大型自航耙吸式挖泥船“新海鳳”輪機概述

盛衛明

（中港疏浚有限公司 上海 200129）

0 引 言

挖泥船使用相當廣泛，它不僅在航道整治方面發揮作用，還在水利清淤、港口建設、海底管線敷設、圍海造田、深海取砂以及建造島嶼等眾多領域發揮著至關重要的作用。我國自主研發并建造的最早的大型耙吸式挖泥船是由上海江南造船廠建造的“勁風輪”和“險松輪”，后更名為“航浚4001輪”及“航浚4002輪”，又因市場結構調整，“航浚4002輪”被改造成了“金星洋”號油船。而“航浚4001輪”歷經40載的風雨，目前仍在服役中。

我國以前的大型耙吸挖泥船主要以進口為主，基本由日本、荷蘭等國壟斷著建造市場，在設計、建造和使用中也處處受制于國外。國際上處于領先地位的少數發達國家均有百年以上的研發歷史，長期引領疏浚工程技術的發展，占領著全球的重要行業市場，并對外實行技術封鎖，獨享疏浚產品這塊大蛋糕。

在此背景下，上海航道局聯合七○八研究所、廣州文沖船廠和其他相關單位，在我國、政府的支持下，果斷決定“國輪國造”，開創了新世紀國內大型耙吸挖泥船的建造先河。代表船舶包括:上海航道局“新海鳳輪”、“新海牛輪”、“新海馬輪”， 天津航道局的“通旭輪”、“通程輪”；2000年，由挖泥船強國荷蘭IHC公司保持的世界記錄——23000 m3超大型耙吸挖泥船被德國LMG公司以疏浚界的巨無霸——33000 m3超大型耙吸挖泥船所取代［1］。

本文以16888 m3大型自航耙吸式挖泥船“新海鳳輪”為目標船型，通過分析、介紹該輪設備配備和布置情況，探求大型耙吸挖泥船的特點，為國內研制超大型（17000 m3以上）耙吸挖泥船提供一定的技術儲備，緊抓機遇，加速提升我國疏浚船舶產品的研發能力和市場競爭能力。

1 “新海鳳”輪的設計參數

1.1 主尺度及動力配置估算值

1.2 疏浚性能

1.2.1 挖掘土質

本船可挖淤泥、粘土、細粉砂、中細砂、粗砂、碎石和卵石。

1.2.2 裝艙

疏浚土質為中細砂，挖深到35 m計算出的有效裝艙時間大約為82 min（泥艙內載泥量13200 m3，艙內泥漿密度為1800 kg/m3）。裝艙時間是基于雙泵、進艙泥漿平均密度為1250 kg/m3和22%平均溢流損失計算的。疏浚土質為中細砂，挖深到45 m時，計算出的有效裝艙時間約為102 min。裝艙時間是基于雙泵、進艙泥漿平均密度為1200 kg/m3和22%平均溢流損失計算的。泥泵作業時最高轉速約為181 r/min。

1.2.3 吹岸

兩臺泥泵串聯將上述中細砂（泥艙內載泥量13200 m3，艙內泥漿密度為 1800 kg/m3）通過 3000 m長的管線（不包括船上的排泥管）泵出時，吹岸時間約為103 min，吹岸時間是以管線直徑為1000 mm和標高為6 m得出的。吹岸時，每臺泥泵軸端的可用功率為6550 kW，相應每臺泥泵的轉速290 r/min，泥泵齒輪箱在高速檔運行。當用兩臺泥泵串聯吹岸時，吹岸距離可達到5000 m。

1.3 總體性能

1.3.1 自由航速

船舶在船體新油漆、平均吃水10.0 m、航道寬度不受限的深海平靜水域、風力不大于蒲氏2級且每臺主機推進最大持續功率在11600 kW時，可達到16.0kn自由航速。此時船舶所需主要電力（約1050kW）由主交流發電機組提供。

1.3.2 挖泥航速

當平均吃水10.0 m、挖深35 m、使用雙耙挖泥時，對水航速約為8.0 kn，即船對地航速約為3.0 kn，逆流流速為5 kn。

2 “新海鳳”輪設備配備的確定

作為國內目前最大的大型耙吸挖泥船，“新海鳳”輪的設計瞄準了國際先進水平，而輪機系統的設計思路也緊追國際先進技術，主要體現在:動力裝置“一拖三復合驅動”技術的應用；高效導熱熱油系統的應用；針對耙吸挖泥船混濁海水環境的冷卻水（取水）系統設計和多工況點泥泵封水系統設計等方面，使本船的輪機系統設計理念接近國際先進水平。

2.1 主機動力系統——先進的“一拖三”復合驅動模式

大型自航式耙吸挖泥船有一個重要的技術指標，即動力系統裝機總容量（主機和輔機，不包括應急機組）與泥艙容積的比值，稱之為單位泥艙裝機功率（單位:kW/m3）。除主推進系統外，泥泵、高壓沖水泵、艏側推、液壓系統等配套設備也是能耗大戶。如按以前設計思路去設計耙吸船動力系統，推進器、泥泵、發電機，甚至高壓沖水泵都由柴油機作為原動機進行驅動，那么在這樣一艘大型耙吸挖泥船上將配置多達10臺柴油機，計算單位泥艙裝機功率往往會大于2 kW/m3，甚至更高。這樣一來，挖泥船初投資高，造成經濟性下降，且船體艙室布置困難，減少了有效裝載容積。因此，柴油機的增多必將造成能耗增大，對環境污染的可能性也加大。

近十幾年來，國外大型超大型耙吸船的單位泥艙裝機功率逐步下降，現一般都已在1.5 kW/m3以下，先進的實例已小于 1 kW/m3［2］。分析得出，這些單位泥艙裝機功率較低的耙吸挖泥船主要得益于采用了先進的“一拖三復合驅動”技術。正常疏浚作業時，主機往往運行在40%～80%的負荷下，尚有許多富裕功率。因此就推出了“一拖二”、“一拖三”等各種復合驅動模式。

“一拖二”一般是指主柴油機既作為主推進系統的原動機，同時也可以作為帶動軸帶發電機的原動機；“一拖三”則更為復雜，即一臺主柴油機不僅能為船舶提供主推進系統的動力，同時也可作為軸帶發電機的原動機以及泥泵的原動機。這樣，主機基本運行在60%～100%的負荷區間，既保證柴油機功率的充分使用，也大大降低了整船的單位泥艙裝機功率。整船柴油機臺數減少意味著裝機容量減小、有效裝載容積增加、初投資大大降低、營運成本包括日后柴油機的總維護成本也大大降低，其經濟性不言而喻。

“新海鳳”輪選用的是W?rtsil?生產的16V38B主機，2臺主柴油機型式為單作用、四沖程、筒形活塞、直接噴射、增壓、帶中間冷卻、V型、不可逆轉中速船用柴油機，其規格性能如下:

按ISO 3046/I-1986（E）國際標準規定條件

燃油凈熱值不低于42700 kJ/kg（ISO 8217∶1996（E））

“新海鳳”輪在航行工況時，主機帶動主推進系統和軸帶發電機，主機長時間保持在85%～100%負荷狀態下運行。在疏浚作業時，主機帶動主推進系統、軸帶發電機以及泥泵進行作業，主機長時間保持在70%～90%負荷狀態下運行，大大提高了主機的利用率。投產后主機年平均運行時間為8000多小時。

表1 新海鳳輪在各個工況下的主機負荷分配圖表

2.2 功率管理系統——智能化的體現

由上述可知，采用復合驅動，最大限度地利用了主柴油機的功率，同時降低了疏浚船舶的營運及維修成本，在方便船員操縱管理船舶的同時，大大降低了船員的工作強度。 復合驅動模式下的功率管理系統（PMS）有別于一般貨船的功率管理系統，不僅僅對電站的負荷能夠進行有效合理的分配和調節。在“一拖三”復合驅動模式下，泥泵的接合排和調速運行將直接影響到主柴油機的運行特性，也就是說主機的功率輸出隨時在變化，有時甚至是瞬間大功率變化。“新海鳳”輪的功率管理系統就是要在這種工況下完成功率的合理分配和調節，保證全船在各個工況下的功率需求和配電模式的轉換。

功率管理系統通過采用起動輔發電機或優先脫扣非重要負載、減少主推進器功率（減螺距）、減少艏側推功率（減螺距）、減少高壓沖水泵功率（減速）來防止主機及主發電機過載，實現主發電機、可調螺距槳CPP和泥泵之間功率的平衡。主要表現以下幾個方面:

（1）主機正常全負荷航行時，由于各種原因均可能造成主機過載，比如由于航道水深變化、舵角的變化、CPP螺距的變化、槳葉根部繞到漁網等。此時PMS就通過計算獲得主機超功率信息后給出一個指令到推進控制系統，推進控制系統就通過減小螺距來確保主機的正常運行。

（2）疏浚作業時（特別是在大潮汛），雙耙作業時主機負荷往往要達到90%～100%，這時就比較容易發生主機過載情況。在泥泵接合排時，通過信號的采集輸入到系統中，系統程序通過計算主機富裕功率與泥泵合排所需功率進行比較，滿足條件的情況下才允許泥泵合排。疏浚過程中，如果主機超載情況發生，首先通過降低高壓沖水泵的轉速來降低功率，如降低到泵停止仍不能滿足要求，就繼續通過減小CPP螺距來進行調節，直至滿足工況要求。

（3）吹填作業時，特別是在泥泵進行高-高雙泵串聯作業模式下，泥漿濃度的變化、主推進系統螺距的變化、側推螺距的變化等也會導致主機過載。在這種情況下，PMS就計算后通過減小側推螺距與高壓沖水泵的轉速來進行適當調節，滿足主機工況要求。

PMS功率管理系統的采用，是復合驅動的大型耙吸挖泥船的自動化程度提高的標志。“新海鳳”輪在復合驅動模式下，柴油機的負荷主要由主推進系統、泥泵和軸帶發電機以及輔助設備的負荷組成，對各部分負荷監控并同時進行合理分配與管理是“一拖三”驅動方式必須解決的重中之重。鎮江船舶電氣有限公司利用國外IMTCH公司原有的設計技術，通過前期的程序設計和模擬試驗，終于解決了這一難題。在實船使用過程中，PMS功率管理系統充分發揮了高效智能化優勢，在功率管理與分配上嚴格執行程序設定，沒有出現差錯。

2.3 熱油系統的運用——高效的導熱性能

首先來了解一下熱油鍋爐的發展背景。熱載體加熱器是一種利用導熱油作為導熱媒體的加熱系統，也稱為熱油鍋爐加熱系統。這種新型熱能轉換設備是20世紀30年代發展起來的，80年代起在船舶上得到越來越廣泛的使用。熱油鍋爐與傳統的蒸汽鍋爐相比具有更多優越性，在技術和經濟上有許多優點:

（1）熱油的沸點高，具有低壓高溫特性，可保持高溫液態下低壓循環運行；而蒸汽鍋爐的飽和蒸汽溫度或過熱蒸汽溫度要達到熱油的高溫，則需要超高壓運行。

（2）熱油沒有水的凝固膨脹現象，在溫度極低的寒冷區域也不會發生停用期間凍結而導致管路設備爆裂。

（3）系統內被熱油充滿，沒有汽、液、固相關變化過程，不易結垢、無腐蝕性、無需經常清洗。

（4）只有膨脹油柜和儲存柜，無需進行水處理。

（5）沒有蒸汽的冷凝熱損失，雖然熱油的傳熱系數小，熱油加熱器的熱效率小于80%，但是熱油加熱系統的總效率要比蒸汽鍋爐高10%～20%，屬于節能型設備。

（6）回收排氣能量高，可達12%，初投資比蒸汽裝置少25%。

（7）熱油裝置布置簡單，類似于集中供熱系統，對溫度控制比蒸汽鍋爐精確，調節靈活、容易操作。

（8）運行、停止和日常維護比蒸汽鍋爐簡單。由于熱油鍋爐基本上沒有漏泄情況產生，相對蒸汽鍋爐來說，對系統的保溫和環境的污染相對較少。

下面以“新海鳳”輪熱油系統為例，介紹船舶熱油系統基本概況。熱油系統主要由兩臺互為備用的熱油循環泵、兩臺可以并聯使用的廢氣鍋爐、一臺燃油輔助鍋爐、一個熱油膨脹柜、油艙柜等熱能用戶、管系閥件以及控制系統等主要部件組成。熱油首先通過熱油循環泵泵出后，經過兩個并聯的廢氣鍋爐進行加熱；然后再進入燃油輔鍋爐再次加熱（如前面溫度已達到設定溫度，燃油輔鍋爐就不起動）；出來后到達各個用戶；最后回到熱油循環泵形成一個封閉回路。見圖1所示。

“新海鳳”輪:

從上述設備參數可以看到，“新海鳳”輪輔鍋爐額定功率就相當于其他船舶主機的單機功率。因此如何充分利用主機排氣的余熱，盡量減少輔鍋爐的日常使用，對降低船舶燃油消耗至關重要。高導熱性能熱油系統的運用，不僅節省了能源，也大大降低了船舶對海洋與環境的污染。

2.4 中央冷卻水系統——科技精華的體現

以前船舶上的許多設備大多是通過海水進行冷卻。隨著設備增多，配備的冷卻水泵及相關附件如濾器、閥件、冷卻器、管系等也越來越多。由于海水對設備、管路及附件具有很大腐蝕性，而且當冷卻海水經過被冷卻設備時，海水溫度升高使腐蝕更甚。這對船東的營運成本和船員的使用維護極為不利。因此，隨著中央板冷技術的提高，越來越多的船舶采用中央冷卻水系統。下面就“新海鳳”輪的中央冷卻系統進行介紹分析。圖2為“新海鳳”輪冷卻水原理圖。

“新海鳳”輪整個中央冷卻水系統主要由左右高/低位海底門、四個海水濾器、二個海水緩沖柜、三臺主海水泵、兩個中央板式冷卻器、中央淡水系統（包括三臺低溫水泵、各個用戶等）、管系以及相關閥件和控制系統等組成。

中央冷卻系統的出現，大大減少了海水管線的長度，也降低了管系的腐蝕和日常維護管理。在海水管線中，同時增加了ACG防海生物裝置對整個海水系統設備的防護。左右高低位海底門可以滿足船舶不同營運狀態下的使用。首先，港內停泊時可以使用外側高位海底門和濾器，防止港內漂浮物進入海水系統，引起海水管系、濾器和冷卻器的堵塞；其次，海上航行時可以使用左右低位海底門和濾器，防止船舶在橫搖時露出海底門造成海水系統進入空氣，影響設備安全。船上其他設備通過中央淡水系統中的介質淡水進行循環冷卻，正因為冷卻介質是淡水，所以對各個設備的腐蝕明顯降低，甚至基本沒有腐蝕。在中央淡水系統中配備了低溫水溫控閥，通過系統中的溫度傳感器接收信號再輸入到溫控閥控制器，由溫控器內部PLC邏輯控制程序來自動調節溫控閥的開度，確保低溫水溫度保持在設定范圍內。整個低溫水系統中還安裝了淡水添加劑濃度自動監控和投藥裝置，在很大程度上確保了淡水系統水質的可靠性，同時也降低了船員的勞動力。

2.5 疏浚液壓系統

“新海鳳”輪液壓系統包含主液壓系統和耙唇液壓系統。主液壓系統用于控制和驅動耙管收放、大小泥門啟閉、閘閥和蝶閥啟閉、錨機、絞纜機驅動等，耙唇液壓系統用于耙唇油缸的伸縮和恒阻力控制。

2.5.1 主液壓系統

系統由16000 L油箱總成，右舷液壓泵站、左舷液壓泵站、循環冷卻泵組、6只波浪補償器蓄能器罐、7組應急蓄能器組、各控制閥組和平衡閥組、各執行機構和中間管路組成。各液壓泵為PARKER的PV系列比例柱塞泵，由電機驅動，能按給定比例電磁鐵輸入的電信號提供需要的液壓油。泵出的液壓油驅動耙頭吊架油缸及絞車、耙中吊架油缸及絞車、彎管吊架油缸及絞車、錨機、絞纜機、24組大小泥門油缸、所有閘閥、蝶閥、2個溢流筒油缸、艏吹裝置、波浪補償器等船上液壓系統設備，所有液壓系統設備操作均集成至IHDCS疏浚集成控制系統，由疏浚臺操作人員通過電腦控制屏上指示在鍵盤上完成操作。

2.5.2 耙唇液壓系統

系統由液壓泵站、耙唇油缸、中間管路組成。主要指耙頭在水下進行耙吸作業時，根據不同的河床環境以及耙唇油缸內部壓力變化來改變耙唇的角度，從而達到增加泥漿吸入濃度，提高耙吸裝艙能力的效果。

2.6 泥泵封水及閘閥沖洗水系統

“新海鳳”輪泥泵共有2臺，泥泵為高效率雙殼式離心泵，型號BJ238-1200B，四葉式葉輪。泥泵轉向（視自泥泵進口側）右泵為逆時針，左泵為順時針。每臺泥泵經雙速減速齒輪箱，分別由主柴油機驅動。

雙殼泵的主要特征是外泵殼包容內泵殼，內泵殼為壓力補償型。由于內泵殼為壓力補償型，故其一直可使用至接近于磨穿，且當內泵殼破裂時，泵艙也不會進水。為防止泥砂對泥泵吸口處泵殼襯套和軸封的磨損，泥泵需在吸口側及軸側設置水封。軸端封水系統是通過一股連續的封水以防止滲進的泥漿水竄入軸封。在軸端封水系統之外，吸入端封水系統是在吸口端提供有一股連續的封水，以防止泵出的泥漿水竄入葉輪與吸口泵蓋之間。泥泵封水系統要根據所選泥泵的型號及泥泵的工作情況進行設計選型。圖3為“新海鳳”輪封水系統原理圖。

“新海鳳”輪泥泵共有2個工況點:挖泥時泥泵流量25200 m3/h，壓力0.23 MPa；排岸時泥泵流量16200 m3/h，壓力0.785 MPa。為提高排距，左右舷泥泵可以串聯使用，右舷泥泵作為一級泵（低壓泵），左舷泥泵作為二級泵（高壓泵）。泥泵在工作過程中有挖泥工況、吹填排岸工況。吹填時根據吹距可以選擇右泵單泵高速吹泥，也可以雙泵串聯。其中雙泵串聯又分為低—高和高—高串聯。封水系統的設計要考慮滿足泥泵在各個工況下對封水的要求。由于泥泵工況點十分復雜，在以往封水系統的設計中為滿足泥泵的不同工況點，對泥泵封水泵進行串聯、并聯設計，所需設備多、管路復雜且操作十分麻煩。“新海鳳”輪封水泵采用ABB變頻電機驅動，可根據泥泵的轉速和壓力來調整封水泵的流量和壓力，使系統簡化。同時，閘閥密封件在閘閥沖洗水的保護下，有效保證了閘閥在使用過程中的正常關閉。

3 結 論

近年來，大型耙吸挖泥船的設計與建造在我國取得了快速發展。盡管我國起步較國外晚，但發展勢頭迅猛，自2005年起，國內先后建造了許多大型自航耙吸式挖泥船，這些船無論整體性能或輪機系統的設計都已接近國際先進水平。不過我們也要清楚地看到，現在國內建造挖泥船的關鍵設備還依賴于進口，如主機、推進裝置、發電機等。因此，如要從根本意義上提高我國的挖泥船建造水平，當務之急是如何規范和提高船舶配套設備的生產和設計以及提升挖泥船整體設計理念。在進一步消化、吸收國外挖泥船建造的先進經驗前提下，總結經驗教訓。走出一條符合中國特色的挖泥船建造之路，打造出真正意義上的精品挖泥船！

［1］張超.大型耙吸挖泥船研究［D］.上海:上海交通大學碩士論文，2003.01.

［1］于再紅.大型耙吸挖泥船新海虎輪的輪機設計［J］.船舶，2008（5）:2-3.