3 800m3/h自航電動絞吸挖泥船電氣系統設計

黃 兵

(江蘇省船舶設計研究所有限公司,江蘇鎮江 212003)

3 800m3/h自航電動絞吸挖泥船按 2006版《鋼質海船入級規范》設計,滿足 2004版《國內航行海船法定檢驗規則》。該船近海航行,作業區域為沿海。

本船電氣系統分為航行電力系統、挖泥作業電力系統、挖泥疏浚綜合顯示系統、液壓控制系統、內部通信系統、外部通信系統、照明系統、泥泵機控制及監視系統、電動絞刀變頻調速監控系統、橫移及橋架變頻調速監控系統等子系統。本船的電氣系統電制為交流AC3 000V、交流AC690V、交流AC400V、交流AC230V、直流DC24V。本文結合電制逐一介紹本船的電力系統。

1 電軸系統

電軸系統是挖泥船特有的系統,由發電機直接供電給電動機的系統稱電軸系統,電軸系統的特點為發電機和電動機之間直接連接。該發電機專供電動機使用,不能作為電網用電。電軸系統電動機的起動是通過控制發電機的勵磁電流來實現,并組成閉環系統。電動機的調速是調發電機的原動機即柴油機的轉速來實現,此時發電機的頻率、電壓也隨著變化,電動機的轉速可在 70%～100%(750～525 r/m in)之間變化,電動機以恒轉矩輸出。

發電機勵磁電流由船上電網三相電源經電軸系統勵磁柜提供。電軸勵磁柜的控制使發電機的電壓調節特性,按電壓 U/頻率F比值進行,滿足電動機以恒轉矩輸出。電動機啟動后,電動機的轉速通過直接調節柴油機的速度來實施。

為了限制電動機的起動電流,電動機的起動只能在柴油機的轉速小于等于70%速度(525r/m in)下起動,此時,只要對發電機施加勵磁即可。這一起動只能在該速度以下才能進行。在起動期間,發電機受到強勵磁的作用,以確保電動機的可靠起動。電軸系統對電動機起動沖擊有良好的緩沖作用,并對系統扭振具有很好的調控作用,系統沖擊負荷小,轉矩傳遞可靠穩定。電軸系統對移動中的橋架變形具有很好的動態適應性,在動態大位移變形狀態下能確保系統可靠工作。挖泥施工中證明電軸系統工作穩定、可靠、高效。

電軸系統框圖如圖 1所示。

本船電軸系統組成如下:

(1)發電機為TF2 540kVA水冷式船用發電機,發電機功率為 2 032kW,發電機端頭輸出電壓為3 150V,額定電流為 466A,極數為 6P,額定轉速為1 000r/min。

(2)水下泵電動機為YKS1900型水冷船用電動機,電動機功率為 1 900kW,電動機額定電壓為3 000V,額定電流為 450A,極數為 6P,額定轉速為985 r/min。

(3)高壓柜 1只,安裝在機艙內。高壓柜主要測控功能有:開關量的采集、各類模擬量的測量顯示、信號量的輸出、事件及保護事件記錄功能、電流測量、電壓測量等。保護功能有:差動保護、電流速斷保護、反時限過電流保護、過電壓保護、零序電壓保護、溫度保護等。

圖1 電軸系統框圖

(4)勵磁調節柜 1只,安裝在機艙監控室。勵磁調節柜進行發電機的勵磁調節,發電機線圈加熱,電動機線圈加熱等。

(5)遠程遙控板 1塊,安裝在挖泥操縱臺上。遠程遙控板的功能是控制電源合閘、分閘,勵磁投入、勵磁切除,故障報警等。

本船的電軸系統電力電制為交流 AC3 000V。該電氣系統獨立使用,就是指電軸發電機發電直接供電給電軸電動機,電軸發電機不向船上其他設備供電,電動機驅動水下泥泵。

2 挖泥作業電力系統

挖泥作業電力系統簡圖見圖 2。挖泥作業電力系統使用交流AC690V、交流AC400V兩種電制。

(1)挖泥作業機艙設 2臺挖泥作業發電機,發電機為TFW 560-6-H系列發電機,額定電壓690V,額定電流 1 570A,額定功率1 500kW。2臺發電機可以并車使用。挖泥作業發電機主要向絞刀電機、橫移絞車電機以及橋架絞車電機供電。

(2)本船配2臺電動絞刀,絞刀電動機為 JFSD750-6P 750kW 785A 690V水下防水電機,該電機為國內研制。2臺水下電動機均配大功率重載型變頻器驅動以調節水下電動機的轉速即絞刀的轉速。操縱臺上設置了變頻器的遙控監視板。機旁設置了變頻器機旁控制箱。

(3)配備 2臺橫移絞車變頻電動機,電動機型號為YZP400L3-8-H 690V 315 kW,2臺橫移絞車變頻電動機均配變頻器驅動以調節橫移絞車的轉速。操縱臺上設置了變頻器的遙控監視板。機旁設置了變頻器機旁控制箱。通過對變頻器的模式及參數設定可使橫移絞車在收放的過程中,放纜絞車始終保持為橫張力。

(4)配備 2臺橋架絞車變頻電動機,電動機型號為YZP400L3-8-H 690V 315 kW,2臺橋架絞車變頻電動機均配變頻器驅動以調節橋架絞車的轉速達到調節橋架的升降速度。操縱臺上設置了變頻器的遙控監視板。機旁設置了變頻器機旁控制箱。

(5)本船使用了 6臺變頻電動機,配備 6臺變頻器;在挖泥作業機艙旁的變頻器室設有變頻控制柜,變頻器受海拔高度以及溫度影響會降容,所以設計時變頻器選型跨了 2檔,絞刀電機變頻器選用水冷型變頻器,其余為風冷變頻器。變頻器室設有空調裝置保證變頻器工作溫度在許可范圍內。

(6)絞刀電機功率較大,所配的變頻器功率相應也大,工作時會產生諧波影響其他電器設備的使用,所以本船配備了 12脈移相變壓器、濾波器等以消除諧波。

(7)挖泥作業時許多機艙輔機同時工作,如封水泵、液壓泵站、作業機艙風機、燃油輸送泵等,所以作業機艙內設置了 2臺 690V/400V變壓器供電給挖泥作業輔機配電板向上述挖泥輔機提供電力。

(8)監控室內設挖泥作業配電板 1座,該配電板可以向航行配電板提供電力。液壓控制系統、內部通信系統、外部通信系統、照明系統、泥泵機控制及監視系統、挖泥疏浚綜合顯示系統等所需的電力均由航行配電板提供。這種設計使用時靈活方便,如果工地的土質疏松絞刀電機就不會滿載工作。挖泥作業時全船電力可由挖泥作業發電機提供,如果挖泥作業發電機電力緊張則由航行發電機供電。

3 航行電力系統

航行電力系統圖如圖 2所示。

(1)航行機艙內設置 2臺航行發電機,發電機參數為400V,90.5A,50kW。航行時使用1臺,另1臺備用,2臺發電機可以短時并車不斷電轉移負荷。

(2)航行機艙內設航行配電板 1座。該配電板主要向航行輔機及全船照明系統、內部通信系統、外部通信系統以及機艙監控系統供電。

4 應急電力系統

應急發電機機艙內設置應急發電機 1臺,應急配電板 1座。應急配電板與航行配電板設聯絡開關,船舶正常航行時航行配電板向應急配電板正向供電;應急時應急配電板向全船應急負載供電,這時應急配電板不能向航行配電板反向供電;當船停泊時可以開動應急發電機作為停泊發電機使用,這時該發電機向全船提供電力,并且可以向航行配電板反向供電。

圖2 挖泥作業和航行電力系統簡圖

5 液壓控制系統

本船選用S7-200系列可編程序控制器組成液壓控制系統,液壓控制系統安裝在操縱臺內。

6 控制臺

該船設有挖泥機艙監控臺、航行機艙監控板、駕駛室航行控制臺、駕駛室挖泥操縱臺。挖泥操縱臺設置與挖泥作業有關的控制設備及挖泥作業顯示儀表,駕駛室航行控制臺則設置與航行有關的設備及儀表。