吸盤挖泥船采用全電力驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計論證

韓 龍 張海榮 邰能靈

（1.上海交通大學(xué) 上海200030；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

0 引 言

吸盤挖泥船是眾多挖泥船種類中較特殊的一種船型，由于采用縱前直線移船作業(yè)的行進方式，挖槽平直且一次挖寬大，排泥方式亦較靈活，尤其適合泥漿濃度較高的大江河道清淤疏浚及枯水期重要通航段的突擊搶修（不礙航），對淤泥、砂及砂礫等沖積土壤的疏浚最為合適。1993年，因長江葛洲壩水域航道疏浚的特殊需要，中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院在國內(nèi)首次研制成功1 250 m3/h吸盤挖泥船 “吸盤1號”，在十幾年的施工實踐中，長江航道局對該型船的使用積累了豐富經(jīng)驗。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合長江中游航道枯水期維護疏浚的需要，擬建造一艘新型吸盤船，并委托中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院進行方案設(shè)計。筆者基于該吸盤船《設(shè)計任務(wù)書》要求，對其采用何種電力系統(tǒng)配置進行了充分論證。

當(dāng)前，對于需要有大量電力按照工況進行轉(zhuǎn)移應(yīng)用和推進器需要周期進行高速和低速運行轉(zhuǎn)換的船舶（特別是工程作業(yè)船舶），采用全電力推進方案的動力型式已屢見不鮮，獲得越來越多的應(yīng)用。早在2008年，就有文章對全電力驅(qū)動系統(tǒng)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用進行探討，并證實耙吸挖泥采用電力推進船型技術(shù)可行、性能先進、投資增加可在運行費降低中得到補償［1］。由于吸盤挖泥船的特點，其推進功率遠小于泥泵等疏浚作業(yè)軸功率，所以柴油機裝置總功率對電力推進船型并不會比柴油機直接推進船型有所增加，這一點要比耙吸挖泥船采用電力推進更為有利，該船方案論證也充分證實這一點。

1 設(shè)備參數(shù)與任務(wù)書技術(shù)要求

該船設(shè)計任務(wù)書要求：定員28人、自持力15天，滿足內(nèi)河A、B級航區(qū)。生產(chǎn)量要求達到2 000 m3/h，最大挖深16 m；尾管排泥距離600 m，排高6 m；邊拋作業(yè)排泥距離舷外60 m，推進器采用2臺Z型舵槳裝置，作業(yè)方式除有傳統(tǒng)的錨纜牽引縱前移船直線絞進作業(yè)外，還要求借助Z型舵槳裝置頂推施工作業(yè)；滿載航速要求不小于10 kn。

經(jīng)各專業(yè)估算，若按航速10 kn計算，推進器所需功率約2×1 250 kW，推進挖泥工況下（航速約為6 n mile）推進功率約需2×600 kW，在絞進挖泥工況下（克服側(cè)向流）推進功率約需2×400 kW；泥泵所需功率約為1 850 kW，高壓沖水泵2臺，功率為每臺500 kW；液壓泵站在絞進挖泥工況下所需功率約為200 kW，推進挖泥工況下所需功率約為50 kW；全船日用負載最大工況下約為400 kW。

2 定距槳與調(diào)距槳性能比較

電力推進型式一般只需采用定距槳，簡單可靠。在一拖二型式柴油機中，為了保證軸帶發(fā)電機頻率不變，推進器都必須采用調(diào)距槳，這種推進器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配置一套復(fù)雜的液壓控制系統(tǒng)用來改變螺旋槳的螺距角，以獲得可變的螺旋槳推力來調(diào)節(jié)船舶的航速。因此，調(diào)距槳的效率相同推力性能的定距槳，所需的原動力功率會增加，特別是在小轉(zhuǎn)矩及零矩時，螺旋槳仍在全速運轉(zhuǎn)，其機械的附加損耗可能高達20%。調(diào)距槳本體內(nèi)由于有液壓執(zhí)行機構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機械部件多，制造、裝配、維護工作量大，成本高，價格約為定距槳的1.3倍左右。

定距槳與調(diào)距槳相比，它們在低推力時功率差異很大。因此，當(dāng)螺旋槳需要周期性的處于低負荷運行工況時，采用定距槳比調(diào)距槳需要的功率較小。根據(jù)相關(guān)資料，如以60%推力工作來看，定距槳可節(jié)能33%。若以25%推力年運行2 000 h，若以50%推力年運行2 000 h，若以100%推力年運行1 000 h的全年總運行5 000 h的非連續(xù)滿載周期變速運行例子計算，定距槳全年可節(jié)省燃油32%［1］，經(jīng)濟性相當(dāng)可觀。對于本吸盤挖泥船而言，這一點具有極大的應(yīng)用參考價值。

定距槳與調(diào)距槳的性能比較見表1，可見，調(diào)距槳性能明顯較差。

表1 定距槳與調(diào)距槳的性能比較

3 全電力驅(qū)動與一拖二動力配置方案

全電力驅(qū)動配置方案和一拖二（柴油機拖動螺旋槳和軸帶發(fā)電機）動力配置方案的主要性能和參數(shù)分析比較。

3.1 全電力驅(qū)動配置方案電站的選擇

全電力驅(qū)動配置方案電力負載的估算值見表2。

表2 電力負載估算表（全電力）單位：kW

根據(jù)上述估算結(jié)果，該船電站設(shè)為：3臺柴油發(fā)電機組，每臺機組功率1 600 kW。此時各工況的負載率見表3。

表3 電站配置方案及其負載率（全電力）

由表3可見，該方案在推進挖泥、絞進挖泥及航行狀態(tài)工況下負載率合理，處于較佳運營狀態(tài)。

3.2 一拖二動力配置方案方案電站的選擇

一拖二動力配置方案電力負荷估算見表4。

表4 電力負載的估算表（一拖二）單位：kW

根據(jù)以上估算結(jié)果，該船電站一拖二動力配置方案設(shè)為：2臺一拖二推進主機，柴油機功率均為1 717 kW，軸帶發(fā)電機功率均為1 200 kW。另外，艙內(nèi)泥泵（1 850 kW）需配約2 100 kW的柴油機發(fā)電機組1臺，柴油機功率約2 300 kW，通過電軸系統(tǒng)驅(qū)動（注：電軸系統(tǒng)指設(shè)置獨立的柴油發(fā)電機和電動機，用于泥泵的驅(qū)動和調(diào)速。電動機采用強勵磁啟動，通過改變柴油發(fā)電機組的柴油機轉(zhuǎn)速進行變頻，從而對泥泵進行調(diào)速）。此柴油發(fā)電機組布置在機艙內(nèi)，艙內(nèi)泥泵通過電機驅(qū)動，布置在泵艙內(nèi)。

此時各工況的負載率如表5所示。

表5 電站配置方案及其負載率（一拖二）

由表4、表5可知，該方案在推進挖泥及絞進挖泥工況時左柴油機負載率略低（約60%），左柴油機利用率不高；沒有備用機組，一旦其中某臺柴油機或軸發(fā)生故障，則無法進行挖泥工作。

3.3 方案比較

兩種方案裝機功率約有600 kW的差異，在設(shè)備布置、生命力、配電復(fù)雜度上也有較大區(qū)別，性能比較見下頁表6。

全電力驅(qū)動配置方案最大特點是在挖泥工況下生命力極高，當(dāng)任何一臺柴油機故障時，仍能維持自航挖泥（排量降低）和航行，而一拖二動力配置方案無法做到這一點。

全電力驅(qū)動配置方案驅(qū)動性能好、自動化程度高、工況變化時運行效率高；各種工況下，發(fā)電機負載率合理，能時常處于最佳運營狀態(tài)，且裝機功率低、燃油消耗節(jié)省、排污少、環(huán)保性能好。

表6 兩種動力型式性能比較

全電力驅(qū)動配置方案的機電設(shè)備部分投資可能是一拖二動力配置方案的1.3倍，但從該船的特定情況來看，全船的初投資全電力驅(qū)動配置方案約為后者的1.1倍。由于全電力驅(qū)動配置方案的運行費較低，所以在該船的全壽命周期內(nèi)，總費用較低，這已被多數(shù)電力推進船所證明。

因此，該船動力型式推薦采用全電力驅(qū)動配置方案。

4 全電力驅(qū)動配置方案的電機驅(qū)動方式比較

該船在全電力驅(qū)動配置方案中電機驅(qū)動方式有兩種，一種是較流行的變頻驅(qū)動方式，另一種是采用軟起動方式。軟起動方式雖然成本低廉，但無法對控制設(shè)備進行速度調(diào)節(jié)；然而，該船的艙內(nèi)泥泵和高壓沖水泵均有一定的調(diào)速要求，故無法采用軟起動方式。對于2臺舵槳，若采用軟起動方式，則需配置調(diào)距槳（具體結(jié)論詳見本文第2節(jié)），故該船不建議采用軟起動方式。

若采用全電力驅(qū)動配置方案，電機驅(qū)動只能采用變頻驅(qū)動方式。國內(nèi)已有許多舵槳采用變頻驅(qū)動的應(yīng)用實例，至于艙內(nèi)泥泵采用變頻驅(qū)動的情形，國外應(yīng)用更為普遍，國內(nèi)也已在該院設(shè)計的85 m深水挖泥船上得到應(yīng)用。

5 全電力驅(qū)動配置方案的配電系統(tǒng)比較

根據(jù)該船電站配置情況，配電系統(tǒng)可采用690 V～400 V二級電網(wǎng)及400 V一級電網(wǎng)兩種形式。

400 V一級電網(wǎng)因為只有一個400 V配電板，同時節(jié)省了2臺800 kVA的日用變壓器，因此具有成本低、設(shè)備簡單、管理維護方便的特點。由于該船電站總?cè)萘枯^大，400 V配電板設(shè)計有一定難度（主要是開關(guān)和母排的選擇）；并且，由于該船采用大量的變頻驅(qū)動，為了抑制諧波對400 V及220 V日用負載的影響，因此采用690 V～400 V二級電網(wǎng)。

采用690 V～400 V二級電網(wǎng)既解決了配電板內(nèi)開關(guān)和母排選擇的困難，又可抑制一部分諧波對日用負載的影響。690 V電網(wǎng)主要向舵槳、艙內(nèi)泥泵、高壓沖水泵等工作設(shè)備供電，同時通過2臺800 kVA的日用變壓器（一用一備）向400 V電網(wǎng)供電；400 V電網(wǎng)主要向全船輔助及生活設(shè)備供電。目前，這樣的配置在絞吸挖泥船和耙吸挖泥船中已得到普遍應(yīng)用。

全船電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 全船電力系統(tǒng)單線圖

6 結(jié) 論

綜上所述，鑒于全電力驅(qū)動配置方案較常規(guī)一拖二動力配置方案具有多方面的優(yōu)勢，最終該船電力系統(tǒng)可采用3臺690 V、1 600 kW柴油發(fā)電機組，通過690 V～400 V二級電網(wǎng)向全船負載供電；2臺變頻驅(qū)動舵槳、1臺變頻驅(qū)動艙內(nèi)泥泵、2臺變頻驅(qū)動高壓沖水泵。

當(dāng)自航推進挖泥和絞進挖泥工況時，運行3臺主發(fā)電機組；當(dāng)航行工況時，只需運行2臺主發(fā)電機組。

［1］朱滌，吳斐文.耙吸挖泥船全電動電力推進船型方案之探討［J］.船舶，2008（5）：36-41.

［2］范嘯平，王敏.現(xiàn)代艦船綜合電力推進技術(shù)綜述［J］.上海造船，2007（4）：34-37.

［3］李學(xué).綜合監(jiān)測船電力推進系統(tǒng)設(shè)計［J］.上海造船，2009（1）：40-42.

［4］CCS.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范［S］.北京：CCS，2009.