超大型抓斗挖泥船轮机设计与研究

许峰 周丽 樊哲林

摘 要：介绍了目前世界范围内在超大型抓斗挖泥船设计和建造的情况，针对超大型抓斗挖泥船的推进系统、主要施工设备、动力及其辅助系统等轮机关键系统进行了分析与系统设计，并提出目标船的动力配置方案。

关键词：抓斗 挖泥船 自航 轮机设计

1.课题研究背景

目前国内在超大型疏浚船舶的设计和建造方面，常见的绞吸挖泥船和耙吸挖泥船已经成功开发且广泛应用于疏浚作业，完全实现了国产化设计制造，打破了西方国家对该技术的垄断。但是在超大型抓斗疏浚船的技术理论及产业开发方面有限。

抓斗疏浚船这个类型的船舶在世界范围内的数量都极有限，目前国际上最大的抓斗疏浚船是日本设计与建造的“东祥号”和“五祥号”，其抓斗容积约200m3，工作能力约6000m3/h。国内长江重庆航道工程局前些年从日本购买了一条斗容约50m3，作业能力约1500 m3/h。 近几年中交集团的下属疏浚企业也建造了少量的抓斗疏浚船，振华重工为上海航道局建造的“新海蚌”抓斗疏浚船斗容30m3，是我国目前的自行建造的最大的抓斗疏浚船。

近年来，近海与远海的作业工程的规模越来越大，对疏浚设备的效率、成本和节能减排的要求越来越高，各国各个大型疏浚企业对大型疏浚设备的需求也越来越迫切。我国近些年也一直致力于开发新一代的大型疏浚船，并充分利用目前的新材料、新技术、新工艺、新设备等。

2.轮机部分主要系统设计与研究

2.1轮机部分概述

自航抓斗挖泥船是一种施工环境恶劣、轮机设备众多、装机功率较大、工况复杂多变的超大型工程船舶。本文主要针对该船轮机系统配置进行深入研究，结合船舶施工功能、总体布置特点、船舶自航自持需求以及相关领域先进技术进行了各个方面的分析、计算、选型与论证。对推进系统与主要动力装置进行了选型论证，对目前常用的节能措施进行分析等，最终实现全船动力系统方案的高效节能设计与系统优化。

2.2推进系统方案分析

此船作业时需要具备一定的自身定位能力，按目前的主流全电配置，还可以适当的增加预算使船舶具备一定的近距离移船和远距离调遣能力。目前常见的推进系统驱动方式按动力源分主要包括：柴油机直接驱动、电力驱动、液压驱动等。按照螺旋桨的形式分类有定距桨、调距桨、舵桨和吊舱式全回转舵桨等。

柴油机直接驱动定距桨是最简单可行的推进型式。取一种工况作为设计点，使船、机、桨的配合达到最佳。该方案的优点是所用部件种类少、耐用、数量少、推进效率较高，但其适应的工况较少、轴系需要布置空间。可调螺距螺旋桨相比定距桨系统多了桨毅机构、配油器、液压及电控系统等，比定距桨的轴系复杂，但可根据不同工况可以调整为合適的螺距，提高工作的灵活性。电力推进系统近几年越来越多地运用到了各类船上，推进轴系简单、系统布置灵活、运行可靠、控制方便。电机可以直接驱动各种螺旋桨，而且相比柴油机更能适应不同的工况。而且对工程船来讲，电力驱动能够与其他用电设备共用同一电力系统的电源，无需专门配置发电机组。

目标船作为一种自航抓斗挖泥船，不仅要满足航行与船舶施工过程中的自身定位需求，更主要的是要求简单实用、安全可靠且节能经济。根据本船总体布置情况、设备配置与动力需求等情况，有以下两种推进方案可供选取：柴油机通过双输出驱动可调桨与轴带发电机的方案，作业时电站输出用于施工设备，航行时通过减速齿轮箱输出驱动推进系统；变频电机驱动驱动全回转舵桨，后者即可解决布置难题，又能提高船舶的定位能力与操纵性能。

2.3全船动力需求分析

本船的主要施工设备抓斗机采用电液主动式方案，抓斗机的回转与升降通过变频电机驱动实现，抓斗采用在斗上布置独立的液压动力站的液压主动式方案。抓斗机所需的动力与冷却水等通过中心滑环由机舱提供。通过分析抓斗机的施工土质与抓斗本体的重量，结合抓斗机部分的各类施工工况与过程研究，抓斗机与起吊设备厂家提出了200方斗的标准作业工况，按此标准方量反馈到发电机组所需提供的最大输出功率约为9000kW。

除了抓斗机外，施工时的定位设备也是全船至关重要的作业设备，目前对于作业时常见的定位形式有锚泊定位、桩定位与推进系统的动力定位。对于施工船舶，由于要充分考虑功能需求、运营经济成本与操作便捷等因数，对目标船建议选用钢桩系统加多台绞车组成的锚泊定位方案，这两套定位设备按现有的常规配套经验，都可采用液压驱动。

根据抓斗挖泥船的作业需求，液压泵站提供的动力油源须满足钢桩同时升降的要求，多套定位绞车运行时的最大荷额，要满足台车行走油缸与锚绞车的动作需要。为了提高系统的安全可靠性，推荐主系统采用多台电机泵组并联集中供油的方案。主泵站的总功率约1200kW。

2.4主要动力装置方案及选型论证

本船的主要动力设备配置是为了满足施工与航行所需以及船上日常用电。根据全船电力负荷分析，针对主电站的配置提出两种方案。方案一为3台约4000 kW 主发电机组，方案二为4台约3000 kW 主发电机组。

方案一可以满足抓斗船多变的施工工况适应性好，能够很好的满足航行工况。采用方案二，电站组合方式更灵活，但柴油机数量多，布置相对困难且后期维护工作量相对大。上述两种方案目前在全电驱的船舶上均常见，主要涉及到总体布置方面的问题，若能解决4台机组相对方案更优。

根据前面的动力负荷需求分析与配置方案，因为所需发电功率是属于常见功率，所以世界各大柴油机厂商均有相关产品，目前世界主流柴油机品牌如MAN、Wartsilia与Mak的32系列机型均可满足要求，国内也都有相应生产厂商。实船生产时还可从成本、布置空间、柴油机排放、燃油与滑油消耗量、振动与噪音、外围配套等多个方面进行详细的对比与选取。

2.5各类节能环保技术的应用与分析

2.5.1废气余热回收系统设计

对于船舶来讲，船上存在大量机械设备需要通过燃用燃料产生热能而转化的机械能与热能，一般若不采用废热利用的柴油机的燃料热效率约40%，可看出还有一定的可开发空间。目前，柴油机排气余热的利用主要是通过废气涡轮增压器将废气能量转换成扫气空气的压力来提高柴油机的功率和效率。另外就是在排气上装废气锅炉，吸收一定的热量用于加热船上的设备、舱柜、生活水加热以及冬季的取暖加热设施等。

2.5.2节能设计

冷却系统的功率相对其他辅助系统较大，且常规的冷却系统设计中都有较多的旁通设计，而且由于系统水量也是按夏季工况所需的水量设计，所以船舶大部分运行时间该系统都有一定的余量与节能空间。目前对主海水泵采用变流量控制，在水泵变流量范围内就可以直接与用户侧的流量相匹配，在流量变化范围内没有旁通量，这就意味着没有多余的能耗。采用变频调速器来调节流量，按有关研究统计数据节电率为20%～50%。

另外就是机舱等机械处所的通风机相对常规设计也可采取一定的节能措施，风机的设计需要满足在夏季极端条件下能够保证机舱柴油机基本在全负荷的工况下可正常工作，但是全年此工况下的天数有限，若全开不仅浪费能源，而且噪音也非常大。采用变频电机驱动的风机，可根据机舱内的设备使用情况与机舱温度自动控制风机的转速，不仅达到了节能的目的，也可对机舱环境得到较大的改善。

全船空调系统的节能措施。据相关资料统计一般类型船舶空调耗能可占船舶总功率的10%左右，虽对于本船该部分所占比例更小，但其耗能量通过多种方式来降低所达到的节能效果亦很可观，可起到减少船舶运营成本。空调通风的节能现已有较多成果可供利用，如采用适合合理的回风系统布置、合理的风机选型与湿度温度控制等等。本船设计时立足于空调系统的设计，采用集中与分散相结合，充分利用船舶余热冬季加热等措施。部分特殊区域如会议室即设有独立空调又设有中央空调风管，这样可在春秋季节不需空调的时间部分区域根据需要可小范围启动空调。

2.6轮机其它动力辅助系统与船舶系统

除此之外本船还需按实际需求、法规与规范的要求配置各个相关的设备与船舶系统。同时还需关注与提前设计涉及到防止空气污染、水污染、噪声污染等必须面对的环保问题。

3.结论

超大型自航抓斗挖泥船是一种施工环境恶劣、装机功率大、设备众多、工况复杂多变的超大型工程船舶，本文提出的方案相比现有的国际上的同类型船舶，不仅增加了航行功能与適应性更强的定位功能，而且也采用了更环保高效的液电驱动的主动抓斗技术，采用了更多最新的节能环保措施。

参考文献：

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