韓 龍 張海榮 邰能靈

（1.上海交通大學(xué) 上海200030；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)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(yè)的行進(jìn)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(shè)計(jì)研究院在國內(nèi)首次研制成功1 250 m3/h吸盤挖泥船 “吸盤1號(hào)”，在十幾年的施工實(shí)踐中，長江航道局對該型船的使用積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合長江中游航道枯水期維護(hù)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(shè)計(jì)研究院進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。筆者基于該吸盤船《設(shè)計(jì)任務(wù)書》要求，對其采用何種電力系統(tǒng)配置進(jìn)行了充分論證。

當(dāng)前，對于需要有大量電力按照工況進(jìn)行轉(zhuǎn)移應(yīng)用和推進(jìn)器需要周期進(jìn)行高速和低速運(yùn)行轉(zhuǎn)換的船舶（特別是工程作業(yè)船舶），采用全電力推進(jìn)方案的動(dòng)力型式已屢見不鮮，獲得越來越多的應(yīng)用。早在2008年，就有文章對全電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在耙吸挖泥船上的應(yīng)用進(jìn)行探討，并證實(shí)耙吸挖泥采用電力推進(jìn)船型技術(shù)可行、性能先進(jìn)、投資增加可在運(yùn)行費(fèi)降低中得到補(bǔ)償［1］。由于吸盤挖泥船的特點(diǎn)，其推進(jìn)功率遠(yuǎn)小于泥泵等疏浚作業(yè)軸功率，所以柴油機(jī)裝置總功率對電力推進(jìn)船型并不會(huì)比柴油機(jī)直接推進(jìn)船型有所增加，這一點(diǎn)要比耙吸挖泥船采用電力推進(jìn)更為有利，該船方案論證也充分證實(shí)這一點(diǎn)。

1 設(shè)備參數(shù)與任務(wù)書技術(shù)要求

該船設(shè)計(jì)任務(wù)書要求：定員28人、自持力15天，滿足內(nèi)河A、B級(jí)航區(qū)。生產(chǎn)量要求達(dá)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?zhàn)鳂I(yè)排泥距離舷外60 m，推進(jìn)器采用2臺(tái)Z型舵槳裝置，作業(yè)方式除有傳統(tǒng)的錨纜牽引縱前移船直線絞進(jìn)作業(yè)外，還要求借助Z型舵槳裝置頂推施工作業(yè)；滿載航速要求不小于10 kn。

經(jīng)各專業(yè)估算，若按航速10 kn計(jì)算，推進(jìn)器所需功率約2×1 250 kW，推進(jìn)挖泥工況下（航速約為6 n mile）推進(jìn)功率約需2×600 kW，在絞進(jìn)挖泥工況下（克服側(cè)向流）推進(jìn)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(tái)，功率為每臺(tái)500 kW；液壓泵站在絞進(jìn)挖泥工況下所需功率約為200 kW，推進(jìn)挖泥工況下所需功率約為50 kW；全船日用負(fù)載最大工況下約為400 kW。

2 定距槳與調(diào)距槳性能比較

電力推進(jìn)型式一般只需采用定距槳，簡單可靠。在一拖二型式柴油機(jī)中，為了保證軸帶發(fā)電機(jī)頻率不變，推進(jìn)器都必須采用調(diào)距槳，這種推進(jìn)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配置一套復(fù)雜的液壓控制系統(tǒng)用來改變螺旋槳的螺距角，以獲得可變的螺旋槳推力來調(diào)節(jié)船舶的航速。因此，調(diào)距槳的效率相同推力性能的定距槳，所需的原動(dòng)力功率會(huì)增加，特別是在小轉(zhuǎn)矩及零矩時(shí)，螺旋槳仍在全速運(yùn)轉(zhuǎn)，其機(jī)械的附加損耗可能高達(dá)20%。調(diào)距槳本體內(nèi)由于有液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且機(jī)械部件多，制造、裝配、維護(hù)工作量大，成本高，價(jià)格約為定距槳的1.3倍左右。

定距槳與調(diào)距槳相比，它們在低推力時(shí)功率差異很大。因此，當(dāng)螺旋槳需要周期性的處于低負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)，采用定距槳比調(diào)距槳需要的功率較小。根據(jù)相關(guān)資料，如以60%推力工作來看，定距槳可節(jié)能33%。若以25%推力年運(yùn)行2 000 h，若以50%推力年運(yùn)行2 000 h，若以100%推力年運(yùn)行1 000 h的全年總運(yùn)行5 000 h的非連續(xù)滿載周期變速運(yùn)行例子計(jì)算，定距槳全年可節(jié)省燃油32%［1］，經(jīng)濟(jì)性相當(dāng)可觀。對于本吸盤挖泥船而言，這一點(diǎn)具有極大的應(yīng)用參考價(jià)值。

定距槳與調(diào)距槳的性能比較見表1，可見，調(diào)距槳性能明顯較差。

表1 定距槳與調(diào)距槳的性能比較

3 全電力驅(qū)動(dòng)與一拖二動(dòng)力配置方案

全電力驅(qū)動(dòng)配置方案和一拖二（柴油機(jī)拖動(dòng)螺旋槳和軸帶發(fā)電機(jī)）動(dòng)力配置方案的主要性能和參數(shù)分析比較。

3.1 全電力驅(qū)動(dòng)配置方案電站的選擇

全電力驅(qū)動(dòng)配置方案電力負(fù)載的估算值見表2。

表2 電力負(fù)載估算表（全電力）單位：kW

根據(jù)上述估算結(jié)果，該船電站設(shè)為：3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組功率1 600 kW。此時(shí)各工況的負(fù)載率見表3。

表3 電站配置方案及其負(fù)載率（全電力）

由表3可見，該方案在推進(jìn)挖泥、絞進(jìn)挖泥及航行狀態(tài)工況下負(fù)載率合理，處于較佳運(yùn)營狀態(tài)。

3.2 一拖二動(dòng)力配置方案方案電站的選擇

一拖二動(dòng)力配置方案電力負(fù)荷估算見表4。

表4 電力負(fù)載的估算表（一拖二）單位：kW

根據(jù)以上估算結(jié)果，該船電站一拖二動(dòng)力配置方案設(shè)為：2臺(tái)一拖二推進(jìn)主機(jī)，柴油機(jī)功率均為1 717 kW，軸帶發(fā)電機(jī)功率均為1 200 kW。另外，艙內(nèi)泥泵（1 850 kW）需配約2 100 kW的柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組1臺(tái)，柴油機(jī)功率約2 300 kW，通過電軸系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)（注：電軸系統(tǒng)指設(shè)置獨(dú)立的柴油發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)，用于泥泵的驅(qū)動(dòng)和調(diào)速。電動(dòng)機(jī)采用強(qiáng)勵(lì)磁啟動(dòng)，通過改變柴油發(fā)電機(jī)組的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行變頻，從而對泥泵進(jìn)行調(diào)速）。此柴油發(fā)電機(jī)組布置在機(jī)艙內(nèi)，艙內(nèi)泥泵通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，布置在泵艙內(nèi)。

此時(shí)各工況的負(fù)載率如表5所示。

表5 電站配置方案及其負(fù)載率（一拖二）

由表4、表5可知，該方案在推進(jìn)挖泥及絞進(jìn)挖泥工況時(shí)左柴油機(jī)負(fù)載率略低（約60%），左柴油機(jī)利用率不高；沒有備用機(jī)組，一旦其中某臺(tái)柴油機(jī)或軸發(fā)生故障，則無法進(jìn)行挖泥工作。

3.3 方案比較

兩種方案裝機(jī)功率約有600 kW的差異，在設(shè)備布置、生命力、配電復(fù)雜度上也有較大區(qū)別，性能比較見下頁表6。

全電力驅(qū)動(dòng)配置方案最大特點(diǎn)是在挖泥工況下生命力極高，當(dāng)任何一臺(tái)柴油機(jī)故障時(shí)，仍能維持自航挖泥（排量降低）和航行，而一拖二動(dòng)力配置方案無法做到這一點(diǎn)。

全電力驅(qū)動(dòng)配置方案驅(qū)動(dòng)性能好、自動(dòng)化程度高、工況變化時(shí)運(yùn)行效率高；各種工況下，發(fā)電機(jī)負(fù)載率合理，能時(shí)常處于最佳運(yùn)營狀態(tài)，且裝機(jī)功率低、燃油消耗節(jié)省、排污少、環(huán)保性能好。

表6 兩種動(dòng)力型式性能比較

全電力驅(qū)動(dòng)配置方案的機(jī)電設(shè)備部分投資可能是一拖二動(dòng)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(qū)動(dòng)配置方案約為后者的1.1倍。由于全電力驅(qū)動(dòng)配置方案的運(yùn)行費(fèi)較低，所以在該船的全壽命周期內(nèi)，總費(fèi)用較低，這已被多數(shù)電力推進(jìn)船所證明。

因此，該船動(dòng)力型式推薦采用全電力驅(qū)動(dòng)配置方案。

4 全電力驅(qū)動(dòng)配置方案的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式比較

該船在全電力驅(qū)動(dòng)配置方案中電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式有兩種，一種是較流行的變頻驅(qū)動(dòng)方式，另一種是采用軟起動(dòng)方式。軟起動(dòng)方式雖然成本低廉，但無法對控制設(shè)備進(jìn)行速度調(diào)節(jié)；然而，該船的艙內(nèi)泥泵和高壓沖水泵均有一定的調(diào)速要求，故無法采用軟起動(dòng)方式。對于2臺(tái)舵槳，若采用軟起動(dòng)方式，則需配置調(diào)距槳（具體結(jié)論詳見本文第2節(jié)），故該船不建議采用軟起動(dòng)方式。

若采用全電力驅(qū)動(dòng)配置方案，電機(jī)驅(qū)動(dòng)只能采用變頻驅(qū)動(dòng)方式。國內(nèi)已有許多舵槳采用變頻驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用實(shí)例，至于艙內(nèi)泥泵采用變頻驅(qū)動(dòng)的情形，國外應(yīng)用更為普遍，國內(nèi)也已在該院設(shè)計(jì)的85 m深水挖泥船上得到應(yīng)用。

5 全電力驅(qū)動(dòng)配置方案的配電系統(tǒng)比較

根據(jù)該船電站配置情況，配電系統(tǒng)可采用690 V～400 V二級(jí)電網(wǎng)及400 V一級(jí)電網(wǎng)兩種形式。

400 V一級(jí)電網(wǎng)因?yàn)橹挥幸粋€(gè)400 V配電板，同時(shí)節(jié)省了2臺(tái)800 kVA的日用變壓器，因此具有成本低、設(shè)備簡單、管理維護(hù)方便的特點(diǎn)。由于該船電站總?cè)萘枯^大，400 V配電板設(shè)計(jì)有一定難度（主要是開關(guān)和母排的選擇）；并且，由于該船采用大量的變頻驅(qū)動(dòng)，為了抑制諧波對400 V及220 V日用負(fù)載的影響，因此采用690 V～400 V二級(jí)電網(wǎng)。

采用690 V～400 V二級(jí)電網(wǎng)既解決了配電板內(nèi)開關(guān)和母排選擇的困難，又可抑制一部分諧波對日用負(fù)載的影響。690 V電網(wǎng)主要向舵槳、艙內(nèi)泥泵、高壓沖水泵等工作設(shè)備供電，同時(shí)通過2臺(tái)800 kVA的日用變壓器（一用一備）向400 V電網(wǎng)供電；400 V電網(wǎng)主要向全船輔助及生活設(shè)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(yīng)用。

全船電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

圖1 全船電力系統(tǒng)單線圖

6 結(jié) 論

綜上所述，鑒于全電力驅(qū)動(dòng)配置方案較常規(guī)一拖二動(dòng)力配置方案具有多方面的優(yōu)勢，最終該船電力系統(tǒng)可采用3臺(tái)690 V、1 600 kW柴油發(fā)電機(jī)組，通過690 V～400 V二級(jí)電網(wǎng)向全船負(fù)載供電；2臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)舵槳、1臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)艙內(nèi)泥泵、2臺(tái)變頻驅(qū)動(dòng)高壓沖水泵。

當(dāng)自航推進(jìn)挖泥和絞進(jìn)挖泥工況時(shí)，運(yùn)行3臺(tái)主發(fā)電機(jī)組；當(dāng)航行工況時(shí)，只需運(yùn)行2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組。

［1］朱滌，吳斐文.耙吸挖泥船全電動(dòng)電力推進(jìn)船型方案之探討［J］.船舶，2008（5）：36-41.

［2］范嘯平，王敏.現(xiàn)代艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)綜述［J］.上海造船，2007（4）：34-37.

［3］李學(xué).綜合監(jiān)測船電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.上海造船，2009（1）：40-42.

［4］CCS.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范［S］.北京：CCS，2009.