淺談18 000 m3耙吸式挖泥船電氣系統設計

倪永亮

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

挖泥船是一種工程船舶，它借助于不同的工作裝置，進行水下土石方挖掘，達到疏浚、吹填和采集沙石土料的目的。隨著我國現代化建設的高速發展和改革開放的不斷深入，迫切需要改善水上運輸條件，以適應大型船舶的進出港和碼頭停泊。目前，挖泥船的應用為挖深、加寬和清理現有的航道和港口，開挖新的航道、港口和運河，疏浚碼頭、船塢及其他水工建筑物的基槽以及將挖出的泥沙拋入深海或吹填于陸上洼地造田等提供了便利條件，是吹沙填海的利器[1-2]。

挖泥船的工作能力是以每小時能挖多少立方米泥土來表示的，按施工特點可分為耙吸式、鉸吸式、鏈斗式、抓斗式和鏟斗式等。耙吸式挖泥船則是通過置于船體兩舷或尾部的耙頭吸入泥漿，以邊吸泥邊航行的方式工作。耙吸式挖泥船機動靈活，效率高，抗風浪能力強，適宜在沿海港口、寬闊的江面和船舶錨地作業。大連中遠海運重工有限公司建造的18 000 m3挖泥船就是耙吸式的，全船總長166 m，船寬36 m，右舷配有1個單耙。

1 高壓配電系統

根據船級社定義，額定電壓大于1 000 V的配電系統為高壓配電系統。與低壓配電系統相比較，高壓配電系統對性能要求更高，因而系統設計更加復雜[3]。

圖1 耙吸式挖泥船總圖

本挖泥船項目主電源為3臺7 200 kW的發電機，為主配電板提供6.6 kV、60 Hz的高壓電源。設備包含2臺7 500 kW的主推進電機、2臺7 500 kW的泥泵電機、1臺3 400 kW的水下泥泵電機、2臺1 250 kW的艏側推電機、2臺1 250 kW的高壓沖水泵、1臺500 kW的低壓沖水泵、3臺530 kW的液壓系統主泵電機等，這些設備均為變頻驅動，且本船操控需滿足DP1要求。經與船東協商并與主要配電系統集成商溝通，最終采用了推進電機、泥泵電機使用獨立變頻器驅動設計方案，其他設備（艏側推、高低壓沖水泵、液壓電機）采用公共變頻驅動器的設計方案，變頻器對應的移相變壓器均由6.6 kV高壓配電板進行供電。

在進行電氣負荷計算的過程中，首先需要確定各種工況，此項工作需按照規格書要求執行，并及時與船東溝通確認。根據技術規格書要求選取了挖泥、排泥、航行、維修、停泊、應急這6種負荷計算工況。推進器、泥泵等大功率變頻驅動工作的設備在運行時，其輸出功率需要進行較大范圍的調整，因此在不同工況下對這些設備利用系數的選取非常重要，此系數的確定與船舶所處工作狀態和船東作業習慣密切相關，這些設備的利用系數需要與船東逐項進行確認。挖泥作業和排泥作業均需要推進器和泥泵同時工作，在這2種工作模式下，需要對推進器輸出功率進行限制以確保泥泵處于最佳工作點，此時的電站容量要保證航行的最低需求功率和挖泥/排泥的最佳工作點需求功率。航行工況下，維修工況需推進器參與工作，并按照推進器的最佳工作點進行參數設定。停泊狀態時，應急狀態下使用440 V的應急兼停泊發電機為船用設備提供電力。這2種工況下無高壓設備投入運行，這些均需在負荷計算時進行考慮。

根據SOLAS要求，當船上安裝的主發電機組總裝機功率大于3 000 kW時，則主匯流排應至少分成2段，通常應由可拆裝的連接件或其他認可的裝置加以連接，并盡可能地將各發電機組和其他雙套設備均等地連接在各分段上。據此要求，本文所述的高壓配電板采用兩段母排方案，根據電氣負荷計算不同工況下每段母排的負荷信息，依據最大負荷工況計算主母排電流值，作為高壓配電板匯流排選型的重要參數，并充分考慮兩段母排的負載分配情況，盡量使得兩段母排上連接的負載平衡。

2 主推進系統

本船采用電力推進系統，由2段6.6 kV高壓配電板分別經移相變壓器給2個主推變頻器供電，再由變頻器分別給2個7 500 kW主推進馬達供電，主推進馬達經由齒輪箱通過軸系將動力傳遞到推進器，因此本文中的主推進系統為典型的軸槳推進。

變頻器作為該系統的主要組成部分，工作原理是先將電網輸入的交流電變為直流電，而后再在逆變電路中將直流轉變為頻率可調的交流輸出。變頻器具有結構簡單、輸出頻率變化范圍大、功率因數高、諧波易于消除、可應用于各種大功率設備等優點。該系統采用了數字控制IGCT集成門極換流晶閘管（integrated gate commutated thyristors）變頻器，具有高速開關功能，可以將直流電壓調制成任何寬度的直流脈沖電壓PWM信號，高速開關可調制出任何所需頻率。

主推進系統除了變頻器外還有其它的一些輔助系統，推進電機滑油單元系統有2個滑油泵為電機軸承提供潤滑油、2個頂升泵提供液壓動力，在電機轉速太低未建立油膜時可將軸承頂起來以保護軸承。滑油泵和頂升泵可由報警監測系統（AMS）遠程控制，相關報警信息也將送到AMS系統，滑油油艙溫度由溫控開關自動控制。推進器齒輪箱系統中的每個齒輪箱有1個滑油供給泵和1個滑油備用泵，可由AMS系統遠程控制。正常情況下在滑油供給泵工作過程中，當滑油壓力由于某些原因低于設定值時，通過AMS報警并3 s內控制起動滑油備用泵，同時停止供給泵。推進器尾管系統包括尾管滑油系統（1主1備2個滑油泵提供滑油壓力）、軸承測溫系統（溫度傳感器PT100將信號送到AMS系統報警，而后送到推進器安全系統進行主推的減速或停車）、尾管報警系統（進行控制空氣壓力低、液位高低等報警）。推進器軸附件系統包括軸剎車、軸速測量和軸接地系統，且相關報警均送到AMS。主推安全系統是根據規范要求配備的，該系統會根據主推馬達繞組溫度過高、冷卻空氣溫度過高、齒輪箱和主推嚴重報警等信號觸發主推馬達降功率或自動停車。

在系統設計的過程中，對于報警點的選取除了滿足規格書的要求外，還需特別關注船級社的規范要求，本船入級法國船級社（BV），且要滿足AUT-UMS無人機艙要求，針對主推進電力馬達、變壓器及齒輪箱等設備，規范中均有相應的表格詳細標明所要求的相關報警點及相關的控制功能，設計時需參照執行。

3 泥泵變頻器系統

泥泵是挖泥船主要設備裝置，泵艙內配備了 2個7 500 kW的泥泵，主要用于往外排泥作業，且在泥耙管中配備1個3 400 kW的水下泥泵，主要用于船舶海底吸泥作業。

泥泵變頻系統也由2段6.6 kV高壓配電板分別經移相變壓器給2個泥泵變頻器供電，再由變頻器分別給2個7 500 kW泥泵馬達供電。由于水下泥泵和2個主泥泵不會同時工作，所以根據規格書要求，2個主泥泵變頻器也可兼做水下泥泵供電設備。在不同的工作狀況下，由本地或遙控選擇吸泥/排泥模式。吸泥模式下選擇任何一個變頻器給水下泥泵供電；在排泥模式下，2個變頻器分別給2個主泥泵供電。此種設計方案可以節省水下泥泵使用的單獨變頻器和移相變壓器，只需2個泥泵變頻器中的三位選擇開關，并加上開關聯鎖控制即可完成需要的功能。

圖2 泥泵變頻器系統框圖

4 IMC綜合監測控制系統

IMC系統（integrated monitoring & control system）是挖泥船特有的系統，類似于AMS報警監測系統，但又有其獨特之處，即IMC相當于負責挖泥控制相關設備的專有系統。該系統在駕駛室配置了專有的挖泥控制臺，其工作站分布于挖泥臺、駕控臺、集控臺、船長室、電工間等地，并在全船配置了6個輸入/輸出單元，用于全船挖泥相關設備或傳感器的信號采集和控制。

IMC系統將對所有控制系統提供必要的聯鎖、保護、起動和運行條件等，以確保挖泥設備或系統的安全可靠運行。其需監測和控制疏浚系統的所有閥門、泥漿密度和速度測量系統、壓載水閥、泥艙溢流管道、泥耙的絞車和門架、泥艙底門的開起與關閉及保壓功能、泥泵的控制與操作、高低壓沖洗泵的控制與操作、液壓控制系統等。因此，也可以說它是挖泥船挖泥作業的“大腦系統”，所有命令發出、過程監測、相關報警均由它實現。

IMC系統在各工作站及輸入/輸出單元箱間均采用環網結構，最大限度地保證了系統的可靠性，不會因某一個單元的故障導致整個系統的故障。電源來自于船上UPS和24 VDC整流充電系統，以保證系統電源不間斷。

5 結論

水利清淤作業的工程量很大，涉及的地域很廣，土質也很復雜。因此，建造挖泥船是水利疏浚領域中的一項長期而繁重的任務，其前景非常廣闊。通過本文對主要電氣系統的介紹與總結，為后續船舶建造提供一定的參考。