由一台轴带发电机单独供宋波院船舶能量管理系统设计研究工况全速航行经济航行1台艏侧推1台艉侧推2台艏侧推1台艏侧推+1台艉侧推2台艏侧推+1台艉侧推1台艏侧推1台艉侧推2台艏侧推1台艏侧推+1台艉侧推2台艏侧推+1台艉侧推拖缆航行锚泊停泊绞缆表员大型巡航救助船电力需求及供电形式栽葬遭援员耘造藻糟贼则蚤糟葬造责燥憎藻则凿藻皂葬灶凿葬灶凿责燥憎藻则泽怎责责造赠皂燥凿藻燥枣贼澡藻造葬则早藻vessel则藻泽糟怎藻靠离码头救险电力负荷/kW5637251590159023902390319016711671247124713271768562825轴带发电机运行台数012222222222100负荷/kW0725159015902390239024001671167124712471240076800柴油主发电机运行台数100000200002012负荷/kW5630000079000008710562825供电模式DG1或DG2SG1或SG2BTSTBTSTFULLBTSTBTSTFULLSG1或SG2DG1或DG22DG95第6卷中国舰船研究电遥另外袁在停泊绞缆工况下袁是由两台柴油主发电机一起供电袁功率均匀分配遥以上几种供电模式下的功率分配方案都很直观袁只有在使用侧推进器的猿种供电模式下的功率分配情况比较复杂遥其中袁只使用艏侧推的月栽供电模式下的功率分配关系可表示为院孕杂郧蕴越孕月栽渊圆冤孕杂郧砸越孕晕蕴渊猿冤式中袁孕杂郧蕴为左轴带发电机功率曰孕杂郧砸为右轴带发电机功率曰孕月栽为艏侧推功率曰孕晕蕴为其它平台功率遥在使用艉侧推的杂栽供电模式下袁由右轴带发电机向侧推进器供电袁其功率分配关系为院孕杂郧蕴越孕晕蕴渊源冤孕杂郧砸越孕杂栽或孕杂郧砸越孕月栽垣孕杂栽渊缘冤式中袁孕杂栽为艉侧推功率遥只有在所有侧推进器同时投入使用的工况下袁所有柴油主发电机和轴带发动机才需全部启动为全船供电袁此时袁功率分配方式可表示为院孕杂郧蕴越孕月栽渊远冤孕杂郧砸越孕杂栽渊苑冤孕阅郧越孕晕蕴渊愿冤式中袁孕阅郧为柴油主发电机功率遥采用上述能量分配方案不但能保证在船舶运行时可大部分时间使用轴带发电机供电袁而且能在各台供电的发电机之间实现功率的合理分配袁从