18 000 m3耙吸式挖泥船泥泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

挖泥船是挖深、加寬和清理航道、疏浚碼頭以及吹沙填海的一種工程船舶，而耙吸式挖泥船以機(jī)動(dòng)靈活、效率高、抗風(fēng)浪能力強(qiáng)的特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。

大連中遠(yuǎn)海運(yùn)重工建造的18 000 m3耙吸式挖泥船是將置于船體右舷的耙頭放入水底，利用水下泥泵的真空作用，通過耙頭和吸泥管吸入泥漿進(jìn)入挖泥船的5 個(gè)泥艙中，以邊吸泥邊航行的方式工作。泥艙裝滿后，起耙航行至拋泥區(qū)開啟 底部泥門卸泥，或通過艏部主泥漿管路盡頭 的噴管進(jìn)行吹填作業(yè)，或通過艏部主泥漿管路盡頭另一路分支管線連接水上管線輸送泥漿到拋泥區(qū)。不管是吹填作業(yè)還是通過連接泥管輸送泥漿，其動(dòng)力都來自于船泵艙中的2 個(gè)泥泵，因此泥泵是挖泥船作業(yè)的重要設(shè)備[1-3]。耙吸式挖泥船工作示意圖見圖1。

1 吸泥排泥管線設(shè)計(jì)

如圖2 所示，泥耙在水底通過水下泥泵的作用將泥漿吸入5 個(gè)泥艙。當(dāng)需要進(jìn)行排泥作業(yè)時(shí)，位于泵艙的2個(gè)泥泵會(huì)將泥漿從5個(gè)泥艙中吸出， 并通過左舷主泥漿管線及艏部的艏吹管或艏連接管進(jìn)行排泥作業(yè)。

圖1 耙吸式挖泥船工作示意圖

圖2 吸泥排泥管路原理圖

2 泥泵水下泵變頻器系統(tǒng)

泥泵和水下泵是挖泥船主要設(shè)備裝置，本項(xiàng)目在泵艙內(nèi)配備了2 個(gè)7 500 kW 的泥泵，主要用于往外排泥作業(yè)，在泥耙管里配備了 1 個(gè)3 400 kW的水下泥泵，主要用于船舶水底吸泥作業(yè)。

泥泵和水下泵的運(yùn)轉(zhuǎn)動(dòng)力來自變頻器控制的泥泵馬達(dá)和水下泵馬達(dá)，其系統(tǒng)框圖見圖3。6.6 kV高壓配電板分別經(jīng)移相變壓器給2 個(gè)泥泵變頻器供電，再由變頻器分別給2 個(gè)7 500 kW 泥泵馬達(dá)供電。根據(jù)系統(tǒng)工況，水下泥泵和2 個(gè)主泥泵不會(huì)同時(shí)工作，所以2 個(gè)主泥泵變頻器也兼給水下泥泵供電。

變頻器的工作原理是先將電網(wǎng)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姡缓笤僭谧兞麟娐分袑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(diǎn)。本項(xiàng)目是數(shù)字控制IGCT 集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor）變頻器，IGCT 具有高速開關(guān)功能，可以把直流電壓調(diào)制成任何寬度的直流脈沖電壓PWM 信號，高速開關(guān)的性能使得任何頻率可以調(diào)制出來[4-5]。

圖3 泥泵水下泵變頻器系統(tǒng)框圖

下面對本項(xiàng)目的泥泵水下泵變頻器信號和功能進(jìn)行闡述。

2.1 變頻器重要的信號及狀態(tài)

2.1.1 本地/遠(yuǎn)程模式

如果該信號為“1”，意味著變頻器處于遠(yuǎn)程模式，必須由外部命令控制。如果該信號為“0”，則表示變頻器處于本地模式，變頻器必須由本地控制面板結(jié)合人機(jī)接口顯示屏控制。

本地操作可以使用本地控制面板與觸摸屏結(jié)合使用，要使用本地控制面板來啟動(dòng)系統(tǒng)，必須按照下面的順序：

1）將選擇開關(guān)從本地控制面板切換到本地控制。

2）用選擇開關(guān)選擇水下泵（UWP）模式或泥泵（SDP）模式，這種選擇只能在逆變器不運(yùn)行的情況下進(jìn)行。

3）變頻器輸出開關(guān)將根據(jù)泵的模式選擇改變其位置。

4）按下人機(jī)接口觸摸屏（HMI）中的“連接”按鈕。

5）變頻器啟動(dòng)直流預(yù)充子程序，當(dāng)直流已預(yù)充完，自動(dòng)向主配電板對應(yīng)變頻器的開關(guān)發(fā)送合閘信號。在這一過程結(jié)束時(shí)，完好的變頻器將被連接，并將等待接收與所選泵模式相對應(yīng)的啟動(dòng)允許信號，并發(fā)出準(zhǔn)備運(yùn)行（RFR）信號。

6）在人機(jī)接口觸摸屏（HMI）中按下“開始”按鈕，逆變器開始運(yùn)行。

7）在這種狀態(tài)下，變頻器正在等待一個(gè)速度設(shè)定值，這個(gè)值可以通過HMI 彈出的窗口來改變。

遠(yuǎn)程操作模式下，變頻器需接收外部信號，由挖泥船特有的綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)（IMC）進(jìn)行控制。

2.1.2 準(zhǔn)備就緒信號RFU

RFU 信號/狀態(tài)意味著變頻器準(zhǔn)備好了，操作員可以發(fā)送連接命令。該信號在變頻器運(yùn)行時(shí)保持激活狀態(tài)。

在這些情況下，此信號會(huì)被設(shè)為“1”：1）沒有鎖定；2）沒有應(yīng)急停止；3）沒有關(guān)斷信號；4）主配電板對應(yīng)變頻器的開關(guān)可以使用；5）變頻器初始條件完好（與水壓、溫度等內(nèi)部參數(shù)相關(guān)）。

2.1.3 準(zhǔn)備運(yùn)行信號RFR

RFR 信號意味著變頻器已經(jīng)連接，可以從遠(yuǎn)程/本地操作開始運(yùn)行逆變器，并且變頻器運(yùn)行時(shí)，這個(gè)信號保持激活狀態(tài)。

當(dāng)變頻器和逆變器處于下面狀態(tài)時(shí)此信號為“1”：1）有準(zhǔn)備就緒信號；2）模式轉(zhuǎn)換開關(guān)至少選擇在一個(gè)位置，水下泵（UWP）或泥泵（SDP）；3）主配電板對應(yīng)變頻器的開關(guān)已合閘供電；4）外部條件允許運(yùn)行來自AMS 的允許運(yùn)行啟動(dòng)信號；5）馬達(dá)的滑油和頂升系統(tǒng)完好；6）維修時(shí)用的工作開關(guān)未啟動(dòng)。

2.1.4 運(yùn)行信號

這個(gè)信號意味著無論電機(jī)的實(shí)際速度如何，逆變器都在運(yùn)行，該信號狀態(tài)為“1”，即使實(shí)際轉(zhuǎn)速為0 r/min。

2.1.5 變頻器故障公共報(bào)警

這是變頻器的公共警報(bào)，用于發(fā)送到AMS報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)。

該信號包括以下故障類型：

1）變頻器鎖定

這個(gè)信號意味著變頻器內(nèi)部出現(xiàn)了重大故障。當(dāng)該信號/狀態(tài)出現(xiàn)時(shí)，將導(dǎo)致變頻器完全停止，并斷開主配電板對應(yīng)變頻器的開關(guān)。

下面2 種信號用于斷開主配電板的開關(guān)，并且通過不同的硬件完成。

（1）斷開命令信號，通過連接到主配電板開關(guān)中的分閘線圈實(shí)現(xiàn)。

（2）主配電板開關(guān)最小電壓線圈緊急斷開信號，通過連接到主配電板開關(guān)中的欠壓脫扣線圈實(shí)現(xiàn)。

2）關(guān)斷信號

這個(gè)信號會(huì)導(dǎo)致逆變器停止，但主配電板開關(guān)保持合閘狀態(tài)。通常這個(gè)信號/狀態(tài)與水冷機(jī)組溫度過高或故障相關(guān)。

2.1.6 警告

這個(gè)信號意味著機(jī)器的某些參數(shù)超出了正常運(yùn)轉(zhuǎn)的范圍。狀態(tài)不緊急，變頻器沒有自動(dòng)響應(yīng)。通常，當(dāng)某些溫度達(dá)到危險(xiǎn)級別時(shí)都會(huì)發(fā)出警告。

2.1.7 吸泥/排泥模式

這個(gè)信號表示變頻器必須在模式之間選擇。運(yùn)行模式的改變意味著CPU 必須改變輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)的參數(shù)設(shè)置和位置。在變頻器操作運(yùn)行期間這個(gè)信號的突然改變將被忽略，只有逆變器不工作時(shí)模式選擇才有效。從圖3 框圖中可以看到，只有1 個(gè)變頻器可以給水下泵供電，因此提供1個(gè)電氣聯(lián)鎖以避免在2 個(gè)變頻器控制功能中都選擇水下泵吸泥模式。

需要注意的是即使其中1 個(gè)變頻器因沒有控制電壓而完全斷開時(shí)這種電氣聯(lián)鎖也需提供，因這種安全的聯(lián)鎖方式是使用輸出開關(guān)的輔助觸點(diǎn)，不需要CPU 的干預(yù)，以此來保證系統(tǒng)工作的安全可靠性。

2.1.8 啟動(dòng)允許信號

提供了2 個(gè)啟動(dòng)允許信號，1 個(gè)用于水下泵，1 個(gè)用于泥泵。此信號若不激活將阻止變頻器的運(yùn)行，但不會(huì)影響其連接。通常，這個(gè)信號與機(jī)械剎車、盤車裝置或馬達(dá)、齒輪箱等的滑油單元有關(guān)。

2.1.9 頂升/滑油系統(tǒng)故障

此信號表示馬達(dá)滑油單元的頂升系統(tǒng)或滑油系統(tǒng)出現(xiàn)了問題。

1）當(dāng)電機(jī)在150 r/min 以下運(yùn)行時(shí)，而頂升系統(tǒng)壓力低于低報(bào)警壓力，AMS 將激活該信號，變頻器將使馬達(dá)停止運(yùn)行；

2）如果滑油流量下降到報(bào)警值以下，AMS將激活該信號，變頻器將使馬達(dá)停止運(yùn)行。

2.1.10 維修用工作開關(guān)

工作開關(guān)僅用于維修操作，它不同于應(yīng)急停止按鈕，其工作原理如下：

1）如果在馬達(dá)“運(yùn)行”時(shí)激活，不起任何作用；

2）如果在馬達(dá)“不運(yùn)行”時(shí)激活，工作開關(guān)將避免或阻止逆變器啟動(dòng)。

2.2 變頻器連接順序

連接順序必須在IMC 外部控制之前進(jìn)行，必須執(zhí)行下列程序：

1）變頻器為準(zhǔn)備就緒狀態(tài)，等待連接命令。

2）當(dāng)通過硬線接收到連接命令時(shí)，變頻器啟動(dòng)直流預(yù)充電子程序。當(dāng)直流已預(yù)充完成，自動(dòng)向主配電板開關(guān)發(fā)送合閘信號。如果變頻器沒有在預(yù)定的時(shí)間給直流母線充電，則報(bào)警“超時(shí)充電”。

3）選擇工作模式，吸泥或排泥模式。

4）變頻器將發(fā)送更改轉(zhuǎn)換開關(guān)位置的命令，以及對所選電機(jī)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。這種選擇只有在逆變器沒有啟動(dòng)時(shí)才有效。

5）在這個(gè)階段，變頻器已被連接并且正在等待相應(yīng)的外部啟動(dòng)允許信號來獲得準(zhǔn)備運(yùn)行（RFR）狀態(tài)。

2.3 變頻器啟動(dòng)順序

按照之前的順序，當(dāng)接收到啟動(dòng)指令時(shí)，變頻器將啟動(dòng)逆變器，但保持轉(zhuǎn)速為0 r/min。

該系統(tǒng)在速度設(shè)定值模擬輸入中裝有滯后現(xiàn)象，這個(gè)功能是必要的，以避免緩慢旋轉(zhuǎn)的電機(jī)由于常見的噪音模擬信號而快速旋轉(zhuǎn)。

2.4 變頻器停止順序

當(dāng)接收到停止命令時(shí)，變頻器將停止電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，然后逆變器將停止工作，沒有斷開主配電板開關(guān)或內(nèi)部斷路器的連接。電動(dòng)馬達(dá)將停止并且沒有外部控制，停止是一種可控的斜坡下降過程。

2.5 變頻器功率限制

AMS 會(huì)根據(jù)PMS 的控制向變頻器發(fā)送一個(gè)功率限制信號，變頻器會(huì)據(jù)此限制功率使用，即使馬達(dá)速度設(shè)定值高于此限定值，變頻器也不會(huì)發(fā)出更大的功率。

如果當(dāng)前速度設(shè)定值所需的功率高于AMS發(fā)送的功率限制值，則變頻器將激活一個(gè)數(shù)字量輸出信號指示“降負(fù)載/功率限制開啟”。

2.6 變頻器降功率

由于以下3 種特殊情況，變頻器功率可能會(huì)降低（降低到預(yù)先設(shè)定的功率值）：

1）由于變頻器內(nèi)部報(bào)警，一般是由于超溫。

2）來自AMS 發(fā)出的數(shù)字量信號“降功率命令”，該信號來自于電機(jī)繞組/軸承溫度或變壓器繞組溫度過高。

3）來自防止全船失電算法激活信號。

當(dāng)降功率發(fā)生時(shí)，變頻器會(huì)發(fā)出一個(gè)數(shù)字輸出信號“降功率信號激活/功率限制開啟”。

2.7 全船失電預(yù)防算法

失電預(yù)防是一種根據(jù)輸入發(fā)電機(jī)頻率限制逆變器功耗，防止發(fā)電機(jī)過載的算法。如果發(fā)電機(jī)頻率值低于設(shè)定的限制（Fr_Vin_L），則根據(jù)增益值逐步降低功率。因此，功率的降低與頻率的降低成正比，頻率越低，功率的降低越低。當(dāng)頻率值恢復(fù)時(shí)（由參數(shù)Fr_Vin_H 建立的限制），功率開始根據(jù)ramp 參數(shù)中建立的值恢復(fù)其初始值。

圖4 在失電預(yù)防算法中的降功率圖表

3 AMS 和IMC 系統(tǒng)對泥泵水下泵系統(tǒng)的監(jiān)測及控制

AMS 是報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)（Alarm Monitoring System）的簡稱，IMC 是綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)（Integrated Monitoring And Control System）的簡稱，IMC 系統(tǒng)是挖泥船特有的系統(tǒng)，它是負(fù)責(zé)監(jiān)測控制挖泥相關(guān)設(shè)備的專有系統(tǒng)。AMS 和IMC相輔相成，AMS 主要用于監(jiān)測報(bào)警，IMC 主要用于控制。

AMS 系統(tǒng)作為IMC 控制系統(tǒng)和變頻器系統(tǒng)的接口系統(tǒng)用于工作模式選擇，而馬達(dá)和輔助設(shè)備則由IMC 系統(tǒng)進(jìn)行控制。在AMS 和IMC 系統(tǒng)間有一個(gè)串口通訊，挖泥系統(tǒng)和IMC 所控制設(shè)備的必要信號由AMS 系統(tǒng)完成監(jiān)測，而AMS 和IMC 系統(tǒng)間的重要信號則通過硬線連接。

當(dāng)變頻器處于遠(yuǎn)程控制模式下，操作者可以通過AMS 選擇哪個(gè)變頻器用于連接水下泵，這種模式的選擇將通過串口通訊傳遞給IMC 系統(tǒng)。操作者可以在IMC 系統(tǒng)中選擇挖泥操作模式：1）左變頻器排泥；2）右變頻器排泥；3）吸泥。一旦在IMC 中選擇了吸泥模式，AMS 系統(tǒng)將激活所選擇的變頻器，轉(zhuǎn)換相應(yīng)輸出開關(guān)的位置到水下泵，參數(shù)的設(shè)置自動(dòng)匹配水下泵使用要求。出于安全考慮，在變頻器中有一個(gè)硬線電氣聯(lián)鎖，泥泵/水下泵模式轉(zhuǎn)換只能在逆變器不運(yùn)行的情況下進(jìn)行。另外，如果選擇左變頻器用于水下泵控制，則無法再選擇右變頻器控制水下泵，只有當(dāng)左變頻器改為泥泵模式時(shí)，右變頻器才可以選擇水下泵模式。其他如變頻器連接命令、啟動(dòng)允許信號、降功率命令都是通過AMS 系統(tǒng)傳遞給變頻器的。另外，馬達(dá)和變壓器的繞組溫度、馬達(dá)軸承溫度、馬達(dá)滑油單元的報(bào)警監(jiān)測都是通過AMS 系統(tǒng)完成。

IMC 作為挖泥設(shè)備的控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)泥泵/水下泵的起停，所有輔助設(shè)備如泥泵馬達(dá)本體散熱風(fēng)機(jī)的起停，泥泵馬達(dá)滑油單元上的滑油泵馬達(dá)、頂升泵馬達(dá)的起停，泥泵齒輪箱上滑油供給泵馬達(dá)、備用泵馬達(dá)的起停，以及水下泵油脂單元油脂泵的運(yùn)行監(jiān)測等。

4 結(jié)論

隨著我國海洋運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展，要滿足越來越多的大型船舶進(jìn)出港和碼頭停泊需求，需要挖泥船這種大型工程船舶進(jìn)行港口和碼頭清理。另外，挖泥船也是我國發(fā)展南海填海造島的利器。因此，挖泥船的建造前景會(huì)非常廣闊。通過本文以上系統(tǒng)介紹，能使設(shè)計(jì)者知道變頻器的設(shè)計(jì)要滿足產(chǎn)品功能和安全，通過泥泵和水下泵工作模式的不同，可以采用共用變頻器來達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)還能節(jié)省成本。