侯明新，胡知亭，蔡憲玲，鄭必前，黃旭鑫

（中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510290）

1 概述

絞吸挖泥船是挖泥船中挖掘土質最廣泛，排岸距離變化最大的一種吸揚式挖泥船。要想充分發(fā)揮設備性能獲得較高的挖泥效率，就必須科學管理、利用好船舶的動力，根據(jù)土質、排距對疏浚設備的使用功率進行綜合的科學管理。

“華安龍”是一艘由荷蘭IHC公司設計、大連遼南船廠建造的非自航大型絞吸挖泥船，于2011年建成出廠。其總裝機功率為13 051 kW，最大排泥距離為15 km。在三泵串聯(lián)，挖深27 m，排距5 000 m，排高4 m時，中細沙（D50=236 mm）產(chǎn)量為4 300 m3/h。其柴油機和主要疏浚設備配置為[1]：甲板泥泵柴油機2臺，每臺功率3 700 kW；主發(fā)電柴油機3臺，每臺功率1 717 kW；輔發(fā)電柴油機1臺，每臺功率500 kW；絞刀功率（30 r/min）為1 100 kW；橋架水下泥泵1臺（由2臺電機驅動）功率為2×1 000 kW；甲板泥泵2臺，每臺功率3 626 kW（軸功率）。

該船2臺甲板泥泵各自由1臺柴油機通過彈性聯(lián)軸器、減速箱直接驅動，絞刀頭和橋架水下泥泵則均由變頻電機驅動；3臺主發(fā)電機組可采用：單臺、3臺并車、倆倆并車3種模式中的一種向電網(wǎng)供電。在加裝功率管理系統(tǒng)之前，即使是在全船用電負荷很低或絞刀功率很?。ㄈ缍膛啪?，挖掘淤泥的工程）的工況下，開2臺主發(fā)電機組并車供電是完全可以滿足全船所有用電負荷的要求。但為了確保在此工況下發(fā)揮出盡可能高的挖泥產(chǎn)量，船員仍會開3臺主發(fā)電機組同時并車供電。原因是IHC設計時，為了避免在只開2臺主發(fā)電機組并車供電時出現(xiàn)電網(wǎng)超負荷的現(xiàn)象，對絞刀頭和水下泥泵做了許用功率限制，即絞刀頭的許用功率限制設置為900 kW，水下泥泵的許用功率限制設置為1 200 kW，且這兩個許用功率限制性設置均不可調整。這導致在所挖掘的土質較軟和排岸距離較近的工況下，雖然只開2臺主發(fā)電機組并車供電施工完全可以滿足全船用電，但會造成挖泥產(chǎn)量較低。例如：挖掘較為松軟土質時，絞刀頭驅動功率只使用300 kW左右，離900 kW的許用功率仍有約600 kW的剩余功率，而水下泥泵驅動功率由于限定為1 200 kW，使得水下泥泵無法加大功率來增加水下泥泵的流量，最終造成整船的挖泥產(chǎn)量較低。而在挖掘較硬土質時，絞刀頭驅動功率需要超過900 kW，但由于功率限制，絞刀頭驅動系統(tǒng)功率不足導致破土能力較低，最終造成整船的挖泥產(chǎn)量較低。為了保持該船的生產(chǎn)率，船員會在即使只開2臺主發(fā)電機組完全能滿足全船所有用電負荷要求的情況下，仍開3臺主發(fā)電機組并車供電。在此工況下每臺主發(fā)電機組的柴油機負荷僅有50%～60%，柴油機處于低負荷高油耗的工況下運轉，對柴油機造成極大損害，燃料消耗過高，導致單方成本高而效益低下。同時在此工況下施工，3臺主發(fā)電機組長期處于運行工作狀態(tài)，無法在施工期間對機組進行輪換保養(yǎng)和檢修，不利于設備的維護和保養(yǎng)，一旦出現(xiàn)某臺主發(fā)電機組故障時，其挖泥產(chǎn)量會大幅度下降。

加裝功率管理系統(tǒng)就是針對上述問題，解決在軟土質、近排距的工況下，只開2臺主發(fā)電機組并車供電的生產(chǎn)率仍能保持與開3臺主發(fā)電機組并車供電一樣。而當外部條件在設定范圍內發(fā)生變化時，可通過設備的自動檢測和計算機處理來實現(xiàn)設備功率管理的自動分配調節(jié)，保持高的生產(chǎn)效率。但在此之前，功率管理系統(tǒng)在挖泥船的使用僅限于耙吸挖泥船[2-5]，其他工程船如鋪管船、起重船也有少量使用[6-7]，但未見有絞吸挖泥船使用的先例，因此必須進行有針對性的論證、研究。

2 加裝功率管理系統(tǒng)的技術方案

通過對全船用電負荷和控制系統(tǒng)的綜合分析，研究了多個加裝改造的技術方案，包括通過監(jiān)控全船各主要設備電力負荷的變化情況進行全電網(wǎng)功率智能管理等。由于絞吸挖泥船負荷波動的突變性和難以預測性，如果采用全電網(wǎng)功率管理系統(tǒng)，由于絞刀頭和泥泵的功率變化非常突然，一旦負荷突然急劇增加，其他設備又不能卸載，就有電力中斷的危險[8]。因此從船舶安全、投入產(chǎn)出、出現(xiàn)意外的預防措施以及加裝改造對生產(chǎn)效率的影響等方面進行全面分析和反復論證比較，最終采用對絞刀頭和泥泵（包括主要附屬配套設備封水泵）在各種工況下的在線用電功率進行管理，合理配置用電負荷的功率管理系統(tǒng)。

該挖泥船每臺主發(fā)電機組的柴油機功率為1 717 kW，發(fā)電機功率為1 800 kVA，功率因素為0.9，即每臺發(fā)電機輸出到電網(wǎng)的最大功率約為1 620 kW。那么2臺或3臺主發(fā)電機組并車供電可以提供電網(wǎng)總的功率分別為3 240 kW或4 860 kW。

未加裝本功率管理系統(tǒng)之前，2臺主發(fā)電機并車在線施工時，如果絞刀頭和水下泥泵功率分別達到許用限制值900 kW和1 200 kW，電網(wǎng)的最大負載率為95.8%，施工效率低下。這也意味著如果不挖掘潛力，充分利用閑置設備的功率，科學配置許用功率，那么絞刀頭和水下泥泵功率之和的限制值N將不能超過2 100 kW。通過加裝功率管理系統(tǒng)，自動識別電力供應動態(tài)狀況，充分利用閑置設備的富余功率，使N值在特定工況下可以超過2 100 kW。即通過對全船用電負荷的分析和檢測實船疏浚設備的功率使用情況，在確保船舶電網(wǎng)穩(wěn)定運行及施工安全的前提下，通過功率管理系統(tǒng)自動識別在線主發(fā)電機組和在線封水泵的數(shù)量和負荷（實施后升級改造時還加入其他輔助設備），并根據(jù)在線挖泥設備的配置，自動進行不同工況的轉換，并切換控制系統(tǒng)的運行模式，從而使絞刀頭和水下泥泵的功率之和達到電網(wǎng)允許的最大限制值。

在只開2臺主發(fā)電機組施工時，操作人員能根據(jù)所挖掘土質和排距的不同以及各設備的負荷變化等情況，將絞刀頭功率的限制值設置為300～1 100 kW（最大持續(xù)值）之間的某個最佳值，這個值可通過一個無級調節(jié)的旋鈕設置。由于采用了智能功率管理系統(tǒng)，絞刀頭的功率限制值一旦確定，水下泥泵的功率限制值就隨之自動設定。通過調整絞刀頭功率的設定值，可隨意調整絞刀頭和水下泥泵的功率分配比例，使絞刀頭和水下泥泵均處于最佳狀態(tài)，合理地發(fā)揮船舶設備的潛能，提高生產(chǎn)效率，減少單方油耗。

在不同的施工工況下，除了絞刀頭和水下泥泵之間的功率分配比例可隨意調整外，還可以自動吸收停用泥泵封水泵的剩余功率來提高挖泥總功率，從而能在保證全船安全用電的前提下，盡可能提高挖泥產(chǎn)量。

在不同的施工工況下，該輪可有下列4種泥泵組合運行的施工模式；在加裝了功率管理系統(tǒng)后，不同模式其對應的絞刀頭與水下泥泵的功率之和的限定值N也是不同的。

1）A為1級甲板泥泵和2級甲板泥泵及水下泥泵均在線，N=2 100 kW；

2）B為僅1級甲板泥泵和水下泥泵在線，N=2 250 kW；

3）C為僅2級甲板泥泵及水下泥泵在線，N=2 400 kW；

4）D為1級甲板泵和2級甲板泵均不在線，僅水下泵在線，N=2 550 kW。

根據(jù)這些不同的工況，可以考慮停用封水泵的功率轉移到絞刀頭和水下泥泵上，以提高絞刀頭和水下泥泵的施工功率。經(jīng)過電力負荷計算，在只開2臺主發(fā)電機組并車供電施工時，N的初始設置值是3臺泥泵均在線的模式時，電網(wǎng)允許絞刀頭和水下泥泵的功率之和達到最大許用限制值，N=2 100 kW。功率分配曲線見圖1。

圖1 功率分配曲線Fig.1 Power distribution curve

如圖1所示，不同工況的轉換根據(jù)在線挖泥設備配置的不同可自動進行。絞刀頭的許用功率調節(jié)范圍為300～1 100 kW，水下泥泵的許用功率調節(jié)范圍為1 000～2 000 kW。

在保證施工安全、設備正常運轉的前提下，通過整合不同工況下停用封水泵的剩余功率，將其用于驅動絞刀頭和水下泥泵上，以提高船舶的挖泥產(chǎn)量。功率管理系統(tǒng)見圖2。

圖2 功率管理系統(tǒng)圖Fig.2 Power management system diagram

該功率管理系統(tǒng)可自動識別在線主發(fā)電機組的數(shù)量和泥泵組合運行的模式，自動確定絞刀頭功率與水下泵功率之和的最大限制值。

在挖泥控制臺上，絞刀頭功率調節(jié)旋鈕旁設有一套PR顯示系統(tǒng)，可以顯示絞刀頭和水下泥泵的功率限制設定值和實際運行時的功率值。挖泥操作人員可以根據(jù)實際值和設定值之間的差別設置絞刀頭的限制值，合理配置絞刀頭和水下泥泵的功率。

3 加裝功率管理系統(tǒng)的效果

經(jīng)過加裝功率管理系統(tǒng)的改造后，只開2臺主發(fā)電機并車供電施工時，其挖泥效率比未進行加裝改造之前有非常明顯的提高，而且可以更加科學有效地應對各種工況，合理使用和管理設備，節(jié)能減排，達到了預期的效果。

“華安龍”2014年在海南?；◢u工地施工時，土質為中細沙夾軟黏土。泥泵組合為：1臺水下泥泵與1臺一級甲板泥泵串聯(lián)工作，絞刀頭和水下泥泵限制功率之和為2 400 kW，見圖1中的C曲線。當設定絞刀頭的限制功率為400 kW（絞刀頭功率表顯示實際挖掘功率在200～350 kW之間），經(jīng)過系統(tǒng)的計算模塊檢測及計算，分配給水下泥泵的給定功率為2 000 kW（等于3臺主發(fā)電機組同時并車供電時，水下泥泵的最大持續(xù)功率），挖泥產(chǎn)量可達5 000～6 500 m3/h，挖泥控制臺的功率顯示及限制旋鈕如圖3所示，挖泥顯示系統(tǒng)頁面如圖4所示。

圖3 挖泥控制臺的功率顯示及限制旋鈕Fig.3 Power display and limit knob of dredging console

圖4 挖泥顯示系統(tǒng)頁面Fig.4 Dredging display system page

改造后徹底改變了原船為了保持高的挖泥產(chǎn)量，在絞刀頭實際挖掘功率不超過400 kW時，仍必須起動3臺主發(fā)電機組并車發(fā)電施工的現(xiàn)象。避免了柴油機長期處于低負荷運行狀況下，對自身機械部件產(chǎn)生的不良影響。經(jīng)改造后，系統(tǒng)給予絞刀頭的許用功率為300～1 100 kW，并且只需2臺主發(fā)電機并車發(fā)電，電網(wǎng)就能高效、穩(wěn)定運行，既節(jié)省了燃料，又保證了產(chǎn)量。

4 結語

在挖泥排岸較短排距和較軟土質時，可以將1臺主發(fā)電機作為備用發(fā)電機組，并且在維護保修方面，可以實現(xiàn)船舶施工期間3臺發(fā)電機組輪換保養(yǎng)和檢修，使設備處于良性循環(huán)狀態(tài)，對保障設備的正常運轉和提高使用壽命起到了積極的作用。