挖沙船的變頻節能改造分析

希望森蘭科技股份有限公司 李占峰，杜俊明

1 概述

挖沙船即沙石采掘工具，是從河道內水中提取黃沙資源的機械船只，常為流動作業，內陸河道挖沙船采沙能力幾十噸到幾千噸不等，大型的河道采沙船機械化和自動化程度更高，一條挖沙船即可成為一個生產單位，可以實行采沙和沙石分離精選全過程。隨著建筑業的日漸發展，沙土應用量也日益增大，這也給挖沙船帶來了巨大的商機。

挖沙船的種類很多，從挖沙方式上可以分為機械挖沙和吸揚挖沙兩大類。機械挖沙是利用沙斗在水下直接抓沙、提升，完成水下挖沙過程，按沙斗型式不同分為抓斗式、鏟斗式和鏈斗式三種。抓斗式挖沙船利用設在船上可以以旋轉的吊機完成挖沙作業。起重吊桿將抓斗轉動到預定的挖掘地點，將抓斗放在接近水面時，松開絞車鼓輪，讓已經張開的抓斗在自重作用下，在水中垂直下落，當抓斗到達你面前，斗齒破土插入泥沙中。此后，絞緊閉斗纜索，抓斗閉合。將抓斗起吊出水后，吊桿旋轉至預定卸沙處。鏟斗式挖沙船是在船體端部安裝了鏟斗機(可使用索式鏟，也可以使用硬臂的正向鏟或反向鏟)。鏟斗式挖沙船的挖沙原理與陸地上的同類挖掘機械相同。鏈斗式挖沙船最明顯的特點就是它的斗鏈。斗鏈是由沙斗和鏈節組成的，它纏繞在挖沙船斗橋的上下導輪之間。鏈斗式挖沙船就是靠斗鏈完成切沙、裝沙過程的。挖沙作業時，斗鏈在上導輪的動力驅動下，在水下連續完成切沙、裝沙。提升工藝過程。沙斗在轉過斗橋上導輪轉而向下時，斗中的泥沙因自重而卸入斗橋上導輪下方的皮帶輸送機上，繼而被送入運輸船或被直接拋到岸上的卸沙地點。

吸揚式挖沙船利用裝在船上的泥漿泵，在水下吸砂管端部造成負壓，將吸入的沙漿通過排沙管輸送出去。吸揚式挖沙船的挖沙過程是首先將吸砂管端部保持在水底，并開動泥漿泵后，吸砂管端部連續吸入泥沙。有的自航吸揚式挖沙船配備有儲存艙，在儲存艙裝滿后，將沙運到卸沙區。有的吸揚式挖沙船不具備儲存艙，需另配運輸船隨行，以接運吸上來的泥沙。也有的吸揚式挖沙船采用直接將泥沙排到岸上卸沙區的方式，即邊吸邊拋。

目前，使用較多的是鏈斗式挖沙船。挖沙船的主要電氣設備有用來拖動挖掘鏈條的兩臺主電動機，主電動機的功率由挖沙船的大小決定，例如2000噸的挖沙船的兩臺主電動機的功率均為600kW，輔助設備電動機（包括船上生活用電設備）的功率總共有300kW左右。挖掘鏈條有幾十噸重，要求同時起動，不論是星三角起動還是自耦減壓起動方式，起動電流都很大，一般起動電流是電動機額定電流的5倍左右，并且要求頻繁起/停。眾所周知挖沙船不可能用河岸上的電源供電，船上自帶柴油發電機，柴油發電機的容量根據主電動機的功率，再考慮到主電動機起動電流和其他輔助設備電動機的容量等因素確定。

2 柴油發電機容量的計算[1]

按主電動機起動尖峰負荷計算發電機的容量，根據已知條件可選擇下列公式分別進行計算。

假定已知用電設備的額定容量、功率因數、效率和電動機的起動電流倍數則發電機的最小視在功率（kVA）：

（1）式中：

kG——發電機綜合過負荷系數，取1.5。考慮到因尖峰負荷造成電壓、頻率降低而導致電機功率下降和發電動機允許短時過載倍數的綜合系數；

βmax——單臺最大容量電動機的起動電流倍數；

Pmax——單臺最大容量電動機的額定容量kW；max

η ——單臺最大容量電動機的效率；

max?tg ——單臺最大容量電動機功率因數角正切值。

如前所述，若不知每臺用電設備的功率因數和效率時，則可用（2）式近似計算。

（2）式中：

22GS ——按每臺用電設備視在功率算術求和并計入單臺最大容量電動機的起動視在功率（不重復計算額定視在功率），計算發電機的最小額定（輸出）視在功率，kVA；

maxS ——單臺最大容量電動機的額定視在功率，kVA；

maxI ——單臺最大容量電動機的額定電流。

同樣，只知道每臺電動機的額定功率時，可用（3）式簡略地計算發電機的容量：

由上2000噸挖沙船主電動機和輔助設備數據，為簡化計，采用（3）式計算：

公式中電動機的起動時每次只起動一臺，實際情況是同時起動兩臺，因此 Pmax= 1200kW，電動機的起動電流按5倍計算，由此柴油機發電機的容量為6300kVA，即功率為5000kW柴油發電機。

3 起動方式的比較[2]

如上所述，用星三角起動或自耦減壓起動方式，電動機的起動電流較大，導致所選用的柴油發電機的容量過大，實際上柴油發電機容量過大的原因完全為了滿足船上主電動機的起動條件，正常運行后，主電動機的電流并不大，一般應在額定電流以下。因此，減小電動機的起動電流，就可選較小容量的柴油發電機，這樣可節省大量的初始投資，而且正常運行中較小容量的柴油機比容量較大的柴油機少消耗柴油。

減少電動機起動電流的方法有傳統的星三角、自耦減壓起動方式，這兩種起動方式減小的電流不顯著。現在使用較多的是控制晶閘管導通角的“軟起動器”和控制頻率和電壓的“變頻器”來實現電動機軟起動，減小電動機起動電流。這兩種方法中，軟起動器起動電動機采用恒頻變壓起動，當晶閘管導通角較小時，軟起動器輸出的電壓較低，電動機的轉子仍處于靜止狀態，定子旋轉磁場是50Hz，轉差率最大，等于1。由于輸出電壓較低，起動電流比星三角、自耦減壓起動方式略小，用限流起動方式最小也有2.5倍額定電流，而且起動轉矩較低，不適用于這種重載起動。加大限流的倍數，起動轉矩有所改善，但起動電流太大也是不可取的。

變頻器控制輸出的電壓和頻率，改變轉子速度和頻率是一種改變旋轉磁場同步速度的方法，轉差率不變，一般可在電動機額定電流下起動，而且起動轉矩在額定轉矩以上。因此，用變頻器起動挖沙船上的主電動機可大大地降低起動電流，船上柴油機的容量也可根據變頻器起動主電機的起動電流來選取。如2000噸的挖沙船用傳統的星三角、自耦減壓起動方式，柴油發電機的功率為5000kW，改用變頻器起動，柴油發電機的功率2000kW足夠。

4 變頻器在挖沙船上的應用

（1）小型斗輪式挖沙船用兩臺主電機均為30kW用來拖動挖掘鏈條，鏈條就有幾十噸重，要求同時起動，并且是頻繁起動。電源為250kVA的柴油發電機，耗油45L/h，120kVA耗油23L/h。若用變頻驅動，則柴油發電機用東風，型號90GF6BTA5.9-G2，功率90/99kW(80/88kW,18.5L/h)，23L/h。節省油料的數量很大，經濟效益十分可觀。

（2）大型斗輪式挖沙船用兩臺800kW變頻器驅動兩臺600kW電機來拖動挖掘鏈條，柴油發電機2000kW，油耗為180kg/h，若不用變頻器，柴油發電機組要用到5000kW以上，每小時的節油量超過200kg。

（3）由于變頻器是安裝在挖沙船上，挖沙船是不斷移動的，所以應用在挖沙船上的變頻器又有許多不同于一般機械的特殊要求，例如設備尺寸和重量、散熱及防護要求等。

5 結語

挖沙船變頻節能改造后，可以實現電機軟啟動，起動電流小于額定電流，降低對設備的沖擊，大大減少設備的維護量，同時可以降低柴油發電機的容量，減少前期投資；另外，采用變頻調速后，可以節省電能，由于挖沙船上的用電都是柴油機提供的，所以可以節省大量的柴油，由于現在柴油價格越來越貴，油料大量節省也使企業降低成本，增加利潤。

挖沙船采用變頻調速技術，不但獲得傳統調速技術無法比擬的控制性能，在節約能源方面也顯示出非常大的優勢，因此，變頻調速技術在挖沙船上推廣應用的前景十分廣闊。

[1] 任元會, 卞鎧生, 等. 工業與民用配電設計手冊 (第三版) [M]. 北京: 中國電力出版社, 2005.

[2] 趙洪禮. 鼠籠電機軟啟動方式綜合分析[J]. 煤炭技術, 2009, 28 (07) : 59 - 62.