超大型抓斗挖泥船輪機設(shè)計與研究

許峰 周麗 樊哲林

摘 要：介紹了目前世界范圍內(nèi)在超大型抓斗挖泥船設(shè)計和建造的情況，針對超大型抓斗挖泥船的推進系統(tǒng)、主要施工設(shè)備、動力及其輔助系統(tǒng)等輪機關(guān)鍵系統(tǒng)進行了分析與系統(tǒng)設(shè)計，并提出目標船的動力配置方案。

關(guān)鍵詞：抓斗 挖泥船 自航 輪機設(shè)計

1.課題研究背景

目前國內(nèi)在超大型疏浚船舶的設(shè)計和建造方面，常見的絞吸挖泥船和耙吸挖泥船已經(jīng)成功開發(fā)且廣泛應用于疏浚作業(yè)，完全實現(xiàn)了國產(chǎn)化設(shè)計制造，打破了西方國家對該技術(shù)的壟斷。但是在超大型抓斗疏浚船的技術(shù)理論及產(chǎn)業(yè)開發(fā)方面有限。

抓斗疏浚船這個類型的船舶在世界范圍內(nèi)的數(shù)量都極有限，目前國際上最大的抓斗疏浚船是日本設(shè)計與建造的“東祥號”和“五祥號”，其抓斗容積約200m3，工作能力約6000m3/h。國內(nèi)長江重慶航道工程局前些年從日本購買了一條斗容約50m3，作業(yè)能力約1500 m3/h。 近幾年中交集團的下屬疏浚企業(yè)也建造了少量的抓斗疏浚船，振華重工為上海航道局建造的“新海蚌”抓斗疏浚船斗容30m3，是我國目前的自行建造的最大的抓斗疏浚船。

近年來，近海與遠海的作業(yè)工程的規(guī)模越來越大，對疏浚設(shè)備的效率、成本和節(jié)能減排的要求越來越高，各國各個大型疏浚企業(yè)對大型疏浚設(shè)備的需求也越來越迫切。我國近些年也一直致力于開發(fā)新一代的大型疏浚船，并充分利用目前的新材料、新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備等。

2.輪機部分主要系統(tǒng)設(shè)計與研究

2.1輪機部分概述

自航抓斗挖泥船是一種施工環(huán)境惡劣、輪機設(shè)備眾多、裝機功率較大、工況復雜多變的超大型工程船舶。本文主要針對該船輪機系統(tǒng)配置進行深入研究，結(jié)合船舶施工功能、總體布置特點、船舶自航自持需求以及相關(guān)領(lǐng)域先進技術(shù)進行了各個方面的分析、計算、選型與論證。對推進系統(tǒng)與主要動力裝置進行了選型論證，對目前常用的節(jié)能措施進行分析等，最終實現(xiàn)全船動力系統(tǒng)方案的高效節(jié)能設(shè)計與系統(tǒng)優(yōu)化。

2.2推進系統(tǒng)方案分析

此船作業(yè)時需要具備一定的自身定位能力，按目前的主流全電配置，還可以適當?shù)脑黾宇A算使船舶具備一定的近距離移船和遠距離調(diào)遣能力。目前常見的推進系統(tǒng)驅(qū)動方式按動力源分主要包括：柴油機直接驅(qū)動、電力驅(qū)動、液壓驅(qū)動等。按照螺旋槳的形式分類有定距槳、調(diào)距槳、舵槳和吊艙式全回轉(zhuǎn)舵槳等。

柴油機直接驅(qū)動定距槳是最簡單可行的推進型式。取一種工況作為設(shè)計點，使船、機、槳的配合達到最佳。該方案的優(yōu)點是所用部件種類少、耐用、數(shù)量少、推進效率較高，但其適應的工況較少、軸系需要布置空間?？烧{(diào)螺距螺旋槳相比定距槳系統(tǒng)多了槳毅機構(gòu)、配油器、液壓及電控系統(tǒng)等，比定距槳的軸系復雜，但可根據(jù)不同工況可以調(diào)整為合適的螺距，提高工作的靈活性。電力推進系統(tǒng)近幾年越來越多地運用到了各類船上，推進軸系簡單、系統(tǒng)布置靈活、運行可靠、控制方便。電機可以直接驅(qū)動各種螺旋槳，而且相比柴油機更能適應不同的工況。而且對工程船來講，電力驅(qū)動能夠與其他用電設(shè)備共用同一電力系統(tǒng)的電源，無需專門配置發(fā)電機組。

目標船作為一種自航抓斗挖泥船，不僅要滿足航行與船舶施工過程中的自身定位需求，更主要的是要求簡單實用、安全可靠且節(jié)能經(jīng)濟。根據(jù)本船總體布置情況、設(shè)備配置與動力需求等情況，有以下兩種推進方案可供選?。翰裼蜋C通過雙輸出驅(qū)動可調(diào)槳與軸帶發(fā)電機的方案，作業(yè)時電站輸出用于施工設(shè)備，航行時通過減速齒輪箱輸出驅(qū)動推進系統(tǒng)；變頻電機驅(qū)動驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳，后者即可解決布置難題，又能提高船舶的定位能力與操縱性能。

2.3全船動力需求分析

本船的主要施工設(shè)備抓斗機采用電液主動式方案，抓斗機的回轉(zhuǎn)與升降通過變頻電機驅(qū)動實現(xiàn)，抓斗采用在斗上布置獨立的液壓動力站的液壓主動式方案。抓斗機所需的動力與冷卻水等通過中心滑環(huán)由機艙提供。通過分析抓斗機的施工土質(zhì)與抓斗本體的重量，結(jié)合抓斗機部分的各類施工工況與過程研究，抓斗機與起吊設(shè)備廠家提出了200方斗的標準作業(yè)工況，按此標準方量反饋到發(fā)電機組所需提供的最大輸出功率約為9000kW。

除了抓斗機外，施工時的定位設(shè)備也是全船至關(guān)重要的作業(yè)設(shè)備，目前對于作業(yè)時常見的定位形式有錨泊定位、樁定位與推進系統(tǒng)的動力定位。對于施工船舶，由于要充分考慮功能需求、運營經(jīng)濟成本與操作便捷等因數(shù)，對目標船建議選用鋼樁系統(tǒng)加多臺絞車組成的錨泊定位方案，這兩套定位設(shè)備按現(xiàn)有的常規(guī)配套經(jīng)驗，都可采用液壓驅(qū)動。

根據(jù)抓斗挖泥船的作業(yè)需求，液壓泵站提供的動力油源須滿足鋼樁同時升降的要求，多套定位絞車運行時的最大荷額，要滿足臺車行走油缸與錨絞車的動作需要。為了提高系統(tǒng)的安全可靠性，推薦主系統(tǒng)采用多臺電機泵組并聯(lián)集中供油的方案。主泵站的總功率約1200kW。

2.4主要動力裝置方案及選型論證

本船的主要動力設(shè)備配置是為了滿足施工與航行所需以及船上日常用電。根據(jù)全船電力負荷分析，針對主電站的配置提出兩種方案。方案一為3臺約4000 kW 主發(fā)電機組，方案二為4臺約3000 kW 主發(fā)電機組。

方案一可以滿足抓斗船多變的施工工況適應性好，能夠很好的滿足航行工況。采用方案二，電站組合方式更靈活，但柴油機數(shù)量多，布置相對困難且后期維護工作量相對大。上述兩種方案目前在全電驅(qū)的船舶上均常見，主要涉及到總體布置方面的問題，若能解決4臺機組相對方案更優(yōu)。

根據(jù)前面的動力負荷需求分析與配置方案，因為所需發(fā)電功率是屬于常見功率，所以世界各大柴油機廠商均有相關(guān)產(chǎn)品，目前世界主流柴油機品牌如MAN、Wartsilia與Mak的32系列機型均可滿足要求，國內(nèi)也都有相應生產(chǎn)廠商。實船生產(chǎn)時還可從成本、布置空間、柴油機排放、燃油與滑油消耗量、振動與噪音、外圍配套等多個方面進行詳細的對比與選取。

2.5各類節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應用與分析

2.5.1廢氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)計

對于船舶來講，船上存在大量機械設(shè)備需要通過燃用燃料產(chǎn)生熱能而轉(zhuǎn)化的機械能與熱能，一般若不采用廢熱利用的柴油機的燃料熱效率約40%，可看出還有一定的可開發(fā)空間。目前，柴油機排氣余熱的利用主要是通過廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉(zhuǎn)換成掃氣空氣的壓力來提高柴油機的功率和效率。另外就是在排氣上裝廢氣鍋爐，吸收一定的熱量用于加熱船上的設(shè)備、艙柜、生活水加熱以及冬季的取暖加熱設(shè)施等。

2.5.2節(jié)能設(shè)計

冷卻系統(tǒng)的功率相對其他輔助系統(tǒng)較大，且常規(guī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計中都有較多的旁通設(shè)計，而且由于系統(tǒng)水量也是按夏季工況所需的水量設(shè)計，所以船舶大部分運行時間該系統(tǒng)都有一定的余量與節(jié)能空間。目前對主海水泵采用變流量控制，在水泵變流量范圍內(nèi)就可以直接與用戶側(cè)的流量相匹配，在流量變化范圍內(nèi)沒有旁通量，這就意味著沒有多余的能耗。采用變頻調(diào)速器來調(diào)節(jié)流量，按有關(guān)研究統(tǒng)計數(shù)據(jù)節(jié)電率為20%～50%。

另外就是機艙等機械處所的通風機相對常規(guī)設(shè)計也可采取一定的節(jié)能措施，風機的設(shè)計需要滿足在夏季極端條件下能夠保證機艙柴油機基本在全負荷的工況下可正常工作，但是全年此工況下的天數(shù)有限，若全開不僅浪費能源，而且噪音也非常大。采用變頻電機驅(qū)動的風機，可根據(jù)機艙內(nèi)的設(shè)備使用情況與機艙溫度自動控制風機的轉(zhuǎn)速，不僅達到了節(jié)能的目的，也可對機艙環(huán)境得到較大的改善。

全船空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能措施。據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計一般類型船舶空調(diào)耗能可占船舶總功率的10%左右，雖對于本船該部分所占比例更小，但其耗能量通過多種方式來降低所達到的節(jié)能效果亦很可觀，可起到減少船舶運營成本?？照{(diào)通風的節(jié)能現(xiàn)已有較多成果可供利用，如采用適合合理的回風系統(tǒng)布置、合理的風機選型與濕度溫度控制等等。本船設(shè)計時立足于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，采用集中與分散相結(jié)合，充分利用船舶余熱冬季加熱等措施。部分特殊區(qū)域如會議室即設(shè)有獨立空調(diào)又設(shè)有中央空調(diào)風管，這樣可在春秋季節(jié)不需空調(diào)的時間部分區(qū)域根據(jù)需要可小范圍啟動空調(diào)。

2.6輪機其它動力輔助系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)

除此之外本船還需按實際需求、法規(guī)與規(guī)范的要求配置各個相關(guān)的設(shè)備與船舶系統(tǒng)。同時還需關(guān)注與提前設(shè)計涉及到防止空氣污染、水污染、噪聲污染等必須面對的環(huán)保問題。

3.結(jié)論

超大型自航抓斗挖泥船是一種施工環(huán)境惡劣、裝機功率大、設(shè)備眾多、工況復雜多變的超大型工程船舶，本文提出的方案相比現(xiàn)有的國際上的同類型船舶，不僅增加了航行功能與適應性更強的定位功能，而且也采用了更環(huán)保高效的液電驅(qū)動的主動抓斗技術(shù)，采用了更多最新的節(jié)能環(huán)保措施。

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