3 000 m3/h絞吸挖泥船電氣設計

鄒學義

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

3 000 m3/h絞吸挖泥船電氣設計

鄒學義

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,電力驅(qū)動在海洋工程船舶中的應用也日趨廣泛。介紹了變頻調(diào)速控制系統(tǒng)在絞吸式挖泥船上的實際應用,展望了計算機輔助決策系統(tǒng)在絞吸式挖泥船中的應用前景。

絞吸挖泥船;變頻技術(shù);電力驅(qū)動

0 引言

絞吸挖泥船以其優(yōu)良的海況作業(yè)適應性而成為市場上擁有量較多的挖泥疏浚品種。其排泥方式由單一的艙內(nèi)泵,演變成現(xiàn)今的加設水下泵和水上多級泵的接力形式。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,輔助絞車、鉸刀和水下泵的驅(qū)動方式也逐步由液壓驅(qū)動系統(tǒng)向電力驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展。目前國外絞刀功率超過750kW的挖泥船幾乎都采用電力驅(qū)動,其目的就是節(jié)能、環(huán)保。液壓驅(qū)動方式的傳動效率約為 65%～70%,電力變頻驅(qū)動的傳動效率可達 88%(大容量的發(fā)電機和電動機的效率可達 95%～96%,變頻器的效率可達 98%)。使用變頻技術(shù)大大改善了功率因數(shù),降低了功耗。電力驅(qū)動相比液壓驅(qū)動可提高功效約為 25%～35%。

為適應市場需求,實現(xiàn)節(jié)能、減排、優(yōu)質(zhì)、高效疏浚,江蘇省船舶設計研究所有限公司先后研制并開發(fā)了3 000～5 000 m3/h電驅(qū)式系列絞吸挖泥船。其總裝機容量為 7 200～15 700 kW,有效挖深為 25～30 m;排距為 5～8 k m。本文重點對 3 000 m3/h絞吸式挖泥船的電氣設計情況進行介紹。

1 主要量度及機電設備參數(shù)

1.1 主要量度

總長(檢修架放下狀態(tài)) 97.0 m

船長 77.0 m

型寬 17.0 m

型深 4.80 m

吃水 3.3 m

排水量 3 709 t

最大挖深(鉸刀架與水平夾角 45°) 25.0 m

臺車行程 6.0 m

吸管直徑 Φ 850 mm

排管直徑 Φ 800 mm

自持力～240 h

船員鋪位 30人

航區(qū) 沿海作業(yè)/近海拖航

1.2 主要機電設備參數(shù)

主要機電設備參數(shù)見表1。本船還配有艙內(nèi)泥泵高壓水封泵2臺,電機功率為 90 kW;艙內(nèi)泥泵低壓水封泵2臺,電機功率為 75 kW(艙內(nèi)泥泵水封泵均配 AST48C系列軟起動器);設水下泥泵水封泵1臺,電機功率為 30kW。采用“星形—三角形”降壓起動。船舶安全系統(tǒng)設備按照常規(guī)配置。

2 電力系統(tǒng)構(gòu)成

電力系統(tǒng)圖如圖1所示。

本船電力系統(tǒng)的主要特點是設置了1臺CSD-630 720 V/400 V630 kVA三相船用變壓器。該變壓器可雙向工作,由主令開關(guān)決定其配電指向并完成相關(guān)聯(lián)鎖。當本船主電站失效時,可通過此變壓器向用電設備提供電力;當變頻系統(tǒng)發(fā)電機失效或作業(yè)準備階段時,也可由船舶主發(fā)電機通過此變壓器向橋架(限速、限容使用)和移船絞車提供電力,以加強該船的機動性。船舶電站作業(yè)負荷率為83.3%,變頻驅(qū)動系統(tǒng)的電站作業(yè)負荷率為 76.5%(含對船舶其他設備供電)。在一般正常作業(yè)過程中,船舶發(fā)電機組(400 kW)可以不開啟。鉸刀電機、橫移電機、橋架電機均采用變頻驅(qū)動。

本船變頻器選用的是意大利 ANSWERDRIVESGT 3000系列。為充分發(fā)揮該船挖掘能力,鉸刀變頻器的短時過電流能力約為 150%額定電流(1 min./10 min.),短時過轉(zhuǎn)矩能力約為 170%額定轉(zhuǎn)矩;對于橫移絞車變頻器的短時過電流能力約為 120%額定電流(1 min./10 min.),短時過轉(zhuǎn)矩能力約為130%額定轉(zhuǎn)矩;橋架絞車變頻器考慮其位勢載荷的特性,過載能力要求同鉸刀變頻器。所有變頻器均設置了相應的輸入和輸出電抗器,變頻器柜均設置了除濕裝置和適當?shù)臋C械通風裝置,變頻器間設置了空氣調(diào)節(jié)裝置。橫移絞車和橋架絞車變頻器還配置了相應的制動電阻柜。

表1 機電設備參數(shù)表

3 監(jiān)控系統(tǒng)

本船的監(jiān)控系統(tǒng)采用高度集成化的網(wǎng)絡通訊自動控制系統(tǒng)。其主要組成包括硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)兩部分,在結(jié)構(gòu)上分為基層網(wǎng)絡和上層網(wǎng)絡;分工上基層網(wǎng)絡各站點需完成面對控制對象的區(qū)域或功能方面的所有信號的采集、控制和向上層網(wǎng)絡提交報告(運行狀態(tài)、報警、數(shù)據(jù)交換等),基層網(wǎng)絡采用PROFIBUS-DP和 MODBUS485 RTU現(xiàn)場總線的通訊方式。上層網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡交換機構(gòu)成,負責數(shù)據(jù)的收集、存儲、運算和分析決策。兩層網(wǎng)絡間的通訊可通過設置 TCP/IP卡來實現(xiàn),上層網(wǎng)絡的故障不應影響基層網(wǎng)絡的正常運行。綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡圖如圖2所示。

為確保監(jiān)控系統(tǒng)在基層網(wǎng)絡中能夠完成預定的控制任務,本系統(tǒng)采用分布式控制模式。同時為強化基層網(wǎng)絡運行的可靠性,網(wǎng)絡統(tǒng)一選用西門子S7系列的可編程控制器作為各子系統(tǒng)的核心控制組件。基層網(wǎng)絡可分為機艙綜合檢測報警子系統(tǒng)、變頻控制子系統(tǒng)和挖排泥監(jiān)控子系統(tǒng) 3個子系統(tǒng)。圖2中,操縱臺、機艙監(jiān)控臺、變頻控制柜所配置 PLC均為西門子S7-300系列。子系統(tǒng)間采用 PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線方式進行通訊。機艙綜合檢測報警子系統(tǒng)向下(柴油機近旁控制箱等)采用的是MODBUS485 RTU現(xiàn)場總線方式進行通訊(主要是兼顧隨機設備的通訊功能)。變頻控制子系統(tǒng)和挖排泥監(jiān)控子系統(tǒng)向下(各變頻驅(qū)動柜、液壓控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制箱)采用的是 PROFIBUS-DP組態(tài)通訊。各變頻器的運行參數(shù)(電流、電壓、頻率、功率、溫度等)和運行狀態(tài)(狀態(tài)字代碼)均通過 DP通訊獲取。各子系統(tǒng)還均可通過 TCP/IP通訊和上層網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換,并向上層以太網(wǎng)服務器提供各子系統(tǒng)設備的完整運行狀態(tài)(含故障狀態(tài))和運行參數(shù)。通訊故障不影響各子系統(tǒng)的安全獨立運行。

變頻配電板、船舶主配電板、柴油機近旁控制箱所配置 PLC均為西門子S7-200系列,它們和機艙監(jiān)控臺間采用 MODBUS485 RTU現(xiàn)場總線方式進行通訊。變頻配電板、船舶主配電板向上交換配電系統(tǒng)完整的運行狀態(tài)(含故障狀態(tài)和各組合驅(qū)動器是否工作運行)、運行參數(shù)和控制指令,從而實現(xiàn)操縱臺可以通過通訊的方式,對必要的挖泥輔助設備進行遙控。同時對操作邏輯錯誤(如泥泵運行時、滑油泵或水封泵未運行時)進行閉鎖控制或發(fā)出報警提示。

在機艙監(jiān)控臺和操縱臺上均設有聲光報警燈板。機艙報警內(nèi)容可反映重要機器設備的主要報警項目及通訊系統(tǒng)的故障報警;操縱臺上采用的是綜合報警;上位機系統(tǒng)可反映各系統(tǒng)設備的詳細報警情況。任何報警出現(xiàn)時,各主要機器設備的運行狀態(tài)與工作參數(shù)均存入服務器的故障數(shù)據(jù)庫,可作歷史性的分析和研判。

4 輔助決策系統(tǒng)

對絞吸挖泥船上的挖泥設備進行綜合監(jiān)測和輔助決策是提高挖泥船施工質(zhì)量和效率的重要手段。以荷蘭IHC公司、德國 KRUPP公司等為代表,利用計算機技術(shù)對各種傳感器信息進行集中處理,絞吸挖泥船操作人員可通過 CRT(監(jiān)視器)來監(jiān)視各種相關(guān)參數(shù),實現(xiàn)了挖泥工況的監(jiān)測及控制。我國在這方面進行的開發(fā)研究工作起步相對較晚,到 20世紀 90年代中后期,才陸續(xù)有國內(nèi)科研單位正式投入研究。經(jīng)過 10多年的不斷探索,工況監(jiān)測系統(tǒng)已在國內(nèi)大范圍應用并日趨成熟。

計算機輔助決策系統(tǒng)配置的主要目的有:

(1)鉸刀頭平面定位和深度顯示。監(jiān)測鉸刀在水下的工作位置并加以直觀顯示,以指示施工操作人員精確地控制鉸刀在理想工作挖槽內(nèi)挖掘施工,防止或減少超深、超寬現(xiàn)象的發(fā)生。

(2)施工工況監(jiān)測。將監(jiān)測范圍擴大到泵機、水下泵、橫移絞車、管路系統(tǒng)等設備。

(3)疏浚過程分析。分析對應土質(zhì)下各種優(yōu)化參數(shù),分析流速、濃度關(guān)系。

(4)對施工過程中的某些工況參數(shù)進行記錄、遠程傳輸監(jiān)測,以提高工程技術(shù)管理人員對挖泥施工過程的監(jiān)控能力,實現(xiàn)項目部對船上施工方案的有效指導,實現(xiàn)生產(chǎn)報表的打印輸出。

(5)鉸刀頭工況分析。分析對應土質(zhì)下鉸刀頭的切削能力。

在以前的工況監(jiān)測系統(tǒng)中,主要面對的是兩個方面:一個是平面定位和斷面系統(tǒng),另一個是產(chǎn)量及泥泵吸入排出系統(tǒng)。但是對于電驅(qū)式絞吸挖泥船完整的施工過程,這些監(jiān)測是遠遠不夠的。一個相對完整的工況監(jiān)測系統(tǒng)應該包含對全船總的動力系統(tǒng)的功率管理(PMS),這一管理系統(tǒng)應當從原動機開始直至排泥輸出。中間環(huán)節(jié)主要還包含電站總?cè)萘抗芾砗豌q刀、移絞車等各子驅(qū)動系統(tǒng)的監(jiān)控與集成管理。輔助決策系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖如圖3所示。

圖3 輔助決策系統(tǒng)示意圖

輔助決策系統(tǒng)的設計原則為:各系統(tǒng)設備在安全、合理、有效的運行范圍內(nèi),實現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。

在定位定深監(jiān)測方面,本船裝備了帶方位信息的 DGPS傳感器、鉸刀挖深測量變送器、臺車行程變送器,構(gòu)成了定位定深監(jiān)測系統(tǒng)。在定位定深監(jiān)測系統(tǒng)中,不僅提供給操作人員以直觀的定位顯示,而且提供給鉸刀分析系統(tǒng)中需要的鉸刀挖掘角度、鉸刀切泥厚度、進關(guān)量等信號。定位定深系統(tǒng)主畫面如圖4所示。

圖4 定位定深監(jiān)測系統(tǒng)

在工況監(jiān)測系統(tǒng)方面,本船配備了產(chǎn)量計系統(tǒng)裝置和輸送管路上的壓力檢測裝置。而艙內(nèi)泵原動機、水下泵電動機、鉸刀電動機、橫移絞車電動機的運行參數(shù)均可通過通訊的方式獲取。

在報表統(tǒng)計方面,通過記錄的數(shù)據(jù),統(tǒng)計各種情況下的產(chǎn)量,如每班產(chǎn)量、每天每班產(chǎn)量、按時間段的每班產(chǎn)量等。

在遠程傳輸系統(tǒng)方面,本船采用 3G微波通訊的方式,遠程用戶通過客戶端軟件與遠端的服務器連接,連接成功后客戶端就可以實時查詢服務器上的相關(guān)數(shù)據(jù)。

輔助指導畫面顯示了在最佳濃度時間段內(nèi)操作人員的操作手段,包含橫移速度、鉸刀轉(zhuǎn)速、泵機轉(zhuǎn)速、泵機負荷等參數(shù)。操作指導畫面提示在設置的時間段內(nèi)最大的濃度和最佳的濃度值,以便能更好地為安全高效的作業(yè)操作提供指導。

5 結(jié)語

計算機輔助決策系統(tǒng)在絞吸式挖泥船中的運用前景越來越廣闊,同時隨著變頻技術(shù)的不斷發(fā)展,其功用性、穩(wěn)定性與可靠性日趨完善。若以水下泵、鉸刀、橫移絞車、橋架絞車總驅(qū)動功率為 4 000 kW為例,采用電力驅(qū)動相比液壓驅(qū)動方式可節(jié)約功耗1 000～1 400 kW。要實現(xiàn)節(jié)能、減排、優(yōu)質(zhì)、高效的現(xiàn)代化疏浚就需要借助先進的生產(chǎn)力,而先進的生產(chǎn)力必定會創(chuàng)造更為豐厚的經(jīng)濟效益和社會效益。

U674.31

A

2010-05-20

鄒學義(1963-),男,高級工程師,主要從事船舶電氣設計工作。