挖泥船泥泵驅動技術及其應用

李銘志， 何炎平,2， 劉亞東,2

(1.上海交通大學 海洋工程國家重點試驗室，上海 200240；2.高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海 200240)

0 引 言

近幾年，全球每年的疏浚量高達到數十億立方米，所產生的經濟總量達上百億美元[1]。在創造經濟效益和改善生活環境的同時，疏浚工程造成的環境污染引起了人們的普遍重視。粗略估計，全球疏浚行業每天要造成數千噸二氧化碳的排放，隨著環保和企業競爭意識的加強，對挖泥船疏浚系統的優化控制以及提升其工作效率的期望和努力日趨增強。

大型挖泥船一般配置3臺泥泵，即1臺水下泥泵和2臺艙內泥泵，可通過切換管路實現單泵、雙泵或者三泵串聯施工。挖泥船設計的主要評價指標是方案給定的標準(目標)工況產量和效率。因為這種目標工況驅動設計只追求在目標工況下的性能最優、效率最高、經濟性最好，在目標工況工作點泥泵在額定轉速狀態運行，泥泵驅動裝置在額定功率和額定轉速附近運行，泥泵和驅動裝置的效率處于最高區域。

為了提高挖泥船的施工能力，船舶所有人常常在滿足標準工況施工能力的基礎上再增加一個極限工況(比如挖掘巖石)下的生產能力要求。因為巖石的粒徑比一般目標工況的泥沙粒徑要大很多，泥沙輸送系統阻力損失明顯增大，為了滿足挖掘巖石工況下的生產能力要求不得不提高泥泵的額定功率和額定轉速，甚至提升泥泵的規格。如果提升了泥泵規格或額定轉速，泥泵和驅動裝置性能最佳點會偏離標準工況工作點，降低標準工況下泥沙輸送系統的效率，尤其是用柴油機直接驅動泥泵的挖泥船，這種現象尤為明顯。用柴油機驅動的大型挖泥船進行近距離細沙疏浚作業時，泥泵只能在低轉速、低效率狀態下運行，導致驅動泥泵的柴油機也在低轉速、高能耗區域運行，甚至出現燃燒不完全冒黑煙的情況。

為了進一步提高船舶適應能力，提升施工效率，很多挖泥船為泥泵配置了雙速、三速甚至可實現無級調速的齒輪箱。多速齒輪箱可通過選擇不同的轉速比模式實現兩個不同的目標：一是在特殊工況下提高泥泵轉速，提升泥泵輸送能力；二是在泥泵低轉速運行時使柴油機在額定轉速附近運行，提升柴油機效率。其中，以特殊工況下提高泥泵輸送能力為目標的配置方法最為常見。

隨著變頻驅動技術的發展和成熟，變頻電機逐漸成為新一代挖泥船泥泵驅動裝置。變頻驅動很好地解決了以往絞吸挖泥船在實際作業時因排距和挖掘土質變化導致泥泵長期低負荷運行、驅動柴油機負荷率低、燃油消耗率高等問題。由于變頻驅動實質是基于電的“一機多帶”(包括泥泵、發電機、絞刀、絞車以及空調等生活設施)，可根據用電量的不同，通過電源管理系統實現發電機的自動啟停和負荷分配，能有效避免原動機低負荷高能耗運行，在適應不同挖泥工況、提升原動機效率、增強施工安全等方面更具優勢。

變頻驅動疏浚系統的適應性能更好，施工能力更強，但是初始投資較高，一般要比柴油機驅動系統高10%～20%。由于電驅方案存在能量的二次轉化過程(熱能→電能→機械能)，發電機、變壓器、電動機等中間設備的能量損耗約占10% ～ 15%，與柴油機直接驅動方案相比效率較低，故總消耗功率較高。另外，用大型挖泥船進行土質軟、排距近的工程施工是在施工規劃中無奈的選擇，會造成人力成本和生產能力的巨大浪費。

究竟哪種配置最經濟合理，一直是方案確定過程中最大的難題。為解決設計人員和管理人員關于各種驅動方案之間經濟性能的疑問，基于以上相關方面的研究成果[2-9]，針對挖泥船泥泵驅動形式對施工能力和效率的影響，就大型挖泥船泥泵驅動形式的優缺點進行詳細分析和探討，供疏浚公司管理人員、挖泥船泥沙輸送系統設計人員參考，以優化方案、節能減排、提高企業效益和市場競爭力。

1 泥泵特性

泥泵特性主要是指泵揚程、效率、功率和流量之間的關系。其中，最受關注的屬轉速與揚程之間的關系：

(1)

式中：ρ為流體密度；n為轉速；Dw為葉輪直徑；α為葉片數。

可見，轉速越高，揚程越大(∝n2)，所需功率越大(∝n3)。在施工作業中通過調整泥泵轉速n改變泥泵排壓，使之與管路阻力平衡。圖1為某挖泥船用典型離心泵的特征曲線。

圖1 泥泵特征曲線

為了在高濃度、長排距、粗粒度輸送工況下提供最大的水頭，泥泵需保持恒定運行在額定轉速狀態。同時，由于管道高阻力特性的限制，無法提高流量，泥泵會持續在低流量恒轉速區域(如圖2所示CA段)運行，表現出恒轉速特性。恒轉速特征曲線的特點是：壓力曲線比較平直，較小的壓力變化會引起較大的流量變化。在實際施工中，土質粒度隨挖掘深度、施工區域變化而不同，管道阻力也會因此而變化，當顆粒粒度和輸送濃度均增大時，阻力增大將非?？?，會使工作點流量迅速下降，當其下降到低于關鍵流速時，粗顆粒就會沉積至管道底部，造成管道阻

塞。當輸送濃度和顆粒粒度減小時，系統流量迅速增大(進入圖2所示AS段)，系統需求的功率迅速增加，因此在這種模式下需要有足夠的功率保證。

圖2 泥泵控制特性曲線

恒功率運行一般出現在變頻驅動系統中。采用恒功率可實現：為給其他更為緊要的設備(比如絞刀)提供足夠的功率而限制泥泵的功率；為在功率已達上限的情況下緊急提高排壓而提升泥泵轉速。根據泥泵額定扭矩Tn(kN·m)、額定功率Pn(kW)和額定轉速nn(r/min)之間的關系：

(2)

可見，泥泵在恒功率區域(如圖2所示AP段)運行時，隨著管內阻力減小，速度會下降，扭矩會增大，這就需要更大的變速箱和聯軸器。恒功率運行的優點是最大程度地利用了電功率，提高了船舶施工能力；缺點是由于泵的排壓曲線比較平坦，管內阻力的改變會引起較大的流量變化，會導致系統運行不夠穩定。

恒扭矩是最常用的泥泵運行模式。恒扭矩排壓曲線(如圖2所示AT段)比恒功率排壓曲線更加陡峭，若管內阻力發生改變，恒扭矩模式下流量隨管路系統阻力變化的程度比恒功率模式下小，因此在施工中疏浚土質粒度變化或者輸送濃度變化對系統流量的擾動較小，系統運行比恒轉速和恒功率運行更穩定。一般設置泥泵的目標工況工作點在額定扭矩、95%額定功率點[3]。其中，5%的裕量是為了保證土質粒度和漿體濃度波動下的系統穩定性，因為目標工況可以看作是一個工作點平均值，即時間段內的平均漿體濃度和平均土質粒度。

在泥沙輸送中，管道阻力存在一個阻力最小點，這個點對應的流速稱之為關鍵流速。顯然，系統運行在該點的效率最高[4]。為了得到最佳輸送效率，系統需保持在關鍵流速點運行，即恒流量運行(如圖2所示AQ段)。恒流量能很好地避免超流量情況下的較大阻力損失，同時還可以控制振動和磨損在可接受范圍內，但控制泵轉速需要額外的設備，比如變頻裝置。

2 驅動設備特性

以往絞吸挖泥船泥泵功率較小，一般采用柴油機驅動。近年來建造的絞吸挖泥船逐步趨于大型和超大型化，多采用變頻電機驅動水下泥泵，柴油機驅動艙內泥泵。隨著變頻技術的發展，最近幾年大有變頻驅動替代柴油機驅動艙內泥泵的趨勢。不同驅動設備的固有特性會影響甚至決定泥泵的性能。

柴油機通過齒輪箱直接驅動泥泵的方式不需要其他能量轉換等中間環節，具有較高的傳動效率，是目前挖泥船艙內泵的主要驅動方式。柴油機的典型負載特性曲線如圖3所示。一般要求泥泵柴油機具有恒扭矩特性，即全負荷特性AB接近AE。

圖3 柴油機特性曲線[5]

變頻驅動特性曲線如圖4所示。一般變頻驅動泥泵會設置泥泵轉速在100%額定轉速以下時恒扭矩運行(AF段)，在100%～120%額定轉速范圍內以恒功率模式(AB段)運行。很明顯，采用變頻驅動的泥泵可在整個功率和轉速范圍內通過控制系統實現各種模式的自由變換。

圖4 變頻電機特性曲線[6]

3 不同驅動形式下的泥泵特性

第1節所述泥泵的各種特性僅僅是理論特性，其真正的工作特性取決于驅動設備的負載特性。因此，須把驅動設備和泥泵作為一個整體考慮。

配單速齒輪箱的作用僅僅是為了使柴油機轉速與泥泵轉速匹配。從圖5可以看出，配單速齒輪箱的柴油機驅動泥泵特性曲線完全受制于柴油機的特性。當排距、漿體濃度或土質粒度減小時，泥泵轉速降低到ED段，柴油機由于燃燒不完全開始冒黑煙。為提升短排距時柴油機的性能，目前設計的大型挖泥船泥泵大多會配置雙速齒輪箱。

圖5 柴油機通過單速齒輪箱驅動泥泵特性曲線

雙速齒輪箱有兩種配置模式：一種稱為高傳動比齒輪箱，即齒輪箱處于高傳動比模式時泥泵在額定轉速下運行；另一種為低傳動比齒輪箱，即齒輪箱處于低傳動比模式時泥泵在額定轉速下運行。采用低傳動比齒輪箱的情況下：泥泵在高速(包括額定轉速)運行時，齒輪箱在較小轉速比模式下運行，如圖6AE段所示；泥泵在低速運行時，齒輪箱在較大轉速比模式下運行，如圖6OP段所示。齒輪箱大轉速比在OP段運行時，對于泥泵來講，相當于在齒輪箱小轉速比狀態下的EQ段驅動，從圖中可以看出，這種配置模式能夠顯著延長泥泵的運行范圍。圖6所示的柴油機運行曲線AE、OP段對應的泥泵運行曲線為圖7所示的AE、OP段。由于一般船舶所有人優先考慮船舶的生產能力，即泥泵在高傳動比模式下正常運行，如果遇到特殊情況(挖巖石或加長排距)，即齒輪箱須提升泥泵轉速在低傳動比模式下運行時，相當于柴油機依然在如圖6所示的CA、AE段運行，而泥泵在圖8所示的C'A'、A'E'段運行，這就需要配置高傳動比齒輪箱。

圖6 帶高傳動比雙速齒輪箱的柴油機特性曲線[6]

圖7 柴油機通過高傳動比雙速齒輪箱驅動泥泵特性曲線

圖8 柴油機通過低傳動比雙速齒輪箱驅動泥泵特性曲線

為使泥泵運行性能更好，效率更高，有的挖泥船采用柴油機加三速齒輪箱模式，有的科研機構甚至試圖通過行星齒輪實現所謂的無級調速模式。圖9為柴油機通過三速齒輪箱驅動泥泵特性曲線。

圖9 柴油機和三速齒輪箱驅動泥泵特性曲線

變頻電機驅動泥泵的特性曲線如圖10所示，可以看作柴油機配多速齒輪箱驅動泥泵特性曲線的外包絡線。

圖10 變頻電機驅動泥泵特性曲線

4 經濟性分析

從圖10給出的恒轉速、恒功率、恒轉矩和恒流量多種控制模式下的泥泵特性曲線可以明顯看出：對于管阻曲線R，恒轉速運行時的產量比恒轉矩運行時提高8%，同時能耗增大20%；恒功率運行模式下的產量比恒轉矩模式下增大5%，消耗的功率增大12%；恒流量運行模式下的生產能力比恒轉矩模式下降低8%，消耗的功率降低14%?？梢?，特征曲線越陡峭，產量越低，能耗越小，且當管內阻力變化時，流量的改變越小，系統運行越穩定。

4.1 系統效率

任意系統的效率均取決于其各個組件的效率。泥泵系統的總效率為

η=ηde·ηswb·ηgb·ηfc·ηm·ηg·ηt·ηoth

(3)

式中：ηde為柴油機效率；ηswb為配電板效率；ηgb為齒輪箱效率；ηfc為聯軸器效率；ηm為電動機效率；ηg為發電機效率；ηt為變壓器效率；ηoth為其他組件總效率。

表1為柴油機滿負荷時各種驅動方式的總效率，表2為柴油機60%負荷時各種驅動方式的總效率。從表1和表2可以看出：當柴油機滿負荷運行時，如果僅從效率角度考慮，柴油機直接驅動效率最高，電軸驅動次之。如果柴油機受泥泵負載的限制，負荷只能達到平時的60%時(見表2)，情況就會有所改變。柴油機加低傳動比三速齒輪箱驅動的系統效率和直流電網系統的效率最高，達42%；交流電軸系統效率最低，達35%；交流電網系統接近直流電軸，達41.2%。可見，柴油機加低傳動比三速齒輪箱驅動系統的效率在60%以上負荷運行時最高。但是，在選擇驅動系統時，效率并不是唯一考慮的因素，經濟效益還受其他各種費用的影響。

表1 柴油機滿負荷運行時各種驅動方式的總效率 %

表2 柴油機60%負荷運行時各種驅動方式的總效率 %

4.2 平均年度費用

采用平均年度費用作為衡準指標比較各方案經濟性，其計算式為

(4)

式中：i為年利率；P0為初始投資；N為營運年限；t為計算期中的第t年；Yt為第t年年度營運費用。

某挖泥船交流電網驅動泥泵方案費用比柴油機加雙速齒輪箱驅動方案高4%，報價4.3億元，泥泵總功率1.1 MW，按照每年工作2 000 h，維修保養費用、人員工資、備件耗材、其他費用分別為初始投資2.0%、1.0%、0.5%、1.0%計算，工況簡化為100%負荷和60%負荷兩種。100%負荷運行所占不同時間比例施工狀態下對應平均年度費用如圖11所示。從圖11可以看出，只有當滿負荷工作比例高于70%時，柴油機驅動的經濟性才能優于變頻驅動方案。

圖11 平均年度費用比較

4.3 施工能力

在土質變化非常大的區域，或在接近挖泥船施工上限的工況下，只有變頻驅動和柴油機配高轉速比多速齒輪箱才具有超轉速和提供額外排壓的能力，但是在柴油機驅動方案中只有配置低轉速比齒輪箱才能改善其在短排距工況下的經濟性?？梢?，究竟采用哪種驅動方式，不僅需看船舶的經濟性，還需考慮整個船隊施工能力的建設，甚至需考慮船隊的壯大和更新計劃。

5 結 論

對配置不同驅動形式泥泵挖泥船的經濟性和施工能力開展研究，提出了一種基于整個疏浚公司船隊建設和主要業務特點的泥泵驅動方案決策方法，給出了不同船隊規模(大小船舶匹配)、不同工程特點(排距、土質)、不同生產能力船舶的泥泵經濟驅動方式。

(1) 若本船是船隊中最大施工能力船舶，但比本船施工能力低的船舶梯隊完整，則選擇配置柴油機加高轉速比多轉速齒輪箱驅動，這樣可以最大程度提高船隊施工能力，提升公司經濟效益；

(2) 若本船是船隊中最大施工能力船舶，且比本船施工能力低的船舶非常欠缺，則選擇配置變頻驅動，這樣可使船隊在承接短排距工程時獲得最大經濟效益；

(3) 若本船是船隊中最小施工能力船舶，但在排距5 km、中粗砂工況的生產能力大于2 000 m3/h(布置地位比較適中)，則選擇配置變頻驅動；

(4) 若本船是船隊中最小施工能力船舶，但在排距5 km、中粗砂工況的生產能力小于2 000 m3/h(布置緊湊)，則選擇配置柴油機低傳動比多轉速齒輪箱驅動更為合理。