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

張明，陳夢

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，起升絞車和橫移絞車采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，絞刀采用液壓馬達(dá)或電動機(jī)驅(qū)動，水下泥泵和封水泵采用電動機(jī)驅(qū)動。正在建造的5 000 kW絞刀功率絞吸挖泥船“天鯤號”為電力推進(jìn)自航船，2臺推進(jìn)電機(jī)、2臺艙內(nèi)泥泵、1臺水下泵、絞刀、4臺絞車以及10臺封水泵均采用變頻電機(jī)驅(qū)動，是我國自主設(shè)計(jì)建造的第一艘全電力驅(qū)動大型自航絞吸挖泥船。全船電力變頻驅(qū)動技術(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)動避免了柴油機(jī)氣體排放和液壓油管泄露對海洋環(huán)境造成的污染，既而達(dá)到了環(huán)保的目的[1-4]。

“天鯤號”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)給周期長成本高、停工損失大，開赴施工區(qū)域一個工作周期內(nèi)不希望因?yàn)槟硞€設(shè)備或系統(tǒng)的影響造成停工，因此對電力系統(tǒng)和設(shè)備的冗余性要求極高。本文將著重對“天鯤號”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”設(shè)備配置與使用工況

“天鯤號”動力設(shè)備的配置充分考慮了對各種工況的適用性[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)方案是由單個的中壓變頻器進(jìn)行驅(qū)動。

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變頻器驅(qū)動。

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

2.1　驅(qū)動系統(tǒng)冗余方案

本船的驅(qū)動系統(tǒng)冗余方案如表3所示。

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

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

2.2　驅(qū)動系統(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個變頻器輸出接入轉(zhuǎn)換柜然后再輸出到6臺電機(jī)，轉(zhuǎn)換柜內(nèi)設(shè)置多個斷路器，通過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。

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

以下通過表4舉例說明轉(zhuǎn)換柜的使用方法。

表4　各個工況下斷路器狀態(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號推進(jìn)電機(jī)供電、一級艙內(nèi)泵變頻器向2號推進(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號絞刀變頻器向2號絞刀電機(jī)供電、水下泥泵變頻器將向水下泵供電、一級艙內(nèi)泵變頻器向一級艙內(nèi)泵供電、1號絞刀變頻器向1號絞刀電機(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)一級艙內(nèi)泵變頻器向水下泵電機(jī)供電。

假如2號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)一級艙內(nèi)泵變頻器向2號絞刀電機(jī)供電。

從上例中可以看出，通過轉(zhuǎn)換柜內(nèi)斷路器的合閘和分閘可以實(shí)現(xiàn)某個變頻器向多臺電機(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)動系統(tǒng)的利用率和冗余性，但是如果全部采用手動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，為此還需要專門設(shè)計(jì)一套轉(zhuǎn)換柜控制系統(tǒng)。通過圖2轉(zhuǎn)換柜觸摸屏頁面可以看出：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)對可能存在的狀態(tài)進(jìn)行邏輯控制，當(dāng)一個斷路器合閘時(shí)，控制系統(tǒng)自動匹配，下一個斷路器合閘指令需要經(jīng)過控制系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃，只有不會發(fā)生隱患才允許合閘；4）預(yù)先設(shè)定了快速轉(zhuǎn)換模式，每一個模式中預(yù)設(shè)了多個斷路器的狀態(tài)，當(dāng)從一個模式轉(zhuǎn)換到另一個模式時(shí)，斷路器自動按照預(yù)設(shè)的程序自動合閘或分閘。通過這些手段保證了轉(zhuǎn)換柜始終在安全、可控的狀態(tài)下工作。

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

3　絞車和封水泵驅(qū)動系統(tǒng)冗余方案

絞吸挖泥船的絞車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)會嚴(yán)重影響船舶施工，特別是橋架絞車發(fā)生故障時(shí)橋架無法升起造成安全隱患。為此對絞車和封水泵的驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)是非常重要的。

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

圖3　絞車和封水泵驅(qū)動冗余方案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臺移相變壓器分別通過2套二極管整流模塊向2段直流母排供電，每臺移相變壓器容量滿足最大工況下絞車和封水泵電機(jī)的使用需求。當(dāng)任意一個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，另一個正常的移相變壓器和二極管整流模塊向所有絞車和封水泵電機(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臺橫移絞車和1臺橋架絞車提供電源，保證橋架的提升。

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

4　結(jié)語

5 000 kW絞刀功率自航絞吸挖泥船“天鯤號”是國家工業(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，在認(rèn)真分析研究國內(nèi)外工程船和海工船的電力驅(qū)動系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上，針對該船設(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單傳動和低壓多傳動2種傳動方式，最終對2種傳動方式下的設(shè)備采用了針對性的冗余設(shè)計(jì)方案。

針對高壓單傳動的設(shè)備創(chuàng)新性地采用了高壓轉(zhuǎn)換柜的方案，4臺變頻器通過轉(zhuǎn)換柜可以向6臺電機(jī)供電，通過該高壓轉(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。

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

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