18 000 m³耙吸式挖泥船泥泵系统设计

倪永亮

（大连中远海运重工有限公司，辽宁大连 116113）

0 引言

挖泥船是挖深、加宽和清理航道、疏浚码头以及吹沙填海的一种工程船舶，而耙吸式挖泥船以机动灵活、效率高、抗风浪能力强的特点得到广泛应用。

大连中远海运重工建造的18 000 m3耙吸式挖泥船是将置于船体右舷的耙头放入水底，利用水下泥泵的真空作用，通过耙头和吸泥管吸入泥浆进入挖泥船的5 个泥舱中，以边吸泥边航行的方式工作。泥舱装满后，起耙航行至抛泥区开启 底部泥门卸泥，或通过艏部主泥浆管路尽头 的喷管进行吹填作业，或通过艏部主泥浆管路尽头另一路分支管线连接水上管线输送泥浆到抛泥区。不管是吹填作业还是通过连接泥管输送泥浆，其动力都来自于船泵舱中的2 个泥泵，因此泥泵是挖泥船作业的重要设备[1-3]。耙吸式挖泥船工作示意图见图1。

1 吸泥排泥管线设计

如图2 所示，泥耙在水底通过水下泥泵的作用将泥浆吸入5 个泥舱。当需要进行排泥作业时，位于泵舱的2个泥泵会将泥浆从5个泥舱中吸出， 并通过左舷主泥浆管线及艏部的艏吹管或艏连接管进行排泥作业。

图1 耙吸式挖泥船工作示意图

图2 吸泥排泥管路原理图

2 泥泵水下泵变频器系统

泥泵和水下泵是挖泥船主要设备装置，本项目在泵舱内配备了2 个7 500 kW 的泥泵，主要用于往外排泥作业，在泥耙管里配备了 1 个3 400 kW的水下泥泵，主要用于船舶水底吸泥作业。

泥泵和水下泵的运转动力来自变频器控制的泥泵马达和水下泵马达，其系统框图见图3。6.6 kV高压配电板分别经移相变压器给2 个泥泵变频器供电，再由变频器分别给2 个7 500 kW 泥泵马达供电。根据系统工况，水下泥泵和2 个主泥泵不会同时工作，所以2 个主泥泵变频器也兼给水下泥泵供电。

变频器的工作原理是先将电网输入的交流电变为直流电，然后再在变流电路中将直流转变为频率可调的交流输出。变频器具有结构简单，输出频率变化范围大，功率因数高，谐波易于消除，可应用于各种大功率设备等优点。本项目是数字控制IGCT 集成门极换流晶闸管（Integrated Gate Commutated Thyristor）变频器，IGCT 具有高速开关功能，可以把直流电压调制成任何宽度的直流脉冲电压PWM 信号，高速开关的性能使得任何频率可以调制出来[4-5]。

图3 泥泵水下泵变频器系统框图

下面对本项目的泥泵水下泵变频器信号和功能进行阐述。

2.1 变频器重要的信号及状态

2.1.1 本地/远程模式

如果该信号为“1”，意味着变频器处于远程模式，必须由外部命令控制。如果该信号为“0”，则表示变频器处于本地模式，变频器必须由本地控制面板结合人机接口显示屏控制。

本地操作可以使用本地控制面板与触摸屏结合使用，要使用本地控制面板来启动系统，必须按照下面的顺序：

1）将选择开关从本地控制面板切换到本地控制。

2）用选择开关选择水下泵（UWP）模式或泥泵（SDP）模式，这种选择只能在逆变器不运行的情况下进行。

3）变频器输出开关将根据泵的模式选择改变其位置。

4）按下人机接口触摸屏（HMI）中的“连接”按钮。

5）变频器启动直流预充子程序，当直流已预充完，自动向主配电板对应变频器的开关发送合闸信号。在这一过程结束时，完好的变频器将被连接，并将等待接收与所选泵模式相对应的启动允许信号，并发出准备运行（RFR）信号。

6）在人机接口触摸屏（HMI）中按下“开始”按钮，逆变器开始运行。

7）在这种状态下，变频器正在等待一个速度设定值，这个值可以通过HMI 弹出的窗口来改变。

远程操作模式下，变频器需接收外部信号，由挖泥船特有的综合监测控制系统（IMC）进行控制。

2.1.2 准备就绪信号RFU

RFU 信号/状态意味着变频器准备好了，操作员可以发送连接命令。该信号在变频器运行时保持激活状态。

在这些情况下，此信号会被设为“1”：1）没有锁定；2）没有应急停止；3）没有关断信号；4）主配电板对应变频器的开关可以使用；5）变频器初始条件完好（与水压、温度等内部参数相关）。

2.1.3 准备运行信号RFR

RFR 信号意味着变频器已经连接，可以从远程/本地操作开始运行逆变器，并且变频器运行时，这个信号保持激活状态。

当变频器和逆变器处于下面状态时此信号为“1”：1）有准备就绪信号；2）模式转换开关至少选择在一个位置，水下泵（UWP）或泥泵（SDP）；3）主配电板对应变频器的开关已合闸供电；4）外部条件允许运行来自AMS 的允许运行启动信号；5）马达的滑油和顶升系统完好；6）维修时用的工作开关未启动。

2.1.4 运行信号

这个信号意味着无论电机的实际速度如何，逆变器都在运行，该信号状态为“1”，即使实际转速为0 r/min。

2.1.5 变频器故障公共报警

这是变频器的公共警报，用于发送到AMS报警监测系统。

该信号包括以下故障类型：

1）变频器锁定

这个信号意味着变频器内部出现了重大故障。当该信号/状态出现时，将导致变频器完全停止，并断开主配电板对应变频器的开关。

下面2 种信号用于断开主配电板的开关，并且通过不同的硬件完成。

（1）断开命令信号，通过连接到主配电板开关中的分闸线圈实现。

（2）主配电板开关最小电压线圈紧急断开信号，通过连接到主配电板开关中的欠压脱扣线圈实现。

2）关断信号

这个信号会导致逆变器停止，但主配电板开关保持合闸状态。通常这个信号/状态与水冷机组温度过高或故障相关。

2.1.6 警告

这个信号意味着机器的某些参数超出了正常运转的范围。状态不紧急，变频器没有自动响应。通常，当某些温度达到危险级别时都会发出警告。

2.1.7 吸泥/排泥模式

这个信号表示变频器必须在模式之间选择。运行模式的改变意味着CPU 必须改变输出转换开关的参数设置和位置。在变频器操作运行期间这个信号的突然改变将被忽略，只有逆变器不工作时模式选择才有效。从图3 框图中可以看到，只有1 个变频器可以给水下泵供电，因此提供1个电气联锁以避免在2 个变频器控制功能中都选择水下泵吸泥模式。

需要注意的是即使其中1 个变频器因没有控制电压而完全断开时这种电气联锁也需提供，因这种安全的联锁方式是使用输出开关的辅助触点，不需要CPU 的干预，以此来保证系统工作的安全可靠性。

2.1.8 启动允许信号

提供了2 个启动允许信号，1 个用于水下泵，1 个用于泥泵。此信号若不激活将阻止变频器的运行，但不会影响其连接。通常，这个信号与机械刹车、盘车装置或马达、齿轮箱等的滑油单元有关。

2.1.9 顶升/滑油系统故障

此信号表示马达滑油单元的顶升系统或滑油系统出现了问题。

1）当电机在150 r/min 以下运行时，而顶升系统压力低于低报警压力，AMS 将激活该信号，变频器将使马达停止运行；

2）如果滑油流量下降到报警值以下，AMS将激活该信号，变频器将使马达停止运行。

2.1.10 维修用工作开关

工作开关仅用于维修操作，它不同于应急停止按钮，其工作原理如下：

1）如果在马达“运行”时激活，不起任何作用；

2）如果在马达“不运行”时激活，工作开关将避免或阻止逆变器启动。

2.2 变频器连接顺序

连接顺序必须在IMC 外部控制之前进行，必须执行下列程序：

1）变频器为准备就绪状态，等待连接命令。

2）当通过硬线接收到连接命令时，变频器启动直流预充电子程序。当直流已预充完成，自动向主配电板开关发送合闸信号。如果变频器没有在预定的时间给直流母线充电，则报警“超时充电”。

3）选择工作模式，吸泥或排泥模式。

4）变频器将发送更改转换开关位置的命令，以及对所选电机的参数进行设置。这种选择只有在逆变器没有启动时才有效。

5）在这个阶段，变频器已被连接并且正在等待相应的外部启动允许信号来获得准备运行（RFR）状态。

2.3 变频器启动顺序

按照之前的顺序，当接收到启动指令时，变频器将启动逆变器，但保持转速为0 r/min。

该系统在速度设定值模拟输入中装有滞后现象，这个功能是必要的，以避免缓慢旋转的电机由于常见的噪音模拟信号而快速旋转。

2.4 变频器停止顺序

当接收到停止命令时，变频器将停止电机运转，然后逆变器将停止工作，没有断开主配电板开关或内部断路器的连接。电动马达将停止并且没有外部控制，停止是一种可控的斜坡下降过程。

2.5 变频器功率限制

AMS 会根据PMS 的控制向变频器发送一个功率限制信号，变频器会据此限制功率使用，即使马达速度设定值高于此限定值，变频器也不会发出更大的功率。

如果当前速度设定值所需的功率高于AMS发送的功率限制值，则变频器将激活一个数字量输出信号指示“降负载/功率限制开启”。

2.6 变频器降功率

由于以下3 种特殊情况，变频器功率可能会降低（降低到预先设定的功率值）：

1）由于变频器内部报警，一般是由于超温。

2）来自AMS 发出的数字量信号“降功率命令”，该信号来自于电机绕组/轴承温度或变压器绕组温度过高。

3）来自防止全船失电算法激活信号。

当降功率发生时，变频器会发出一个数字输出信号“降功率信号激活/功率限制开启”。

2.7 全船失电预防算法

失电预防是一种根据输入发电机频率限制逆变器功耗，防止发电机过载的算法。如果发电机频率值低于设定的限制（Fr_Vin_L），则根据增益值逐步降低功率。因此，功率的降低与频率的降低成正比，频率越低，功率的降低越低。当频率值恢复时（由参数Fr_Vin_H 建立的限制），功率开始根据ramp 参数中建立的值恢复其初始值。

图4 在失电预防算法中的降功率图表

3 AMS 和IMC 系统对泥泵水下泵系统的监测及控制

AMS 是报警监测系统（Alarm Monitoring System）的简称，IMC 是综合监测控制系统（Integrated Monitoring And Control System）的简称，IMC 系统是挖泥船特有的系统，它是负责监测控制挖泥相关设备的专有系统。AMS 和IMC相辅相成，AMS 主要用于监测报警，IMC 主要用于控制。

AMS 系统作为IMC 控制系统和变频器系统的接口系统用于工作模式选择，而马达和辅助设备则由IMC 系统进行控制。在AMS 和IMC 系统间有一个串口通讯，挖泥系统和IMC 所控制设备的必要信号由AMS 系统完成监测，而AMS 和IMC 系统间的重要信号则通过硬线连接。

当变频器处于远程控制模式下，操作者可以通过AMS 选择哪个变频器用于连接水下泵，这种模式的选择将通过串口通讯传递给IMC 系统。操作者可以在IMC 系统中选择挖泥操作模式：1）左变频器排泥；2）右变频器排泥；3）吸泥。一旦在IMC 中选择了吸泥模式，AMS 系统将激活所选择的变频器，转换相应输出开关的位置到水下泵，参数的设置自动匹配水下泵使用要求。出于安全考虑，在变频器中有一个硬线电气联锁，泥泵/水下泵模式转换只能在逆变器不运行的情况下进行。另外，如果选择左变频器用于水下泵控制，则无法再选择右变频器控制水下泵，只有当左变频器改为泥泵模式时，右变频器才可以选择水下泵模式。其他如变频器连接命令、启动允许信号、降功率命令都是通过AMS 系统传递给变频器的。另外，马达和变压器的绕组温度、马达轴承温度、马达滑油单元的报警监测都是通过AMS 系统完成。

IMC 作为挖泥设备的控制系统，负责泥泵/水下泵的起停，所有辅助设备如泥泵马达本体散热风机的起停，泥泵马达滑油单元上的滑油泵马达、顶升泵马达的起停，泥泵齿轮箱上滑油供给泵马达、备用泵马达的起停，以及水下泵油脂单元油脂泵的运行监测等。

4 结论

随着我国海洋运输行业的发展，要满足越来越多的大型船舶进出港和码头停泊需求，需要挖泥船这种大型工程船舶进行港口和码头清理。另外，挖泥船也是我国发展南海填海造岛的利器。因此，挖泥船的建造前景会非常广阔。通过本文以上系统介绍，能使设计者知道变频器的设计要满足产品功能和安全，通过泥泵和水下泵工作模式的不同，可以采用共用变频器来达到满足设计要求的同时还能节省成本。