吸盤挖泥船采用全電力驅動系統設計論證

2013-08-11 01:46:48張海榮邰能靈

船舶 2013年2期

韓龍張海榮邰能靈

（1.上海交通大學上海200030；2.中國船舶及海洋工程設計研究院上海 200011）

0 引言

吸盤挖泥船是眾多挖泥船種類中較特殊的一種船型，由于采用縱前直線移船作業的行進方式，挖槽平直且一次挖寬大，排泥方式亦較靈活，尤其適合泥漿濃度較高的大江河道清淤疏浚及枯水期重要通航段的突擊搶修（不礙航），對淤泥、砂及砂礫等沖積土壤的疏浚最為合適。1993年，因長江葛洲壩水域航道疏浚的特殊需要，中國船舶及海洋工程設計研究院在國內首次研制成功1 250 m3/h吸盤挖泥船 “吸盤1號”，在十幾年的施工實踐中，長江航道局對該型船的使用積累了豐富經驗。在此基礎上，結合長江中游航道枯水期維護疏浚的需要，擬建造一艘新型吸盤船，并委托中國船舶及海洋工程設計研究院進行方案設計。筆者基于該吸盤船《設計任務書》要求，對其采用何種電力系統配置進行了充分論證。

當前，對于需要有大量電力按照工況進行轉移應用和推進器需要周期進行高速和低速運行轉換的船舶（特別是工程作業船舶），采用全電力推進方案的動力型式已屢見不鮮，獲得越來越多的應用。早在2008年，就有文章對全電力驅動系統在耙吸挖泥船上的應用進行探討，并證實耙吸挖泥采用電力推進船型技術可行、性能先進、投資增加可在運行費降低中得到補償［1］。由于吸盤挖泥船的特點，其推進功率遠小于泥泵等疏浚作業軸功率，所以柴油機裝置總功率對電力推進船型并不會比柴油機直接推進船型有所增加，這一點要比耙吸挖泥船采用電力推進更為有利，該船方案論證也充分證實這一點。

1 設備參數與任務書技術要求

該船設計任務書要求：定員28人、自持力15天，滿足內河A、B級航區。生產量要求達到2 000 m3/h，最大挖深16 m；尾管排泥距離600 m，排高6 m；邊拋作業排泥距離舷外60 m，推進器采用2臺Z型舵槳裝置，作業方式除有傳統的錨纜牽引縱前移船直線絞進作業外，還要求借助Z型舵槳裝置頂推施工作業；滿載航速要求不小于10 kn。

經各專業估算，若按航速10 kn計算，推進器所需功率約2×1 250 kW，推進挖泥工況下（航速約為6 n mile）推進功率約需2×600 kW，在絞進挖泥工況下（克服側向流）推進功率約需2×400 kW；泥泵所需功率約為1 850 kW，高壓沖水泵2臺，功率為每臺500 kW；液壓泵站在絞進挖泥工況下所需功率約為200 kW，推進挖泥工況下所需功率約為50 kW；全船日用負載最大工況下約為400 kW。

2 定距槳與調距槳性能比較

電力推進型式一般只需采用定距槳，簡單可靠。在一拖二型式柴油機中，為了保證軸帶發電機頻率不變，推進器都必須采用調距槳，這種推進器結構復雜，需要配置一套復雜的液壓控制系統用來改變螺旋槳的螺距角，以獲得可變的螺旋槳推力來調節船舶的航速。因此，調距槳的效率相同推力性能的定距槳，所需的原動力功率會增加，特別是在小轉矩及零矩時，螺旋槳仍在全速運轉，其機械的附加損耗可能高達20%。調距槳本體內由于有液壓執行機構，結構復雜且機械部件多，制造、裝配、維護工作量大，成本高，價格約為定距槳的1.3倍左右。

定距槳與調距槳相比，它們在低推力時功率差異很大。因此，當螺旋槳需要周期性的處于低負荷運行工況時，采用定距槳比調距槳需要的功率較小。根據相關資料，如以60%推力工作來看，定距槳可節能33%。若以25%推力年運行2 000 h，若以50%推力年運行2 000 h，若以100%推力年運行1 000 h的全年總運行5 000 h的非連續滿載周期變速運行例子計算，定距槳全年可節省燃油32%［1］，經濟性相當可觀。對于本吸盤挖泥船而言，這一點具有極大的應用參考價值。

定距槳與調距槳的性能比較見表1，可見，調距槳性能明顯較差。

表1 定距槳與調距槳的性能比較

3 全電力驅動與一拖二動力配置方案

全電力驅動配置方案和一拖二（柴油機拖動螺旋槳和軸帶發電機）動力配置方案的主要性能和參數分析比較。

3.1 全電力驅動配置方案電站的選擇

全電力驅動配置方案電力負載的估算值見表2。

表2 電力負載估算表（全電力）單位：kW

根據上述估算結果，該船電站設為：3臺柴油發電機組，每臺機組功率1 600 kW。此時各工況的負載率見表3。

表3 電站配置方案及其負載率（全電力）

由表3可見，該方案在推進挖泥、絞進挖泥及航行狀態工況下負載率合理，處于較佳運營狀態。

3.2 一拖二動力配置方案方案電站的選擇

一拖二動力配置方案電力負荷估算見表4。

表4 電力負載的估算表（一拖二）單位：kW

根據以上估算結果，該船電站一拖二動力配置方案設為：2臺一拖二推進主機，柴油機功率均為1 717 kW，軸帶發電機功率均為1 200 kW。另外，艙內泥泵（1 850 kW）需配約2 100 kW的柴油機發電機組1臺，柴油機功率約2 300 kW，通過電軸系統驅動（注：電軸系統指設置獨立的柴油發電機和電動機，用于泥泵的驅動和調速。電動機采用強勵磁啟動，通過改變柴油發電機組的柴油機轉速進行變頻，從而對泥泵進行調速）。此柴油發電機組布置在機艙內，艙內泥泵通過電機驅動，布置在泵艙內。

此時各工況的負載率如表5所示。

表5 電站配置方案及其負載率（一拖二）

由表4、表5可知，該方案在推進挖泥及絞進挖泥工況時左柴油機負載率略低（約60%），左柴油機利用率不高；沒有備用機組，一旦其中某臺柴油機或軸發生故障，則無法進行挖泥工作。

3.3 方案比較

兩種方案裝機功率約有600 kW的差異，在設備布置、生命力、配電復雜度上也有較大區別，性能比較見下頁表6。

全電力驅動配置方案最大特點是在挖泥工況下生命力極高，當任何一臺柴油機故障時，仍能維持自航挖泥（排量降低）和航行，而一拖二動力配置方案無法做到這一點。

全電力驅動配置方案驅動性能好、自動化程度高、工況變化時運行效率高；各種工況下，發電機負載率合理，能時常處于最佳運營狀態，且裝機功率低、燃油消耗節省、排污少、環保性能好。

表6 兩種動力型式性能比較

全電力驅動配置方案的機電設備部分投資可能是一拖二動力配置方案的1.3倍，但從該船的特定情況來看，全船的初投資全電力驅動配置方案約為后者的1.1倍。由于全電力驅動配置方案的運行費較低，所以在該船的全壽命周期內，總費用較低，這已被多數電力推進船所證明。

因此，該船動力型式推薦采用全電力驅動配置方案。

4 全電力驅動配置方案的電機驅動方式比較

該船在全電力驅動配置方案中電機驅動方式有兩種，一種是較流行的變頻驅動方式，另一種是采用軟起動方式。軟起動方式雖然成本低廉，但無法對控制設備進行速度調節；然而，該船的艙內泥泵和高壓沖水泵均有一定的調速要求，故無法采用軟起動方式。對于2臺舵槳，若采用軟起動方式，則需配置調距槳（具體結論詳見本文第2節），故該船不建議采用軟起動方式。

若采用全電力驅動配置方案，電機驅動只能采用變頻驅動方式。國內已有許多舵槳采用變頻驅動的應用實例，至于艙內泥泵采用變頻驅動的情形，國外應用更為普遍，國內也已在該院設計的85 m深水挖泥船上得到應用。

5 全電力驅動配置方案的配電系統比較

根據該船電站配置情況，配電系統可采用690 V～400 V二級電網及400 V一級電網兩種形式。

400 V一級電網因為只有一個400 V配電板，同時節省了2臺800 kVA的日用變壓器，因此具有成本低、設備簡單、管理維護方便的特點。由于該船電站總容量較大，400 V配電板設計有一定難度（主要是開關和母排的選擇）；并且，由于該船采用大量的變頻驅動，為了抑制諧波對400 V及220 V日用負載的影響，因此采用690 V～400 V二級電網。

采用690 V～400 V二級電網既解決了配電板內開關和母排選擇的困難，又可抑制一部分諧波對日用負載的影響。690 V電網主要向舵槳、艙內泥泵、高壓沖水泵等工作設備供電，同時通過2臺800 kVA的日用變壓器（一用一備）向400 V電網供電；400 V電網主要向全船輔助及生活設備供電。目前，這樣的配置在絞吸挖泥船和耙吸挖泥船中已得到普遍應用。

全船電力系統單線圖如圖1所示。