绞吸挖泥船“华安龙”功率管理系统研究

2019-07-25侯明新胡知亭蔡宪玲郑必前黄旭鑫

中国港湾建设 2019年8期

侯明新，胡知亭，蔡宪玲，郑必前，黄旭鑫

（中交广州航道局有限公司，广东广州 510290）

1 概述

绞吸挖泥船是挖泥船中挖掘土质最广泛，排岸距离变化最大的一种吸扬式挖泥船。要想充分发挥设备性能获得较高的挖泥效率，就必须科学管理、利用好船舶的动力，根据土质、排距对疏浚设备的使用功率进行综合的科学管理。

“华安龙”是一艘由荷兰IHC公司设计、大连辽南船厂建造的非自航大型绞吸挖泥船，于2011年建成出厂。其总装机功率为13 051 kW，最大排泥距离为15 km。在三泵串联，挖深27 m，排距5 000 m，排高4 m时，中细沙（D50=236 mm）产量为4 300 m3/h。其柴油机和主要疏浚设备配置为[1]：甲板泥泵柴油机2台，每台功率3 700 kW；主发电柴油机3台，每台功率1 717 kW；辅发电柴油机1台，每台功率500 kW；绞刀功率（30 r/min）为1 100 kW；桥架水下泥泵1台（由2台电机驱动）功率为2×1 000 kW；甲板泥泵2台，每台功率3 626 kW（轴功率）。

该船2台甲板泥泵各自由1台柴油机通过弹性联轴器、减速箱直接驱动，绞刀头和桥架水下泥泵则均由变频电机驱动；3台主发电机组可采用：单台、3台并车、俩俩并车3种模式中的一种向电网供电。在加装功率管理系统之前，即使是在全船用电负荷很低或绞刀功率很小（如短排距，挖掘淤泥的工程）的工况下，开2台主发电机组并车供电是完全可以满足全船所有用电负荷的要求。但为了确保在此工况下发挥出尽可能高的挖泥产量，船员仍会开3台主发电机组同时并车供电。原因是IHC设计时，为了避免在只开2台主发电机组并车供电时出现电网超负荷的现象，对绞刀头和水下泥泵做了许用功率限制，即绞刀头的许用功率限制设置为900 kW，水下泥泵的许用功率限制设置为1 200 kW，且这两个许用功率限制性设置均不可调整。这导致在所挖掘的土质较软和排岸距离较近的工况下，虽然只开2台主发电机组并车供电施工完全可以满足全船用电，但会造成挖泥产量较低。例如：挖掘较为松软土质时，绞刀头驱动功率只使用300 kW左右，离900 kW的许用功率仍有约600 kW的剩余功率，而水下泥泵驱动功率由于限定为1 200 kW，使得水下泥泵无法加大功率来增加水下泥泵的流量，最终造成整船的挖泥产量较低。而在挖掘较硬土质时，绞刀头驱动功率需要超过900 kW，但由于功率限制，绞刀头驱动系统功率不足导致破土能力较低，最终造成整船的挖泥产量较低。为了保持该船的生产率，船员会在即使只开2台主发电机组完全能满足全船所有用电负荷要求的情况下，仍开3台主发电机组并车供电。在此工况下每台主发电机组的柴油机负荷仅有50%～60%，柴油机处于低负荷高油耗的工况下运转，对柴油机造成极大损害，燃料消耗过高，导致单方成本高而效益低下。同时在此工况下施工，3台主发电机组长期处于运行工作状态，无法在施工期间对机组进行轮换保养和检修，不利于设备的维护和保养，一旦出现某台主发电机组故障时，其挖泥产量会大幅度下降。

加装功率管理系统就是针对上述问题，解决在软土质、近排距的工况下，只开2台主发电机组并车供电的生产率仍能保持与开3台主发电机组并车供电一样。而当外部条件在设定范围内发生变化时，可通过设备的自动检测和计算机处理来实现设备功率管理的自动分配调节，保持高的生产效率。但在此之前，功率管理系统在挖泥船的使用仅限于耙吸挖泥船[2-5]，其他工程船如铺管船、起重船也有少量使用[6-7]，但未见有绞吸挖泥船使用的先例，因此必须进行有针对性的论证、研究。

2 加装功率管理系统的技术方案

通过对全船用电负荷和控制系统的综合分析，研究了多个加装改造的技术方案，包括通过监控全船各主要设备电力负荷的变化情况进行全电网功率智能管理等。由于绞吸挖泥船负荷波动的突变性和难以预测性，如果采用全电网功率管理系统，由于绞刀头和泥泵的功率变化非常突然，一旦负荷突然急剧增加，其他设备又不能卸载，就有电力中断的危险[8]。因此从船舶安全、投入产出、出现意外的预防措施以及加装改造对生产效率的影响等方面进行全面分析和反复论证比较，最终采用对绞刀头和泥泵（包括主要附属配套设备封水泵）在各种工况下的在线用电功率进行管理，合理配置用电负荷的功率管理系统。

该挖泥船每台主发电机组的柴油机功率为1 717 kW，发电机功率为1 800 kVA，功率因素为0.9，即每台发电机输出到电网的最大功率约为1 620 kW。那么2台或3台主发电机组并车供电可以提供电网总的功率分别为3 240 kW或4 860 kW。

未加装本功率管理系统之前，2台主发电机并车在线施工时，如果绞刀头和水下泥泵功率分别达到许用限制值900 kW和1 200 kW，电网的最大负载率为95.8%，施工效率低下。这也意味着如果不挖掘潜力，充分利用闲置设备的功率，科学配置许用功率，那么绞刀头和水下泥泵功率之和的限制值N将不能超过2 100 kW。通过加装功率管理系统，自动识别电力供应动态状况，充分利用闲置设备的富余功率，使N值在特定工况下可以超过2 100 kW。即通过对全船用电负荷的分析和检测实船疏浚设备的功率使用情况，在确保船舶电网稳定运行及施工安全的前提下，通过功率管理系统自动识别在线主发电机组和在线封水泵的数量和负荷（实施后升级改造时还加入其他辅助设备），并根据在线挖泥设备的配置，自动进行不同工况的转换，并切换控制系统的运行模式，从而使绞刀头和水下泥泵的功率之和达到电网允许的最大限制值。

在只开2台主发电机组施工时，操作人员能根据所挖掘土质和排距的不同以及各设备的负荷变化等情况，将绞刀头功率的限制值设置为300～1 100 kW（最大持续值）之间的某个最佳值，这个值可通过一个无级调节的旋钮设置。由于采用了智能功率管理系统，绞刀头的功率限制值一旦确定，水下泥泵的功率限制值就随之自动设定。通过调整绞刀头功率的设定值，可随意调整绞刀头和水下泥泵的功率分配比例，使绞刀头和水下泥泵均处于最佳状态，合理地发挥船舶设备的潜能，提高生产效率，减少单方油耗。

在不同的施工工况下，除了绞刀头和水下泥泵之间的功率分配比例可随意调整外，还可以自动吸收停用泥泵封水泵的剩余功率来提高挖泥总功率，从而能在保证全船安全用电的前提下，尽可能提高挖泥产量。

在不同的施工工况下，该轮可有下列4种泥泵组合运行的施工模式；在加装了功率管理系统后，不同模式其对应的绞刀头与水下泥泵的功率之和的限定值N也是不同的。

1）A为1级甲板泥泵和2级甲板泥泵及水下泥泵均在线，N=2 100 kW；

2）B为仅1级甲板泥泵和水下泥泵在线，N=2 250 kW；

3）C为仅2级甲板泥泵及水下泥泵在线，N=2 400 kW；

4）D为1级甲板泵和2级甲板泵均不在线，仅水下泵在线，N=2 550 kW。

根据这些不同的工况，可以考虑停用封水泵的功率转移到绞刀头和水下泥泵上，以提高绞刀头和水下泥泵的施工功率。经过电力负荷计算，在只开2台主发电机组并车供电施工时，N的初始设置值是3台泥泵均在线的模式时，电网允许绞刀头和水下泥泵的功率之和达到最大许用限制值，N=2 100 kW。功率分配曲线见图1。

图1 功率分配曲线Fig.1 Power distribution curve

如图1所示，不同工况的转换根据在线挖泥设备配置的不同可自动进行。绞刀头的许用功率调节范围为300～1 100 kW，水下泥泵的许用功率调节范围为1 000～2 000 kW。

在保证施工安全、设备正常运转的前提下，通过整合不同工况下停用封水泵的剩余功率，将其用于驱动绞刀头和水下泥泵上，以提高船舶的挖泥产量。功率管理系统见图2。

图2 功率管理系统图Fig.2 Power management system diagram

该功率管理系统可自动识别在线主发电机组的数量和泥泵组合运行的模式，自动确定绞刀头功率与水下泵功率之和的最大限制值。

在挖泥控制台上，绞刀头功率调节旋钮旁设有一套PR显示系统，可以显示绞刀头和水下泥泵的功率限制设定值和实际运行时的功率值。挖泥操作人员可以根据实际值和设定值之间的差别设置绞刀头的限制值，合理配置绞刀头和水下泥泵的功率。

3 加装功率管理系统的效果

经过加装功率管理系统的改造后，只开2台主发电机并车供电施工时，其挖泥效率比未进行加装改造之前有非常明显的提高，而且可以更加科学有效地应对各种工况，合理使用和管理设备，节能减排，达到了预期的效果。

“华安龙”2014年在海南海花岛工地施工时，土质为中细沙夹软黏土。泥泵组合为：1台水下泥泵与1台一级甲板泥泵串联工作，绞刀头和水下泥泵限制功率之和为2 400 kW，见图1中的C曲线。当设定绞刀头的限制功率为400 kW（绞刀头功率表显示实际挖掘功率在200～350 kW之间），经过系统的计算模块检测及计算，分配给水下泥泵的给定功率为2 000 kW（等于3台主发电机组同时并车供电时，水下泥泵的最大持续功率），挖泥产量可达5 000～6 500 m3/h，挖泥控制台的功率显示及限制旋钮如图3所示，挖泥显示系统页面如图4所示。

图3 挖泥控制台的功率显示及限制旋钮Fig.3 Power display and limit knob of dredging console

图4 挖泥显示系统页面Fig.4 Dredging display system page

改造后彻底改变了原船为了保持高的挖泥产量，在绞刀头实际挖掘功率不超过400 kW时，仍必须起动3台主发电机组并车发电施工的现象。避免了柴油机长期处于低负荷运行状况下，对自身机械部件产生的不良影响。经改造后，系统给予绞刀头的许用功率为300～1 100 kW，并且只需2台主发电机并车发电，电网就能高效、稳定运行，既节省了燃料，又保证了产量。