18 000 m3耙吸式挖泥船泥泵系統設計

倪永亮

（大連中遠海運重工有限公司，遼寧大連 116113）

0 引言

挖泥船是挖深、加寬和清理航道、疏浚碼頭以及吹沙填海的一種工程船舶，而耙吸式挖泥船以機動靈活、效率高、抗風浪能力強的特點得到廣泛應用。

大連中遠海運重工建造的18 000 m3耙吸式挖泥船是將置于船體右舷的耙頭放入水底，利用水下泥泵的真空作用，通過耙頭和吸泥管吸入泥漿進入挖泥船的5 個泥艙中，以邊吸泥邊航行的方式工作。泥艙裝滿后，起耙航行至拋泥區開啟 底部泥門卸泥，或通過艏部主泥漿管路盡頭 的噴管進行吹填作業，或通過艏部主泥漿管路盡頭另一路分支管線連接水上管線輸送泥漿到拋泥區。不管是吹填作業還是通過連接泥管輸送泥漿，其動力都來自于船泵艙中的2 個泥泵，因此泥泵是挖泥船作業的重要設備[1-3]。耙吸式挖泥船工作示意圖見圖1。

1 吸泥排泥管線設計

如圖2 所示，泥耙在水底通過水下泥泵的作用將泥漿吸入5 個泥艙。當需要進行排泥作業時，位于泵艙的2個泥泵會將泥漿從5個泥艙中吸出， 并通過左舷主泥漿管線及艏部的艏吹管或艏連接管進行排泥作業。

圖1 耙吸式挖泥船工作示意圖

圖2 吸泥排泥管路原理圖

2 泥泵水下泵變頻器系統

泥泵和水下泵是挖泥船主要設備裝置，本項目在泵艙內配備了2 個7 500 kW 的泥泵，主要用于往外排泥作業，在泥耙管里配備了 1 個3 400 kW的水下泥泵，主要用于船舶水底吸泥作業。

泥泵和水下泵的運轉動力來自變頻器控制的泥泵馬達和水下泵馬達，其系統框圖見圖3。6.6 kV高壓配電板分別經移相變壓器給2 個泥泵變頻器供電，再由變頻器分別給2 個7 500 kW 泥泵馬達供電。根據系統工況，水下泥泵和2 個主泥泵不會同時工作，所以2 個主泥泵變頻器也兼給水下泥泵供電。

變頻器的工作原理是先將電網輸入的交流電變為直流電，然后再在變流電路中將直流轉變為頻率可調的交流輸出。變頻器具有結構簡單，輸出頻率變化范圍大，功率因數高，諧波易于消除，可應用于各種大功率設備等優點。本項目是數字控制IGCT 集成門極換流晶閘管（Integrated Gate Commutated Thyristor）變頻器，IGCT 具有高速開關功能，可以把直流電壓調制成任何寬度的直流脈沖電壓PWM 信號，高速開關的性能使得任何頻率可以調制出來[4-5]。

圖3 泥泵水下泵變頻器系統框圖

下面對本項目的泥泵水下泵變頻器信號和功能進行闡述。

2.1 變頻器重要的信號及狀態

2.1.1 本地/遠程模式

如果該信號為“1”，意味著變頻器處于遠程模式，必須由外部命令控制。如果該信號為“0”，則表示變頻器處于本地模式，變頻器必須由本地控制面板結合人機接口顯示屏控制。

本地操作可以使用本地控制面板與觸摸屏結合使用，要使用本地控制面板來啟動系統，必須按照下面的順序：

1）將選擇開關從本地控制面板切換到本地控制。

2）用選擇開關選擇水下泵（UWP）模式或泥泵（SDP）模式，這種選擇只能在逆變器不運行的情況下進行。

3）變頻器輸出開關將根據泵的模式選擇改變其位置。

4）按下人機接口觸摸屏（HMI）中的“連接”按鈕。

5）變頻器啟動直流預充子程序，當直流已預充完，自動向主配電板對應變頻器的開關發送合閘信號。在這一過程結束時，完好的變頻器將被連接，并將等待接收與所選泵模式相對應的啟動允許信號，并發出準備運行（RFR）信號。

6）在人機接口觸摸屏（HMI）中按下“開始”按鈕，逆變器開始運行。

7）在這種狀態下，變頻器正在等待一個速度設定值，這個值可以通過HMI 彈出的窗口來改變。

遠程操作模式下，變頻器需接收外部信號，由挖泥船特有的綜合監測控制系統（IMC）進行控制。

2.1.2 準備就緒信號RFU

RFU 信號/狀態意味著變頻器準備好了，操作員可以發送連接命令。該信號在變頻器運行時保持激活狀態。

在這些情況下，此信號會被設為“1”：1）沒有鎖定；2）沒有應急停止；3）沒有關斷信號；4）主配電板對應變頻器的開關可以使用；5）變頻器初始條件完好（與水壓、溫度等內部參數相關）。

2.1.3 準備運行信號RFR

RFR 信號意味著變頻器已經連接，可以從遠程/本地操作開始運行逆變器，并且變頻器運行時，這個信號保持激活狀態。

當變頻器和逆變器處于下面狀態時此信號為“1”：1）有準備就緒信號；2）模式轉換開關至少選擇在一個位置，水下泵（UWP）或泥泵（SDP）；3）主配電板對應變頻器的開關已合閘供電；4）外部條件允許運行來自AMS 的允許運行啟動信號；5）馬達的滑油和頂升系統完好；6）維修時用的工作開關未啟動。

2.1.4 運行信號

這個信號意味著無論電機的實際速度如何，逆變器都在運行，該信號狀態為“1”，即使實際轉速為0 r/min。

2.1.5 變頻器故障公共報警

這是變頻器的公共警報，用于發送到AMS報警監測系統。

該信號包括以下故障類型：

1）變頻器鎖定

這個信號意味著變頻器內部出現了重大故障。當該信號/狀態出現時，將導致變頻器完全停止，并斷開主配電板對應變頻器的開關。

下面2 種信號用于斷開主配電板的開關，并且通過不同的硬件完成。

（1）斷開命令信號，通過連接到主配電板開關中的分閘線圈實現。

（2）主配電板開關最小電壓線圈緊急斷開信號，通過連接到主配電板開關中的欠壓脫扣線圈實現。

2）關斷信號

這個信號會導致逆變器停止，但主配電板開關保持合閘狀態。通常這個信號/狀態與水冷機組溫度過高或故障相關。

2.1.6 警告

這個信號意味著機器的某些參數超出了正常運轉的范圍。狀態不緊急，變頻器沒有自動響應。通常，當某些溫度達到危險級別時都會發出警告。

2.1.7 吸泥/排泥模式

這個信號表示變頻器必須在模式之間選擇。運行模式的改變意味著CPU 必須改變輸出轉換開關的參數設置和位置。在變頻器操作運行期間這個信號的突然改變將被忽略，只有逆變器不工作時模式選擇才有效。從圖3 框圖中可以看到，只有1 個變頻器可以給水下泵供電，因此提供1個電氣聯鎖以避免在2 個變頻器控制功能中都選擇水下泵吸泥模式。

需要注意的是即使其中1 個變頻器因沒有控制電壓而完全斷開時這種電氣聯鎖也需提供，因這種安全的聯鎖方式是使用輸出開關的輔助觸點，不需要CPU 的干預，以此來保證系統工作的安全可靠性。

2.1.8 啟動允許信號

提供了2 個啟動允許信號，1 個用于水下泵，1 個用于泥泵。此信號若不激活將阻止變頻器的運行，但不會影響其連接。通常，這個信號與機械剎車、盤車裝置或馬達、齒輪箱等的滑油單元有關。

2.1.9 頂升/滑油系統故障

此信號表示馬達滑油單元的頂升系統或滑油系統出現了問題。

1）當電機在150 r/min 以下運行時，而頂升系統壓力低于低報警壓力，AMS 將激活該信號，變頻器將使馬達停止運行；

2）如果滑油流量下降到報警值以下，AMS將激活該信號，變頻器將使馬達停止運行。

2.1.10 維修用工作開關

工作開關僅用于維修操作，它不同于應急停止按鈕，其工作原理如下：

1）如果在馬達“運行”時激活，不起任何作用；

2）如果在馬達“不運行”時激活，工作開關將避免或阻止逆變器啟動。

2.2 變頻器連接順序

連接順序必須在IMC 外部控制之前進行，必須執行下列程序：

1）變頻器為準備就緒狀態，等待連接命令。

2）當通過硬線接收到連接命令時，變頻器啟動直流預充電子程序。當直流已預充完成，自動向主配電板開關發送合閘信號。如果變頻器沒有在預定的時間給直流母線充電，則報警“超時充電”。

3）選擇工作模式，吸泥或排泥模式。

4）變頻器將發送更改轉換開關位置的命令，以及對所選電機的參數進行設置。這種選擇只有在逆變器沒有啟動時才有效。

5）在這個階段，變頻器已被連接并且正在等待相應的外部啟動允許信號來獲得準備運行（RFR）狀態。

2.3 變頻器啟動順序

按照之前的順序，當接收到啟動指令時，變頻器將啟動逆變器，但保持轉速為0 r/min。

該系統在速度設定值模擬輸入中裝有滯后現象，這個功能是必要的，以避免緩慢旋轉的電機由于常見的噪音模擬信號而快速旋轉。

2.4 變頻器停止順序

當接收到停止命令時，變頻器將停止電機運轉，然后逆變器將停止工作，沒有斷開主配電板開關或內部斷路器的連接。電動馬達將停止并且沒有外部控制，停止是一種可控的斜坡下降過程。

2.5 變頻器功率限制

AMS 會根據PMS 的控制向變頻器發送一個功率限制信號，變頻器會據此限制功率使用，即使馬達速度設定值高于此限定值，變頻器也不會發出更大的功率。

如果當前速度設定值所需的功率高于AMS發送的功率限制值，則變頻器將激活一個數字量輸出信號指示“降負載/功率限制開啟”。

2.6 變頻器降功率

由于以下3 種特殊情況，變頻器功率可能會降低（降低到預先設定的功率值）：

1）由于變頻器內部報警，一般是由于超溫。

2）來自AMS 發出的數字量信號“降功率命令”，該信號來自于電機繞組/軸承溫度或變壓器繞組溫度過高。

3）來自防止全船失電算法激活信號。

當降功率發生時，變頻器會發出一個數字輸出信號“降功率信號激活/功率限制開啟”。

2.7 全船失電預防算法

失電預防是一種根據輸入發電機頻率限制逆變器功耗，防止發電機過載的算法。如果發電機頻率值低于設定的限制（Fr_Vin_L），則根據增益值逐步降低功率。因此，功率的降低與頻率的降低成正比，頻率越低，功率的降低越低。當頻率值恢復時（由參數Fr_Vin_H 建立的限制），功率開始根據ramp 參數中建立的值恢復其初始值。

圖4 在失電預防算法中的降功率圖表

3 AMS 和IMC 系統對泥泵水下泵系統的監測及控制

AMS 是報警監測系統（Alarm Monitoring System）的簡稱，IMC 是綜合監測控制系統（Integrated Monitoring And Control System）的簡稱，IMC 系統是挖泥船特有的系統，它是負責監測控制挖泥相關設備的專有系統。AMS 和IMC相輔相成，AMS 主要用于監測報警，IMC 主要用于控制。

AMS 系統作為IMC 控制系統和變頻器系統的接口系統用于工作模式選擇，而馬達和輔助設備則由IMC 系統進行控制。在AMS 和IMC 系統間有一個串口通訊，挖泥系統和IMC 所控制設備的必要信號由AMS 系統完成監測，而AMS 和IMC 系統間的重要信號則通過硬線連接。

當變頻器處于遠程控制模式下，操作者可以通過AMS 選擇哪個變頻器用于連接水下泵，這種模式的選擇將通過串口通訊傳遞給IMC 系統。操作者可以在IMC 系統中選擇挖泥操作模式：1）左變頻器排泥；2）右變頻器排泥；3）吸泥。一旦在IMC 中選擇了吸泥模式，AMS 系統將激活所選擇的變頻器，轉換相應輸出開關的位置到水下泵，參數的設置自動匹配水下泵使用要求。出于安全考慮，在變頻器中有一個硬線電氣聯鎖，泥泵/水下泵模式轉換只能在逆變器不運行的情況下進行。另外，如果選擇左變頻器用于水下泵控制，則無法再選擇右變頻器控制水下泵，只有當左變頻器改為泥泵模式時，右變頻器才可以選擇水下泵模式。其他如變頻器連接命令、啟動允許信號、降功率命令都是通過AMS 系統傳遞給變頻器的。另外，馬達和變壓器的繞組溫度、馬達軸承溫度、馬達滑油單元的報警監測都是通過AMS 系統完成。

IMC 作為挖泥設備的控制系統，負責泥泵/水下泵的起停，所有輔助設備如泥泵馬達本體散熱風機的起停，泥泵馬達滑油單元上的滑油泵馬達、頂升泵馬達的起停，泥泵齒輪箱上滑油供給泵馬達、備用泵馬達的起停，以及水下泵油脂單元油脂泵的運行監測等。

4 結論

隨著我國海洋運輸行業的發展，要滿足越來越多的大型船舶進出港和碼頭停泊需求，需要挖泥船這種大型工程船舶進行港口和碼頭清理。另外，挖泥船也是我國發展南海填海造島的利器。因此，挖泥船的建造前景會非常廣闊。通過本文以上系統介紹，能使設計者知道變頻器的設計要滿足產品功能和安全，通過泥泵和水下泵工作模式的不同，可以采用共用變頻器來達到滿足設計要求的同時還能節省成本。