某耙吸挖泥船發(fā)電機配置優(yōu)化分析

姜曉翔 湯 山

（1.上海交通大學 上海200030；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；3.長江航道局 武漢430010）

引 言

當前長江上游航道等級低與運量大的矛盾突出，礙航的現(xiàn)象時有發(fā)生；航道發(fā)展與疏浚設(shè)備能力不足的矛盾也日益顯現(xiàn)［1］。為提升航道維護能力，保障航道安全暢通，經(jīng)過對服務(wù)水域疏浚作業(yè)量及疏浚能力要求的調(diào)研，長江航道局擬建一艘自航耙吸挖泥船交付長江重慶航道工程局使用。

本船主要用于長江三峽庫區(qū)重慶以下變動回水區(qū)及常年庫區(qū)河段的泥沙維護疏浚工作及淺水水域的應(yīng)急疏浚作業(yè)。針對長江中上游的特點，本船設(shè)置了常規(guī)耙吸挖泥船所沒有的首沖功能。同時，根據(jù)對服務(wù)水域的調(diào)查分析，使用方提出了耙吸作業(yè)時流速2.5 m/s（一般耙吸挖泥船均以2 m/s作為設(shè)計條件）以及首沖作業(yè)時流速4 m/s的高要求。特殊工況以及工作水域的惡劣環(huán)境條件決定了本船電力配置的復(fù)雜性。

1 船舶概況

1.1 基本作業(yè)功能

本船為單泵、雙邊耙設(shè)置，單耙施工，艏部設(shè)有首沖裝置，主要具有以下5種作業(yè)功能：

（1）耙吸挖泥裝艙：耙吸裝艙作業(yè)時，泥泵吸入的泥漿經(jīng)過消能箱載入泥艙，泥艙設(shè)有無級調(diào)節(jié)溢流筒控制溢流和裝載。設(shè)5個2級開啟的錐閥泥門分組或同時進行卸泥。泥艙內(nèi)還設(shè)置高壓沖水管系協(xié)助卸泥，減少殘泥量。

（2）耙吸挖泥邊拋：耙吸邊拋作業(yè)時，泥泵吸入的泥漿可直接經(jīng)邊拋管向舷外噴射拋泥。邊拋管由油缸驅(qū)動可向左舷或右舷轉(zhuǎn)動，選擇拋泥方向。

（3）首沖邊拋：本船首部設(shè)置的首沖架采用剛臂型式，首樓甲板上設(shè)置絞車和吊架進行首沖架的收放。調(diào)遣航行時，首沖架吊出水面。施工時，首沖架放至貼近河床，首沖架上設(shè)有噴嘴和吸沙口，通過高壓沖水泵進行沖沙，通過泥泵將沖起的泥沙直接由吸口吸入經(jīng)邊拋管向舷外噴射拋泥。

（4）抽艙邊拋：采用高壓沖水稀釋艙內(nèi)泥漿，同時打開抽艙閘閥，泥泵經(jīng)艙內(nèi)抽艙支管和總管吸入泥漿經(jīng)邊拋管向舷外噴射拋泥。邊拋管由油缸驅(qū)動可向左舷或右舷轉(zhuǎn)動，選擇拋泥方向。

（5）抽艙邊排：采用高壓沖水稀釋艙內(nèi)泥漿，同時打開抽艙閘閥，泥泵經(jīng)艙內(nèi)抽艙支管和總管吸入泥漿經(jīng)邊排管向舷外排泥。邊排管在兩舷舷側(cè)留有接口，可根據(jù)實際需要選擇任何一側(cè)聯(lián)接裝駁船或其他管線。

1.2 動力配置

本船采用雙機雙槳推進以及“一拖二”復(fù)合驅(qū)動。

主機為2臺不可逆轉(zhuǎn)的中速柴油機，每臺主機在飛輪端經(jīng)高彈聯(lián)軸節(jié)、雙輸出齒輪箱，驅(qū)動可調(diào)螺距螺旋槳及軸帶發(fā)電機。泥泵由電動機驅(qū)動。

軸帶發(fā)電機作為本船主發(fā)電機向全船供電，其容量滿足規(guī)范的要求，另設(shè)置輔柴油發(fā)電機組作為備用。根據(jù)停泊、應(yīng)急及值班工況的全船用電需求，還設(shè)有相應(yīng)的停泊/應(yīng)急柴油發(fā)電機組及值班柴油發(fā)電機組。

在軸發(fā)供電的模式下，主機轉(zhuǎn)速維持在100%，主推進系統(tǒng)處于恒速模式，以保證全船的正常供電。2臺軸發(fā)電機之間、軸發(fā)與輔發(fā)電機、輔發(fā)電機與停泊/應(yīng)急發(fā)電機、停泊/應(yīng)急發(fā)電機與值班發(fā)電機之間均可短時并聯(lián)進行負荷轉(zhuǎn)移，達到不斷電切換的目的。

另外，針對本船的復(fù)雜工況，配置了1套功率管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)工況的靈活轉(zhuǎn)換、設(shè)備的監(jiān)測和保護、操作的自動化等功能。

2 發(fā)電機配置優(yōu)化緣由

根據(jù)船型、總體性能要求，并結(jié)合各工況需求，初步估算得到本船典型工況下各設(shè)備所需的功率，見下頁表1。

根據(jù)表1所列的功率需求，本船動力裝置的初始配置方案為：設(shè)2臺2 000 kW主推進柴油機，并配置2臺1 200 kW軸帶發(fā)電機作為主發(fā)電機，1臺1 200 kW輔發(fā)電機組作為主發(fā)電機的備用，另外設(shè)1臺220 kW停泊/應(yīng)急發(fā)電機組以及1臺64 kW值班發(fā)電機組。

此方案的發(fā)電機配置為“2臺軸發(fā)+1臺輔發(fā)”的常規(guī)形式，具有以下幾種功能：

（1）自由航行或進出港時，軸帶發(fā)電機可提供全船用電。

（2）疏浚作業(yè)時，兩臺軸帶發(fā)電機分區(qū)供電，1臺向泥泵電動機供電，另1臺向高壓沖水泵電動機及全船日用負載供電。輔發(fā)電機組可視不同作業(yè)工況的主機負荷情況需要運行。

（3）當任意1臺軸帶發(fā)電機發(fā)生故障時，輔發(fā)電機組可自動起動，并自動連接至主配電板進行供電。

表1 典型工況所需功率分配表

根據(jù)此方案的動力裝置配置，通過深入計算各典型工況的電力負荷，并考慮合理的傳動效率，可以在不同的負荷分配下，得到相應(yīng)的主機和輔發(fā)電機組的負荷率。

考慮在所有工況下，輔發(fā)電機組均作為備用而不運行，所得主機的負荷分配及負荷率統(tǒng)計見表2。

由表2可發(fā)現(xiàn)，在抽艙邊拋工況下，由于左主機不帶推進負載，使得負荷率低于50%，而一般廠商推薦最好維持在50%以上，但此工況不作為長期運行工況，進行短時施工作業(yè)所產(chǎn)生的不良影響十分有限。

表2 典型工況主機的負荷分配及負荷率（輔發(fā)電機組不運行）%

然而，在挖泥裝艙工況下，右主機將出現(xiàn)超負荷運行的情況，會加快機件磨損（特別是運動部件），縮短機器使用壽命［2］；在首沖邊拋工況下，右主機的負荷率也較高，功率儲備極少。因此，在這兩種常用工況下進行施工作業(yè)時，需要運行輔發(fā)電機組，使得主機能夠運行于合理的工作點并且有一定的功率儲備。運行輔發(fā)電機組也有兩種負荷分配方式，見表3和表4。

表3 挖泥裝艙及首沖邊拋工況主、輔機的負荷分配及負荷率（方式一）%

表4 挖泥裝艙及首沖邊拋工況主、輔機的負荷分配及負荷率（方式二）%

可見，方式1的主機負荷率較為合理，但輔發(fā)電機組的負荷率偏低；方式2的輔發(fā)電機組負荷率較為合理，但右主機負荷率又略顯偏低。柴油機長期低負荷運轉(zhuǎn)將導致燃油燃燒不充分而冒黑煙、污染環(huán)境、燃滑油消耗大、柴油機零部件磨損增加、性能變差［3］等后果。

另外，不管采用哪種方式，在這2種工況下，均需運行輔發(fā)電機組而沒有備用發(fā)電機。一旦1臺軸帶發(fā)電機出現(xiàn)故障，本船的施工作業(yè)將受到較大影響。

總之，鑒于本船作業(yè)功能多樣、作業(yè)工況復(fù)雜，采用“2臺軸發(fā)+ 1臺輔發(fā)”的發(fā)電機配置形式存在設(shè)備負荷率較低以及功率分配不靈活等缺點，有必要對發(fā)電機配置方案進行優(yōu)化。

3 發(fā)電機配置優(yōu)化方案

3.1 優(yōu)化方案

經(jīng)過綜合分析，考慮將原方案的1臺1 200 kW輔發(fā)電機組改為2臺600 kW輔發(fā)電機組，即將發(fā)電機配置方案優(yōu)化為“2臺軸發(fā)+ 2臺輔發(fā)”的形式，整個電力系統(tǒng)的一次單線圖如圖1所示。

圖1 優(yōu)化方案電力系統(tǒng)一次單線圖

3.2 主機、輔機負荷率的計算分析

相對于原方案，優(yōu)化方案的功率分配相當靈活，主要體現(xiàn)在：當主機負荷較高時，可運行1臺輔發(fā)電機組向全船日用負載供電，另1臺輔發(fā)電機組作為備用；當任意1臺軸帶發(fā)電機發(fā)生故障時，兩臺輔發(fā)電機組可并聯(lián)運行進行供電。

根據(jù)優(yōu)化方案的動力裝置配置，通過進一步計算，所得設(shè)備負荷率統(tǒng)計見表5和表6。

表5 優(yōu)化方案的主、輔機負荷分配及負荷率（正常情況）

表6 優(yōu)化方案的主、輔機負荷分配及負荷率（假設(shè)右軸發(fā)故障）

由表5可以看出，正常情況下，各工況的主、輔機負荷率都較為合理，也具有一定的功率儲備，同時還有1臺輔發(fā)電機組備用。

由表6可以看出，若右軸帶發(fā)電機發(fā)生故障，各工況的左主機及輔發(fā)電機組負荷率也都較為合理。由于右主機僅帶推進負載，因此在作業(yè)工況下負荷率稍低，但在這種故障模式下，本船仍可進行施工作業(yè)。

值得一提的是，以上計算均是基于設(shè)計任務(wù)書提出的最大環(huán)境設(shè)計條件，但一般較少遇到這種情況。而在通常的環(huán)境條件下，顯然優(yōu)化方案的發(fā)電機配置將擁有更大的冗余度。

4 結(jié) 論

通過上述理論計算及分析比較可知，雖然將1臺1 200 kW輔發(fā)電機組改為2臺600 kW輔發(fā)電機組僅是一個小小的配置優(yōu)化，但對本船動力系統(tǒng)乃至疏浚性能的改善起到了巨大作用。在裝機功率基本不變的情況下，不僅減少了設(shè)備的初投資成本（根據(jù)相關(guān)設(shè)備廠商的報價），還增加了冗余性，使得各工況動力裝置的功率負荷更加合理且功率分配更加靈活，大大增強了本船對于不同工況的適用能力，提高了效率，同時達到了節(jié)能減排的效果。

［1］ 徐本舉.淺談長江上游航道疏浚船舶技術(shù)的發(fā)展趨勢［C］//中國第四屆國際疏浚技術(shù)發(fā)展會議，2011：366-374.

［2］ 李湛，梁榕輝，王希龍.論船用主柴油機的超負荷［J］.中國修船，2009（2）：16-18.

［3］ 萬德玉，劉少珍，董占春.淺談柴油機的低負荷性能［J］.內(nèi)燃機與動力裝置，2008（4）：1-4.