電軸系統(tǒng)及雙泵串聯(lián)技術在“通?？！碧柾谀啻械膽?/h1>
2015-11-24 08:12:08李海民
水科學與工程技術 2015年3期
李海民
（河北省水利工程局，石家莊050021）
1 工程概況
山東省南四湖屬淮河流域沂沭泗水系，是南陽、獨山、昭陽、微山等4個串聯(lián)湖泊的總稱，是我國第六大淡水湖，流域面積3.17萬km2。形狀狹長，南北—東西走向，南北長125km，東西寬5～25km，最窄處僅5km，一般湖底高程32.09m。
沂沭泗河洪水東調南下工程是淮河治理的重要組成部分，是國家的重點水利工程，也是南水北調東線主要組成部分。
本期南四湖湖內(nèi)淺槽工程按50年一遇洪水標準進行設計施工，主要完成淺槽四2+800～5+800段共3.0km湖內(nèi)疏浚開挖、圍堰修筑、圍堰基底及取土區(qū)表層清淤等項目。設計湖內(nèi)挖槽寬800m，開挖底高程30.79m，平均挖深1.51m，排距3.3～4.0km，湖內(nèi)開挖土方量370.93萬m3，開挖底高程以上疏浚范圍內(nèi)土層主要為粉質黏土和黏土，淺槽三含少量粉土，上部有30cm左右浮泥，因此所需施工設備為1000m3絞吸式（斗輪式）挖泥船，該設備的效率將直接影響到該項目的經(jīng)濟效益，還關系到施工安全及能否按期完工。
該項目2標段的施工合同價為3195.46萬元。
2 “通?？！碧柾谀啻ぷ髟?/h2>
“通海?！碧柾谀啻饕M成有:水下挖掘機具斗輪、艙內(nèi)泥漿泵、水下泥泵、臺車定位樁和輔助定位樁、3臺甲板絞車及船體。船體總長61.28m，船長48.95m，船寬12.20m，型深3.2m，空載吃水1.545m，滿載吃水1.85m。該船設計挖深20m，設計最大排距4000m，刀架總長26m，斗輪直徑3.5m，設計最高轉速27r/min，斗輪動力傳動系統(tǒng)采用3臺液壓馬達，總功率270kW。
挖泥船工作時，安裝在吸泥管入口處的旋轉式斗輪在液壓馬達的驅動下旋轉，不斷地切割和挖掘水下土層，形成泥沙和水的混合體后，經(jīng)水下泵從吸泥管的吸入口抽吸，至安置在機艙內(nèi)的離心式泥漿泵中，最后將較高濃度的泥漿通過管道輸送到排泥場。斗輪式挖泥船工作時，將主定位樁對準挖槽中心線下樁，作為橫挖的擺動中心和船體前移—進刀或者后移—退刀的支柱。隨后在開挖斷面的邊線處進刀，在每個挖泥位置，挖泥船依靠拋在挖泥區(qū)兩側的邊錨，通過設置在甲板上的絞車收放纜繩，實現(xiàn)挖泥船船首的左右擺動，從而完成一個扇形開挖面。當每挖完一個段面后，設置在船艙內(nèi)的液壓系統(tǒng)驅動臺車液壓缸頂推臺車定位樁，而使船體向前移動一段距離，實現(xiàn)了開挖工作面的前移。當臺車液壓缸行程走完后（本船行程4.5m），進行換樁，放下船尾副定位樁，提升臺車定位樁使之脫離土層，隨后驅動臺車液壓缸使臺車定位樁收回復位，再落下臺車上的定位樁，提升副樁脫離土層，至此，完成了一個挖泥循環(huán)進程。然后重復此過程直至完成疏浚工程任務。
3 “通?？！碧柾谀啻瑒?chuàng)新設計
經(jīng)調查國內(nèi)使用的挖泥船一般采用單臺艙內(nèi)泵形式，為艙內(nèi)泵吸排式，不進行水下泵的設計和安裝。目前在國內(nèi)疏浚行業(yè)，斗輪式（絞吸式）挖泥船是其行業(yè)的主要設備之一，電軸系統(tǒng)及雙泵串聯(lián)技術的研究和應用，在國內(nèi)外文獻中、類似復雜環(huán)境的工程中還未見成功實例的報道。
在挖泥船研究制作過程中，重點探討如何提高泥漿濃度和挖泥船的綜合效益上，因此對傳統(tǒng)制造進行創(chuàng)新，將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處位置，采用水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)輸送結構，兩泵同時工作，艙內(nèi)泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。
經(jīng)與同類挖泥船效益綜合計算比較，可節(jié)約成本資金680萬元以上，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。
電機短軸傳動機械效率較之液壓傳動效率可由70%提高到95%以上，進一步提高了挖泥產(chǎn)量和效益。
疏浚開挖單方油耗量降低36%，確保設備的施工能力，保質量、保工期完成施工任務。
3.1 電軸系統(tǒng)
由發(fā)電機直接供電給電動機的系統(tǒng)稱電軸系統(tǒng)，電軸系統(tǒng)特點為發(fā)電機和電動機之間直接連接，無需斷路器及任何布線。電軸系統(tǒng)電動機的起動是通過控制發(fā)電機的勵磁電流來實施，組成閉環(huán)系統(tǒng)。電動機的調速是調發(fā)電機的原動機即柴油機的轉速來實施，發(fā)電機的頻率、電壓也隨著變化，從而改變了電動機的轉速，電動機的轉速可在70%～100%（1050～1500r/min）之間變化，電動機以恒轉矩輸出。
本船電軸系統(tǒng)由1臺700kW、690V發(fā)電機驅動1臺600kW、690V電動機，電動機起動后，電動機的轉速是直接調節(jié)柴油機的速度來實施的。
3.2 雙泵串聯(lián)技術
采用水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)輸送結構，兩泵同時工作，艙內(nèi)泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。有效提高了挖泥船的工作效率。
3.2.1 水下泵采用“電動機+短軸”驅動方案
水下泥泵的驅動方式按傳動方式可分為長軸和短軸，動力裝置又可分為電動機和液壓，因此有以下幾種驅動方案可供選擇：①電動機+長軸方案，具有可靠性高、維修保養(yǎng)方便、技術難度小、價格適中等優(yōu)點，但絞刀齒輪箱尺度過大導致增設的電動機和齒輪箱布置困難，且水下泥泵驅動軸線與絞刀中心線不平行使得維修拆裝不便；②電動機+短軸方案，若采用注油式水下電動機直接驅動，具有技術先進、傳動效率高、安裝經(jīng)濟便捷等優(yōu)點，但價格較高、維修技術難度大，若采用交流電動機、齒輪箱短軸驅動，其突出優(yōu)點是成本低，但由于電動機在水下工作，絕緣差、易燒壞，因此可靠性較差、維修不方便；③液壓馬達驅動，具有驅動方式簡單、維修量小、成本適中的特點，但動力輸出損耗較大，減少了變壓設備和電機的使用壽命和運行效率，至今未有550kW以上大功率液壓馬達驅動水下泥泵的相關資料，案例很少。
綜合以上的分析，并兼顧性能的可靠性、維修工作的難易、價格及改造難度等因素，最終選定“電動機+短軸”的驅動方案。實踐證明，這種驅動形式具有可靠性高、維修保障率高等優(yōu)點。
3.2.2 水下泵功率計算及選型
水下泵轉速為420min時的性能參數(shù)為：排量（清水）4000m3/h，揚程25m，H2O效率（清水）0.75。
水下泵（清水）軸功率為：
水下泵（中砂）軸功率N：
輸入功率：
N輸2=Nm/η泵×η馬達×η齒×η齒=432/0.85×0.85×0.98×0.98=622.5kW
其中 η泵=0.85，η馬達=0.85，η齒=0.98。
水下泵柴油機型號為6210ZLC-6，額定功率735kW，額定轉速830r/min，可滿足要求。在選擇水下泵時，應對艙內(nèi)泥泵和水下泥泵特性曲線進行比較，選擇合適的水下泥泵，以提高挖泥效率。
4 結語
通過設計制造“通海?！碧柖份喪酵谀啻?，利用電軸系統(tǒng)及雙泵串聯(lián)技術，將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處的位置，采用水下泵與艙內(nèi)泵輸送結構，兩泵同時工作，艙內(nèi)泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，提高了挖泥的泥漿濃度，加大了挖深，增加了排距，使得船體對工況適應性更強，大大提高了挖泥船的工作效率及綜合效益，值得加以研究和推廣。
［1］劉守金.絞吸式挖泥船施工與管理［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.
［2］鄒國華.200m3/h絞吸式挖泥船的技術改造［J］.水運工程，2002（12）：47-49.
［3］中國水利學會，中國水力發(fā)電工程學會，機械疏浚專業(yè)委員會.工程船舶液壓傳動［R］.
［4］象山海申機電總廠.5520斗輪式挖泥船電氣原理設計［R］.
［5］JTJ319—99，疏浚工程技術規(guī)范［S］.
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沂沭泗河洪水東調南下工程是淮河治理的重要組成部分，是國家的重點水利工程，也是南水北調東線主要組成部分。
本期南四湖湖內(nèi)淺槽工程按50年一遇洪水標準進行設計施工，主要完成淺槽四2+800～5+800段共3.0km湖內(nèi)疏浚開挖、圍堰修筑、圍堰基底及取土區(qū)表層清淤等項目。設計湖內(nèi)挖槽寬800m，開挖底高程30.79m，平均挖深1.51m，排距3.3～4.0km，湖內(nèi)開挖土方量370.93萬m3，開挖底高程以上疏浚范圍內(nèi)土層主要為粉質黏土和黏土，淺槽三含少量粉土，上部有30cm左右浮泥，因此所需施工設備為1000m3絞吸式（斗輪式）挖泥船，該設備的效率將直接影響到該項目的經(jīng)濟效益，還關系到施工安全及能否按期完工。
該項目2標段的施工合同價為3195.46萬元。
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“通海?！碧柾谀啻饕M成有:水下挖掘機具斗輪、艙內(nèi)泥漿泵、水下泥泵、臺車定位樁和輔助定位樁、3臺甲板絞車及船體。船體總長61.28m，船長48.95m，船寬12.20m，型深3.2m，空載吃水1.545m，滿載吃水1.85m。該船設計挖深20m，設計最大排距4000m，刀架總長26m，斗輪直徑3.5m，設計最高轉速27r/min，斗輪動力傳動系統(tǒng)采用3臺液壓馬達，總功率270kW。
挖泥船工作時，安裝在吸泥管入口處的旋轉式斗輪在液壓馬達的驅動下旋轉，不斷地切割和挖掘水下土層，形成泥沙和水的混合體后，經(jīng)水下泵從吸泥管的吸入口抽吸，至安置在機艙內(nèi)的離心式泥漿泵中，最后將較高濃度的泥漿通過管道輸送到排泥場。斗輪式挖泥船工作時，將主定位樁對準挖槽中心線下樁，作為橫挖的擺動中心和船體前移—進刀或者后移—退刀的支柱。隨后在開挖斷面的邊線處進刀，在每個挖泥位置，挖泥船依靠拋在挖泥區(qū)兩側的邊錨，通過設置在甲板上的絞車收放纜繩，實現(xiàn)挖泥船船首的左右擺動，從而完成一個扇形開挖面。當每挖完一個段面后，設置在船艙內(nèi)的液壓系統(tǒng)驅動臺車液壓缸頂推臺車定位樁，而使船體向前移動一段距離，實現(xiàn)了開挖工作面的前移。當臺車液壓缸行程走完后（本船行程4.5m），進行換樁，放下船尾副定位樁，提升臺車定位樁使之脫離土層，隨后驅動臺車液壓缸使臺車定位樁收回復位，再落下臺車上的定位樁，提升副樁脫離土層，至此，完成了一個挖泥循環(huán)進程。然后重復此過程直至完成疏浚工程任務。
3 “通?？！碧柾谀啻瑒?chuàng)新設計
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在挖泥船研究制作過程中，重點探討如何提高泥漿濃度和挖泥船的綜合效益上，因此對傳統(tǒng)制造進行創(chuàng)新，將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處位置，采用水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)輸送結構，兩泵同時工作，艙內(nèi)泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。
經(jīng)與同類挖泥船效益綜合計算比較，可節(jié)約成本資金680萬元以上，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。
電機短軸傳動機械效率較之液壓傳動效率可由70%提高到95%以上，進一步提高了挖泥產(chǎn)量和效益。
疏浚開挖單方油耗量降低36%，確保設備的施工能力，保質量、保工期完成施工任務。
3.1 電軸系統(tǒng)
由發(fā)電機直接供電給電動機的系統(tǒng)稱電軸系統(tǒng)，電軸系統(tǒng)特點為發(fā)電機和電動機之間直接連接，無需斷路器及任何布線。電軸系統(tǒng)電動機的起動是通過控制發(fā)電機的勵磁電流來實施，組成閉環(huán)系統(tǒng)。電動機的調速是調發(fā)電機的原動機即柴油機的轉速來實施，發(fā)電機的頻率、電壓也隨著變化，從而改變了電動機的轉速，電動機的轉速可在70%～100%（1050～1500r/min）之間變化，電動機以恒轉矩輸出。
本船電軸系統(tǒng)由1臺700kW、690V發(fā)電機驅動1臺600kW、690V電動機，電動機起動后，電動機的轉速是直接調節(jié)柴油機的速度來實施的。
3.2 雙泵串聯(lián)技術
采用水下泵與艙內(nèi)泵串聯(lián)輸送結構，兩泵同時工作，艙內(nèi)泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，大大提高了泥泵吸入泥漿的濃度。有效提高了挖泥船的工作效率。
3.2.1 水下泵采用“電動機+短軸”驅動方案
水下泥泵的驅動方式按傳動方式可分為長軸和短軸，動力裝置又可分為電動機和液壓，因此有以下幾種驅動方案可供選擇：①電動機+長軸方案，具有可靠性高、維修保養(yǎng)方便、技術難度小、價格適中等優(yōu)點，但絞刀齒輪箱尺度過大導致增設的電動機和齒輪箱布置困難，且水下泥泵驅動軸線與絞刀中心線不平行使得維修拆裝不便；②電動機+短軸方案，若采用注油式水下電動機直接驅動，具有技術先進、傳動效率高、安裝經(jīng)濟便捷等優(yōu)點，但價格較高、維修技術難度大，若采用交流電動機、齒輪箱短軸驅動，其突出優(yōu)點是成本低，但由于電動機在水下工作，絕緣差、易燒壞，因此可靠性較差、維修不方便；③液壓馬達驅動，具有驅動方式簡單、維修量小、成本適中的特點，但動力輸出損耗較大，減少了變壓設備和電機的使用壽命和運行效率，至今未有550kW以上大功率液壓馬達驅動水下泥泵的相關資料，案例很少。
綜合以上的分析，并兼顧性能的可靠性、維修工作的難易、價格及改造難度等因素，最終選定“電動機+短軸”的驅動方案。實踐證明，這種驅動形式具有可靠性高、維修保障率高等優(yōu)點。
3.2.2 水下泵功率計算及選型
水下泵轉速為420min時的性能參數(shù)為：排量（清水）4000m3/h，揚程25m，H2O效率（清水）0.75。
水下泵（清水）軸功率為：
水下泵（中砂）軸功率N：
輸入功率：
N輸2=Nm/η泵×η馬達×η齒×η齒=432/0.85×0.85×0.98×0.98=622.5kW
其中 η泵=0.85，η馬達=0.85，η齒=0.98。
水下泵柴油機型號為6210ZLC-6，額定功率735kW，額定轉速830r/min，可滿足要求。在選擇水下泵時，應對艙內(nèi)泥泵和水下泥泵特性曲線進行比較，選擇合適的水下泥泵，以提高挖泥效率。
4 結語
通過設計制造“通海?！碧柖份喪酵谀啻?，利用電軸系統(tǒng)及雙泵串聯(lián)技術，將水下泵前移安裝于斗輪裝置后10m處的位置，采用水下泵與艙內(nèi)泵輸送結構，兩泵同時工作，艙內(nèi)泵起排送作用，水下泵負責抽送泥漿，提高了挖泥的泥漿濃度，加大了挖深，增加了排距，使得船體對工況適應性更強，大大提高了挖泥船的工作效率及綜合效益，值得加以研究和推廣。
［1］劉守金.絞吸式挖泥船施工與管理［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.
［2］鄒國華.200m3/h絞吸式挖泥船的技術改造［J］.水運工程，2002（12）：47-49.
［3］中國水利學會，中國水力發(fā)電工程學會，機械疏浚專業(yè)委員會.工程船舶液壓傳動［R］.
［4］象山海申機電總廠.5520斗輪式挖泥船電氣原理設計［R］.
［5］JTJ319—99，疏浚工程技術規(guī)范［S］.
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