淺談18 000 m3耙吸式挖泥船電氣系統(tǒng)設(shè)計

倪永亮

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

挖泥船是一種工程船舶，它借助于不同的工作裝置，進(jìn)行水下土石方挖掘，達(dá)到疏浚、吹填和采集沙石土料的目的。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展和改革開放的不斷深入，迫切需要改善水上運(yùn)輸條件，以適應(yīng)大型船舶的進(jìn)出港和碼頭停泊。目前，挖泥船的應(yīng)用為挖深、加寬和清理現(xiàn)有的航道和港口，開挖新的航道、港口和運(yùn)河，疏浚碼頭、船塢及其他水工建筑物的基槽以及將挖出的泥沙拋入深海或吹填于陸上洼地造田等提供了便利條件，是吹沙填海的利器[1-2]。

挖泥船的工作能力是以每小時能挖多少立方米泥土來表示的，按施工特點可分為耙吸式、鉸吸式、鏈斗式、抓斗式和鏟斗式等。耙吸式挖泥船則是通過置于船體兩舷或尾部的耙頭吸入泥漿，以邊吸泥邊航行的方式工作。耙吸式挖泥船機(jī)動靈活，效率高，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，適宜在沿海港口、寬闊的江面和船舶錨地作業(yè)。大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司建造的18 000 m3挖泥船就是耙吸式的，全船總長166 m，船寬36 m，右舷配有1個單耙。

1 高壓配電系統(tǒng)

根據(jù)船級社定義，額定電壓大于1 000 V的配電系統(tǒng)為高壓配電系統(tǒng)。與低壓配電系統(tǒng)相比較，高壓配電系統(tǒng)對性能要求更高，因而系統(tǒng)設(shè)計更加復(fù)雜[3]。

圖1 耙吸式挖泥船總圖

本挖泥船項目主電源為3臺7 200 kW的發(fā)電機(jī)，為主配電板提供6.6 kV、60 Hz的高壓電源。設(shè)備包含2臺7 500 kW的主推進(jìn)電機(jī)、2臺7 500 kW的泥泵電機(jī)、1臺3 400 kW的水下泥泵電機(jī)、2臺1 250 kW的艏側(cè)推電機(jī)、2臺1 250 kW的高壓沖水泵、1臺500 kW的低壓沖水泵、3臺530 kW的液壓系統(tǒng)主泵電機(jī)等，這些設(shè)備均為變頻驅(qū)動，且本船操控需滿足DP1要求。經(jīng)與船東協(xié)商并與主要配電系統(tǒng)集成商溝通，最終采用了推進(jìn)電機(jī)、泥泵電機(jī)使用獨(dú)立變頻器驅(qū)動設(shè)計方案，其他設(shè)備（艏側(cè)推、高低壓沖水泵、液壓電機(jī)）采用公共變頻驅(qū)動器的設(shè)計方案，變頻器對應(yīng)的移相變壓器均由6.6 kV高壓配電板進(jìn)行供電。

在進(jìn)行電氣負(fù)荷計算的過程中，首先需要確定各種工況，此項工作需按照規(guī)格書要求執(zhí)行，并及時與船東溝通確認(rèn)。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求選取了挖泥、排泥、航行、維修、停泊、應(yīng)急這6種負(fù)荷計算工況。推進(jìn)器、泥泵等大功率變頻驅(qū)動工作的設(shè)備在運(yùn)行時，其輸出功率需要進(jìn)行較大范圍的調(diào)整，因此在不同工況下對這些設(shè)備利用系數(shù)的選取非常重要，此系數(shù)的確定與船舶所處工作狀態(tài)和船東作業(yè)習(xí)慣密切相關(guān)，這些設(shè)備的利用系數(shù)需要與船東逐項進(jìn)行確認(rèn)。挖泥作業(yè)和排泥作業(yè)均需要推進(jìn)器和泥泵同時工作，在這2種工作模式下，需要對推進(jìn)器輸出功率進(jìn)行限制以確保泥泵處于最佳工作點，此時的電站容量要保證航行的最低需求功率和挖泥/排泥的最佳工作點需求功率。航行工況下，維修工況需推進(jìn)器參與工作，并按照推進(jìn)器的最佳工作點進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。停泊狀態(tài)時，應(yīng)急狀態(tài)下使用440 V的應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)為船用設(shè)備提供電力。這2種工況下無高壓設(shè)備投入運(yùn)行，這些均需在負(fù)荷計算時進(jìn)行考慮。

根據(jù)SOLAS要求，當(dāng)船上安裝的主發(fā)電機(jī)組總裝機(jī)功率大于3 000 kW時，則主匯流排應(yīng)至少分成2段，通常應(yīng)由可拆裝的連接件或其他認(rèn)可的裝置加以連接，并盡可能地將各發(fā)電機(jī)組和其他雙套設(shè)備均等地連接在各分段上。據(jù)此要求，本文所述的高壓配電板采用兩段母排方案，根據(jù)電氣負(fù)荷計算不同工況下每段母排的負(fù)荷信息，依據(jù)最大負(fù)荷工況計算主母排電流值，作為高壓配電板匯流排選型的重要參數(shù)，并充分考慮兩段母排的負(fù)載分配情況，盡量使得兩段母排上連接的負(fù)載平衡。

2 主推進(jìn)系統(tǒng)

本船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，由2段6.6 kV高壓配電板分別經(jīng)移相變壓器給2個主推變頻器供電，再由變頻器分別給2個7 500 kW主推進(jìn)馬達(dá)供電，主推進(jìn)馬達(dá)經(jīng)由齒輪箱通過軸系將動力傳遞到推進(jìn)器，因此本文中的主推進(jìn)系統(tǒng)為典型的軸槳推進(jìn)。

變頻器作為該系統(tǒng)的主要組成部分，工作原理是先將電網(wǎng)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姡笤僭谀孀冸娐分袑⒅绷鬓D(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出。變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率變化范圍大、功率因數(shù)高、諧波易于消除、可應(yīng)用于各種大功率設(shè)備等優(yōu)點。該系統(tǒng)采用了數(shù)字控制IGCT集成門極換流晶閘管（integrated gate commutated thyristors）變頻器，具有高速開關(guān)功能，可以將直流電壓調(diào)制成任何寬度的直流脈沖電壓PWM信號，高速開關(guān)可調(diào)制出任何所需頻率。

主推進(jìn)系統(tǒng)除了變頻器外還有其它的一些輔助系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)滑油單元系統(tǒng)有2個滑油泵為電機(jī)軸承提供潤滑油、2個頂升泵提供液壓動力，在電機(jī)轉(zhuǎn)速太低未建立油膜時可將軸承頂起來以保護(hù)軸承?；捅煤晚斏每捎蓤缶O(jiān)測系統(tǒng)（AMS）遠(yuǎn)程控制，相關(guān)報警信息也將送到AMS系統(tǒng)，滑油油艙溫度由溫控開關(guān)自動控制。推進(jìn)器齒輪箱系統(tǒng)中的每個齒輪箱有1個滑油供給泵和1個滑油備用泵，可由AMS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。正常情況下在滑油供給泵工作過程中，當(dāng)滑油壓力由于某些原因低于設(shè)定值時，通過AMS報警并3 s內(nèi)控制起動滑油備用泵，同時停止供給泵。推進(jìn)器尾管系統(tǒng)包括尾管滑油系統(tǒng)（1主1備2個滑油泵提供滑油壓力）、軸承測溫系統(tǒng)（溫度傳感器PT100將信號送到AMS系統(tǒng)報警，而后送到推進(jìn)器安全系統(tǒng)進(jìn)行主推的減速或停車）、尾管報警系統(tǒng)（進(jìn)行控制空氣壓力低、液位高低等報警）。推進(jìn)器軸附件系統(tǒng)包括軸剎車、軸速測量和軸接地系統(tǒng)，且相關(guān)報警均送到AMS。主推安全系統(tǒng)是根據(jù)規(guī)范要求配備的，該系統(tǒng)會根據(jù)主推馬達(dá)繞組溫度過高、冷卻空氣溫度過高、齒輪箱和主推嚴(yán)重報警等信號觸發(fā)主推馬達(dá)降功率或自動停車。

在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，對于報警點的選取除了滿足規(guī)格書的要求外，還需特別關(guān)注船級社的規(guī)范要求，本船入級法國船級社（BV），且要滿足AUT-UMS無人機(jī)艙要求，針對主推進(jìn)電力馬達(dá)、變壓器及齒輪箱等設(shè)備，規(guī)范中均有相應(yīng)的表格詳細(xì)標(biāo)明所要求的相關(guān)報警點及相關(guān)的控制功能，設(shè)計時需參照執(zhí)行。

3 泥泵變頻器系統(tǒng)

泥泵是挖泥船主要設(shè)備裝置，泵艙內(nèi)配備了 2個7 500 kW的泥泵，主要用于往外排泥作業(yè)，且在泥耙管中配備1個3 400 kW的水下泥泵，主要用于船舶海底吸泥作業(yè)。

泥泵變頻系統(tǒng)也由2段6.6 kV高壓配電板分別經(jīng)移相變壓器給2個泥泵變頻器供電，再由變頻器分別給2個7 500 kW泥泵馬達(dá)供電。由于水下泥泵和2個主泥泵不會同時工作，所以根據(jù)規(guī)格書要求，2個主泥泵變頻器也可兼做水下泥泵供電設(shè)備。在不同的工作狀況下，由本地或遙控選擇吸泥/排泥模式。吸泥模式下選擇任何一個變頻器給水下泥泵供電；在排泥模式下，2個變頻器分別給2個主泥泵供電。此種設(shè)計方案可以節(jié)省水下泥泵使用的單獨(dú)變頻器和移相變壓器，只需2個泥泵變頻器中的三位選擇開關(guān)，并加上開關(guān)聯(lián)鎖控制即可完成需要的功能。

圖2 泥泵變頻器系統(tǒng)框圖

4 IMC綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)

IMC系統(tǒng)（integrated monitoring & control system）是挖泥船特有的系統(tǒng)，類似于AMS報警監(jiān)測系統(tǒng)，但又有其獨(dú)特之處，即IMC相當(dāng)于負(fù)責(zé)挖泥控制相關(guān)設(shè)備的專有系統(tǒng)。該系統(tǒng)在駕駛室配置了專有的挖泥控制臺，其工作站分布于挖泥臺、駕控臺、集控臺、船長室、電工間等地，并在全船配置了6個輸入/輸出單元，用于全船挖泥相關(guān)設(shè)備或傳感器的信號采集和控制。

IMC系統(tǒng)將對所有控制系統(tǒng)提供必要的聯(lián)鎖、保護(hù)、起動和運(yùn)行條件等，以確保挖泥設(shè)備或系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。其需監(jiān)測和控制疏浚系統(tǒng)的所有閥門、泥漿密度和速度測量系統(tǒng)、壓載水閥、泥艙溢流管道、泥耙的絞車和門架、泥艙底門的開起與關(guān)閉及保壓功能、泥泵的控制與操作、高低壓沖洗泵的控制與操作、液壓控制系統(tǒng)等。因此，也可以說它是挖泥船挖泥作業(yè)的“大腦系統(tǒng)”，所有命令發(fā)出、過程監(jiān)測、相關(guān)報警均由它實現(xiàn)。

IMC系統(tǒng)在各工作站及輸入/輸出單元箱間均采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最大限度地保證了系統(tǒng)的可靠性，不會因某一個單元的故障導(dǎo)致整個系統(tǒng)的故障。電源來自于船上UPS和24 VDC整流充電系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)電源不間斷。

5 結(jié)論

水利清淤作業(yè)的工程量很大，涉及的地域很廣，土質(zhì)也很復(fù)雜。因此，建造挖泥船是水利疏浚領(lǐng)域中的一項長期而繁重的任務(wù)，其前景非常廣闊。通過本文對主要電氣系統(tǒng)的介紹與總結(jié)，為后續(xù)船舶建造提供一定的參考。