自航绞吸挖泥船“天鲲号”电力驱动系统冗余设计

张明，陈梦

0　引言

常规非自航绞吸挖泥船上疏浚设备如泥泵一般采用柴油机驱动，起升绞车和横移绞车采用液压马达驱动，绞刀采用液压马达或电动机驱动，水下泥泵和封水泵采用电动机驱动。正在建造的5 000 kW绞刀功率绞吸挖泥船“天鲲号”为电力推进自航船，2台推进电机、2台舱内泥泵、1台水下泵、绞刀、4台绞车以及10台封水泵均采用变频电机驱动，是我国自主设计建造的第一艘全电力驱动大型自航绞吸挖泥船。全船电力变频驱动技术的应用，使变频电机的功率可以得到有效发挥，极大地提高了全船效率，达到了节能的目的。而且电力驱动避免了柴油机气体排放和液压油管泄露对海洋环境造成的污染，既而达到了环保的目的[1-4]。

“天鲲号”的工作状况比较复杂，包括航行、单泵装驳、单泵排岸、两泵排岸和三泵排岸等5种主要工况，不同工况下使用不同的设备。另外，大型绞吸挖泥船工作强度大、设备损耗快、维修和补给周期长成本高、停工损失大，开赴施工区域一个工作周期内不希望因为某个设备或系统的影响造成停工，因此对电力系统和设备的冗余性要求极高。本文将着重对“天鲲号”的电力系统设计冗余性设计思路和方案进行介绍。

1　“天鲲号”设备配置与使用工况

“天鲲号”动力设备的配置充分考虑了对各种工况的适用性[5]。

1.1　中压电机使用工况

表1中的推进电机和主要疏浚设备电机功率较大，采用中压电机，设计方案是由单个的中压变频器进行驱动。

表1　推进和主要疏浚设备使用工况Table 1　Operating conditionsof propulsion and major dredging equipment

1.2　低压电机使用工况

表2中的绞车和封水泵功率小、数量多，采用低压电机，设计方案是由共直流母线的低压多传动变频器驱动。

2　推进电机和主要疏浚设备驱动系统冗余方案

2.1　驱动系统冗余方案

本船的驱动系统冗余方案如表3所示。

表2　绞车和封水泵使用工况Table2　Operating conditionsof winch and gland pump

表3　驱动系统冗余方案Table 3　Redundancy schemefor driving system

2.2　驱动系统实现冗余的方法

2.2.1转换柜的引入

根据表3中驱动系统的冗余方案，为了实现设备的冗余，本船配置了1套转换柜，从图1中可以看出，4个变频器输出接入转换柜然后再输出到6台电机，转换柜内设置多个断路器，通过断路器的合闸和分闸让变频器的输出电流向希望的方向流动。

图1　推进电机和主要疏浚设备供电及转换方案Fig.1　Power and conversion scheme for propulsion and major dredging equipment

2.2.2转换柜的使用方法

以下通过表4举例说明转换柜的使用方法。

表4　各个工况下断路器状态Table 4　Status of breaker in all operating conditions

在航行工况下，断路器3、9、5.2、11合闸，4、8、5.1、10分闸，此时水下泥泵变频器向1号推进电机供电、一级舱内泵变频器向2号推进电机供电。

在三泵挖泥工况下，断路器1、3、8、5.2、10、7合闸，2、9、4、5.1、11、6分闸，此时 2号绞刀变频器向2号绞刀电机供电、水下泥泵变频器将向水下泵供电、一级舱内泵变频器向一级舱内泵供电、1号绞刀变频器向1号绞刀电机供电。

假如水下泵变频器或变压器故障时，断路器8、4、5.1合闸，3、9、5.2分闸，此时一级舱内泵变频器向水下泵电机供电。

假如2号绞刀变频器或变压器故障，断路器2、5.1合闸，1、4、5.2分闸，此时一级舱内泵变频器向2号绞刀电机供电。

从上例中可以看出，通过转换柜内断路器的合闸和分闸可以实现某个变频器向多台电机供电的目的。转换柜的设计不仅能根据船舶工况提高设备利用率，同时能够提高设备运行的冗余性。

转换柜的设置提高了推进和主要疏浚设备驱动系统的利用率和冗余性，但是如果全部采用手动操作及人工辨别不仅工作量大，还有可能造成短路等安全隐患，为此还需要专门设计一套转换柜控制系统。通过图2转换柜触摸屏页面可以看出：1）转换柜控制系统采集所有断路器的状态，可以对断路器进行遥控；2）配备触摸屏显示断路器状态和母排的接通信息以便于监视；3）控制系统中设置了必要的联锁，设计时对可能存在的状态进行逻辑控制，当一个断路器合闸时，控制系统自动匹配，下一个断路器合闸指令需要经过控制系统进行规划，只有不会发生隐患才允许合闸；4）预先设定了快速转换模式，每一个模式中预设了多个断路器的状态，当从一个模式转换到另一个模式时，断路器自动按照预设的程序自动合闸或分闸。通过这些手段保证了转换柜始终在安全、可控的状态下工作。

图2　转换柜触摸屏页面Fig.2　Touch screen page of assignment cabinet

3　绞车和封水泵驱动系统冗余方案

绞吸挖泥船的绞车和封水泵也是绞吸挖泥船中的主要疏浚相关设备，这些设备故障时会严重影响船舶施工，特别是桥架绞车发生故障时桥架无法升起造成安全隐患。为此对绞车和封水泵的驱动系统进行冗余设计是非常重要的。

图3为本船的绞车和封水泵设计方案，可以看出，本船绞车和封水泵采用了低压多传动变频方案，采用2台移相变压器通过4套二极管整流模块向直流母排供电，直流母排分为2段，通过直流断路器连接起来，每段装置1套刹车电阻。

图3　绞车和封水泵驱动冗余方案Fig.3　Redundancy scheme for winch and gland pump

正常情况下，直流断路器处于分闸状态，2台移相变压器分别通过2套二极管整流模块向2段直流母排供电，每台移相变压器容量满足最大工况下绞车和封水泵电机的使用需求。当任意一个移相变压器或二极管整流模块故障时，可以合闸直流断路器，另一个正常的移相变压器和二极管整流模块向所有绞车和封水泵电机供电。即使发生单侧直流母排故障这样的严重故障，剩下一段母排也能为1台横移绞车和1台桥架绞车提供电源，保证桥架的提升。

另外本船的每台桥架绞车还额外设置1套应急桥架绞车电机，该电机由应急发电机供电，在桥架绞车主电机出现故障时，仍然可以保证桥架绞车的提升。

4　结语

5 000 kW绞刀功率自航绞吸挖泥船“天鲲号”是国家工业和信息化部立项的重点项目，是迄今为止由国内自主设计和建造的最具先进性的绞吸式挖泥船。方案的冗余性、设备的可靠性是大型绞吸挖泥船的发展趋势，在认真分析研究国内外工程船和海工船的电力驱动系统冗余设计思路的基础上，针对该船设备多、工况复杂的特点，根据设备功率分别采用了高压单传动和低压多传动2种传动方式，最终对2种传动方式下的设备采用了针对性的冗余设计方案。

针对高压单传动的设备创新性地采用了高压转换柜的方案，4台变频器通过转换柜可以向6台电机供电，通过该高压转换柜内真空断路器的合闸和分闸实现不同工况下驱动不同的电机，同时实现部分重要疏浚设备故障时的冗余性能。

针对低压多传动的疏浚设备采用类似于海工船钻井驱动系统的方案，通过设备冗余和母排分段的方式实现单个设备故障下船舶工作的安全性。

参考文献：

[1]何炎平，冯长华，顾敏童，等.“天鲸”号大型自航绞吸式挖泥船[J].船舶工程，2009（5）：1-5.HE Yan-ping,FENG Chang-hua,GU Min-tong,et al.Largedsized self-propelled cutter suction dredger named Tianjing[J].Ship Engineering,2009(5):1-5.

[2] 谷孝利，何炎平，张国安，等.4 500 m3/h非自航绞吸挖泥船电力系统设计[J].机电设备，2009（6）：1-5.GU Xiao-li,HE Yan-ping,ZHANG Guo-an,et al.Power system design of 4 500 m3/h non self propelled cutter suction dredger[J].Mechanical and Electrical Equipment,2009（6）：1-5.

[3]于双，李秉辉，刘长云.ABB变频电力系统在绞吸式挖泥船上的应用[J].中国水运，2010（3）：56-57.YU Shuang,LI Bing-hui,LIU Chang-yun.Application of ABB frequency conversion power system in cutter suction dredgers[J].China Water Transport,2010(3):56-57.

[4]何炎平，谭家华.大型自航绞吸式挖泥船的发展和有关问题的思考[J].中外船舶科技，2008（2）：8-13.HE Yan-ping,TAN Jia-hua.The development and thoughts on related problems of larged-sized self-propelled cutter suction dredgers[J].Shipbuilding Scienceand Technology,2008(2):8-13.

[5]杨剑涛，何炎平，刘长云.“天麒号”和“天麟号”大型非自航绞吸挖泥船设计要点[J].船舶工程，2012（2）：6-9，20.YANG Jian-tao,HE Yan-ping,LIU Chang-yun.Designing key points of large stationary cuttersuction dredgers-"Tian Qi"and"Tian Lin"[J].Ship Engineering,2012（2）:6-9,20.