劉凱鋒

（中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司，上海200136）

全變頻電驅(qū)大型4 500 m3/h非自航絞吸挖泥船設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

劉凱鋒

（中交上海航道局有限公司東方疏浚工程分公司，上海200136）

簡(jiǎn)要介紹中交上航局正在籌建的全變頻電驅(qū)大型4 500 m3/h非自航絞吸挖泥船的技術(shù)狀態(tài)，并與以往建成使用的大型絞吸船進(jìn)行比較分析，以此對(duì)公司大型設(shè)備升級(jí)改造具有一定的借鑒意義。

大型絞吸船；全變頻驅(qū)動(dòng)；設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

引言

自從2005年以來(lái)，由中交上海航道局有限公司自行設(shè)計(jì)和建造的國(guó)內(nèi)第一艘2 000 m3/h非自航絞吸船“航絞2001”輪問(wèn)世以來(lái)，通過(guò)不斷引進(jìn)、消化先進(jìn)技術(shù)和自主創(chuàng)新，先后建成了大型3 500 m3/h絞吸船十余艘，為提高民族疏浚產(chǎn)業(yè)，引領(lǐng)企業(yè)又好又快發(fā)展作出了杰出貢獻(xiàn)。

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展，高性能的變頻器可以滿足驅(qū)動(dòng)大型絞吸船的艙內(nèi)泥泵、水下泥泵、絞刀等大功率需求，由于變頻驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)的液壓或直接原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，能最大程度上減小船舶振動(dòng)與噪聲，減少對(duì)海洋的污染，出色的抗過(guò)載能力容易實(shí)現(xiàn)泥泵/絞刀恒扭矩和恒功率，柴油機(jī)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行平穩(wěn)，因此變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)現(xiàn)已在大型絞吸船中得到有效應(yīng)用。

本船的水下泥泵、艙內(nèi)泥泵、絞刀、橋架絞車(chē)和橫移絞車(chē)等采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，與以往國(guó)內(nèi)建造的大型絞吸船相比，更具有環(huán)保、節(jié)能和高效的優(yōu)勢(shì)。

1 船型和總布置

1.1 船型、特點(diǎn)及用途

本船為非自航、整體式、單甲板、鋼質(zhì)平底船型，適用于沿海水域疏浚、吹填等，經(jīng)適當(dāng)封艙可進(jìn)行無(wú)限航區(qū)無(wú)人拖航調(diào)遣。

本船配置一臺(tái)水下泵和兩臺(tái)艙內(nèi)泥泵，均采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)排泥管路的調(diào)整可實(shí)現(xiàn)單水下泵、二泵串聯(lián)和三泵串聯(lián)工作，以及通過(guò)裝駁裝置實(shí)現(xiàn)單水下泵挖泥裝駁作業(yè)。

配有兩種適應(yīng)不同土質(zhì)的挖掘絞刀，可適用于挖掘軟質(zhì)土、粉細(xì)沙、中粗砂、砂質(zhì)黏土、卵石、礫石、珊瑚礁和抗壓強(qiáng)度Rc≤30 MPa的軟質(zhì)巖石（包括強(qiáng)風(fēng)化巖和全風(fēng)化巖等）。

本船與國(guó)內(nèi)之前設(shè)計(jì)建造的大型絞吸船相比，具有以下特點(diǎn)：

1）設(shè)置三臺(tái)6 000 kW主發(fā)電機(jī)組形成全船供電網(wǎng)，電網(wǎng)功率大，超過(guò)之前同類(lèi)型船舶的配置；2）兩臺(tái)艙內(nèi)泥泵均由變頻電動(dòng)機(jī)通過(guò)雙減速齒輪箱和齒形連軸器驅(qū)動(dòng)，這是國(guó)內(nèi)首次采用此驅(qū)動(dòng)方式；3）水下泥泵采用短軸驅(qū)動(dòng)形式，是由安裝于絞刀架密封艙內(nèi)的變頻電機(jī)經(jīng)安全聯(lián)軸器、減速齒輪箱和齒形連軸器驅(qū)動(dòng)；4）絞刀由兩個(gè)安裝于橋架頂部水線以上的變頻電機(jī)經(jīng)高彈連軸器、氣動(dòng)離合器、減速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、長(zhǎng)軸和絞刀軸驅(qū)動(dòng)；5）電動(dòng)橋架絞車(chē)安裝在電動(dòng)橫移絞車(chē)上方的上甲板中，其中橫移鋼絲繩穿過(guò)絞刀架頂部的2個(gè)橫移滑輪，以及絞刀架底端的2個(gè)擺動(dòng)滑輪，這是一種全新的布局形式；6）左右兩舷舯部各設(shè)有一套泥艙裝駁系統(tǒng)，在單用水下泵作業(yè)工況時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)直接裝駁作業(yè)。

1.2 主尺度及參數(shù)

影響絞吸挖泥船主尺度的主要因素有：最大挖深、泥泵的數(shù)量、柴油機(jī)的類(lèi)型、驅(qū)動(dòng)方式、定位裝置形式等。最大挖深受橋架長(zhǎng)度限制，因此影響船體橋架開(kāi)槽和船體長(zhǎng)度。定位裝置采用鋼樁臺(tái)車(chē)，臺(tái)車(chē)油缸的行程影響供定位裝置運(yùn)行的開(kāi)槽長(zhǎng)度，本船的臺(tái)車(chē)油缸行程增大至7.0 m。

型寬與機(jī)艙和泥泵的布局關(guān)系較密切，因絞吸挖泥船燃油耗量大，且需滿足連續(xù)作業(yè)20天的要求，因此燃油艙容積較大，型寬較大。從施工的角度考慮適當(dāng)取大船寬，能使船舶復(fù)原能力大，風(fēng)浪下橫傾小，有利施工作業(yè)。

1.3 總布置

總布置與船舶的主尺度關(guān)系密切，因船上需安裝的設(shè)備眾多，從船艏到船艉的船體內(nèi)和甲板上都安裝了各種專(zhuān)用和輔助設(shè)備。艏艉船體均開(kāi)槽，艉部布置鋼樁定位系統(tǒng)和電動(dòng)液壓起重機(jī)，艏部布置絞刀橋架、橫移錨、移錨桿、電動(dòng)液壓起重機(jī)等作業(yè)設(shè)備。機(jī)艙及泵艙設(shè)于船體舯部。船中設(shè)5層甲板室。其中第一層與機(jī)艙及泵艙相通，為作業(yè)場(chǎng)所；第二、三、四層為居住艙室，定員30人；居住艙室之上為操縱室，在第二層甲板左右兩舷各設(shè)置一套泥艙裝駁系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的絞吸船總布置也存在較大的區(qū)別。

2 動(dòng)力配置情況

2.1 動(dòng)力裝置與傳動(dòng)裝置

2.1.1 AC6 600 V、5 760 kW主發(fā)電柴油機(jī)組

三臺(tái)主發(fā)電機(jī)組形成全船電網(wǎng)，為絞刀、水下泥泵、艙內(nèi)泥泵、絞車(chē)系統(tǒng)以及全船輔助設(shè)備供電，其中主發(fā)電柴油機(jī)正常工作時(shí)使用重燃油。為滿足單泵、兩泵和三泵挖泥工況的電力需求，可以選擇運(yùn)行1臺(tái)、2臺(tái)或3臺(tái)主發(fā)電機(jī)。

2.1.2 AC400 V、950 kW輔柴油發(fā)電機(jī)組

在主發(fā)電機(jī)組功率不足時(shí)，為滿足高負(fù)荷作業(yè)要求，一臺(tái)輔柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，用于全船輔助設(shè)備供電。輔發(fā)電機(jī)手動(dòng)起動(dòng)，通過(guò)功率管理PMS模式切換與主電網(wǎng)短時(shí)并聯(lián)轉(zhuǎn)移負(fù)荷，同時(shí)停泊工況時(shí)，用于設(shè)備維修用電及日常供電。

2.1.3 AC400 V、250 kW應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組

應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組一臺(tái)，在應(yīng)急工況下使用，亦可在停泊時(shí)運(yùn)行。

2.1.4 艙內(nèi)泥泵傳動(dòng)裝置

兩臺(tái)艙內(nèi)泥泵均采用4 800 kW的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)通過(guò)雙減速齒輪箱后經(jīng)傳動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)艙內(nèi)泥泵，充分提高了對(duì)不同排距的適應(yīng)性，使每臺(tái)艙內(nèi)泵能夠在兩個(gè)額定狀態(tài)下充分利用電動(dòng)機(jī)的額定功率，系統(tǒng)效率高，營(yíng)運(yùn)成本低。

2.1.5 水下泥泵驅(qū)動(dòng)裝置

水下泥泵由安裝在絞刀架密封艙內(nèi)的變頻電機(jī)，經(jīng)安全聯(lián)軸器、減速齒輪箱和齒形連軸器驅(qū)動(dòng)，在齒輪箱的輸出軸通過(guò)的絞刀架艙壁處，裝有密封裝置。在單用水下泵作業(yè)工況時(shí)，可以通過(guò)左右兩舷的泥艙裝駁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)裝駁作業(yè)。水下泥泵采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，具有恒扭矩和恒功率的特性，能較好適應(yīng)不同排距和裝駁功能要求。

2.1.6 絞刀傳動(dòng)裝置

絞刀由安裝于橋架頂部水線以上的兩臺(tái)變頻電機(jī)經(jīng)高彈連軸器、氣動(dòng)離合器、減速齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)、絞刀長(zhǎng)軸驅(qū)動(dòng)。每臺(tái)絞刀電動(dòng)機(jī)的額定功率為2 200 kW，具有較強(qiáng)的過(guò)載能力，每20 min中能有1 min承受150%的額定轉(zhuǎn)矩，具有低速正反轉(zhuǎn)盤(pán)車(chē)功能，同時(shí)在艏部設(shè)控制箱，用于手持就地控制，便于安裝或拆卸絞刀。

齒輪箱采用雙輸入單輸出的形式，可承受雙向推力，絞刀軸軸承和中間軸承均為水潤(rùn)滑復(fù)合材料軸承，在含有泥沙的工作環(huán)境中具有良好的耐磨性，并且與油脂潤(rùn)滑的軸承相比更加環(huán)保。

2.1.7 電動(dòng)絞車(chē)

設(shè)恒張力電動(dòng)橫移絞車(chē)2臺(tái)，并列安裝于主甲板前端，拉力為1 350 kN，繩速為24 m/min絞刀架起升絞車(chē)；電動(dòng)絞刀架起升絞車(chē)2臺(tái)，設(shè)于第二層甲板前部。拉力700 kN，繩速為24 m/min；起錨絞車(chē)2臺(tái)，設(shè)于主甲板前部，拉力600 kN；回收絞車(chē)2臺(tái)，設(shè)于主甲板前部，拉力100 kN。

2.1.8 液壓系統(tǒng)

鋼樁臺(tái)車(chē)系統(tǒng)、閘閥、泥艙裝駁系統(tǒng)等由電動(dòng)液壓泵站提供動(dòng)力。液壓絞車(chē)的速度都是可連續(xù)無(wú)極調(diào)節(jié)的，主要通過(guò)采用可連續(xù)調(diào)節(jié)的變量泵、變量液壓馬達(dá)或者比例控制閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2 電力系統(tǒng)

船舶的主要疏浚系統(tǒng)基本上都采用了變頻驅(qū)動(dòng)，并已充分考慮到使用靈活性和運(yùn)行節(jié)能性，電力系統(tǒng)單線圖見(jiàn)下頁(yè)圖1。

疏浚設(shè)備（艙內(nèi)泥泵、絞刀、水下泥泵、絞車(chē)系統(tǒng)、封水泵系統(tǒng)）采用變頻調(diào)速方式進(jìn)行起動(dòng)、調(diào)速控制，其中艙內(nèi)泥泵、絞刀、水下泥泵傳動(dòng)方式采用單傳動(dòng)，絞車(chē)系統(tǒng)、封水泵系統(tǒng)采用多傳動(dòng)。同時(shí)，配備變頻驅(qū)動(dòng)PLC柜和滿足30 min要求的UPS。當(dāng)水下泥泵移相變壓器或水下泥泵變頻器故障時(shí)，可以通過(guò)2號(hào)艙內(nèi)泥泵變頻器向水下泥泵變頻電動(dòng)機(jī)供電，分別滿足艙內(nèi)泥泵電動(dòng)機(jī)和水下泥泵電動(dòng)機(jī)的特性。船舶電網(wǎng)諧波總畸變量＜5%，單相諧波總畸變量＜3%。

本船配置功率管理系統(tǒng)PMS，主要具有重載問(wèn)詢(xún)、自動(dòng)分級(jí)卸載等功能。PMS通過(guò)監(jiān)測(cè)電站功率，根據(jù)本船不同的工況，通過(guò)功率管理系統(tǒng)分配負(fù)載功率，確保主發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

3 結(jié)語(yǔ)

本船是國(guó)內(nèi)目前自行設(shè)計(jì)和建造的首條全電驅(qū)的4 500 m3/h非自航絞吸式挖泥船，特別是在疏浚設(shè)備上全部采用了變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大程度上提高了絞吸船各種工況適應(yīng)性，有很好的節(jié)能和環(huán)保效果，設(shè)計(jì)理念具有前瞻性，將為公司的快速發(fā)展提供有力的船機(jī)設(shè)備支持，對(duì)提升我國(guó)疏浚技術(shù)水平具有深遠(yuǎn)的意義。

（編輯：賈娟）

Brife Introduction to the Design of Large Full Variable Frequency Electric Drived Non Self-Propelledcutter Suction Dredger（4500 m3/h）

Liu Kaifeng
（CCCC Shanghai Dredging Co.，Ltd.，Shanghai 200136）

The technology about the design of full variable frequency electric drived non self-propelled cutter suction dredger（4 500 m3/h）is introduced briefly in this paper，it has reference significance for our company to upgrade large-scale equipment by comparing with the built cutter suction dredgers.

large cutter suction dredger；full variable frequency drive；brief introduction

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2016.14.17

U674

A

2095-0748（2016）14-0039-03

2016-06-06

劉凱鋒（1979—），男，廣東興寧人，本科，工程師，技術(shù)部副經(jīng)理，主要從事施工設(shè)備管理及疏浚技術(shù)研究工作。