倪永亮

（大連中遠(yuǎn)海運(yùn)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(jìn)行水下土石方挖掘，達(dá)到疏浚、吹填和采集沙石土料的目的。隨著我國現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展和改革開放的不斷深入，迫切需要改善水上運(yùn)輸條件，以適應(yīng)大型船舶的進(jìn)出港和碼頭停泊。目前，挖泥船的應(yīng)用為挖深、加寬和清理現(xiàn)有的航道和港口，開挖新的航道、港口和運(yùn)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?；虼堤钣陉懮贤莸卦焯锏忍峁┝吮憷麠l件，是吹沙填海的利器[1-2]。

挖泥船的工作能力是以每小時(shí)能挖多少立方米泥土來表示的，按施工特點(diǎn)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(jī)動靈活，效率高，抗風(fēng)浪能力強(qiáng)，適宜在沿海港口、寬闊的江面和船舶錨地作業(yè)。大連中遠(yuǎn)海運(yùn)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(gè)單耙。

1 高壓配電系統(tǒng)

根據(jù)船級社定義，額定電壓大于1 000 V的配電系統(tǒng)為高壓配電系統(tǒng)。與低壓配電系統(tǒng)相比較，高壓配電系統(tǒng)對性能要求更高，因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜[3]。

圖1 耙吸式挖泥船總圖

本挖泥船項(xiàng)目主電源為3臺7 200 kW的發(fā)電機(jī)，為主配電板提供6.6 kV、60 Hz的高壓電源。設(shè)備包含2臺7 500 kW的主推進(jìn)電機(jī)、2臺7 500 kW的泥泵電機(jī)、1臺3 400 kW的水下泥泵電機(jī)、2臺1 250 kW的艏側(cè)推電機(jī)、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(tǒng)主泵電機(jī)等，這些設(shè)備均為變頻驅(qū)動，且本船操控需滿足DP1要求。經(jīng)與船東協(xié)商并與主要配電系統(tǒng)集成商溝通，最終采用了推進(jìn)電機(jī)、泥泵電機(jī)使用獨(dú)立變頻器驅(qū)動設(shè)計(jì)方案，其他設(shè)備（艏側(cè)推、高低壓沖水泵、液壓電機(jī)）采用公共變頻驅(qū)動器的設(shè)計(jì)方案，變頻器對應(yīng)的移相變壓器均由6.6 kV高壓配電板進(jìn)行供電。

在進(jìn)行電氣負(fù)荷計(jì)算的過程中，首先需要確定各種工況，此項(xiàng)工作需按照規(guī)格書要求執(zhí)行，并及時(shí)與船東溝通確認(rèn)。根據(jù)技術(shù)規(guī)格書要求選取了挖泥、排泥、航行、維修、停泊、應(yīng)急這6種負(fù)荷計(jì)算工況。推進(jìn)器、泥泵等大功率變頻驅(qū)動工作的設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，其輸出功率需要進(jìn)行較大范圍的調(diào)整，因此在不同工況下對這些設(shè)備利用系數(shù)的選取非常重要，此系數(shù)的確定與船舶所處工作狀態(tài)和船東作業(yè)習(xí)慣密切相關(guān)，這些設(shè)備的利用系數(shù)需要與船東逐項(xiàng)進(jìn)行確認(rèn)。挖泥作業(yè)和排泥作業(yè)均需要推進(jìn)器和泥泵同時(shí)工作，在這2種工作模式下，需要對推進(jìn)器輸出功率進(jìn)行限制以確保泥泵處于最佳工作點(diǎn)，此時(shí)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(diǎn)需求功率。航行工況下，維修工況需推進(jìn)器參與工作，并按照推進(jìn)器的最佳工作點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。停泊狀態(tài)時(shí)，應(yīng)急狀態(tài)下使用440 V的應(yīng)急兼停泊發(fā)電機(jī)為船用設(shè)備提供電力。這2種工況下無高壓設(shè)備投入運(yùn)行，這些均需在負(fù)荷計(jì)算時(shí)進(jìn)行考慮。

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

2 主推進(jìn)系統(tǒng)

本船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，由2段6.6 kV高壓配電板分別經(jīng)移相變壓器給2個(gè)主推變頻器供電，再由變頻器分別給2個(gè)7 500 kW主推進(jìn)馬達(dá)供電，主推進(jìn)馬達(dá)經(jīng)由齒輪箱通過軸系將動力傳遞到推進(jìn)器，因此本文中的主推進(jìn)系統(tǒng)為典型的軸槳推進(jìn)。

變頻器作為該系統(tǒng)的主要組成部分，工作原理是先將電網(wǎng)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟?，而后再在逆變電路中將直流轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出。變頻器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出頻率變化范圍大、功率因數(shù)高、諧波易于消除、可應(yīng)用于各種大功率設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)采用了數(shù)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(guān)功能，可以將直流電壓調(diào)制成任何寬度的直流脈沖電壓PWM信號，高速開關(guān)可調(diào)制出任何所需頻率。

主推進(jìn)系統(tǒng)除了變頻器外還有其它的一些輔助系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)滑油單元系統(tǒng)有2個(gè)滑油泵為電機(jī)軸承提供潤滑油、2個(gè)頂升泵提供液壓動力，在電機(jī)轉(zhuǎn)速太低未建立油膜時(shí)可將軸承頂起來以保護(hù)軸承?；捅煤晚斏每捎蓤?bào)警監(jiān)測系統(tǒng)（AMS）遠(yuǎn)程控制，相關(guān)報(bào)警信息也將送到AMS系統(tǒng)，滑油油艙溫度由溫控開關(guān)自動控制。推進(jìn)器齒輪箱系統(tǒng)中的每個(gè)齒輪箱有1個(gè)滑油供給泵和1個(gè)滑油備用泵，可由AMS系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制。正常情況下在滑油供給泵工作過程中，當(dāng)滑油壓力由于某些原因低于設(shè)定值時(shí)，通過AMS報(bào)警并3 s內(nèi)控制起動滑油備用泵，同時(shí)停止供給泵。推進(jìn)器尾管系統(tǒng)包括尾管滑油系統(tǒng)（1主1備2個(gè)滑油泵提供滑油壓力）、軸承測溫系統(tǒng)（溫度傳感器PT100將信號送到AMS系統(tǒng)報(bào)警，而后送到推進(jìn)器安全系統(tǒng)進(jìn)行主推的減速或停車）、尾管報(bào)警系統(tǒng)（進(jìn)行控制空氣壓力低、液位高低等報(bào)警）。推進(jìn)器軸附件系統(tǒng)包括軸剎車、軸速測量和軸接地系統(tǒng)，且相關(guān)報(bào)警均送到AMS。主推安全系統(tǒng)是根據(jù)規(guī)范要求配備的，該系統(tǒng)會根據(jù)主推馬達(dá)繞組溫度過高、冷卻空氣溫度過高、齒輪箱和主推嚴(yán)重報(bào)警等信號觸發(fā)主推馬達(dá)降功率或自動停車。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，對于報(bào)警點(diǎn)的選取除了滿足規(guī)格書的要求外，還需特別關(guān)注船級社的規(guī)范要求，本船入級法國船級社（BV），且要滿足AUT-UMS無人機(jī)艙要求，針對主推進(jìn)電力馬達(dá)、變壓器及齒輪箱等設(shè)備，規(guī)范中均有相應(yīng)的表格詳細(xì)標(biāo)明所要求的相關(guān)報(bào)警點(diǎn)及相關(guān)的控制功能，設(shè)計(jì)時(shí)需參照執(zhí)行。

3 泥泵變頻器系統(tǒng)

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

泥泵變頻系統(tǒng)也由2段6.6 kV高壓配電板分別經(jīng)移相變壓器給2個(gè)泥泵變頻器供電，再由變頻器分別給2個(gè)7 500 kW泥泵馬達(dá)供電。由于水下泥泵和2個(gè)主泥泵不會同時(shí)工作，所以根據(jù)規(guī)格書要求，2個(gè)主泥泵變頻器也可兼做水下泥泵供電設(shè)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(gè)變頻器給水下泥泵供電；在排泥模式下，2個(gè)變頻器分別給2個(gè)主泥泵供電。此種設(shè)計(jì)方案可以節(jié)省水下泥泵使用的單獨(dú)變頻器和移相變壓器，只需2個(gè)泥泵變頻器中的三位選擇開關(guān)，并加上開關(guān)聯(lián)鎖控制即可完成需要的功能。

圖2 泥泵變頻器系統(tǒng)框圖

4 IMC綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)

IMC系統(tǒng)（integrated monitoring & control system）是挖泥船特有的系統(tǒng)，類似于AMS報(bào)警監(jiān)測系統(tǒng)，但又有其獨(dú)特之處，即IMC相當(dāng)于負(fù)責(zé)挖泥控制相關(guān)設(shè)備的專有系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(gè)輸入/輸出單元，用于全船挖泥相關(guān)設(shè)備或傳感器的信號采集和控制。

IMC系統(tǒng)將對所有控制系統(tǒng)提供必要的聯(lián)鎖、保護(hù)、起動和運(yùn)行條件等，以確保挖泥設(shè)備或系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。其需監(jiān)測和控制疏浚系統(tǒng)的所有閥門、泥漿密度和速度測量系統(tǒng)、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(guān)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(tǒng)等。因此，也可以說它是挖泥船挖泥作業(yè)的“大腦系統(tǒng)”，所有命令發(fā)出、過程監(jiān)測、相關(guān)報(bào)警均由它實(shí)現(xiàn)。

IMC系統(tǒng)在各工作站及輸入/輸出單元箱間均采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最大限度地保證了系統(tǒng)的可靠性，不會因某一個(gè)單元的故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的故障。電源來自于船上UPS和24 VDC整流充電系統(tǒng)，以保證系統(tǒng)電源不間斷。

5 結(jié)論

水利清淤作業(yè)的工程量很大，涉及的地域很廣，土質(zhì)也很復(fù)雜。因此，建造挖泥船是水利疏浚領(lǐng)域中的一項(xiàng)長期而繁重的任務(wù)，其前景非常廣闊。通過本文對主要電氣系統(tǒng)的介紹與總結(jié)，為后續(xù)船舶建造提供一定的參考。