3 000 m3/h绞吸挖泥船电气设计

邹学义

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

3 000 m3/h绞吸挖泥船电气设计

邹学义

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

随着变频技术的发展,电力驱动在海洋工程船舶中的应用也日趋广泛。介绍了变频调速控制系统在绞吸式挖泥船上的实际应用,展望了计算机辅助决策系统在绞吸式挖泥船中的应用前景。

绞吸挖泥船;变频技术;电力驱动

0 引言

绞吸挖泥船以其优良的海况作业适应性而成为市场上拥有量较多的挖泥疏浚品种。其排泥方式由单一的舱内泵,演变成现今的加设水下泵和水上多级泵的接力形式。随着变频技术的发展,辅助绞车、铰刀和水下泵的驱动方式也逐步由液压驱动系统向电力驱动系统发展。目前国外绞刀功率超过750kW的挖泥船几乎都采用电力驱动,其目的就是节能、环保。液压驱动方式的传动效率约为 65%～70%,电力变频驱动的传动效率可达 88%(大容量的发电机和电动机的效率可达 95%～96%,变频器的效率可达 98%)。使用变频技术大大改善了功率因数,降低了功耗。电力驱动相比液压驱动可提高功效约为 25%～35%。

为适应市场需求,实现节能、减排、优质、高效疏浚,江苏省船舶设计研究所有限公司先后研制并开发了3 000～5 000 m3/h电驱式系列绞吸挖泥船。其总装机容量为 7 200～15 700 kW,有效挖深为 25～30 m;排距为 5～8 k m。本文重点对 3 000 m3/h绞吸式挖泥船的电气设计情况进行介绍。

1 主要量度及机电设备参数

1.1 主要量度

总长(检修架放下状态) 97.0 m

船长 77.0 m

型宽 17.0 m

型深 4.80 m

吃水 3.3 m

排水量 3 709 t

最大挖深(铰刀架与水平夹角 45°) 25.0 m

台车行程 6.0 m

吸管直径 Φ 850 mm

排管直径 Φ 800 mm

自持力～240 h

船员铺位 30人

航区 沿海作业/近海拖航

1.2 主要机电设备参数

主要机电设备参数见表1。本船还配有舱内泥泵高压水封泵2台,电机功率为 90 kW;舱内泥泵低压水封泵2台,电机功率为 75 kW(舱内泥泵水封泵均配 AST48C系列软起动器);设水下泥泵水封泵1台,电机功率为 30kW。采用“星形—三角形”降压起动。船舶安全系统设备按照常规配置。

2 电力系统构成

电力系统图如图1所示。

本船电力系统的主要特点是设置了1台CSD-630 720 V/400 V630 kVA三相船用变压器。该变压器可双向工作,由主令开关决定其配电指向并完成相关联锁。当本船主电站失效时,可通过此变压器向用电设备提供电力;当变频系统发电机失效或作业准备阶段时,也可由船舶主发电机通过此变压器向桥架(限速、限容使用)和移船绞车提供电力,以加强该船的机动性。船舶电站作业负荷率为83.3%,变频驱动系统的电站作业负荷率为 76.5%(含对船舶其他设备供电)。在一般正常作业过程中,船舶发电机组(400 kW)可以不开启。铰刀电机、横移电机、桥架电机均采用变频驱动。

本船变频器选用的是意大利 ANSWERDRIVESGT 3000系列。为充分发挥该船挖掘能力,铰刀变频器的短时过电流能力约为 150%额定电流(1 min./10 min.),短时过转矩能力约为 170%额定转矩;对于横移绞车变频器的短时过电流能力约为 120%额定电流(1 min./10 min.),短时过转矩能力约为130%额定转矩;桥架绞车变频器考虑其位势载荷的特性,过载能力要求同铰刀变频器。所有变频器均设置了相应的输入和输出电抗器,变频器柜均设置了除湿装置和适当的机械通风装置,变频器间设置了空气调节装置。横移绞车和桥架绞车变频器还配置了相应的制动电阻柜。

表1 机电设备参数表

3 监控系统

本船的监控系统采用高度集成化的网络通讯自动控制系统。其主要组成包括硬件系统及软件系统两部分,在结构上分为基层网络和上层网络;分工上基层网络各站点需完成面对控制对象的区域或功能方面的所有信号的采集、控制和向上层网络提交报告(运行状态、报警、数据交换等),基层网络采用PROFIBUS-DP和 MODBUS485 RTU现场总线的通讯方式。上层网络通过网络交换机构成,负责数据的收集、存储、运算和分析决策。两层网络间的通讯可通过设置 TCP/IP卡来实现,上层网络的故障不应影响基层网络的正常运行。综合监控系统网络图如图2所示。

为确保监控系统在基层网络中能够完成预定的控制任务,本系统采用分布式控制模式。同时为强化基层网络运行的可靠性,网络统一选用西门子S7系列的可编程控制器作为各子系统的核心控制组件。基层网络可分为机舱综合检测报警子系统、变频控制子系统和挖排泥监控子系统 3个子系统。图2中,操纵台、机舱监控台、变频控制柜所配置 PLC均为西门子S7-300系列。子系统间采用 PROFIBUS-DP现场总线方式进行通讯。机舱综合检测报警子系统向下(柴油机近旁控制箱等)采用的是MODBUS485 RTU现场总线方式进行通讯(主要是兼顾随机设备的通讯功能)。变频控制子系统和挖排泥监控子系统向下(各变频驱动柜、液压控制系统现场控制箱)采用的是 PROFIBUS-DP组态通讯。各变频器的运行参数(电流、电压、频率、功率、温度等)和运行状态(状态字代码)均通过 DP通讯获取。各子系统还均可通过 TCP/IP通讯和上层网络实现数据的交换,并向上层以太网服务器提供各子系统设备的完整运行状态(含故障状态)和运行参数。通讯故障不影响各子系统的安全独立运行。

变频配电板、船舶主配电板、柴油机近旁控制箱所配置 PLC均为西门子S7-200系列,它们和机舱监控台间采用 MODBUS485 RTU现场总线方式进行通讯。变频配电板、船舶主配电板向上交换配电系统完整的运行状态(含故障状态和各组合驱动器是否工作运行)、运行参数和控制指令,从而实现操纵台可以通过通讯的方式,对必要的挖泥辅助设备进行遥控。同时对操作逻辑错误(如泥泵运行时、滑油泵或水封泵未运行时)进行闭锁控制或发出报警提示。

在机舱监控台和操纵台上均设有声光报警灯板。机舱报警内容可反映重要机器设备的主要报警项目及通讯系统的故障报警;操纵台上采用的是综合报警;上位机系统可反映各系统设备的详细报警情况。任何报警出现时,各主要机器设备的运行状态与工作参数均存入服务器的故障数据库,可作历史性的分析和研判。

4 辅助决策系统

对绞吸挖泥船上的挖泥设备进行综合监测和辅助决策是提高挖泥船施工质量和效率的重要手段。以荷兰IHC公司、德国 KRUPP公司等为代表,利用计算机技术对各种传感器信息进行集中处理,绞吸挖泥船操作人员可通过 CRT(监视器)来监视各种相关参数,实现了挖泥工况的监测及控制。我国在这方面进行的开发研究工作起步相对较晚,到 20世纪 90年代中后期,才陆续有国内科研单位正式投入研究。经过 10多年的不断探索,工况监测系统已在国内大范围应用并日趋成熟。

计算机辅助决策系统配置的主要目的有:

(1)铰刀头平面定位和深度显示。监测铰刀在水下的工作位置并加以直观显示,以指示施工操作人员精确地控制铰刀在理想工作挖槽内挖掘施工,防止或减少超深、超宽现象的发生。

(2)施工工况监测。将监测范围扩大到泵机、水下泵、横移绞车、管路系统等设备。

(3)疏浚过程分析。分析对应土质下各种优化参数,分析流速、浓度关系。

(4)对施工过程中的某些工况参数进行记录、远程传输监测,以提高工程技术管理人员对挖泥施工过程的监控能力,实现项目部对船上施工方案的有效指导,实现生产报表的打印输出。

(5)铰刀头工况分析。分析对应土质下铰刀头的切削能力。

在以前的工况监测系统中,主要面对的是两个方面:一个是平面定位和断面系统,另一个是产量及泥泵吸入排出系统。但是对于电驱式绞吸挖泥船完整的施工过程,这些监测是远远不够的。一个相对完整的工况监测系统应该包含对全船总的动力系统的功率管理(PMS),这一管理系统应当从原动机开始直至排泥输出。中间环节主要还包含电站总容量管理和铰刀、移绞车等各子驱动系统的监控与集成管理。辅助决策系统的系统示意图如图3所示。

图3 辅助决策系统示意图

辅助决策系统的设计原则为:各系统设备在安全、合理、有效的运行范围内,实现产量的最大化。

在定位定深监测方面,本船装备了带方位信息的 DGPS传感器、铰刀挖深测量变送器、台车行程变送器,构成了定位定深监测系统。在定位定深监测系统中,不仅提供给操作人员以直观的定位显示,而且提供给铰刀分析系统中需要的铰刀挖掘角度、铰刀切泥厚度、进关量等信号。定位定深系统主画面如图4所示。

图4 定位定深监测系统

在工况监测系统方面,本船配备了产量计系统装置和输送管路上的压力检测装置。而舱内泵原动机、水下泵电动机、铰刀电动机、横移绞车电动机的运行参数均可通过通讯的方式获取。

在报表统计方面,通过记录的数据,统计各种情况下的产量,如每班产量、每天每班产量、按时间段的每班产量等。

在远程传输系统方面,本船采用 3G微波通讯的方式,远程用户通过客户端软件与远端的服务器连接,连接成功后客户端就可以实时查询服务器上的相关数据。

辅助指导画面显示了在最佳浓度时间段内操作人员的操作手段,包含横移速度、铰刀转速、泵机转速、泵机负荷等参数。操作指导画面提示在设置的时间段内最大的浓度和最佳的浓度值,以便能更好地为安全高效的作业操作提供指导。

5 结语

计算机辅助决策系统在绞吸式挖泥船中的运用前景越来越广阔,同时随着变频技术的不断发展,其功用性、稳定性与可靠性日趋完善。若以水下泵、铰刀、横移绞车、桥架绞车总驱动功率为 4 000 kW为例,采用电力驱动相比液压驱动方式可节约功耗1 000～1 400 kW。要实现节能、减排、优质、高效的现代化疏浚就需要借助先进的生产力,而先进的生产力必定会创造更为丰厚的经济效益和社会效益。

U674.31

A

2010-05-20

邹学义(1963-),男,高级工程师,主要从事船舶电气设计工作。