全變頻電驅(qū)大型4 500 m3/h非自航絞吸挖泥船設(shè)計簡介

劉凱鋒

（中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司，上海200136）

全變頻電驅(qū)大型4 500 m3/h非自航絞吸挖泥船設(shè)計簡介

劉凱鋒

（中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司，上海200136）

簡要介紹中交上航局正在籌建的全變頻電驅(qū)大型4 500 m3/h非自航絞吸挖泥船的技術(shù)狀態(tài)，并與以往建成使用的大型絞吸船進行比較分析，以此對公司大型設(shè)備升級改造具有一定的借鑒意義。

大型絞吸船；全變頻驅(qū)動；設(shè)計簡介

引言

自從2005年以來，由中交上海航道局有限公司自行設(shè)計和建造的國內(nèi)第一艘2 000 m3/h非自航絞吸船“航絞2001”輪問世以來，通過不斷引進、消化先進技術(shù)和自主創(chuàng)新，先后建成了大型3 500 m3/h絞吸船十余艘，為提高民族疏浚產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)企業(yè)又好又快發(fā)展作出了杰出貢獻。

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，高性能的變頻器可以滿足驅(qū)動大型絞吸船的艙內(nèi)泥泵、水下泥泵、絞刀等大功率需求，由于變頻驅(qū)動與傳統(tǒng)的液壓或直接原動機驅(qū)動相比，能最大程度上減小船舶振動與噪聲，減少對海洋的污染，出色的抗過載能力容易實現(xiàn)泥泵/絞刀恒扭矩和恒功率，柴油機定轉(zhuǎn)速運行平穩(wěn)，因此變頻驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)已在大型絞吸船中得到有效應(yīng)用。

本船的水下泥泵、艙內(nèi)泥泵、絞刀、橋架絞車和橫移絞車等采用變頻電機驅(qū)動，與以往國內(nèi)建造的大型絞吸船相比，更具有環(huán)保、節(jié)能和高效的優(yōu)勢。

1 船型和總布置

1.1 船型、特點及用途

本船為非自航、整體式、單甲板、鋼質(zhì)平底船型，適用于沿海水域疏浚、吹填等，經(jīng)適當(dāng)封艙可進行無限航區(qū)無人拖航調(diào)遣。

本船配置一臺水下泵和兩臺艙內(nèi)泥泵，均采用變頻電機驅(qū)動，通過對排泥管路的調(diào)整可實現(xiàn)單水下泵、二泵串聯(lián)和三泵串聯(lián)工作，以及通過裝駁裝置實現(xiàn)單水下泵挖泥裝駁作業(yè)。

配有兩種適應(yīng)不同土質(zhì)的挖掘絞刀，可適用于挖掘軟質(zhì)土、粉細沙、中粗砂、砂質(zhì)黏土、卵石、礫石、珊瑚礁和抗壓強度Rc≤30 MPa的軟質(zhì)巖石（包括強風(fēng)化巖和全風(fēng)化巖等）。

本船與國內(nèi)之前設(shè)計建造的大型絞吸船相比，具有以下特點：

1）設(shè)置三臺6 000 kW主發(fā)電機組形成全船供電網(wǎng)，電網(wǎng)功率大，超過之前同類型船舶的配置；2）兩臺艙內(nèi)泥泵均由變頻電動機通過雙減速齒輪箱和齒形連軸器驅(qū)動，這是國內(nèi)首次采用此驅(qū)動方式；3）水下泥泵采用短軸驅(qū)動形式，是由安裝于絞刀架密封艙內(nèi)的變頻電機經(jīng)安全聯(lián)軸器、減速齒輪箱和齒形連軸器驅(qū)動；4）絞刀由兩個安裝于橋架頂部水線以上的變頻電機經(jīng)高彈連軸器、氣動離合器、減速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、長軸和絞刀軸驅(qū)動；5）電動橋架絞車安裝在電動橫移絞車上方的上甲板中，其中橫移鋼絲繩穿過絞刀架頂部的2個橫移滑輪，以及絞刀架底端的2個擺動滑輪，這是一種全新的布局形式；6）左右兩舷舯部各設(shè)有一套泥艙裝駁系統(tǒng)，在單用水下泵作業(yè)工況時，可以實現(xiàn)直接裝駁作業(yè)。

1.2 主尺度及參數(shù)

影響絞吸挖泥船主尺度的主要因素有：最大挖深、泥泵的數(shù)量、柴油機的類型、驅(qū)動方式、定位裝置形式等。最大挖深受橋架長度限制，因此影響船體橋架開槽和船體長度。定位裝置采用鋼樁臺車，臺車油缸的行程影響供定位裝置運行的開槽長度，本船的臺車油缸行程增大至7.0 m。

型寬與機艙和泥泵的布局關(guān)系較密切，因絞吸挖泥船燃油耗量大，且需滿足連續(xù)作業(yè)20天的要求，因此燃油艙容積較大，型寬較大。從施工的角度考慮適當(dāng)取大船寬，能使船舶復(fù)原能力大，風(fēng)浪下橫傾小，有利施工作業(yè)。

1.3 總布置

總布置與船舶的主尺度關(guān)系密切，因船上需安裝的設(shè)備眾多，從船艏到船艉的船體內(nèi)和甲板上都安裝了各種專用和輔助設(shè)備。艏艉船體均開槽，艉部布置鋼樁定位系統(tǒng)和電動液壓起重機，艏部布置絞刀橋架、橫移錨、移錨桿、電動液壓起重機等作業(yè)設(shè)備。機艙及泵艙設(shè)于船體舯部。船中設(shè)5層甲板室。其中第一層與機艙及泵艙相通，為作業(yè)場所；第二、三、四層為居住艙室，定員30人；居住艙室之上為操縱室，在第二層甲板左右兩舷各設(shè)置一套泥艙裝駁系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的絞吸船總布置也存在較大的區(qū)別。

2 動力配置情況

2.1 動力裝置與傳動裝置

2.1.1 AC6 600 V、5 760 kW主發(fā)電柴油機組

三臺主發(fā)電機組形成全船電網(wǎng)，為絞刀、水下泥泵、艙內(nèi)泥泵、絞車系統(tǒng)以及全船輔助設(shè)備供電，其中主發(fā)電柴油機正常工作時使用重燃油。為滿足單泵、兩泵和三泵挖泥工況的電力需求，可以選擇運行1臺、2臺或3臺主發(fā)電機。

2.1.2 AC400 V、950 kW輔柴油發(fā)電機組

在主發(fā)電機組功率不足時，為滿足高負荷作業(yè)要求，一臺輔柴油發(fā)電機組運行，用于全船輔助設(shè)備供電。輔發(fā)電機手動起動，通過功率管理PMS模式切換與主電網(wǎng)短時并聯(lián)轉(zhuǎn)移負荷，同時停泊工況時，用于設(shè)備維修用電及日常供電。

2.1.3 AC400 V、250 kW應(yīng)急柴油發(fā)電機組

應(yīng)急柴油發(fā)電機組一臺，在應(yīng)急工況下使用，亦可在停泊時運行。

2.1.4 艙內(nèi)泥泵傳動裝置

兩臺艙內(nèi)泥泵均采用4 800 kW的變頻電機驅(qū)動，電動機通過雙減速齒輪箱后經(jīng)傳動軸驅(qū)動艙內(nèi)泥泵，充分提高了對不同排距的適應(yīng)性，使每臺艙內(nèi)泵能夠在兩個額定狀態(tài)下充分利用電動機的額定功率，系統(tǒng)效率高，營運成本低。

2.1.5 水下泥泵驅(qū)動裝置

水下泥泵由安裝在絞刀架密封艙內(nèi)的變頻電機，經(jīng)安全聯(lián)軸器、減速齒輪箱和齒形連軸器驅(qū)動，在齒輪箱的輸出軸通過的絞刀架艙壁處，裝有密封裝置。在單用水下泵作業(yè)工況時，可以通過左右兩舷的泥艙裝駁系統(tǒng)實現(xiàn)裝駁作業(yè)。水下泥泵采用變頻電機驅(qū)動，具有恒扭矩和恒功率的特性，能較好適應(yīng)不同排距和裝駁功能要求。

2.1.6 絞刀傳動裝置

絞刀由安裝于橋架頂部水線以上的兩臺變頻電機經(jīng)高彈連軸器、氣動離合器、減速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、絞刀長軸驅(qū)動。每臺絞刀電動機的額定功率為2 200 kW，具有較強的過載能力，每20 min中能有1 min承受150%的額定轉(zhuǎn)矩，具有低速正反轉(zhuǎn)盤車功能，同時在艏部設(shè)控制箱，用于手持就地控制，便于安裝或拆卸絞刀。

齒輪箱采用雙輸入單輸出的形式，可承受雙向推力，絞刀軸軸承和中間軸承均為水潤滑復(fù)合材料軸承，在含有泥沙的工作環(huán)境中具有良好的耐磨性，并且與油脂潤滑的軸承相比更加環(huán)保。

2.1.7 電動絞車

設(shè)恒張力電動橫移絞車2臺，并列安裝于主甲板前端，拉力為1 350 kN，繩速為24 m/min絞刀架起升絞車；電動絞刀架起升絞車2臺，設(shè)于第二層甲板前部。拉力700 kN，繩速為24 m/min；起錨絞車2臺，設(shè)于主甲板前部，拉力600 kN；回收絞車2臺，設(shè)于主甲板前部，拉力100 kN。

2.1.8 液壓系統(tǒng)

鋼樁臺車系統(tǒng)、閘閥、泥艙裝駁系統(tǒng)等由電動液壓泵站提供動力。液壓絞車的速度都是可連續(xù)無極調(diào)節(jié)的，主要通過采用可連續(xù)調(diào)節(jié)的變量泵、變量液壓馬達或者比例控制閥來實現(xiàn)。

2.2 電力系統(tǒng)

船舶的主要疏浚系統(tǒng)基本上都采用了變頻驅(qū)動，并已充分考慮到使用靈活性和運行節(jié)能性，電力系統(tǒng)單線圖見下頁圖1。

疏浚設(shè)備（艙內(nèi)泥泵、絞刀、水下泥泵、絞車系統(tǒng)、封水泵系統(tǒng)）采用變頻調(diào)速方式進行起動、調(diào)速控制，其中艙內(nèi)泥泵、絞刀、水下泥泵傳動方式采用單傳動，絞車系統(tǒng)、封水泵系統(tǒng)采用多傳動。同時，配備變頻驅(qū)動PLC柜和滿足30 min要求的UPS。當(dāng)水下泥泵移相變壓器或水下泥泵變頻器故障時，可以通過2號艙內(nèi)泥泵變頻器向水下泥泵變頻電動機供電，分別滿足艙內(nèi)泥泵電動機和水下泥泵電動機的特性。船舶電網(wǎng)諧波總畸變量＜5%，單相諧波總畸變量＜3%。

本船配置功率管理系統(tǒng)PMS，主要具有重載問詢、自動分級卸載等功能。PMS通過監(jiān)測電站功率，根據(jù)本船不同的工況，通過功率管理系統(tǒng)分配負載功率，確保主發(fā)電機安全運行。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

3 結(jié)語

本船是國內(nèi)目前自行設(shè)計和建造的首條全電驅(qū)的4 500 m3/h非自航絞吸式挖泥船，特別是在疏浚設(shè)備上全部采用了變頻電機驅(qū)動，最大程度上提高了絞吸船各種工況適應(yīng)性，有很好的節(jié)能和環(huán)保效果，設(shè)計理念具有前瞻性，將為公司的快速發(fā)展提供有力的船機設(shè)備支持，對提升我國疏浚技術(shù)水平具有深遠的意義。

（編輯：賈娟）

Brife Introduction to the Design of Large Full Variable Frequency Electric Drived Non Self-Propelledcutter Suction Dredger（4500 m3/h）

Liu Kaifeng
（CCCC Shanghai Dredging Co.，Ltd.，Shanghai 200136）

The technology about the design of full variable frequency electric drived non self-propelled cutter suction dredger（4 500 m3/h）is introduced briefly in this paper，it has reference significance for our company to upgrade large-scale equipment by comparing with the built cutter suction dredgers.

large cutter suction dredger；full variable frequency drive；brief introduction

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.14.17

U674

A

2095-0748（2016）14-0039-03

2016-06-06

劉凱鋒（1979—），男，廣東興寧人，本科，工程師，技術(shù)部副經(jīng)理，主要從事施工設(shè)備管理及疏浚技術(shù)研究工作。