耙吸挖泥船全電力驅動發展趨勢

劉厚恕 戴 菁

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

耙吸挖泥船全電力驅動發展趨勢

劉厚恕 戴 菁

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

［摘 要］盡管耙吸挖泥船作業工況多變、系統設置繁復，然而最近幾年來，國外耙吸挖泥船在全電力驅動發展方面仍取得可喜進步，該文就這方面作簡要介紹。

［關鍵詞］耙吸挖泥船；全電力驅動；趨勢

引 言

目前世界上船舶動力技術（無論民用、海工或軍用）采用電力系統綜合集成的發展趨勢［1］已越來越明顯，船舶動力的這種電力系統綜合集成即是將船上動力機械能源全部轉換成電力，同時提供給推進用電和全船其他作業工況及日用設備用電，實現能源的綜合利用與統一管理。這是普遍認同的高效、靈活、節能、環保的能源供應系統。對于耙吸挖泥船來說當無例外，電力驅動除卻初投資略高、技術復雜外，裝船功率能得到綜合利用，且系統噪音較低、布置方便、推進軸系短、有利于提高裝載能力等諸多好處。

1 耙吸挖泥船實施電力驅動有難度

由于耙吸挖泥船作業工況多變、系統設置繁復以及對于淺水作業適應性的特殊要求，使得該型船在電力驅動的開發應用方面難度非比尋常。國際知名挖泥船制造商IHC曾為此展開過相關水動力試驗研究［2］，鑒于耙吸挖泥船經常性的淺水作業特點，IHC在這一特定研究中，除了常規型船尾以外，特針對三種不同形式的船尾（即裸軸型、雙尾鰭型、吊艙型）進行了淺水航行試驗對比，其吊艙型結構被認為最適合于電力驅動，但其研究結論卻表明：“采用機槳一體化的吊艙型結構對于淺水的適應性較其他兩型船尾差，且成本較高，對于挖泥船來說，目前難以形成實用方案，尚需作進一步探索。”

然而，IHC的上述論斷并未能打消其他疏浚廠商對耙吸挖泥船全電力驅動的追求和探索，幾乎在IHC進行該項水動力試驗的同時，歐洲四大疏浚公司之一的揚德努公司便結合自身船隊發展項目，對擬建的4 400 m3姐妹耙吸船進行了全電力驅動的首試并取得成功。

2 歐洲已投產的全電力驅動耙吸挖泥船

以下就國外近年來已投產的幾型全電力驅動耙吸挖泥船作簡要介紹，希望引起國內業界關注。

2.1 4400m3全電力驅動型姐妹耙吸挖泥船

4400m3姐妹耙吸挖泥船——“Francesco Di Glorgio”號［3-5］和“Taccola”號成功首創耙吸挖泥船全電力驅動。單耙、單泵的配置使該型船得以免去泵艙設置，將僅有的一個泥泵置于機艙的右側，使機、泵艙合二為一；全回轉電力推進的采用，使其省卻長軸系設置，不僅優化了動力配置，更便于泥艙設置，使該船泥艙相對長度達到創紀錄的54%（較同型非電力驅動船泥艙長度約增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、減輕結構質量。通常，較小型耙吸船的布置很難達到如此境界。

該型姐妹船均設有首吹，并采用全通甲板形式、V型泥艙以及單列4只對開泥門，具備當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 機功率2×2 812 kW、船舶發電機650 kW、首側推1×550 kW、設雙電驅動Indar轉動導管螺旋槳、推進功率2×2 150 kW、總裝機功率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動發展方面亦拔得頭籌。值得注意的是，揚德努公司在4 400 m3姐妹耙吸船全電力驅動開發設計中，沒有采用IHC試驗中所用的吊艙型船尾結構。

圖1 “Francesco Di Glorgio”號

2.2 3400 m3全電力驅動型姐妹耙吸挖泥船

在先前的4 400 m3姐妹耙吸挖泥船全電力驅動的嘗試獲得圓滿成功之后，揚德努公司再度簽約建造了兩艘3 400 m3全電力驅動耙吸船——“Alvar Nunez Cabeca De Vaca”號（見圖2）和“Sebastiano Caboto”號，但合作伙伴為我國新河船廠。該廠早前同揚德努公司密切合作，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德努公司2007年至2011年20億歐元一攬子發展計劃的組成部分。

圖2 “Alvar Nunez Cabeca De Vaca”號

該型姐妹船同樣為帶首吹的單邊耙吸船，所采用的全電力驅動設置較多臺變速運行的單柴油機機械傳動運行穩定，此外，Z型定距槳的配備更使得該姐妹船在調速及初投資方面具有明顯優勢。該型船主要參數為：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）、推進功率2×1 000 kW、總裝機功率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，它們的入列使揚德努公司在耙吸挖泥船船隊的全電力驅動進程中一路領先。

2.3 2300 m3全電動耙吸挖泥船

2300 m3全電動耙吸挖泥船“Ukd Orca”號［6］為雙耙、單泵設置、內河航道及河口實施單耙作業、進行維護性疏浚的全電力驅動耙吸挖泥船，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。船上共設有3臺柴油發電機組（3×1 200 kW），這種柴油電力裝置的主要優點在于：可在低轉速狀態下獲得高轉矩，從而獲得低速運行狀態下良好的操縱性；空載及壓載狀態下調遣航行時，只需啟動一臺機組，最大航速可達10 kn，具有良好的燃油經濟性。疏浚作業時采用2臺機組，第3臺備用，使裝船動力資源得到充分共享；同時，航速僅和有效功率大小相關，不再受制于主機最大轉速；由于船舶慣常處于渾濁泥水中作業，易于遭受磨損，故不必設置可調距螺旋槳，使初投資得以降低。

“Ukd Orca”號（見圖3）的主要參數為：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，泥艙內設單列6只泥門，挖深25 m、吸管直徑2×700 mm、泥泵功率1×800 kW、主機功率3×1 200 kW、停泊發電機功率1×140 kW、首側推功率1×500 kW、推進采用2只Z型HRP定螺距舵槳、功率2×1 500 kW、總裝機功率3 740 kW、航速12 kn、定員12人。

該船不設首吹，船舶尺度規模及總功率設置與我國長江中游現有900 m3耙吸船相似，但疏浚能力、功率因數和推進比功率等重要指標均明顯優于后者（見表1），全電力驅動設置的節能優勢盡顯其中。

圖3 “Ukd Orca”號

表1 長江既有2 000 m3、900 m3耙吸船及國外三型全電動耙吸船主要技術參數表

續上表

此外，比利時2009年建造的1 160 m3內河耙吸挖沙船“Nicole”號以及同期鹿特丹Vuyk工程公司開發設計的骨料疏浚船“Sandstorm”號也都采用全柴油電力驅動。并且同樣具有良好的燃油經濟性及低排放效果，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的相繼開發成功，為大型及大型以上耙吸挖泥船的動力發展積累了有益的經驗。

3 長江航道維護疏浚期盼全電動耙吸船

挖泥船對長江航道的維護疏浚與促進沿江經濟的發展舉足輕重。20世紀70年代中期，為確保長江水運的發展及航道暢通，國家投入重金先后向日本和荷蘭訂購了多艘先進的500 m3耙吸挖泥船。20世紀90年代中后期，鑒于國內疏浚裝備技術的長足進步，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，一舉實現對長江中下游業已陳舊的進口耙吸船的換代更新［7］。就該2 000 m3型耙吸挖泥船而言，其在設計上大膽采用多項新技術，如帶高壓沖水的耙頭、泥泵抽艙系統及單列泥門的設置、泥艙裝卸系統新技術的引進等，投產后經濟效益顯著，并先后獲得船舶總公司和上海市等多個獎項，展示了當下國內挖泥船設計制造技術及配套水平，從而使新形勢下長江航道運能和運量的矛盾得到化解。

轉眼間，又一個20年輪回迫近。在最近20年間，無論國際還是國內，疏浚技術和疏浚裝備都迎來了史上極佳的發展時期，我國國民經濟持續健康發展，對長江黃金水道的運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90年代國內建造的這批耙吸船呢？相信長江航道的護衛者早已未雨綢繆。依筆者拙見，按照當今疏浚船舶發展理念，節能、環保、淺水作業性能更好且功效更高的耙吸船［8］理應受到青睞，而在動力配置上若采用全電力驅動，則更能順應耙吸船的發展趨勢，借以華麗升級。實現這一目標難度固然不小，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，國內專業人士在耙吸船全電力驅動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可用于三峽庫區的2 000 m3/h全柴油電力驅動自航吸盤挖泥船“吸盤2”號，使該船無論在調遣航行還是在多功能疏浚作業工況下，其性能均較早前的“吸盤1”號有了明顯的提高。筆者之一也曾致力于該項目的前期方案論證。相信“吸盤2”號的開發成功，將有力推動長江航道耙吸船的全電力驅動發展。

圖4 2000 m3/h全電力驅動吸盤挖泥船“吸盤2”號

為便于比較，筆者已將國產2000 m3和900 m3耙吸船以及國外近期開發的三型全電力驅動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，長江下游航道治理的實際需求，全電力驅動目標船型規模大致定位在艙容4 500 m3、裝船功率6 500 kW 左右。船型特征方面，可在淺吃水、肥大型船的設計基礎上，充分汲取“航浚10”號（2 000 m3）的成功經驗；而在疏浚功能、動力配置方面，擬參照國外3 400 m3和4 400 m3船進行配備，并增設首吹，航速12～13 kn。對比2 000 m3船便不難發現采用全電力驅動的節能優勢。如按長江中游要求進行功能定位，目標船型可參考“航浚15”號（900 m3）和國外2 300 m3船來進行設計和配備，規模大小擬按艙容2 500 m3、裝船功率按4 000 kW配置。在中小型船全電力驅動取得成功的基礎上，向大型、超大型船的目標進發。

4 結 論

（1）電力系統綜合集成動力技術因其高效、節能、環保以及操作管理簡便等優勢，在國內外船界引起廣泛重視，尤其工況多變的工程作業船，因其在裝船動力的綜合利用方面更具優越性，不少國內用戶已率先取得這方面的業績。

（2）耙吸挖泥船裝船設備多、作業工況繁復且多為淺水作業，國外迄今僅少數中小型耙吸船獲得裝船應用，新船型研制確有相當難度。

（3）國內有關設計單位在耙吸挖泥船電力推進技術研究等方面已積累了相當經驗，近年來更獲得2000 m3/h吸盤挖泥船全電力驅動的研制成功。只要目標船型功能定位合理、技術攻關路線明晰，相信我國新一代全電力驅動的耙吸挖泥船定會迅速破繭而出。

［參考文獻］

［1］ 陳永道.船舶動力系統現狀及發展趨勢［J］.機械制造與自動化，2013（2）：42.

［2］ Arie de Jager. Asuccess story originating from ship research ［J］. Ports and Dredging. E165，2006：4-9.

［3］ Francesco di Giorgio：an IZAR small-dredger design［J］. Significant Ships of 2003：48-49.

［4］ Bert Visser. 五艘挖泥船［J］.DPC（疏浚與港口建設中國版），2003，八月號：28-29.

［5］ TSHD. Bert Visser's Directory of Dredgers［EB/OL］. http://www. dredgers. nl.

［6］ Ukd Orca［J］. Holland Shipbuilding，2010，9：29-34.

［7］ 郭曉浩，陳源華，劉厚恕.從更新進口1 500 m3耙吸挖泥船實施看我國挖泥船技術的進步［J］.船舶，2003 （2）：36-63.

［8］ 劉厚恕. 國外挖泥船發展新態勢［J］.船舶，2009（6）：1-7.

［9］ 朱滌，吳斐文.耙吸挖泥船全電動電力推進船型方案之探討［J］.船舶，2008（5）：36-41.

［中圖分類號］U674.31

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0001-05

［收稿日期］2014-12-22；［修回日期］2015-02-05

［作者簡介］劉厚恕（1940-），男，研究員，研究方向：船舶總體設計研究。戴 菁（1972-），女，高級工程師，研究方向：船舶項目管理。

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