絞吸挖泥船“華安龍”功率管理系統(tǒng)研究

侯明新，胡知亭，蔡憲玲，鄭必前，黃旭鑫

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

1 概述

絞吸挖泥船是挖泥船中挖掘土質(zhì)最廣泛，排岸距離變化最大的一種吸揚(yáng)式挖泥船。要想充分發(fā)揮設(shè)備性能獲得較高的挖泥效率，就必須科學(xué)管理、利用好船舶的動(dòng)力，根據(jù)土質(zhì)、排距對(duì)疏浚設(shè)備的使用功率進(jìn)行綜合的科學(xué)管理。

“華安龍”是一艘由荷蘭IHC公司設(shè)計(jì)、大連遼南船廠建造的非自航大型絞吸挖泥船，于2011年建成出廠。其總裝機(jī)功率為13 051 kW，最大排泥距離為15 km。在三泵串聯(lián)，挖深27 m，排距5 000 m，排高4 m時(shí)，中細(xì)沙（D50=236 mm）產(chǎn)量為4 300 m3/h。其柴油機(jī)和主要疏浚設(shè)備配置為[1]：甲板泥泵柴油機(jī)2臺(tái)，每臺(tái)功率3 700 kW；主發(fā)電柴油機(jī)3臺(tái)，每臺(tái)功率1 717 kW；輔發(fā)電柴油機(jī)1臺(tái)，每臺(tái)功率500 kW；絞刀功率（30 r/min）為1 100 kW；橋架水下泥泵1臺(tái)（由2臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)）功率為2×1 000 kW；甲板泥泵2臺(tái)，每臺(tái)功率3 626 kW（軸功率）。

該船2臺(tái)甲板泥泵各自由1臺(tái)柴油機(jī)通過彈性聯(lián)軸器、減速箱直接驅(qū)動(dòng)，絞刀頭和橋架水下泥泵則均由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)；3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組可采用：?jiǎn)闻_(tái)、3臺(tái)并車、倆倆并車3種模式中的一種向電網(wǎng)供電。在加裝功率管理系統(tǒng)之前，即使是在全船用電負(fù)荷很低或絞刀功率很?。ㄈ缍膛啪?，挖掘淤泥的工程）的工況下，開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電是完全可以滿足全船所有用電負(fù)荷的要求。但為了確保在此工況下發(fā)揮出盡可能高的挖泥產(chǎn)量，船員仍會(huì)開3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組同時(shí)并車供電。原因是IHC設(shè)計(jì)時(shí)，為了避免在只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電時(shí)出現(xiàn)電網(wǎng)超負(fù)荷的現(xiàn)象，對(duì)絞刀頭和水下泥泵做了許用功率限制，即絞刀頭的許用功率限制設(shè)置為900 kW，水下泥泵的許用功率限制設(shè)置為1 200 kW，且這兩個(gè)許用功率限制性設(shè)置均不可調(diào)整。這導(dǎo)致在所挖掘的土質(zhì)較軟和排岸距離較近的工況下，雖然只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電施工完全可以滿足全船用電，但會(huì)造成挖泥產(chǎn)量較低。例如：挖掘較為松軟土質(zhì)時(shí)，絞刀頭驅(qū)動(dòng)功率只使用300 kW左右，離900 kW的許用功率仍有約600 kW的剩余功率，而水下泥泵驅(qū)動(dòng)功率由于限定為1 200 kW，使得水下泥泵無法加大功率來增加水下泥泵的流量，最終造成整船的挖泥產(chǎn)量較低。而在挖掘較硬土質(zhì)時(shí)，絞刀頭驅(qū)動(dòng)功率需要超過900 kW，但由于功率限制，絞刀頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率不足導(dǎo)致破土能力較低，最終造成整船的挖泥產(chǎn)量較低。為了保持該船的生產(chǎn)率，船員會(huì)在即使只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組完全能滿足全船所有用電負(fù)荷要求的情況下，仍開3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電。在此工況下每臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)負(fù)荷僅有50%～60%，柴油機(jī)處于低負(fù)荷高油耗的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)柴油機(jī)造成極大損害，燃料消耗過高，導(dǎo)致單方成本高而效益低下。同時(shí)在此工況下施工，3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期處于運(yùn)行工作狀態(tài)，無法在施工期間對(duì)機(jī)組進(jìn)行輪換保養(yǎng)和檢修，不利于設(shè)備的維護(hù)和保養(yǎng)，一旦出現(xiàn)某臺(tái)主發(fā)電機(jī)組故障時(shí)，其挖泥產(chǎn)量會(huì)大幅度下降。

加裝功率管理系統(tǒng)就是針對(duì)上述問題，解決在軟土質(zhì)、近排距的工況下，只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電的生產(chǎn)率仍能保持與開3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電一樣。而當(dāng)外部條件在設(shè)定范圍內(nèi)發(fā)生變化時(shí)，可通過設(shè)備的自動(dòng)檢測(cè)和計(jì)算機(jī)處理來實(shí)現(xiàn)設(shè)備功率管理的自動(dòng)分配調(diào)節(jié)，保持高的生產(chǎn)效率。但在此之前，功率管理系統(tǒng)在挖泥船的使用僅限于耙吸挖泥船[2-5]，其他工程船如鋪管船、起重船也有少量使用[6-7]，但未見有絞吸挖泥船使用的先例，因此必須進(jìn)行有針對(duì)性的論證、研究。

2 加裝功率管理系統(tǒng)的技術(shù)方案

通過對(duì)全船用電負(fù)荷和控制系統(tǒng)的綜合分析，研究了多個(gè)加裝改造的技術(shù)方案，包括通過監(jiān)控全船各主要設(shè)備電力負(fù)荷的變化情況進(jìn)行全電網(wǎng)功率智能管理等。由于絞吸挖泥船負(fù)荷波動(dòng)的突變性和難以預(yù)測(cè)性，如果采用全電網(wǎng)功率管理系統(tǒng)，由于絞刀頭和泥泵的功率變化非常突然，一旦負(fù)荷突然急劇增加，其他設(shè)備又不能卸載，就有電力中斷的危險(xiǎn)[8]。因此從船舶安全、投入產(chǎn)出、出現(xiàn)意外的預(yù)防措施以及加裝改造對(duì)生產(chǎn)效率的影響等方面進(jìn)行全面分析和反復(fù)論證比較，最終采用對(duì)絞刀頭和泥泵（包括主要附屬配套設(shè)備封水泵）在各種工況下的在線用電功率進(jìn)行管理，合理配置用電負(fù)荷的功率管理系統(tǒng)。

該挖泥船每臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)功率為1 717 kW，發(fā)電機(jī)功率為1 800 kVA，功率因素為0.9，即每臺(tái)發(fā)電機(jī)輸出到電網(wǎng)的最大功率約為1 620 kW。那么2臺(tái)或3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電可以提供電網(wǎng)總的功率分別為3 240 kW或4 860 kW。

未加裝本功率管理系統(tǒng)之前，2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并車在線施工時(shí)，如果絞刀頭和水下泥泵功率分別達(dá)到許用限制值900 kW和1 200 kW，電網(wǎng)的最大負(fù)載率為95.8%，施工效率低下。這也意味著如果不挖掘潛力，充分利用閑置設(shè)備的功率，科學(xué)配置許用功率，那么絞刀頭和水下泥泵功率之和的限制值N將不能超過2 100 kW。通過加裝功率管理系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別電力供應(yīng)動(dòng)態(tài)狀況，充分利用閑置設(shè)備的富余功率，使N值在特定工況下可以超過2 100 kW。即通過對(duì)全船用電負(fù)荷的分析和檢測(cè)實(shí)船疏浚設(shè)備的功率使用情況，在確保船舶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行及施工安全的前提下，通過功率管理系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別在線主發(fā)電機(jī)組和在線封水泵的數(shù)量和負(fù)荷（實(shí)施后升級(jí)改造時(shí)還加入其他輔助設(shè)備），并根據(jù)在線挖泥設(shè)備的配置，自動(dòng)進(jìn)行不同工況的轉(zhuǎn)換，并切換控制系統(tǒng)的運(yùn)行模式，從而使絞刀頭和水下泥泵的功率之和達(dá)到電網(wǎng)允許的最大限制值。

在只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組施工時(shí)，操作人員能根據(jù)所挖掘土質(zhì)和排距的不同以及各設(shè)備的負(fù)荷變化等情況，將絞刀頭功率的限制值設(shè)置為300～1 100 kW（最大持續(xù)值）之間的某個(gè)最佳值，這個(gè)值可通過一個(gè)無級(jí)調(diào)節(jié)的旋鈕設(shè)置。由于采用了智能功率管理系統(tǒng)，絞刀頭的功率限制值一旦確定，水下泥泵的功率限制值就隨之自動(dòng)設(shè)定。通過調(diào)整絞刀頭功率的設(shè)定值，可隨意調(diào)整絞刀頭和水下泥泵的功率分配比例，使絞刀頭和水下泥泵均處于最佳狀態(tài)，合理地發(fā)揮船舶設(shè)備的潛能，提高生產(chǎn)效率，減少單方油耗。

在不同的施工工況下，除了絞刀頭和水下泥泵之間的功率分配比例可隨意調(diào)整外，還可以自動(dòng)吸收停用泥泵封水泵的剩余功率來提高挖泥總功率，從而能在保證全船安全用電的前提下，盡可能提高挖泥產(chǎn)量。

在不同的施工工況下，該輪可有下列4種泥泵組合運(yùn)行的施工模式；在加裝了功率管理系統(tǒng)后，不同模式其對(duì)應(yīng)的絞刀頭與水下泥泵的功率之和的限定值N也是不同的。

1）A為1級(jí)甲板泥泵和2級(jí)甲板泥泵及水下泥泵均在線，N=2 100 kW；

2）B為僅1級(jí)甲板泥泵和水下泥泵在線，N=2 250 kW；

3）C為僅2級(jí)甲板泥泵及水下泥泵在線，N=2 400 kW；

4）D為1級(jí)甲板泵和2級(jí)甲板泵均不在線，僅水下泵在線，N=2 550 kW。

根據(jù)這些不同的工況，可以考慮停用封水泵的功率轉(zhuǎn)移到絞刀頭和水下泥泵上，以提高絞刀頭和水下泥泵的施工功率。經(jīng)過電力負(fù)荷計(jì)算，在只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車供電施工時(shí)，N的初始設(shè)置值是3臺(tái)泥泵均在線的模式時(shí)，電網(wǎng)允許絞刀頭和水下泥泵的功率之和達(dá)到最大許用限制值，N=2 100 kW。功率分配曲線見圖1。

圖1 功率分配曲線Fig.1 Power distribution curve

如圖1所示，不同工況的轉(zhuǎn)換根據(jù)在線挖泥設(shè)備配置的不同可自動(dòng)進(jìn)行。絞刀頭的許用功率調(diào)節(jié)范圍為300～1 100 kW，水下泥泵的許用功率調(diào)節(jié)范圍為1 000～2 000 kW。

在保證施工安全、設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提下，通過整合不同工況下停用封水泵的剩余功率，將其用于驅(qū)動(dòng)絞刀頭和水下泥泵上，以提高船舶的挖泥產(chǎn)量。功率管理系統(tǒng)見圖2。

圖2 功率管理系統(tǒng)圖Fig.2 Power management system diagram

該功率管理系統(tǒng)可自動(dòng)識(shí)別在線主發(fā)電機(jī)組的數(shù)量和泥泵組合運(yùn)行的模式，自動(dòng)確定絞刀頭功率與水下泵功率之和的最大限制值。

在挖泥控制臺(tái)上，絞刀頭功率調(diào)節(jié)旋鈕旁設(shè)有一套PR顯示系統(tǒng)，可以顯示絞刀頭和水下泥泵的功率限制設(shè)定值和實(shí)際運(yùn)行時(shí)的功率值。挖泥操作人員可以根據(jù)實(shí)際值和設(shè)定值之間的差別設(shè)置絞刀頭的限制值，合理配置絞刀頭和水下泥泵的功率。

3 加裝功率管理系統(tǒng)的效果

經(jīng)過加裝功率管理系統(tǒng)的改造后，只開2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并車供電施工時(shí)，其挖泥效率比未進(jìn)行加裝改造之前有非常明顯的提高，而且可以更加科學(xué)有效地應(yīng)對(duì)各種工況，合理使用和管理設(shè)備，節(jié)能減排，達(dá)到了預(yù)期的效果。

“華安龍”2014年在海南?；◢u工地施工時(shí)，土質(zhì)為中細(xì)沙夾軟黏土。泥泵組合為：1臺(tái)水下泥泵與1臺(tái)一級(jí)甲板泥泵串聯(lián)工作，絞刀頭和水下泥泵限制功率之和為2 400 kW，見圖1中的C曲線。當(dāng)設(shè)定絞刀頭的限制功率為400 kW（絞刀頭功率表顯示實(shí)際挖掘功率在200～350 kW之間），經(jīng)過系統(tǒng)的計(jì)算模塊檢測(cè)及計(jì)算，分配給水下泥泵的給定功率為2 000 kW（等于3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組同時(shí)并車供電時(shí)，水下泥泵的最大持續(xù)功率），挖泥產(chǎn)量可達(dá)5 000～6 500 m3/h，挖泥控制臺(tái)的功率顯示及限制旋鈕如圖3所示，挖泥顯示系統(tǒng)頁面如圖4所示。

圖3 挖泥控制臺(tái)的功率顯示及限制旋鈕Fig.3 Power display and limit knob of dredging console

圖4 挖泥顯示系統(tǒng)頁面Fig.4 Dredging display system page

改造后徹底改變了原船為了保持高的挖泥產(chǎn)量，在絞刀頭實(shí)際挖掘功率不超過400 kW時(shí)，仍必須起動(dòng)3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組并車發(fā)電施工的現(xiàn)象。避免了柴油機(jī)長(zhǎng)期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀況下，對(duì)自身機(jī)械部件產(chǎn)生的不良影響。經(jīng)改造后，系統(tǒng)給予絞刀頭的許用功率為300～1 100 kW，并且只需2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并車發(fā)電，電網(wǎng)就能高效、穩(wěn)定運(yùn)行，既節(jié)省了燃料，又保證了產(chǎn)量。

4 結(jié)語

在挖泥排岸較短排距和較軟土質(zhì)時(shí)，可以將1臺(tái)主發(fā)電機(jī)作為備用發(fā)電機(jī)組，并且在維護(hù)保修方面，可以實(shí)現(xiàn)船舶施工期間3臺(tái)發(fā)電機(jī)組輪換保養(yǎng)和檢修，使設(shè)備處于良性循環(huán)狀態(tài)，對(duì)保障設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和提高使用壽命起到了積極的作用。