挖泥船電軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 峰

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

挖泥船電軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 峰

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135)

當(dāng)前電軸系統(tǒng)在挖泥船上的應(yīng)用日益廣泛，我國挖泥船電軸系統(tǒng)已由最初的國外引進(jìn)轉(zhuǎn)變?yōu)閲鴥?nèi)制造。對此，研究電軸系統(tǒng)的工作原理，分析電軸系統(tǒng)在挖泥船上的應(yīng)用環(huán)境，提出穩(wěn)定、高效和安全的電軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹電軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),為類似船舶電軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

挖泥船； 水下泥泵； 電軸系統(tǒng)； 自動(dòng)控制

0 引 言

隨著船舶日益大型化，航運(yùn)業(yè)對航道和港口承載能力的要求越來越高，航道和港口疏浚工作變得越來越多。挖泥船作為疏浚工程的重要工具，其應(yīng)用越來越廣泛，我國的挖泥船已由最初的國外引進(jìn)變成國內(nèi)制造，當(dāng)前國產(chǎn)化率>90%。為提高環(huán)保性和高效性，新建挖泥船將傳統(tǒng)挖泥船的液壓驅(qū)動(dòng)水下泥泵改為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。傳統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)設(shè)備都由船舶電網(wǎng)直接供電，而船舶電網(wǎng)的容量相對于挖泥船水下泵電機(jī)較小，因此直接啟動(dòng)水下泵電機(jī)會產(chǎn)生較大的沖擊電流，對電機(jī)和電網(wǎng)造成損害。針對挖泥船水下泥泵電機(jī)功率大及采用變頻驅(qū)動(dòng)方法成本較高且維修困難的問題，為降低對電網(wǎng)的損害、減少船舶初期成本，在水下泥泵電機(jī)的調(diào)速范圍小且精度要求不高的情況下，產(chǎn)生一種新型的水下泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式——電軸系統(tǒng)。

1 挖泥船上電軸使用概況

電軸系統(tǒng)的傳動(dòng)鏈由原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)組成。發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間的電纜通常稱為電軸，不受船體影響，可任意布置, 是解決非線性和長軸傳動(dòng)問題的一種方式。這種傳動(dòng)鏈?zhǔn)菍Ｓ眯碗娋W(wǎng)，交流發(fā)電機(jī)組與電動(dòng)機(jī)之間的傳動(dòng)鏈(電軸)適用于大功率的電力傳動(dòng)。電軸系統(tǒng)自早期應(yīng)用于國外挖泥船上至今已使用多年，其因在解決絞吸挖泥船、斗輪挖泥船和耙吸挖泥船等船舶的水下泥泵傳動(dòng)軸的非線性和長距離問題上具有獨(dú)特優(yōu)勢而被廣泛采用，成為各類挖泥船認(rèn)可的實(shí)用型經(jīng)濟(jì)方案，在疏浚作業(yè)中發(fā)揮著積極的作用。

2 電軸系統(tǒng)的原理

電軸系統(tǒng)采用獨(dú)立柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)的同步發(fā)電機(jī), 經(jīng)專用的勵(lì)磁控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)，直接給感應(yīng)異步電動(dòng)機(jī)供電。由于電機(jī)的功率較大，因此一般都采用高壓,在使用和維護(hù)上比較簡便。電軸系統(tǒng)的特點(diǎn)是發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)直接相連,不設(shè)置斷路器和開關(guān)柜，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的電氣保護(hù)由勵(lì)磁控制系統(tǒng)內(nèi)的滅磁環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

驅(qū)動(dòng)水下泥泵的電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)通過控制發(fā)電機(jī)的電壓(頻率)和勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn), 當(dāng)拖動(dòng)同步發(fā)電機(jī)的柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，發(fā)電機(jī)投以強(qiáng)勵(lì)磁, 使電動(dòng)機(jī)在降頻降壓的條件下運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)因采用異步電動(dòng)機(jī)而引入滑差后,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還能隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速(頻率)的改變而變化。電軸系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種交流變頻系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)的頻率發(fā)生改變。

(1)

式(1)中:n為轉(zhuǎn)速;f為頻率;s為轉(zhuǎn)差率;p為極對數(shù)。頻率的變化會使轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，通過改變柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。由于水下泥泵對調(diào)速范圍和精度的要求較低,因此這類調(diào)速完全能滿足使用要求。水下泥泵的轉(zhuǎn)速通常在70%～100%額定轉(zhuǎn)速內(nèi)變化，并要求柴油機(jī)等設(shè)備均滿足恒轉(zhuǎn)矩工作要求。

(2)

式(2)中:Φ為磁通量;E為感應(yīng)電動(dòng)勢;f為頻率;N為繞組匝數(shù)。感應(yīng)電動(dòng)勢E近似等于定子繞組電壓U, 為滿足恒轉(zhuǎn)矩工作要求,發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制也要作相應(yīng)調(diào)整，即發(fā)電機(jī)的電壓隨頻率成比例變化(電壓調(diào)節(jié)特性滿足U/F為常數(shù)) 。

3 電軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來，隨著挖泥疏浚裝備不斷更新和對安全可靠性能的要求不斷提高,特別是對電軸系統(tǒng)的要求越來越高,需實(shí)現(xiàn)一種能與電軸柴油機(jī)信息互通、可自動(dòng)控制的電軸系統(tǒng),進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)疏浚功能。在國外，挖泥船智能自動(dòng)疏浚操作技術(shù)不僅應(yīng)用于大型耙吸船上，而且應(yīng)用到新建的中型耙吸船上，并在絞吸船上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化疏浚系統(tǒng)的集成,使得整個(gè)疏浚過程更加自動(dòng)化、智能化。在國內(nèi)，新建挖泥船也開始嘗試采用智能集成監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)，現(xiàn)已在部分船型上得到成功應(yīng)用。智能集成監(jiān)控技術(shù)不僅有助于提高疏浚效率，而且能降低環(huán)境污染。智能自動(dòng)疏浚技術(shù)既是挖泥船技術(shù)發(fā)展的重要方向，也是挖泥船施工質(zhì)量的重要保障。

根據(jù)電軸系統(tǒng)工作原理和電軸系統(tǒng)的使用情況，設(shè)計(jì)一款穩(wěn)定、高效、安全型電軸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與柴油機(jī)、挖泥系統(tǒng)和船舶自動(dòng)化的數(shù)據(jù)通信及相應(yīng)功能擴(kuò)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)疏浚系統(tǒng)的智能自動(dòng)控制。電軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖見圖1。

該系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)采用他勵(lì)方式, 前級勵(lì)磁電流由船舶電網(wǎng)提供,勵(lì)磁控制柜結(jié)合對電軸系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和對同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制實(shí)現(xiàn)電軸系統(tǒng)的自動(dòng)控制和基本保護(hù)?；ジ衅鞴駜?nèi)的差動(dòng)互感器實(shí)現(xiàn)同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障保護(hù)(差動(dòng)保護(hù))。電軸系統(tǒng)在手動(dòng)模式時(shí),既可在機(jī)旁逐一完成設(shè)備的啟動(dòng)及調(diào)整，也可通過遙控操縱單元對柴油機(jī)的啟動(dòng)、調(diào)速和勵(lì)磁等進(jìn)行遠(yuǎn)程操作; 電軸系統(tǒng)在自動(dòng)模式時(shí), 只需在集成控制系統(tǒng)中設(shè)定好所需轉(zhuǎn)速(或由自動(dòng)疏浚給出的最佳轉(zhuǎn)速信號)，勵(lì)磁控制柜接受集成控制系統(tǒng)的控制信號, 電軸系統(tǒng)就能先對柴油機(jī)升速并在轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值之后投勵(lì)磁, 系統(tǒng)啟動(dòng)完成后調(diào)整到所要求的最佳轉(zhuǎn)速。整套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)、調(diào)速、勵(lì)磁控制及系統(tǒng)保護(hù), 并將系統(tǒng)的全部信息反饋到集成控制系統(tǒng)中。對于自動(dòng)控制型電軸系統(tǒng)的安保系統(tǒng),由于其控制功能集成有柴油機(jī)系統(tǒng)、電軸系統(tǒng)和集成控制系統(tǒng),因此能提升整套系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障(包括柴油機(jī)超速、滑油壓力過低、冷卻水溫度過高和發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作等)時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)可使運(yùn)行中的柴油機(jī)安全停止。對于系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)測,各設(shè)備的運(yùn)行及狀態(tài)參數(shù)在機(jī)旁監(jiān)控柜上實(shí)時(shí)顯示和存儲, 并傳送至勵(lì)磁控制柜和集成控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)全程監(jiān)測。例如，柴油機(jī)重要的模擬量(轉(zhuǎn)速、水油溫度及壓力等) 、開關(guān)量(應(yīng)急停機(jī)、重要報(bào)警等) 、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)和勵(lì)磁柜參數(shù)等均以硬線或通信的方式提供給集成控制系統(tǒng), 以提高系統(tǒng)操控的可靠性。

4 電軸系統(tǒng)主要設(shè)備選型建議

電軸系統(tǒng)在挖泥船上是作為特種工程設(shè)備應(yīng)用的,在產(chǎn)品的制造和檢驗(yàn)上缺少必要的監(jiān)管。然而，電軸系統(tǒng)在挖泥船上的運(yùn)行環(huán)境較為惡劣且面對的通常都是高壓電氣設(shè)備，其水下泥泵電動(dòng)機(jī)的電纜隨橋架或耙管的上下波動(dòng)而不斷承受彎折和牽拉應(yīng)力，處于易損狀態(tài)；此外，隨著疏浚市場過熱，很多簡易性的電軸系統(tǒng)無必要的保護(hù)。因此，根據(jù)電軸系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，對電軸系統(tǒng)主要設(shè)備選型提出以下建議。

1) 根據(jù)規(guī)范要求，容量≥1 500 kVA的船用發(fā)電機(jī)或船用高壓電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的內(nèi)部繞阻須設(shè)置保護(hù)裝置(即配置差動(dòng)保護(hù)裝置)。然而，電軸系統(tǒng)作為特種工程設(shè)備在挖泥船上應(yīng)用，其安全性往往不受重視。一些簡易電軸系統(tǒng)的監(jiān)測報(bào)警和系統(tǒng)保護(hù)功能不完整, 一旦發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞阻發(fā)生短路, 將導(dǎo)致設(shè)備損毀甚至引發(fā)火災(zāi)。

2) 在電軸系統(tǒng)中，水下泥泵電機(jī)通常能在0～55 ℃范圍內(nèi)正常工作,因此要充分考慮其軸承的承受能力。發(fā)電機(jī)電磁在設(shè)計(jì)上要利于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng), 要有強(qiáng)勵(lì)磁功能, 充分考慮啟動(dòng)力矩，不能因啟動(dòng)過程遲緩而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)承受長時(shí)間的過電流影響，進(jìn)而降低使用壽命。

3) 電軸系統(tǒng)中電機(jī)的功率較大, 建議采用冷卻水冷卻電機(jī),冷卻介質(zhì)既可是淡水也可是海水。 淡水冷卻系統(tǒng)復(fù)雜但安全性較高, 而海水冷卻方便且經(jīng)濟(jì),因此海水冷卻的應(yīng)用較多。采用海水冷卻時(shí),由于挖泥船作業(yè)會造成周圍水質(zhì)渾濁，混有少量沙泥的海水會對冷卻水管產(chǎn)生沖刷,影響海水冷卻器的使用壽命,因此為增加工作可靠性，建議采用耐海水腐蝕和雙管結(jié)構(gòu)形式的冷卻器水管, 并設(shè)置漏水檢測報(bào)警裝置，同時(shí)將冷卻器設(shè)計(jì)成整體抽出式以方便檢修。

5 結(jié) 語

電軸系統(tǒng)不僅能節(jié)約成本，而且可提高船舶對工況的適應(yīng)性，使挖泥船的工作效率和綜合效益得到提高，在挖泥船領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。對此，應(yīng)充分重視相關(guān)產(chǎn)品的安全性和適用性，使電軸系統(tǒng)在疏浚工作中發(fā)揮更大的作用。

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Design and Implementation of Electric Shaft System in the Dredger

LIUFeng

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship &Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China)

As the electric shaft system application becomes popular in dredgers, the domestic manufacturers are walking into the field. This paper analyzes the working principle and the application of the electric shaft system in dredgers, and proposes a design of the electric shaft system for dredgers with effectively improved stability，higher efficiency and better safety. The design and implementation of the system is described.

dredger; underwater pump; electric shaft system; automatic control

2017-01-09

劉 峰(1983—)，男，湖北荊州人，工程師，從事船舶電氣的相關(guān)工作。

1674-5949(2017)01-0044-03

U674.31

A