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(jì)和建造的情況，針對(duì)超大型抓斗挖泥船的推進(jìn)系統(tǒng)、主要施工設(shè)備、動(dòng)力及其輔助系統(tǒng)等輪機(jī)關(guān)鍵系統(tǒng)進(jìn)行了分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并提出目標(biāo)船的動(dòng)力配置方案。

關(guān)鍵詞：抓斗 挖泥船 自航 輪機(jī)設(shè)計(jì)

1.課題研究背景

目前國(guó)內(nèi)在超大型疏浚船舶的設(shè)計(jì)和建造方面，常見(jiàn)的絞吸挖泥船和耙吸挖泥船已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)且廣泛應(yīng)用于疏浚作業(yè)，完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造，打破了西方國(guó)家對(duì)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(kāi)發(fā)方面有限。

抓斗疏浚船這個(gè)類(lèi)型的船舶在世界范圍內(nèi)的數(shù)量都極有限，目前國(guó)際上最大的抓斗疏浚船是日本設(shè)計(jì)與建造的“東祥號(hào)”和“五祥號(hào)”，其抓斗容積約200m3，工作能力約6000m3/h。國(guó)內(nèi)長(zhǎng)江重慶航道工程局前些年從日本購(gòu)買(mǎi)了一條斗容約50m3，作業(yè)能力約1500 m3/h。 近幾年中交集團(tuán)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(guó)目前的自行建造的最大的抓斗疏浚船。

近年來(lái)，近海與遠(yuǎn)海的作業(yè)工程的規(guī)模越來(lái)越大，對(duì)疏浚設(shè)備的效率、成本和節(jié)能減排的要求越來(lái)越高，各國(guó)各個(gè)大型疏浚企業(yè)對(duì)大型疏浚設(shè)備的需求也越來(lái)越迫切。我國(guó)近些年也一直致力于開(kāi)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(jī)部分主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

2.1輪機(jī)部分概述

自航抓斗挖泥船是一種施工環(huán)境惡劣、輪機(jī)設(shè)備眾多、裝機(jī)功率較大、工況復(fù)雜多變的超大型工程船舶。本文主要針對(duì)該船輪機(jī)系統(tǒng)配置進(jìn)行深入研究，結(jié)合船舶施工功能、總體布置特點(diǎn)、船舶自航自持需求以及相關(guān)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了各個(gè)方面的分析、計(jì)算、選型與論證。對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)與主要?jiǎng)恿ρb置進(jìn)行了選型論證，對(duì)目前常用的節(jié)能措施進(jìn)行分析等，最終實(shí)現(xiàn)全船動(dòng)力系統(tǒng)方案的高效節(jié)能設(shè)計(jì)與系統(tǒng)優(yōu)化。

2.2推進(jìn)系統(tǒng)方案分析

此船作業(yè)時(shí)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(dāng)?shù)脑黾宇A(yù)算使船舶具備一定的近距離移船和遠(yuǎn)距離調(diào)遣能力。目前常見(jiàn)的推進(jìn)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式按動(dòng)力源分主要包括：柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、電力驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)等。按照螺旋槳的形式分類(lèi)有定距槳、調(diào)距槳、舵槳和吊艙式全回轉(zhuǎn)舵槳等。

柴油機(jī)直接驅(qū)動(dòng)定距槳是最簡(jiǎn)單可行的推進(jìn)型式。取一種工況作為設(shè)計(jì)點(diǎn)，使船、機(jī)、槳的配合達(dá)到最佳。該方案的優(yōu)點(diǎn)是所用部件種類(lèi)少、耐用、數(shù)量少、推進(jìn)效率較高，但其適應(yīng)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(jī)構(gòu)、配油器、液壓及電控系統(tǒng)等，比定距槳的軸系復(fù)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(jìn)系統(tǒng)近幾年越來(lái)越多地運(yùn)用到了各類(lèi)船上，推進(jìn)軸系簡(jiǎn)單、系統(tǒng)布置靈活、運(yùn)行可靠、控制方便。電機(jī)可以直接驅(qū)動(dòng)各種螺旋槳，而且相比柴油機(jī)更能適應(yīng)不同的工況。而且對(duì)工程船來(lái)講，電力驅(qū)動(dòng)能夠與其他用電設(shè)備共用同一電力系統(tǒng)的電源，無(wú)需專(zhuān)門(mén)配置發(fā)電機(jī)組。

目標(biāo)船作為一種自航抓斗挖泥船，不僅要滿(mǎn)足航行與船舶施工過(guò)程中的自身定位需求，更主要的是要求簡(jiǎn)單實(shí)用、安全可靠且節(jié)能經(jīng)濟(jì)。根據(jù)本船總體布置情況、設(shè)備配置與動(dòng)力需求等情況，有以下兩種推進(jìn)方案可供選?。翰裼蜋C(jī)通過(guò)雙輸出驅(qū)動(dòng)可調(diào)槳與軸帶發(fā)電機(jī)的方案，作業(yè)時(shí)電站輸出用于施工設(shè)備，航行時(shí)通過(guò)減速齒輪箱輸出驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)；變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(dòng)力需求分析

本船的主要施工設(shè)備抓斗機(jī)采用電液主動(dòng)式方案，抓斗機(jī)的回轉(zhuǎn)與升降通過(guò)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，抓斗采用在斗上布置獨(dú)立的液壓動(dòng)力站的液壓主動(dòng)式方案。抓斗機(jī)所需的動(dòng)力與冷卻水等通過(guò)中心滑環(huán)由機(jī)艙提供。通過(guò)分析抓斗機(jī)的施工土質(zhì)與抓斗本體的重量，結(jié)合抓斗機(jī)部分的各類(lèi)施工工況與過(guò)程研究，抓斗機(jī)與起吊設(shè)備廠家提出了200方斗的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工況，按此標(biāo)準(zhǔn)方量反饋到發(fā)電機(jī)組所需提供的最大輸出功率約為9000kW。

除了抓斗機(jī)外，施工時(shí)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(duì)于作業(yè)時(shí)常見(jiàn)的定位形式有錨泊定位、樁定位與推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力定位。對(duì)于施工船舶，由于要充分考慮功能需求、運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)成本與操作便捷等因數(shù)，對(duì)目標(biāo)船建議選用鋼樁系統(tǒng)加多臺(tái)絞車(chē)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(yàn)，都可采用液壓驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)抓斗挖泥船的作業(yè)需求，液壓泵站提供的動(dòng)力油源須滿(mǎn)足鋼樁同時(shí)升降的要求，多套定位絞車(chē)運(yùn)行時(shí)的最大荷額，要滿(mǎn)足臺(tái)車(chē)行走油缸與錨絞車(chē)的動(dòng)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(tái)電機(jī)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?jiǎng)恿ρb置方案及選型論證

本船的主要?jiǎng)恿υO(shè)備配置是為了滿(mǎn)足施工與航行所需以及船上日常用電。根據(jù)全船電力負(fù)荷分析，針對(duì)主電站的配置提出兩種方案。方案一為3臺(tái)約4000 kW 主發(fā)電機(jī)組，方案二為4臺(tái)約3000 kW 主發(fā)電機(jī)組。

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

根據(jù)前面的動(dòng)力負(fù)荷需求分析與配置方案，因?yàn)樗璋l(fā)電功率是屬于常見(jiàn)功率，所以世界各大柴油機(jī)廠商均有相關(guān)產(chǎn)品，目前世界主流柴油機(jī)品牌如MAN、Wartsilia與Mak的32系列機(jī)型均可滿(mǎn)足要求，國(guó)內(nèi)也都有相應(yīng)生產(chǎn)廠商。實(shí)船生產(chǎn)時(shí)還可從成本、布置空間、柴油機(jī)排放、燃油與滑油消耗量、振動(dòng)與噪音、外圍配套等多個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比與選取。

2.5各類(lèi)節(jié)能環(huán)保技術(shù)的應(yīng)用與分析

2.5.1廢氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于船舶來(lái)講，船上存在大量機(jī)械設(shè)備需要通過(guò)燃用燃料產(chǎn)生熱能而轉(zhuǎn)化的機(jī)械能與熱能，一般若不采用廢熱利用的柴油機(jī)的燃料熱效率約40%，可看出還有一定的可開(kāi)發(fā)空間。目前，柴油機(jī)排氣余熱的利用主要是通過(guò)廢氣渦輪增壓器將廢氣能量轉(zhuǎn)換成掃氣空氣的壓力來(lái)提高柴油機(jī)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(jì)

冷卻系統(tǒng)的功率相對(duì)其他輔助系統(tǒng)較大，且常規(guī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都有較多的旁通設(shè)計(jì)，而且由于系統(tǒng)水量也是按夏季工況所需的水量設(shè)計(jì)，所以船舶大部分運(yùn)行時(shí)間該系統(tǒng)都有一定的余量與節(jié)能空間。目前對(duì)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(hù)側(cè)的流量相匹配，在流量變化范圍內(nèi)沒(méi)有旁通量，這就意味著沒(méi)有多余的能耗。采用變頻調(diào)速器來(lái)調(diào)節(jié)流量，按有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)節(jié)電率為20%～50%。

另外就是機(jī)艙等機(jī)械處所的通風(fēng)機(jī)相對(duì)常規(guī)設(shè)計(jì)也可采取一定的節(jié)能措施，風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)需要滿(mǎn)足在夏季極端條件下能夠保證機(jī)艙柴油機(jī)基本在全負(fù)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(kāi)不僅浪費(fèi)能源，而且噪音也非常大。采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)，可根據(jù)機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備使用情況與機(jī)艙溫度自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，不僅達(dá)到了節(jié)能的目的，也可對(duì)機(jī)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(jì)一般類(lèi)型船舶空調(diào)耗能可占船舶總功率的10%左右，雖對(duì)于本船該部分所占比例更小，但其耗能量通過(guò)多種方式來(lái)降低所達(dá)到的節(jié)能效果亦很可觀，可起到減少船舶運(yùn)營(yíng)成本?？照{(diào)通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)布置、合理的風(fēng)機(jī)選型與濕度溫度控制等等。本船設(shè)計(jì)時(shí)立足于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，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(huì)議室即設(shè)有獨(dú)立空調(diào)又設(shè)有中央空調(diào)風(fēng)管，這樣可在春秋季節(jié)不需空調(diào)的時(shí)間部分區(qū)域根據(jù)需要可小范圍啟動(dòng)空調(diào)。

2.6輪機(jī)其它動(dòng)力輔助系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)

除此之外本船還需按實(shí)際需求、法規(guī)與規(guī)范的要求配置各個(gè)相關(guān)的設(shè)備與船舶系統(tǒng)。同時(shí)還需關(guān)注與提前設(shè)計(jì)涉及到防止空氣污染、水污染、噪聲污染等必須面對(duì)的環(huán)保問(wèn)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(jī)功率大、設(shè)備眾多、工況復(fù)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(guó)際上的同類(lèi)型船舶，不僅增加了航行功能與適應(yīng)性更強(qiáng)的定位功能，而且也采用了更環(huán)保高效的液電驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)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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