耙吸挖泥船全電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)

劉厚恕 戴 菁

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

耙吸挖泥船全電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)

劉厚恕 戴 菁

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

［摘 要］盡管耙吸挖泥船作業(yè)工況多變、系統(tǒng)設(shè)置繁復(fù)，然而最近幾年來，國外耙吸挖泥船在全電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展方面仍取得可喜進(jìn)步，該文就這方面作簡(jiǎn)要介紹。

［關(guān)鍵詞］耙吸挖泥船；全電力驅(qū)動(dòng)；趨勢(shì)

引 言

目前世界上船舶動(dòng)力技術(shù)（無論民用、海工或軍用）采用電力系統(tǒng)綜合集成的發(fā)展趨勢(shì)［1］已越來越明顯，船舶動(dòng)力的這種電力系統(tǒng)綜合集成即是將船上動(dòng)力機(jī)械能源全部轉(zhuǎn)換成電力，同時(shí)提供給推進(jìn)用電和全船其他作業(yè)工況及日用設(shè)備用電，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用與統(tǒng)一管理。這是普遍認(rèn)同的高效、靈活、節(jié)能、環(huán)保的能源供應(yīng)系統(tǒng)。對(duì)于耙吸挖泥船來說當(dāng)無例外，電力驅(qū)動(dòng)除卻初投資略高、技術(shù)復(fù)雜外，裝船功率能得到綜合利用，且系統(tǒng)噪音較低、布置方便、推進(jìn)軸系短、有利于提高裝載能力等諸多好處。

1 耙吸挖泥船實(shí)施電力驅(qū)動(dòng)有難度

由于耙吸挖泥船作業(yè)工況多變、系統(tǒng)設(shè)置繁復(fù)以及對(duì)于淺水作業(yè)適應(yīng)性的特殊要求，使得該型船在電力驅(qū)動(dòng)的開發(fā)應(yīng)用方面難度非比尋常。國際知名挖泥船制造商IHC曾為此展開過相關(guān)水動(dòng)力試驗(yàn)研究［2］，鑒于耙吸挖泥船經(jīng)常性的淺水作業(yè)特點(diǎn)，IHC在這一特定研究中，除了常規(guī)型船尾以外，特針對(duì)三種不同形式的船尾（即裸軸型、雙尾鰭型、吊艙型）進(jìn)行了淺水航行試驗(yàn)對(duì)比，其吊艙型結(jié)構(gòu)被認(rèn)為最適合于電力驅(qū)動(dòng)，但其研究結(jié)論卻表明：“采用機(jī)槳一體化的吊艙型結(jié)構(gòu)對(duì)于淺水的適應(yīng)性較其他兩型船尾差，且成本較高，對(duì)于挖泥船來說，目前難以形成實(shí)用方案，尚需作進(jìn)一步探索?！?/p>

然而，IHC的上述論斷并未能打消其他疏浚廠商對(duì)耙吸挖泥船全電力驅(qū)動(dòng)的追求和探索，幾乎在IHC進(jìn)行該項(xiàng)水動(dòng)力試驗(yàn)的同時(shí)，歐洲四大疏浚公司之一的揚(yáng)德努公司便結(jié)合自身船隊(duì)發(fā)展項(xiàng)目，對(duì)擬建的4 400 m3姐妹耙吸船進(jìn)行了全電力驅(qū)動(dòng)的首試并取得成功。

2 歐洲已投產(chǎn)的全電力驅(qū)動(dòng)耙吸挖泥船

以下就國外近年來已投產(chǎn)的幾型全電力驅(qū)動(dòng)耙吸挖泥船作簡(jiǎn)要介紹，希望引起國內(nèi)業(yè)界關(guān)注。

2.1 4400m3全電力驅(qū)動(dòng)型姐妹耙吸挖泥船

4400m3姐妹耙吸挖泥船——“Francesco Di Glorgio”號(hào)［3-5］和“Taccola”號(hào)成功首創(chuàng)耙吸挖泥船全電力驅(qū)動(dòng)。單耙、單泵的配置使該型船得以免去泵艙設(shè)置，將僅有的一個(gè)泥泵置于機(jī)艙的右側(cè)，使機(jī)、泵艙合二為一；全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)的采用，使其省卻長軸系設(shè)置，不僅優(yōu)化了動(dòng)力配置，更便于泥艙設(shè)置，使該船泥艙相對(duì)長度達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的54%（較同型非電力驅(qū)動(dòng)船泥艙長度約增10%），既有利于泥艙裝載能力的提高，也有利于泥沙載荷沿船長方向的均布，從而減小靜水彎矩、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量。通常，較小型耙吸船的布置很難達(dá)到如此境界。

該型姐妹船均設(shè)有首吹，并采用全通甲板形式、V型泥艙以及單列4只對(duì)開泥門，具備當(dāng)今耙吸挖泥船的主要性能特征。其主要尺度為：總長95.3m、垂線長84.7m、型寬21.0m、型深8.5m、疏浚吃水7.2 m、艙容4 400 m3、載重量8 180 t、挖深25 m、吸/排直徑1×900/800 mm、泥泵 功率1×1 250 kW/1×3 000 kW、主 機(jī)功率2×2 812 kW、船舶發(fā)電機(jī)650 kW、首側(cè)推1×550 kW、設(shè)雙電驅(qū)動(dòng)Indar轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)管螺旋槳、推進(jìn)功率2×2 150 kW、總裝機(jī)功率6 330 kW、航速12.6 kn、定員17人。

該型姐妹船均由西班牙IZAR旗下的Astillero de Gijon船廠建造，并且已于2003年交付。船東揚(yáng)德努公司不僅擁有世界最大艙容（46000 m3）的耙吸挖泥船，而且在耙吸船的全電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展方面亦拔得頭籌。值得注意的是，揚(yáng)德努公司在4 400 m3姐妹耙吸船全電力驅(qū)動(dòng)開發(fā)設(shè)計(jì)中，沒有采用IHC試驗(yàn)中所用的吊艙型船尾結(jié)構(gòu)。

圖1 “Francesco Di Glorgio”號(hào)

2.2 3400 m3全電力驅(qū)動(dòng)型姐妹耙吸挖泥船

在先前的4 400 m3姐妹耙吸挖泥船全電力驅(qū)動(dòng)的嘗試獲得圓滿成功之后，揚(yáng)德努公司再度簽約建造了兩艘3 400 m3全電力驅(qū)動(dòng)耙吸船——“Alvar Nunez Cabeca De Vaca”號(hào)（見圖2）和“Sebastiano Caboto”號(hào)，但合作伙伴為我國新河船廠。該廠早前同揚(yáng)德努公司密切合作，并為其建造過多艘3 700 m3開體耙吸船和開體泥駁。新打造的這兩艘姐妹耙吸船也是揚(yáng)德努公司2007年至2011年20億歐元一攬子發(fā)展計(jì)劃的組成部分。

圖2 “Alvar Nunez Cabeca De Vaca”號(hào)

該型姐妹船同樣為帶首吹的單邊耙吸船，所采用的全電力驅(qū)動(dòng)設(shè)置較多臺(tái)變速運(yùn)行的單柴油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)運(yùn)行穩(wěn)定，此外，Z型定距槳的配備更使得該姐妹船在調(diào)速及初投資方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。該型船主要參數(shù)為：總長93.25 m、型寬19.8 m、型深7 m、疏浚吃水5.0 m、艙容3 400 m3、載重量4 800 t、挖深26.5 m、吸管直徑1×800 m、泥泵功率1 250 kW（裝艙）/2 000 kW（排岸）、推進(jìn)功率2×1 000 kW、總裝機(jī)功率4 100 kW、航速11.5 kn、定員14人。

該姐妹船分別于2011年的7月和9月交付使用，它們的入列使揚(yáng)德努公司在耙吸挖泥船船隊(duì)的全電力驅(qū)動(dòng)進(jìn)程中一路領(lǐng)先。

2.3 2300 m3全電動(dòng)耙吸挖泥船

2300 m3全電動(dòng)耙吸挖泥船“Ukd Orca”號(hào)［6］為雙耙、單泵設(shè)置、內(nèi)河航道及河口實(shí)施單耙作業(yè)、進(jìn)行維護(hù)性疏浚的全電力驅(qū)動(dòng)耙吸挖泥船，船東為英國疏浚公司（Ukd）。該船由荷蘭Barkmeijer船廠建造，2010年6月交付。船上共設(shè)有3臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組（3×1 200 kW），這種柴油電力裝置的主要優(yōu)點(diǎn)在于：可在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下獲得高轉(zhuǎn)矩，從而獲得低速運(yùn)行狀態(tài)下良好的操縱性；空載及壓載狀態(tài)下調(diào)遣航行時(shí)，只需啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組，最大航速可達(dá)10 kn，具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性。疏浚作業(yè)時(shí)采用2臺(tái)機(jī)組，第3臺(tái)備用，使裝船動(dòng)力資源得到充分共享；同時(shí)，航速僅和有效功率大小相關(guān)，不再受制于主機(jī)最大轉(zhuǎn)速；由于船舶慣常處于渾濁泥水中作業(yè)，易于遭受磨損，故不必設(shè)置可調(diào)距螺旋槳，使初投資得以降低。

“Ukd Orca”號(hào)（見圖3）的主要參數(shù)為：總長78.0 m、垂線長75.95 m、型寬15.85 m、型深6.35 m、疏浚吃水5.6 m、艙容2373 m3、載重量3270 t，泥艙內(nèi)設(shè)單列6只泥門，挖深25 m、吸管直徑2×700 mm、泥泵功率1×800 kW、主機(jī)功率3×1 200 kW、停泊發(fā)電機(jī)功率1×140 kW、首側(cè)推功率1×500 kW、推進(jìn)采用2只Z型HRP定螺距舵槳、功率2×1 500 kW、總裝機(jī)功率3 740 kW、航速12 kn、定員12人。

該船不設(shè)首吹，船舶尺度規(guī)模及總功率設(shè)置與我國長江中游現(xiàn)有900 m3耙吸船相似，但疏浚能力、功率因數(shù)和推進(jìn)比功率等重要指標(biāo)均明顯優(yōu)于后者（見表1），全電力驅(qū)動(dòng)設(shè)置的節(jié)能優(yōu)勢(shì)盡顯其中。

圖3 “Ukd Orca”號(hào)

表1 長江既有2 000 m3、900 m3耙吸船及國外三型全電動(dòng)耙吸船主要技術(shù)參數(shù)表

續(xù)上表

此外，比利時(shí)2009年建造的1 160 m3內(nèi)河耙吸挖沙船“Nicole”號(hào)以及同期鹿特丹Vuyk工程公司開發(fā)設(shè)計(jì)的骨料疏浚船“Sandstorm”號(hào)也都采用全柴油電力驅(qū)動(dòng)。并且同樣具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性及低排放效果，盡管目前這樣的船還不多、也不算大。

上述中小型耙吸挖泥船全柴油電力系統(tǒng)的相繼開發(fā)成功，為大型及大型以上耙吸挖泥船的動(dòng)力發(fā)展積累了有益的經(jīng)驗(yàn)。

3 長江航道維護(hù)疏浚期盼全電動(dòng)耙吸船

挖泥船對(duì)長江航道的維護(hù)疏浚與促進(jìn)沿江經(jīng)濟(jì)的發(fā)展舉足輕重。20世紀(jì)70年代中期，為確保長江水運(yùn)的發(fā)展及航道暢通，國家投入重金先后向日本和荷蘭訂購了多艘先進(jìn)的500 m3耙吸挖泥船。20世紀(jì)90年代中后期，鑒于國內(nèi)疏浚裝備技術(shù)的長足進(jìn)步，國家再次注入重金，自主建造了性能可靠且更加滿足用戶要求的2 000 m3和900 m3兩型耙吸挖泥船共9艘，一舉實(shí)現(xiàn)對(duì)長江中下游業(yè)已陳舊的進(jìn)口耙吸船的換代更新［7］。就該2 000 m3型耙吸挖泥船而言，其在設(shè)計(jì)上大膽采用多項(xiàng)新技術(shù)，如帶高壓沖水的耙頭、泥泵抽艙系統(tǒng)及單列泥門的設(shè)置、泥艙裝卸系統(tǒng)新技術(shù)的引進(jìn)等，投產(chǎn)后經(jīng)濟(jì)效益顯著，并先后獲得船舶總公司和上海市等多個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)，展示了當(dāng)下國內(nèi)挖泥船設(shè)計(jì)制造技術(shù)及配套水平，從而使新形勢(shì)下長江航道運(yùn)能和運(yùn)量的矛盾得到化解。

轉(zhuǎn)眼間，又一個(gè)20年輪回迫近。在最近20年間，無論國際還是國內(nèi)，疏浚技術(shù)和疏浚裝備都迎來了史上極佳的發(fā)展時(shí)期，我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展，對(duì)長江黃金水道的運(yùn)載能力必將提出更高的要求。該投入什么樣的新船型來替代20世紀(jì)90年代國內(nèi)建造的這批耙吸船呢？相信長江航道的護(hù)衛(wèi)者早已未雨綢繆。依筆者拙見，按照當(dāng)今疏浚船舶發(fā)展理念，節(jié)能、環(huán)保、淺水作業(yè)性能更好且功效更高的耙吸船［8］理應(yīng)受到青睞，而在動(dòng)力配置上若采用全電力驅(qū)動(dòng)，則更能順應(yīng)耙吸船的發(fā)展趨勢(shì)，借以華麗升級(jí)。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)難度固然不小，但并非遙不可及。除了本文前面所介紹的國外已有船型可資借鑒外，國內(nèi)專業(yè)人士在耙吸船全電力驅(qū)動(dòng)船型的研究方面早就有所投入［9］，更何況最近我院已成功研發(fā)可用于三峽庫區(qū)的2 000 m3/h全柴油電力驅(qū)動(dòng)自航吸盤挖泥船“吸盤2”號(hào)，使該船無論在調(diào)遣航行還是在多功能疏浚作業(yè)工況下，其性能均較早前的“吸盤1”號(hào)有了明顯的提高。筆者之一也曾致力于該項(xiàng)目的前期方案論證。相信“吸盤2”號(hào)的開發(fā)成功，將有力推動(dòng)長江航道耙吸船的全電力驅(qū)動(dòng)發(fā)展。

圖4 2000 m3/h全電力驅(qū)動(dòng)吸盤挖泥船“吸盤2”號(hào)

為便于比較，筆者已將國產(chǎn)2000 m3和900 m3耙吸船以及國外近期開發(fā)的三型全電力驅(qū)動(dòng)耙吸船船型資料均匯集于表1，表列中的5型船都在5 000 m3以下。考慮到今后30年內(nèi)，長江下游航道治理的實(shí)際需求，全電力驅(qū)動(dòng)目標(biāo)船型規(guī)模大致定位在艙容4 500 m3、裝船功率6 500 kW 左右。船型特征方面，可在淺吃水、肥大型船的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，充分汲取“航浚10”號(hào)（2 000 m3）的成功經(jīng)驗(yàn)；而在疏浚功能、動(dòng)力配置方面，擬參照國外3 400 m3和4 400 m3船進(jìn)行配備，并增設(shè)首吹，航速12～13 kn。對(duì)比2 000 m3船便不難發(fā)現(xiàn)采用全電力驅(qū)動(dòng)的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。如按長江中游要求進(jìn)行功能定位，目標(biāo)船型可參考“航浚15”號(hào)（900 m3）和國外2 300 m3船來進(jìn)行設(shè)計(jì)和配備，規(guī)模大小擬按艙容2 500 m3、裝船功率按4 000 kW配置。在中小型船全電力驅(qū)動(dòng)取得成功的基礎(chǔ)上，向大型、超大型船的目標(biāo)進(jìn)發(fā)。

4 結(jié) 論

（1）電力系統(tǒng)綜合集成動(dòng)力技術(shù)因其高效、節(jié)能、環(huán)保以及操作管理簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，在國內(nèi)外船界引起廣泛重視，尤其工況多變的工程作業(yè)船，因其在裝船動(dòng)力的綜合利用方面更具優(yōu)越性，不少國內(nèi)用戶已率先取得這方面的業(yè)績。

（2）耙吸挖泥船裝船設(shè)備多、作業(yè)工況繁復(fù)且多為淺水作業(yè)，國外迄今僅少數(shù)中小型耙吸船獲得裝船應(yīng)用，新船型研制確有相當(dāng)難度。

（3）國內(nèi)有關(guān)設(shè)計(jì)單位在耙吸挖泥船電力推進(jìn)技術(shù)研究等方面已積累了相當(dāng)經(jīng)驗(yàn)，近年來更獲得2000 m3/h吸盤挖泥船全電力驅(qū)動(dòng)的研制成功。只要目標(biāo)船型功能定位合理、技術(shù)攻關(guān)路線明晰，相信我國新一代全電力驅(qū)動(dòng)的耙吸挖泥船定會(huì)迅速破繭而出。

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［中圖分類號(hào)］U674.31

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號(hào)］1001-9855（2015）03-0001-05

［收稿日期］2014-12-22；［修回日期］2015-02-05

［作者簡(jiǎn)介］劉厚?。?940-），男，研究員，研究方向：船舶總體設(shè)計(jì)研究。戴 菁（1972-），女，高級(jí)工程師，研究方向：船舶項(xiàng)目管理。

Development trend of full electric drive for trailing suction hopper dredgers

LIU Hou-shu DAI Jing

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

Abstract：Even though the operation conditions and system settings of trailing suction hopper dredgers are intricated and complicated， the great development briefl y introduced in this paper， has been achieved in the full electric drive of thd foreign trailing suction hopper dredgers in recent years，

Keywords：TSHD； full electric drive； trend