挖沙船的變頻節(jié)能改造分析

希望森蘭科技股份有限公司 李占峰，杜俊明

1 概述

挖沙船即沙石采掘工具，是從河道內(nèi)水中提取黃沙資源的機械船只，常為流動作業(yè)，內(nèi)陸河道挖沙船采沙能力幾十噸到幾千噸不等，大型的河道采沙船機械化和自動化程度更高，一條挖沙船即可成為一個生產(chǎn)單位，可以實行采沙和沙石分離精選全過程。隨著建筑業(yè)的日漸發(fā)展，沙土應(yīng)用量也日益增大，這也給挖沙船帶來了巨大的商機。

挖沙船的種類很多，從挖沙方式上可以分為機械挖沙和吸揚挖沙兩大類。機械挖沙是利用沙斗在水下直接抓沙、提升，完成水下挖沙過程，按沙斗型式不同分為抓斗式、鏟斗式和鏈斗式三種。抓斗式挖沙船利用設(shè)在船上可以以旋轉(zhuǎn)的吊機完成挖沙作業(yè)。起重吊桿將抓斗轉(zhuǎn)動到預(yù)定的挖掘地點，將抓斗放在接近水面時，松開絞車鼓輪，讓已經(jīng)張開的抓斗在自重作用下，在水中垂直下落，當(dāng)抓斗到達(dá)你面前，斗齒破土插入泥沙中。此后，絞緊閉斗纜索，抓斗閉合。將抓斗起吊出水后，吊桿旋轉(zhuǎn)至預(yù)定卸沙處。鏟斗式挖沙船是在船體端部安裝了鏟斗機(可使用索式鏟，也可以使用硬臂的正向鏟或反向鏟)。鏟斗式挖沙船的挖沙原理與陸地上的同類挖掘機械相同。鏈斗式挖沙船最明顯的特點就是它的斗鏈。斗鏈?zhǔn)怯缮扯泛玩湽?jié)組成的，它纏繞在挖沙船斗橋的上下導(dǎo)輪之間。鏈斗式挖沙船就是靠斗鏈完成切沙、裝沙過程的。挖沙作業(yè)時，斗鏈在上導(dǎo)輪的動力驅(qū)動下，在水下連續(xù)完成切沙、裝沙。提升工藝過程。沙斗在轉(zhuǎn)過斗橋上導(dǎo)輪轉(zhuǎn)而向下時，斗中的泥沙因自重而卸入斗橋上導(dǎo)輪下方的皮帶輸送機上，繼而被送入運輸船或被直接拋到岸上的卸沙地點。

吸揚式挖沙船利用裝在船上的泥漿泵，在水下吸砂管端部造成負(fù)壓，將吸入的沙漿通過排沙管輸送出去。吸揚式挖沙船的挖沙過程是首先將吸砂管端部保持在水底，并開動泥漿泵后，吸砂管端部連續(xù)吸入泥沙。有的自航吸揚式挖沙船配備有儲存艙，在儲存艙裝滿后，將沙運到卸沙區(qū)。有的吸揚式挖沙船不具備儲存艙，需另配運輸船隨行，以接運吸上來的泥沙。也有的吸揚式挖沙船采用直接將泥沙排到岸上卸沙區(qū)的方式，即邊吸邊拋。

目前，使用較多的是鏈斗式挖沙船。挖沙船的主要電氣設(shè)備有用來拖動挖掘鏈條的兩臺主電動機，主電動機的功率由挖沙船的大小決定，例如2000噸的挖沙船的兩臺主電動機的功率均為600kW，輔助設(shè)備電動機（包括船上生活用電設(shè)備）的功率總共有300kW左右。挖掘鏈條有幾十噸重，要求同時起動，不論是星三角起動還是自耦減壓起動方式，起動電流都很大，一般起動電流是電動機額定電流的5倍左右，并且要求頻繁起/停。眾所周知挖沙船不可能用河岸上的電源供電，船上自帶柴油發(fā)電機，柴油發(fā)電機的容量根據(jù)主電動機的功率，再考慮到主電動機起動電流和其他輔助設(shè)備電動機的容量等因素確定。

2 柴油發(fā)電機容量的計算[1]

按主電動機起動尖峰負(fù)荷計算發(fā)電機的容量，根據(jù)已知條件可選擇下列公式分別進(jìn)行計算。

假定已知用電設(shè)備的額定容量、功率因數(shù)、效率和電動機的起動電流倍數(shù)則發(fā)電機的最小視在功率（kVA）：

（1）式中：

kG——發(fā)電機綜合過負(fù)荷系數(shù)，取1.5?？紤]到因尖峰負(fù)荷造成電壓、頻率降低而導(dǎo)致電機功率下降和發(fā)電動機允許短時過載倍數(shù)的綜合系數(shù)；

βmax——單臺最大容量電動機的起動電流倍數(shù)；

Pmax——單臺最大容量電動機的額定容量kW；max

η ——單臺最大容量電動機的效率；

max?tg ——單臺最大容量電動機功率因數(shù)角正切值。

如前所述，若不知每臺用電設(shè)備的功率因數(shù)和效率時，則可用（2）式近似計算。

（2）式中：

22GS ——按每臺用電設(shè)備視在功率算術(shù)求和并計入單臺最大容量電動機的起動視在功率（不重復(fù)計算額定視在功率），計算發(fā)電機的最小額定（輸出）視在功率，kVA；

maxS ——單臺最大容量電動機的額定視在功率，kVA；

maxI ——單臺最大容量電動機的額定電流。

同樣，只知道每臺電動機的額定功率時，可用（3）式簡略地計算發(fā)電機的容量：

由上2000噸挖沙船主電動機和輔助設(shè)備數(shù)據(jù)，為簡化計，采用（3）式計算：

公式中電動機的起動時每次只起動一臺，實際情況是同時起動兩臺，因此 Pmax= 1200kW，電動機的起動電流按5倍計算，由此柴油機發(fā)電機的容量為6300kVA，即功率為5000kW柴油發(fā)電機。

3 起動方式的比較[2]

如上所述，用星三角起動或自耦減壓起動方式，電動機的起動電流較大，導(dǎo)致所選用的柴油發(fā)電機的容量過大，實際上柴油發(fā)電機容量過大的原因完全為了滿足船上主電動機的起動條件，正常運行后，主電動機的電流并不大，一般應(yīng)在額定電流以下。因此，減小電動機的起動電流，就可選較小容量的柴油發(fā)電機，這樣可節(jié)省大量的初始投資，而且正常運行中較小容量的柴油機比容量較大的柴油機少消耗柴油。

減少電動機起動電流的方法有傳統(tǒng)的星三角、自耦減壓起動方式，這兩種起動方式減小的電流不顯著。現(xiàn)在使用較多的是控制晶閘管導(dǎo)通角的“軟起動器”和控制頻率和電壓的“變頻器”來實現(xiàn)電動機軟起動，減小電動機起動電流。這兩種方法中，軟起動器起動電動機采用恒頻變壓起動，當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角較小時，軟起動器輸出的電壓較低，電動機的轉(zhuǎn)子仍處于靜止?fàn)顟B(tài)，定子旋轉(zhuǎn)磁場是50Hz，轉(zhuǎn)差率最大，等于1。由于輸出電壓較低，起動電流比星三角、自耦減壓起動方式略小，用限流起動方式最小也有2.5倍額定電流，而且起動轉(zhuǎn)矩較低，不適用于這種重載起動。加大限流的倍數(shù)，起動轉(zhuǎn)矩有所改善，但起動電流太大也是不可取的。

變頻器控制輸出的電壓和頻率，改變轉(zhuǎn)子速度和頻率是一種改變旋轉(zhuǎn)磁場同步速度的方法，轉(zhuǎn)差率不變，一般可在電動機額定電流下起動，而且起動轉(zhuǎn)矩在額定轉(zhuǎn)矩以上。因此，用變頻器起動挖沙船上的主電動機可大大地降低起動電流，船上柴油機的容量也可根據(jù)變頻器起動主電機的起動電流來選取。如2000噸的挖沙船用傳統(tǒng)的星三角、自耦減壓起動方式，柴油發(fā)電機的功率為5000kW，改用變頻器起動，柴油發(fā)電機的功率2000kW足夠。

4 變頻器在挖沙船上的應(yīng)用

（1）小型斗輪式挖沙船用兩臺主電機均為30kW用來拖動挖掘鏈條，鏈條就有幾十噸重，要求同時起動，并且是頻繁起動。電源為250kVA的柴油發(fā)電機，耗油45L/h，120kVA耗油23L/h。若用變頻驅(qū)動，則柴油發(fā)電機用東風(fēng)，型號90GF6BTA5.9-G2，功率90/99kW(80/88kW,18.5L/h)，23L/h。節(jié)省油料的數(shù)量很大，經(jīng)濟效益十分可觀。

（2）大型斗輪式挖沙船用兩臺800kW變頻器驅(qū)動兩臺600kW電機來拖動挖掘鏈條，柴油發(fā)電機2000kW，油耗為180kg/h，若不用變頻器，柴油發(fā)電機組要用到5000kW以上，每小時的節(jié)油量超過200kg。

（3）由于變頻器是安裝在挖沙船上，挖沙船是不斷移動的，所以應(yīng)用在挖沙船上的變頻器又有許多不同于一般機械的特殊要求，例如設(shè)備尺寸和重量、散熱及防護(hù)要求等。

5 結(jié)語

挖沙船變頻節(jié)能改造后，可以實現(xiàn)電機軟啟動，起動電流小于額定電流，降低對設(shè)備的沖擊，大大減少設(shè)備的維護(hù)量，同時可以降低柴油發(fā)電機的容量，減少前期投資；另外，采用變頻調(diào)速后，可以節(jié)省電能，由于挖沙船上的用電都是柴油機提供的，所以可以節(jié)省大量的柴油，由于現(xiàn)在柴油價格越來越貴，油料大量節(jié)省也使企業(yè)降低成本，增加利潤。

挖沙船采用變頻調(diào)速技術(shù)，不但獲得傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)無法比擬的控制性能，在節(jié)約能源方面也顯示出非常大的優(yōu)勢，因此，變頻調(diào)速技術(shù)在挖沙船上推廣應(yīng)用的前景十分廣闊。

[1] 任元會, 卞鎧生, 等. 工業(yè)與民用配電設(shè)計手冊 (第三版) [M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[2] 趙洪禮. 鼠籠電機軟啟動方式綜合分析[J]. 煤炭技術(shù), 2009, 28 (07) : 59 - 62.