鄒學(xué)義

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)

鄒學(xué)義

(江蘇省船舶設(shè)計(jì)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(dòng)在海洋工程船舶中的應(yīng)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(shí)際應(yīng)用,展望了計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)在絞吸式挖泥船中的應(yīng)用前景。

絞吸挖泥船;變頻技術(shù);電力驅(qū)動(dòng)

0 引言

絞吸挖泥船以其優(yōu)良的海況作業(yè)適應(yīng)性而成為市場(chǎng)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(shè)水下泵和水上多級(jí)泵的接力形式。隨著變頻技術(shù)的發(fā)展,輔助絞車(chē)、鉸刀和水下泵的驅(qū)動(dòng)方式也逐步由液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展。目前國(guó)外絞刀功率超過(guò)750kW的挖泥船幾乎都采用電力驅(qū)動(dòng),其目的就是節(jié)能、環(huán)保。液壓驅(qū)動(dòng)方式的傳動(dòng)效率約為 65%～70%,電力變頻驅(qū)動(dòng)的傳動(dòng)效率可達(dá) 88%(大容量的發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的效率可達(dá) 95%～96%,變頻器的效率可達(dá) 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(dòng)相比液壓驅(qū)動(dòng)可提高功效約為 25%～35%。

為適應(yīng)市場(chǎng)需求,實(shí)現(xiàn)節(jié)能、減排、優(yōu)質(zhì)、高效疏浚,江蘇省船舶設(shè)計(jì)研究所有限公司先后研制并開(kāi)發(fā)了3 000～5 000 m3/h電驅(qū)式系列絞吸挖泥船。其總裝機(jī)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(diǎn)對(duì) 3 000 m3/h絞吸式挖泥船的電氣設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹。

1 主要量度及機(jī)電設(shè)備參數(shù)

1.1 主要量度

總長(zhǎng)(檢修架放下?tīng)顟B(tài)) 97.0 m

船長(zhǎng) 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(tái)車(chē)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(jī)電設(shè)備參數(shù)

主要機(jī)電設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。本船還配有艙內(nèi)泥泵高壓水封泵2臺(tái),電機(jī)功率為 90 kW;艙內(nèi)泥泵低壓水封泵2臺(tái),電機(jī)功率為 75 kW(艙內(nèi)泥泵水封泵均配 AST48C系列軟起動(dòng)器);設(shè)水下泥泵水封泵1臺(tái),電機(jī)功率為 30kW。采用“星形—三角形”降壓起動(dòng)。船舶安全系統(tǒng)設(shè)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(diǎn)是設(shè)置了1臺(tái)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(kāi)關(guān)決定其配電指向并完成相關(guān)聯(lián)鎖。當(dāng)本船主電站失效時(shí),可通過(guò)此變壓器向用電設(shè)備提供電力;當(dāng)變頻系統(tǒng)發(fā)電機(jī)失效或作業(yè)準(zhǔn)備階段時(shí),也可由船舶主發(fā)電機(jī)通過(guò)此變壓器向橋架(限速、限容使用)和移船絞車(chē)提供電力,以加強(qiáng)該船的機(jī)動(dòng)性。船舶電站作業(yè)負(fù)荷率為83.3%,變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電站作業(yè)負(fù)荷率為 76.5%(含對(duì)船舶其他設(shè)備供電)。在一般正常作業(yè)過(guò)程中,船舶發(fā)電機(jī)組(400 kW)可以不開(kāi)啟。鉸刀電機(jī)、橫移電機(jī)、橋架電機(jī)均采用變頻驅(qū)動(dòng)。

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(shí)過(guò)電流能力約為 150%額定電流(1 min./10 min.),短時(shí)過(guò)轉(zhuǎn)矩能力約為 170%額定轉(zhuǎn)矩;對(duì)于橫移絞車(chē)變頻器的短時(shí)過(guò)電流能力約為 120%額定電流(1 min./10 min.),短時(shí)過(guò)轉(zhuǎn)矩能力約為130%額定轉(zhuǎn)矩;橋架絞車(chē)變頻器考慮其位勢(shì)載荷的特性,過(guò)載能力要求同鉸刀變頻器。所有變頻器均設(shè)置了相應(yīng)的輸入和輸出電抗器,變頻器柜均設(shè)置了除濕裝置和適當(dāng)?shù)臋C(jī)械通風(fēng)裝置,變頻器間設(shè)置了空氣調(diào)節(jié)裝置。橫移絞車(chē)和橋架絞車(chē)變頻器還配置了相應(yīng)的制動(dòng)電阻柜。

表1 機(jī)電設(shè)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(luò)通訊自動(dòng)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(luò)和上層網(wǎng)絡(luò);分工上基層網(wǎng)絡(luò)各站點(diǎn)需完成面對(duì)控制對(duì)象的區(qū)域或功能方面的所有信號(hào)的采集、控制和向上層網(wǎng)絡(luò)提交報(bào)告(運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警、數(shù)據(jù)交換等),基層網(wǎng)絡(luò)采用PROFIBUS-DP和 MODBUS485 RTU現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通訊方式。上層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)構(gòu)成,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、運(yùn)算和分析決策。兩層網(wǎng)絡(luò)間的通訊可通過(guò)設(shè)置 TCP/IP卡來(lái)實(shí)現(xiàn),上層網(wǎng)絡(luò)的故障不應(yīng)影響基層網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖如圖2所示。

為確保監(jiān)控系統(tǒng)在基層網(wǎng)絡(luò)中能夠完成預(yù)定的控制任務(wù),本系統(tǒng)采用分布式控制模式。同時(shí)為強(qiáng)化基層網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性,網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一選用西門(mén)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?；鶎泳W(wǎng)絡(luò)可分為機(jī)艙綜合檢測(cè)報(bào)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(gè)子系統(tǒng)。圖2中,操縱臺(tái)、機(jī)艙監(jiān)控臺(tái)、變頻控制柜所配置 PLC均為西門(mén)子S7-300系列。子系統(tǒng)間采用 PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式進(jìn)行通訊。機(jī)艙綜合檢測(cè)報(bào)警子系統(tǒng)向下(柴油機(jī)近旁控制箱等)采用的是MODBUS485 RTU現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式進(jìn)行通訊(主要是兼顧隨機(jī)設(shè)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(dòng)柜、液壓控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制箱)采用的是 PROFIBUS-DP組態(tài)通訊。各變頻器的運(yùn)行參數(shù)(電流、電壓、頻率、功率、溫度等)和運(yùn)行狀態(tài)(狀態(tài)字代碼)均通過(guò) DP通訊獲取。各子系統(tǒng)還均可通過(guò) TCP/IP通訊和上層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換,并向上層以太網(wǎng)服務(wù)器提供各子系統(tǒng)設(shè)備的完整運(yùn)行狀態(tài)(含故障狀態(tài))和運(yùn)行參數(shù)。通訊故障不影響各子系統(tǒng)的安全獨(dú)立運(yùn)行。

變頻配電板、船舶主配電板、柴油機(jī)近旁控制箱所配置 PLC均為西門(mén)子S7-200系列,它們和機(jī)艙監(jiān)控臺(tái)間采用 MODBUS485 RTU現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)方式進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)(含故障狀態(tài)和各組合驅(qū)動(dòng)器是否工作運(yùn)行)、運(yùn)行參數(shù)和控制指令,從而實(shí)現(xiàn)操縱臺(tái)可以通過(guò)通訊的方式,對(duì)必要的挖泥輔助設(shè)備進(jìn)行遙控。同時(shí)對(duì)操作邏輯錯(cuò)誤(如泥泵運(yùn)行時(shí)、滑油泵或水封泵未運(yùn)行時(shí))進(jìn)行閉鎖控制或發(fā)出報(bào)警提示。

在機(jī)艙監(jiān)控臺(tái)和操縱臺(tái)上均設(shè)有聲光報(bào)警燈板。機(jī)艙報(bào)警內(nèi)容可反映重要機(jī)器設(shè)備的主要報(bào)警項(xiàng)目及通訊系統(tǒng)的故障報(bào)警;操縱臺(tái)上采用的是綜合報(bào)警;上位機(jī)系統(tǒng)可反映各系統(tǒng)設(shè)備的詳細(xì)報(bào)警情況。任何報(bào)警出現(xiàn)時(shí),各主要機(jī)器設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)與工作參數(shù)均存入服務(wù)器的故障數(shù)據(jù)庫(kù),可作歷史性的分析和研判。

4 輔助決策系統(tǒng)

對(duì)絞吸挖泥船上的挖泥設(shè)備進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)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(guó) KRUPP公司等為代表,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)各種傳感器信息進(jìn)行集中處理,絞吸挖泥船操作人員可通過(guò) CRT(監(jiān)視器)來(lái)監(jiān)視各種相關(guān)參數(shù),實(shí)現(xiàn)了挖泥工況的監(jiān)測(cè)及控制。我國(guó)在這方面進(jìn)行的開(kāi)發(fā)研究工作起步相對(duì)較晚,到 20世紀(jì) 90年代中后期,才陸續(xù)有國(guó)內(nèi)科研單位正式投入研究。經(jīng)過(guò) 10多年的不斷探索,工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已在國(guó)內(nèi)大范圍應(yīng)用并日趨成熟。

計(jì)算機(jī)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(cè)鉸刀在水下的工作位置并加以直觀(guān)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(cè)。將監(jiān)測(cè)范圍擴(kuò)大到泵機(jī)、水下泵、橫移絞車(chē)、管路系統(tǒng)等設(shè)備。

(3)疏浚過(guò)程分析。分析對(duì)應(yīng)土質(zhì)下各種優(yōu)化參數(shù),分析流速、濃度關(guān)系。

(4)對(duì)施工過(guò)程中的某些工況參數(shù)進(jìn)行記錄、遠(yuǎn)程傳輸監(jiān)測(cè),以提高工程技術(shù)管理人員對(duì)挖泥施工過(guò)程的監(jiān)控能力,實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目部對(duì)船上施工方案的有效指導(dǎo),實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)報(bào)表的打印輸出。

(5)鉸刀頭工況分析。分析對(duì)應(yīng)土質(zhì)下鉸刀頭的切削能力。

在以前的工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,主要面對(duì)的是兩個(gè)方面:一個(gè)是平面定位和斷面系統(tǒng),另一個(gè)是產(chǎn)量及泥泵吸入排出系統(tǒng)。但是對(duì)于電驅(qū)式絞吸挖泥船完整的施工過(guò)程,這些監(jiān)測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。一個(gè)相對(duì)完整的工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)該包含對(duì)全船總的動(dòng)力系統(tǒng)的功率管理(PMS),這一管理系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)從原動(dòng)機(jī)開(kāi)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(chē)等各子驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)原則為:各系統(tǒng)設(shè)備在安全、合理、有效的運(yùn)行范圍內(nèi),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量的最大化。

在定位定深監(jiān)測(cè)方面,本船裝備了帶方位信息的 DGPS傳感器、鉸刀挖深測(cè)量變送器、臺(tái)車(chē)行程變送器,構(gòu)成了定位定深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在定位定深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,不僅提供給操作人員以直觀(guān)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(jìn)關(guān)量等信號(hào)。定位定深系統(tǒng)主畫(huà)面如圖4所示。

圖4 定位定深監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在工況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方面,本船配備了產(chǎn)量計(jì)系統(tǒng)裝置和輸送管路上的壓力檢測(cè)裝置。而艙內(nèi)泵原動(dòng)機(jī)、水下泵電動(dòng)機(jī)、鉸刀電動(dòng)機(jī)、橫移絞車(chē)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)均可通過(guò)通訊的方式獲取。

在報(bào)表統(tǒng)計(jì)方面,通過(guò)記錄的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)各種情況下的產(chǎn)量,如每班產(chǎn)量、每天每班產(chǎn)量、按時(shí)間段的每班產(chǎn)量等。

在遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)方面,本船采用 3G微波通訊的方式,遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)客戶(hù)端軟件與遠(yuǎn)端的服務(wù)器連接,連接成功后客戶(hù)端就可以實(shí)時(shí)查詢(xún)服務(wù)器上的相關(guān)數(shù)據(jù)。

輔助指導(dǎo)畫(huà)面顯示了在最佳濃度時(shí)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(jī)轉(zhuǎn)速、泵機(jī)負(fù)荷等參數(shù)。操作指導(dǎo)畫(huà)面提示在設(shè)置的時(shí)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(dǎo)。

5 結(jié)語(yǔ)

計(jì)算機(jī)輔助決策系統(tǒng)在絞吸式挖泥船中的運(yùn)用前景越來(lái)越廣闊,同時(shí)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(chē)、橋架絞車(chē)總驅(qū)動(dòng)功率為 4 000 kW為例,采用電力驅(qū)動(dòng)相比液壓驅(qū)動(dòng)方式可節(jié)約功耗1 000～1 400 kW。要實(shí)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(jìn)的生產(chǎn)力,而先進(jìn)的生產(chǎn)力必定會(huì)創(chuàng)造更為豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

U674.31

A

2010-05-20

鄒學(xué)義(1963-),男,高級(jí)工程師,主要從事船舶電氣設(shè)計(jì)工作。