自航絞吸挖泥船“天鯤號(hào)”電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

張明，陳夢(mèng)

0　引言

常規(guī)非自航絞吸挖泥船上疏浚設(shè)備如泥泵一般采用柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，起升絞車(chē)和橫移絞車(chē)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，絞刀采用液壓馬達(dá)或電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，水下泥泵和封水泵采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。正在建造的5 000 kW絞刀功率絞吸挖泥船“天鯤號(hào)”為電力推進(jìn)自航船，2臺(tái)推進(jìn)電機(jī)、2臺(tái)艙內(nèi)泥泵、1臺(tái)水下泵、絞刀、4臺(tái)絞車(chē)以及10臺(tái)封水泵均采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，是我國(guó)自主設(shè)計(jì)建造的第一艘全電力驅(qū)動(dòng)大型自航絞吸挖泥船。全船電力變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，使變頻電機(jī)的功率可以得到有效發(fā)揮，極大地提高了全船效率，達(dá)到了節(jié)能的目的。而且電力驅(qū)動(dòng)避免了柴油機(jī)氣體排放和液壓油管泄露對(duì)海洋環(huán)境造成的污染，既而達(dá)到了環(huán)保的目的[1-4]。

“天鯤號(hào)”的工作狀況比較復(fù)雜，包括航行、單泵裝駁、單泵排岸、兩泵排岸和三泵排岸等5種主要工況，不同工況下使用不同的設(shè)備。另外，大型絞吸挖泥船工作強(qiáng)度大、設(shè)備損耗快、維修和補(bǔ)給周期長(zhǎng)成本高、停工損失大，開(kāi)赴施工區(qū)域一個(gè)工作周期內(nèi)不希望因?yàn)槟硞€(gè)設(shè)備或系統(tǒng)的影響造成停工，因此對(duì)電力系統(tǒng)和設(shè)備的冗余性要求極高。本文將著重對(duì)“天鯤號(hào)”的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余性設(shè)計(jì)思路和方案進(jìn)行介紹。

1　“天鯤號(hào)”設(shè)備配置與使用工況

“天鯤號(hào)”動(dòng)力設(shè)備的配置充分考慮了對(duì)各種工況的適用性[5]。

1.1　中壓電機(jī)使用工況

表1中的推進(jìn)電機(jī)和主要疏浚設(shè)備電機(jī)功率較大，采用中壓電機(jī)，設(shè)計(jì)方案是由單個(gè)的中壓變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

表1　推進(jìn)和主要疏浚設(shè)備使用工況Table 1　Operating conditionsof propulsion and major dredging equipment

1.2　低壓電機(jī)使用工況

表2中的絞車(chē)和封水泵功率小、數(shù)量多，采用低壓電機(jī)，設(shè)計(jì)方案是由共直流母線的低壓多傳動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)。

2　推進(jìn)電機(jī)和主要疏浚設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余方案

2.1　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余方案

本船的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余方案如表3所示。

表2　絞車(chē)和封水泵使用工況Table2　Operating conditionsof winch and gland pump

表3　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余方案Table 3　Redundancy schemefor driving system

2.2　驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余的方法

2.2.1轉(zhuǎn)換柜的引入

根據(jù)表3中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的冗余方案，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的冗余，本船配置了1套轉(zhuǎn)換柜，從圖1中可以看出，4個(gè)變頻器輸出接入轉(zhuǎn)換柜然后再輸出到6臺(tái)電機(jī)，轉(zhuǎn)換柜內(nèi)設(shè)置多個(gè)斷路器，通過(guò)斷路器的合閘和分閘讓變頻器的輸出電流向希望的方向流動(dòng)。

圖1　推進(jìn)電機(jī)和主要疏浚設(shè)備供電及轉(zhuǎn)換方案Fig.1　Power and conversion scheme for propulsion and major dredging equipment

2.2.2轉(zhuǎn)換柜的使用方法

以下通過(guò)表4舉例說(shuō)明轉(zhuǎn)換柜的使用方法。

表4　各個(gè)工況下斷路器狀態(tài)Table 4　Status of breaker in all operating conditions

在航行工況下，斷路器3、9、5.2、11合閘，4、8、5.1、10分閘，此時(shí)水下泥泵變頻器向1號(hào)推進(jìn)電機(jī)供電、一級(jí)艙內(nèi)泵變頻器向2號(hào)推進(jìn)電機(jī)供電。

在三泵挖泥工況下，斷路器1、3、8、5.2、10、7合閘，2、9、4、5.1、11、6分閘，此時(shí) 2號(hào)絞刀變頻器向2號(hào)絞刀電機(jī)供電、水下泥泵變頻器將向水下泵供電、一級(jí)艙內(nèi)泵變頻器向一級(jí)艙內(nèi)泵供電、1號(hào)絞刀變頻器向1號(hào)絞刀電機(jī)供電。

假如水下泵變頻器或變壓器故障時(shí)，斷路器8、4、5.1合閘，3、9、5.2分閘，此時(shí)一級(jí)艙內(nèi)泵變頻器向水下泵電機(jī)供電。

假如2號(hào)絞刀變頻器或變壓器故障，斷路器2、5.1合閘，1、4、5.2分閘，此時(shí)一級(jí)艙內(nèi)泵變頻器向2號(hào)絞刀電機(jī)供電。

從上例中可以看出，通過(guò)轉(zhuǎn)換柜內(nèi)斷路器的合閘和分閘可以實(shí)現(xiàn)某個(gè)變頻器向多臺(tái)電機(jī)供電的目的。轉(zhuǎn)換柜的設(shè)計(jì)不僅能根據(jù)船舶工況提高設(shè)備利用率，同時(shí)能夠提高設(shè)備運(yùn)行的冗余性。

轉(zhuǎn)換柜的設(shè)置提高了推進(jìn)和主要疏浚設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的利用率和冗余性，但是如果全部采用手動(dòng)操作及人工辨別不僅工作量大，還有可能造成短路等安全隱患，為此還需要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)一套轉(zhuǎn)換柜控制系統(tǒng)。通過(guò)圖2轉(zhuǎn)換柜觸摸屏頁(yè)面可以看出：1）轉(zhuǎn)換柜控制系統(tǒng)采集所有斷路器的狀態(tài)，可以對(duì)斷路器進(jìn)行遙控；2）配備觸摸屏顯示斷路器狀態(tài)和母排的接通信息以便于監(jiān)視；3）控制系統(tǒng)中設(shè)置了必要的聯(lián)鎖，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)可能存在的狀態(tài)進(jìn)行邏輯控制，當(dāng)一個(gè)斷路器合閘時(shí)，控制系統(tǒng)自動(dòng)匹配，下一個(gè)斷路器合閘指令需要經(jīng)過(guò)控制系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，只有不會(huì)發(fā)生隱患才允許合閘；4）預(yù)先設(shè)定了快速轉(zhuǎn)換模式，每一個(gè)模式中預(yù)設(shè)了多個(gè)斷路器的狀態(tài)，當(dāng)從一個(gè)模式轉(zhuǎn)換到另一個(gè)模式時(shí)，斷路器自動(dòng)按照預(yù)設(shè)的程序自動(dòng)合閘或分閘。通過(guò)這些手段保證了轉(zhuǎn)換柜始終在安全、可控的狀態(tài)下工作。

圖2　轉(zhuǎn)換柜觸摸屏頁(yè)面Fig.2　Touch screen page of assignment cabinet

3　絞車(chē)和封水泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余方案

絞吸挖泥船的絞車(chē)和封水泵也是絞吸挖泥船中的主要疏浚相關(guān)設(shè)備，這些設(shè)備故障時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響船舶施工，特別是橋架絞車(chē)發(fā)生故障時(shí)橋架無(wú)法升起造成安全隱患。為此對(duì)絞車(chē)和封水泵的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)是非常重要的。

圖3為本船的絞車(chē)和封水泵設(shè)計(jì)方案，可以看出，本船絞車(chē)和封水泵采用了低壓多傳動(dòng)變頻方案，采用2臺(tái)移相變壓器通過(guò)4套二極管整流模塊向直流母排供電，直流母排分為2段，通過(guò)直流斷路器連接起來(lái)，每段裝置1套剎車(chē)電阻。

圖3　絞車(chē)和封水泵驅(qū)動(dòng)冗余方案Fig.3　Redundancy scheme for winch and gland pump

正常情況下，直流斷路器處于分閘狀態(tài)，2臺(tái)移相變壓器分別通過(guò)2套二極管整流模塊向2段直流母排供電，每臺(tái)移相變壓器容量滿足最大工況下絞車(chē)和封水泵電機(jī)的使用需求。當(dāng)任意一個(gè)移相變壓器或二極管整流模塊故障時(shí)，可以合閘直流斷路器，另一個(gè)正常的移相變壓器和二極管整流模塊向所有絞車(chē)和封水泵電機(jī)供電。即使發(fā)生單側(cè)直流母排故障這樣的嚴(yán)重故障，剩下一段母排也能為1臺(tái)橫移絞車(chē)和1臺(tái)橋架絞車(chē)提供電源，保證橋架的提升。

另外本船的每臺(tái)橋架絞車(chē)還額外設(shè)置1套應(yīng)急橋架絞車(chē)電機(jī)，該電機(jī)由應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，在橋架絞車(chē)主電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，仍然可以保證橋架絞車(chē)的提升。

4　結(jié)語(yǔ)

5 000 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船“天鯤號(hào)”是國(guó)家工業(yè)和信息化部立項(xiàng)的重點(diǎn)項(xiàng)目，是迄今為止由國(guó)內(nèi)自主設(shè)計(jì)和建造的最具先進(jìn)性的絞吸式挖泥船。方案的冗余性、設(shè)備的可靠性是大型絞吸挖泥船的發(fā)展趨勢(shì)，在認(rèn)真分析研究國(guó)內(nèi)外工程船和海工船的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，針對(duì)該船設(shè)備多、工況復(fù)雜的特點(diǎn)，根據(jù)設(shè)備功率分別采用了高壓?jiǎn)蝹鲃?dòng)和低壓多傳動(dòng)2種傳動(dòng)方式，最終對(duì)2種傳動(dòng)方式下的設(shè)備采用了針對(duì)性的冗余設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)高壓?jiǎn)蝹鲃?dòng)的設(shè)備創(chuàng)新性地采用了高壓轉(zhuǎn)換柜的方案，4臺(tái)變頻器通過(guò)轉(zhuǎn)換柜可以向6臺(tái)電機(jī)供電，通過(guò)該高壓轉(zhuǎn)換柜內(nèi)真空斷路器的合閘和分閘實(shí)現(xiàn)不同工況下驅(qū)動(dòng)不同的電機(jī)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)部分重要疏浚設(shè)備故障時(shí)的冗余性能。

針對(duì)低壓多傳動(dòng)的疏浚設(shè)備采用類(lèi)似于海工船鉆井驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的方案，通過(guò)設(shè)備冗余和母排分段的方式實(shí)現(xiàn)單個(gè)設(shè)備故障下船舶工作的安全性。

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