挖沙船的变频节能改造分析

希望森兰科技股份有限公司 李占峰，杜俊明

1 概述

挖沙船即沙石采掘工具，是从河道内水中提取黄沙资源的机械船只，常为流动作业，内陆河道挖沙船采沙能力几十吨到几千吨不等，大型的河道采沙船机械化和自动化程度更高，一条挖沙船即可成为一个生产单位，可以实行采沙和沙石分离精选全过程。随着建筑业的日渐发展，沙土应用量也日益增大，这也给挖沙船带来了巨大的商机。

挖沙船的种类很多，从挖沙方式上可以分为机械挖沙和吸扬挖沙两大类。机械挖沙是利用沙斗在水下直接抓沙、提升，完成水下挖沙过程，按沙斗型式不同分为抓斗式、铲斗式和链斗式三种。抓斗式挖沙船利用设在船上可以以旋转的吊机完成挖沙作业。起重吊杆将抓斗转动到预定的挖掘地点，将抓斗放在接近水面时，松开绞车鼓轮，让已经张开的抓斗在自重作用下，在水中垂直下落，当抓斗到达你面前，斗齿破土插入泥沙中。此后，绞紧闭斗缆索，抓斗闭合。将抓斗起吊出水后，吊杆旋转至预定卸沙处。铲斗式挖沙船是在船体端部安装了铲斗机(可使用索式铲，也可以使用硬臂的正向铲或反向铲)。铲斗式挖沙船的挖沙原理与陆地上的同类挖掘机械相同。链斗式挖沙船最明显的特点就是它的斗链。斗链是由沙斗和链节组成的，它缠绕在挖沙船斗桥的上下导轮之间。链斗式挖沙船就是靠斗链完成切沙、装沙过程的。挖沙作业时，斗链在上导轮的动力驱动下，在水下连续完成切沙、装沙。提升工艺过程。沙斗在转过斗桥上导轮转而向下时，斗中的泥沙因自重而卸入斗桥上导轮下方的皮带输送机上，继而被送入运输船或被直接抛到岸上的卸沙地点。

吸扬式挖沙船利用装在船上的泥浆泵，在水下吸砂管端部造成负压，将吸入的沙浆通过排沙管输送出去。吸扬式挖沙船的挖沙过程是首先将吸砂管端部保持在水底，并开动泥浆泵后，吸砂管端部连续吸入泥沙。有的自航吸扬式挖沙船配备有储存舱，在储存舱装满后，将沙运到卸沙区。有的吸扬式挖沙船不具备储存舱，需另配运输船随行，以接运吸上来的泥沙。也有的吸扬式挖沙船采用直接将泥沙排到岸上卸沙区的方式，即边吸边抛。

目前，使用较多的是链斗式挖沙船。挖沙船的主要电气设备有用来拖动挖掘链条的两台主电动机，主电动机的功率由挖沙船的大小决定，例如2000吨的挖沙船的两台主电动机的功率均为600kW，辅助设备电动机（包括船上生活用电设备）的功率总共有300kW左右。挖掘链条有几十吨重，要求同时起动，不论是星三角起动还是自耦减压起动方式，起动电流都很大，一般起动电流是电动机额定电流的5倍左右，并且要求频繁起/停。众所周知挖沙船不可能用河岸上的电源供电，船上自带柴油发电机，柴油发电机的容量根据主电动机的功率，再考虑到主电动机起动电流和其他辅助设备电动机的容量等因素确定。

2 柴油发电机容量的计算[1]

按主电动机起动尖峰负荷计算发电机的容量，根据已知条件可选择下列公式分别进行计算。

假定已知用电设备的额定容量、功率因数、效率和电动机的起动电流倍数则发电机的最小视在功率（kVA）：

（1）式中：

kG——发电机综合过负荷系数，取1.5。考虑到因尖峰负荷造成电压、频率降低而导致电机功率下降和发电动机允许短时过载倍数的综合系数；

βmax——单台最大容量电动机的起动电流倍数；

Pmax——单台最大容量电动机的额定容量kW；max

η ——单台最大容量电动机的效率；

maxϕtg ——单台最大容量电动机功率因数角正切值。

如前所述，若不知每台用电设备的功率因数和效率时，则可用（2）式近似计算。

（2）式中：

22GS ——按每台用电设备视在功率算术求和并计入单台最大容量电动机的起动视在功率（不重复计算额定视在功率），计算发电机的最小额定（输出）视在功率，kVA；

maxS ——单台最大容量电动机的额定视在功率，kVA；

maxI ——单台最大容量电动机的额定电流。

同样，只知道每台电动机的额定功率时，可用（3）式简略地计算发电机的容量：

由上2000吨挖沙船主电动机和辅助设备数据，为简化计，采用（3）式计算：

公式中电动机的起动时每次只起动一台，实际情况是同时起动两台，因此 Pmax= 1200kW，电动机的起动电流按5倍计算，由此柴油机发电机的容量为6300kVA，即功率为5000kW柴油发电机。

3 起动方式的比较[2]

如上所述，用星三角起动或自耦减压起动方式，电动机的起动电流较大，导致所选用的柴油发电机的容量过大，实际上柴油发电机容量过大的原因完全为了满足船上主电动机的起动条件，正常运行后，主电动机的电流并不大，一般应在额定电流以下。因此，减小电动机的起动电流，就可选较小容量的柴油发电机，这样可节省大量的初始投资，而且正常运行中较小容量的柴油机比容量较大的柴油机少消耗柴油。

减少电动机起动电流的方法有传统的星三角、自耦减压起动方式，这两种起动方式减小的电流不显著。现在使用较多的是控制晶闸管导通角的“软起动器”和控制频率和电压的“变频器”来实现电动机软起动，减小电动机起动电流。这两种方法中，软起动器起动电动机采用恒频变压起动，当晶闸管导通角较小时，软起动器输出的电压较低，电动机的转子仍处于静止状态，定子旋转磁场是50Hz，转差率最大，等于1。由于输出电压较低，起动电流比星三角、自耦减压起动方式略小，用限流起动方式最小也有2.5倍额定电流，而且起动转矩较低，不适用于这种重载起动。加大限流的倍数，起动转矩有所改善，但起动电流太大也是不可取的。

变频器控制输出的电压和频率，改变转子速度和频率是一种改变旋转磁场同步速度的方法，转差率不变，一般可在电动机额定电流下起动，而且起动转矩在额定转矩以上。因此，用变频器起动挖沙船上的主电动机可大大地降低起动电流，船上柴油机的容量也可根据变频器起动主电机的起动电流来选取。如2000吨的挖沙船用传统的星三角、自耦减压起动方式，柴油发电机的功率为5000kW，改用变频器起动，柴油发电机的功率2000kW足够。

4 变频器在挖沙船上的应用

（1）小型斗轮式挖沙船用两台主电机均为30kW用来拖动挖掘链条，链条就有几十吨重，要求同时起动，并且是频繁起动。电源为250kVA的柴油发电机，耗油45L/h，120kVA耗油23L/h。若用变频驱动，则柴油发电机用东风，型号90GF6BTA5.9-G2，功率90/99kW(80/88kW,18.5L/h)，23L/h。节省油料的数量很大，经济效益十分可观。

（2）大型斗轮式挖沙船用两台800kW变频器驱动两台600kW电机来拖动挖掘链条，柴油发电机2000kW，油耗为180kg/h，若不用变频器，柴油发电机组要用到5000kW以上，每小时的节油量超过200kg。

（3）由于变频器是安装在挖沙船上，挖沙船是不断移动的，所以应用在挖沙船上的变频器又有许多不同于一般机械的特殊要求，例如设备尺寸和重量、散热及防护要求等。

5 结语

挖沙船变频节能改造后，可以实现电机软启动，起动电流小于额定电流，降低对设备的冲击，大大减少设备的维护量，同时可以降低柴油发电机的容量，减少前期投资；另外，采用变频调速后，可以节省电能，由于挖沙船上的用电都是柴油机提供的，所以可以节省大量的柴油，由于现在柴油价格越来越贵，油料大量节省也使企业降低成本，增加利润。

挖沙船采用变频调速技术，不但获得传统调速技术无法比拟的控制性能，在节约能源方面也显示出非常大的优势，因此，变频调速技术在挖沙船上推广应用的前景十分广阔。

[1] 任元会, 卞铠生, 等. 工业与民用配电设计手册 (第三版) [M]. 北京: 中国电力出版社, 2005.

[2] 赵洪礼. 鼠笼电机软启动方式综合分析[J]. 煤炭技术, 2009, 28 (07) : 59 - 62.