某耙吸挖泥船發電機配置優化分析

姜曉翔 湯 山

（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；3.長江航道局 武漢430010）

引 言

當前長江上游航道等級低與運量大的矛盾突出，礙航的現象時有發生；航道發展與疏浚設備能力不足的矛盾也日益顯現［1］。為提升航道維護能力，保障航道安全暢通，經過對服務水域疏浚作業量及疏浚能力要求的調研，長江航道局擬建一艘自航耙吸挖泥船交付長江重慶航道工程局使用。

本船主要用于長江三峽庫區重慶以下變動回水區及常年庫區河段的泥沙維護疏浚工作及淺水水域的應急疏浚作業。針對長江中上游的特點，本船設置了常規耙吸挖泥船所沒有的首沖功能。同時，根據對服務水域的調查分析，使用方提出了耙吸作業時流速2.5 m/s（一般耙吸挖泥船均以2 m/s作為設計條件）以及首沖作業時流速4 m/s的高要求。特殊工況以及工作水域的惡劣環境條件決定了本船電力配置的復雜性。

1 船舶概況

1.1 基本作業功能

本船為單泵、雙邊耙設置，單耙施工，艏部設有首沖裝置，主要具有以下5種作業功能：

（1）耙吸挖泥裝艙：耙吸裝艙作業時，泥泵吸入的泥漿經過消能箱載入泥艙，泥艙設有無級調節溢流筒控制溢流和裝載。設5個2級開啟的錐閥泥門分組或同時進行卸泥。泥艙內還設置高壓沖水管系協助卸泥，減少殘泥量。

（2）耙吸挖泥邊拋：耙吸邊拋作業時，泥泵吸入的泥漿可直接經邊拋管向舷外噴射拋泥。邊拋管由油缸驅動可向左舷或右舷轉動，選擇拋泥方向。

（3）首沖邊拋：本船首部設置的首沖架采用剛臂型式，首樓甲板上設置絞車和吊架進行首沖架的收放。調遣航行時，首沖架吊出水面。施工時，首沖架放至貼近河床，首沖架上設有噴嘴和吸沙口，通過高壓沖水泵進行沖沙，通過泥泵將沖起的泥沙直接由吸口吸入經邊拋管向舷外噴射拋泥。

（4）抽艙邊拋：采用高壓沖水稀釋艙內泥漿，同時打開抽艙閘閥，泥泵經艙內抽艙支管和總管吸入泥漿經邊拋管向舷外噴射拋泥。邊拋管由油缸驅動可向左舷或右舷轉動，選擇拋泥方向。

（5）抽艙邊排：采用高壓沖水稀釋艙內泥漿，同時打開抽艙閘閥，泥泵經艙內抽艙支管和總管吸入泥漿經邊排管向舷外排泥。邊排管在兩舷舷側留有接口，可根據實際需要選擇任何一側聯接裝駁船或其他管線。

1.2 動力配置

本船采用雙機雙槳推進以及“一拖二”復合驅動。

主機為2臺不可逆轉的中速柴油機，每臺主機在飛輪端經高彈聯軸節、雙輸出齒輪箱，驅動可調螺距螺旋槳及軸帶發電機。泥泵由電動機驅動。

軸帶發電機作為本船主發電機向全船供電，其容量滿足規范的要求，另設置輔柴油發電機組作為備用。根據停泊、應急及值班工況的全船用電需求，還設有相應的停泊/應急柴油發電機組及值班柴油發電機組。

在軸發供電的模式下，主機轉速維持在100%，主推進系統處于恒速模式，以保證全船的正常供電。2臺軸發電機之間、軸發與輔發電機、輔發電機與停泊/應急發電機、停泊/應急發電機與值班發電機之間均可短時并聯進行負荷轉移，達到不斷電切換的目的。

另外，針對本船的復雜工況，配置了1套功率管理系統，可以實現工況的靈活轉換、設備的監測和保護、操作的自動化等功能。

2 發電機配置優化緣由

根據船型、總體性能要求，并結合各工況需求，初步估算得到本船典型工況下各設備所需的功率，見下頁表1。

根據表1所列的功率需求，本船動力裝置的初始配置方案為：設2臺2 000 kW主推進柴油機，并配置2臺1 200 kW軸帶發電機作為主發電機，1臺1 200 kW輔發電機組作為主發電機的備用，另外設1臺220 kW停泊/應急發電機組以及1臺64 kW值班發電機組。

此方案的發電機配置為“2臺軸發+1臺輔發”的常規形式，具有以下幾種功能：

（1）自由航行或進出港時，軸帶發電機可提供全船用電。

（2）疏浚作業時，兩臺軸帶發電機分區供電，1臺向泥泵電動機供電，另1臺向高壓沖水泵電動機及全船日用負載供電。輔發電機組可視不同作業工況的主機負荷情況需要運行。

（3）當任意1臺軸帶發電機發生故障時，輔發電機組可自動起動，并自動連接至主配電板進行供電。

表1 典型工況所需功率分配表

根據此方案的動力裝置配置，通過深入計算各典型工況的電力負荷，并考慮合理的傳動效率，可以在不同的負荷分配下，得到相應的主機和輔發電機組的負荷率。

考慮在所有工況下，輔發電機組均作為備用而不運行，所得主機的負荷分配及負荷率統計見表2。

由表2可發現，在抽艙邊拋工況下，由于左主機不帶推進負載，使得負荷率低于50%，而一般廠商推薦最好維持在50%以上，但此工況不作為長期運行工況，進行短時施工作業所產生的不良影響十分有限。

表2 典型工況主機的負荷分配及負荷率（輔發電機組不運行）%

然而，在挖泥裝艙工況下，右主機將出現超負荷運行的情況，會加快機件磨損（特別是運動部件），縮短機器使用壽命［2］；在首沖邊拋工況下，右主機的負荷率也較高，功率儲備極少。因此，在這兩種常用工況下進行施工作業時，需要運行輔發電機組，使得主機能夠運行于合理的工作點并且有一定的功率儲備。運行輔發電機組也有兩種負荷分配方式，見表3和表4。

表3 挖泥裝艙及首沖邊拋工況主、輔機的負荷分配及負荷率（方式一）%

表4 挖泥裝艙及首沖邊拋工況主、輔機的負荷分配及負荷率（方式二）%

可見，方式1的主機負荷率較為合理，但輔發電機組的負荷率偏低；方式2的輔發電機組負荷率較為合理，但右主機負荷率又略顯偏低。柴油機長期低負荷運轉將導致燃油燃燒不充分而冒黑煙、污染環境、燃滑油消耗大、柴油機零部件磨損增加、性能變差［3］等后果。

另外，不管采用哪種方式，在這2種工況下，均需運行輔發電機組而沒有備用發電機。一旦1臺軸帶發電機出現故障，本船的施工作業將受到較大影響。

總之，鑒于本船作業功能多樣、作業工況復雜，采用“2臺軸發+ 1臺輔發”的發電機配置形式存在設備負荷率較低以及功率分配不靈活等缺點，有必要對發電機配置方案進行優化。

3 發電機配置優化方案

3.1 優化方案

經過綜合分析，考慮將原方案的1臺1 200 kW輔發電機組改為2臺600 kW輔發電機組，即將發電機配置方案優化為“2臺軸發+ 2臺輔發”的形式，整個電力系統的一次單線圖如圖1所示。

圖1 優化方案電力系統一次單線圖

3.2 主機、輔機負荷率的計算分析

相對于原方案，優化方案的功率分配相當靈活，主要體現在：當主機負荷較高時，可運行1臺輔發電機組向全船日用負載供電，另1臺輔發電機組作為備用；當任意1臺軸帶發電機發生故障時，兩臺輔發電機組可并聯運行進行供電。

根據優化方案的動力裝置配置，通過進一步計算，所得設備負荷率統計見表5和表6。

表5 優化方案的主、輔機負荷分配及負荷率（正常情況）

表6 優化方案的主、輔機負荷分配及負荷率（假設右軸發故障）

由表5可以看出，正常情況下，各工況的主、輔機負荷率都較為合理，也具有一定的功率儲備，同時還有1臺輔發電機組備用。

由表6可以看出，若右軸帶發電機發生故障，各工況的左主機及輔發電機組負荷率也都較為合理。由于右主機僅帶推進負載，因此在作業工況下負荷率稍低，但在這種故障模式下，本船仍可進行施工作業。

值得一提的是，以上計算均是基于設計任務書提出的最大環境設計條件，但一般較少遇到這種情況。而在通常的環境條件下，顯然優化方案的發電機配置將擁有更大的冗余度。

4 結 論

通過上述理論計算及分析比較可知，雖然將1臺1 200 kW輔發電機組改為2臺600 kW輔發電機組僅是一個小小的配置優化，但對本船動力系統乃至疏浚性能的改善起到了巨大作用。在裝機功率基本不變的情況下，不僅減少了設備的初投資成本（根據相關設備廠商的報價），還增加了冗余性，使得各工況動力裝置的功率負荷更加合理且功率分配更加靈活，大大增強了本船對于不同工況的適用能力，提高了效率，同時達到了節能減排的效果。

［1］ 徐本舉.淺談長江上游航道疏浚船舶技術的發展趨勢［C］//中國第四屆國際疏浚技術發展會議，2011：366-374.

［2］ 李湛，梁榕輝，王希龍.論船用主柴油機的超負荷［J］.中國修船，2009（2）：16-18.

［3］ 萬德玉，劉少珍，董占春.淺談柴油機的低負荷性能［J］.內燃機與動力裝置，2008（4）：1-4.