耙吸挖泥船全电力驱动发展趋势

刘厚恕 戴 菁

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

耙吸挖泥船全电力驱动发展趋势

刘厚恕 戴 菁

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

［摘 要］尽管耙吸挖泥船作业工况多变、系统设置繁复，然而最近几年来，国外耙吸挖泥船在全电力驱动发展方面仍取得可喜进步，该文就这方面作简要介绍。

［关键词］耙吸挖泥船；全电力驱动；趋势

引 言

目前世界上船舶动力技术（无论民用、海工或军用）采用电力系统综合集成的发展趋势［1］已越来越明显，船舶动力的这种电力系统综合集成即是将船上动力机械能源全部转换成电力，同时提供给推进用电和全船其他作业工况及日用设备用电，实现能源的综合利用与统一管理。这是普遍认同的高效、灵活、节能、环保的能源供应系统。对于耙吸挖泥船来说当无例外，电力驱动除却初投资略高、技术复杂外，装船功率能得到综合利用，且系统噪音较低、布置方便、推进轴系短、有利于提高装载能力等诸多好处。

1 耙吸挖泥船实施电力驱动有难度

由于耙吸挖泥船作业工况多变、系统设置繁复以及对于浅水作业适应性的特殊要求，使得该型船在电力驱动的开发应用方面难度非比寻常。国际知名挖泥船制造商IHC曾为此展开过相关水动力试验研究［2］，鉴于耙吸挖泥船经常性的浅水作业特点，IHC在这一特定研究中，除了常规型船尾以外，特针对三种不同形式的船尾（即裸轴型、双尾鳍型、吊舱型）进行了浅水航行试验对比，其吊舱型结构被认为最适合于电力驱动，但其研究结论却表明：“采用机桨一体化的吊舱型结构对于浅水的适应性较其他两型船尾差，且成本较高，对于挖泥船来说，目前难以形成实用方案，尚需作进一步探索。”

然而，IHC的上述论断并未能打消其他疏浚厂商对耙吸挖泥船全电力驱动的追求和探索，几乎在IHC进行该项水动力试验的同时，欧洲四大疏浚公司之一的扬德努公司便结合自身船队发展项目，对拟建的4 400 m3姐妹耙吸船进行了全电力驱动的首试并取得成功。

2 欧洲已投产的全电力驱动耙吸挖泥船

以下就国外近年来已投产的几型全电力驱动耙吸挖泥船作简要介绍，希望引起国内业界关注。

2.1 4400m3全电力驱动型姐妹耙吸挖泥船

4400m3姐妹耙吸挖泥船——“Francesco Di Glorgio”号［3-5］和“Taccola”号成功首创耙吸挖泥船全电力驱动。单耙、单泵的配置使该型船得以免去泵舱设置，将仅有的一个泥泵置于机舱的右侧，使机、泵舱合二为一；全回转电力推进的采用，使其省却长轴系设置，不仅优化了动力配置，更便于泥舱设置，使该船泥舱相对长度达到创纪录的54%（较同型非电力驱动船泥舱长度约增10%），既有利于泥舱装载能力的提高，也有利于泥沙载荷沿船长方向的均布，从而减小静水弯矩、减轻结构质量。通常，较小型耙吸船的布置很难达到如此境界。

该型姐妹船均设有首吹，并采用全通甲板形式、V型泥舱以及单列4只对开泥门，具备当今耙吸挖泥船的主要性能特征。其主要尺度为：总长95.3m、垂线长84.7m、型宽21.0m、型深8.5m、疏浚吃水7.2 m、舱容4 400 m3、载重量8 180 t、挖深25 m、吸/排直径1×900/800 mm、泥泵 功率1×1 250 kW/1×3 000 kW、主 机功率2×2 812 kW、船舶发电机650 kW、首侧推1×550 kW、设双电驱动Indar转动导管螺旋桨、推进功率2×2 150 kW、总装机功率6 330 kW、航速12.6 kn、定员17人。

该型姐妹船均由西班牙IZAR旗下的Astillero de Gijon船厂建造，并且已于2003年交付。船东扬德努公司不仅拥有世界最大舱容（46000 m3）的耙吸挖泥船，而且在耙吸船的全电力驱动发展方面亦拔得头筹。值得注意的是，扬德努公司在4 400 m3姐妹耙吸船全电力驱动开发设计中，没有采用IHC试验中所用的吊舱型船尾结构。

图1 “Francesco Di Glorgio”号

2.2 3400 m3全电力驱动型姐妹耙吸挖泥船

在先前的4 400 m3姐妹耙吸挖泥船全电力驱动的尝试获得圆满成功之后，扬德努公司再度签约建造了两艘3 400 m3全电力驱动耙吸船——“Alvar Nunez Cabeca De Vaca”号（见图2）和“Sebastiano Caboto”号，但合作伙伴为我国新河船厂。该厂早前同扬德努公司密切合作，并为其建造过多艘3 700 m3开体耙吸船和开体泥驳。新打造的这两艘姐妹耙吸船也是扬德努公司2007年至2011年20亿欧元一揽子发展计划的组成部分。

图2 “Alvar Nunez Cabeca De Vaca”号

该型姐妹船同样为带首吹的单边耙吸船，所采用的全电力驱动设置较多台变速运行的单柴油机机械传动运行稳定，此外，Z型定距桨的配备更使得该姐妹船在调速及初投资方面具有明显优势。该型船主要参数为：总长93.25 m、型宽19.8 m、型深7 m、疏浚吃水5.0 m、舱容3 400 m3、载重量4 800 t、挖深26.5 m、吸管直径1×800 m、泥泵功率1 250 kW（装舱）/2 000 kW（排岸）、推进功率2×1 000 kW、总装机功率4 100 kW、航速11.5 kn、定员14人。

该姐妹船分别于2011年的7月和9月交付使用，它们的入列使扬德努公司在耙吸挖泥船船队的全电力驱动进程中一路领先。

2.3 2300 m3全电动耙吸挖泥船

2300 m3全电动耙吸挖泥船“Ukd Orca”号［6］为双耙、单泵设置、内河航道及河口实施单耙作业、进行维护性疏浚的全电力驱动耙吸挖泥船，船东为英国疏浚公司（Ukd）。该船由荷兰Barkmeijer船厂建造，2010年6月交付。船上共设有3台柴油发电机组（3×1 200 kW），这种柴油电力装置的主要优点在于：可在低转速状态下获得高转矩，从而获得低速运行状态下良好的操纵性；空载及压载状态下调遣航行时，只需启动一台机组，最大航速可达10 kn，具有良好的燃油经济性。疏浚作业时采用2台机组，第3台备用，使装船动力资源得到充分共享；同时，航速仅和有效功率大小相关，不再受制于主机最大转速；由于船舶惯常处于浑浊泥水中作业，易于遭受磨损，故不必设置可调距螺旋桨，使初投资得以降低。

“Ukd Orca”号（见图3）的主要参数为：总长78.0 m、垂线长75.95 m、型宽15.85 m、型深6.35 m、疏浚吃水5.6 m、舱容2373 m3、载重量3270 t，泥舱内设单列6只泥门，挖深25 m、吸管直径2×700 mm、泥泵功率1×800 kW、主机功率3×1 200 kW、停泊发电机功率1×140 kW、首侧推功率1×500 kW、推进采用2只Z型HRP定螺距舵桨、功率2×1 500 kW、总装机功率3 740 kW、航速12 kn、定员12人。

该船不设首吹，船舶尺度规模及总功率设置与我国长江中游现有900 m3耙吸船相似，但疏浚能力、功率因数和推进比功率等重要指标均明显优于后者（见表1），全电力驱动设置的节能优势尽显其中。

图3 “Ukd Orca”号

表1 长江既有2 000 m3、900 m3耙吸船及国外三型全电动耙吸船主要技术参数表

续上表

此外，比利时2009年建造的1 160 m3内河耙吸挖沙船“Nicole”号以及同期鹿特丹Vuyk工程公司开发设计的骨料疏浚船“Sandstorm”号也都采用全柴油电力驱动。并且同样具有良好的燃油经济性及低排放效果，尽管目前这样的船还不多、也不算大。

上述中小型耙吸挖泥船全柴油电力系统的相继开发成功，为大型及大型以上耙吸挖泥船的动力发展积累了有益的经验。

3 长江航道维护疏浚期盼全电动耙吸船

挖泥船对长江航道的维护疏浚与促进沿江经济的发展举足轻重。20世纪70年代中期，为确保长江水运的发展及航道畅通，国家投入重金先后向日本和荷兰订购了多艘先进的500 m3耙吸挖泥船。20世纪90年代中后期，鉴于国内疏浚装备技术的长足进步，国家再次注入重金，自主建造了性能可靠且更加满足用户要求的2 000 m3和900 m3两型耙吸挖泥船共9艘，一举实现对长江中下游业已陈旧的进口耙吸船的换代更新［7］。就该2 000 m3型耙吸挖泥船而言，其在设计上大胆采用多项新技术，如带高压冲水的耙头、泥泵抽舱系统及单列泥门的设置、泥舱装卸系统新技术的引进等，投产后经济效益显著，并先后获得船舶总公司和上海市等多个奖项，展示了当下国内挖泥船设计制造技术及配套水平，从而使新形势下长江航道运能和运量的矛盾得到化解。

转眼间，又一个20年轮回迫近。在最近20年间，无论国际还是国内，疏浚技术和疏浚装备都迎来了史上极佳的发展时期，我国国民经济持续健康发展，对长江黄金水道的运载能力必将提出更高的要求。该投入什么样的新船型来替代20世纪90年代国内建造的这批耙吸船呢？相信长江航道的护卫者早已未雨绸缪。依笔者拙见，按照当今疏浚船舶发展理念，节能、环保、浅水作业性能更好且功效更高的耙吸船［8］理应受到青睐，而在动力配置上若采用全电力驱动，则更能顺应耙吸船的发展趋势，借以华丽升级。实现这一目标难度固然不小，但并非遥不可及。除了本文前面所介绍的国外已有船型可资借鉴外，国内专业人士在耙吸船全电力驱动船型的研究方面早就有所投入［9］，更何况最近我院已成功研发可用于三峡库区的2 000 m3/h全柴油电力驱动自航吸盘挖泥船“吸盘2”号，使该船无论在调遣航行还是在多功能疏浚作业工况下，其性能均较早前的“吸盘1”号有了明显的提高。笔者之一也曾致力于该项目的前期方案论证。相信“吸盘2”号的开发成功，将有力推动长江航道耙吸船的全电力驱动发展。

图4 2000 m3/h全电力驱动吸盘挖泥船“吸盘2”号

为便于比较，笔者已将国产2000 m3和900 m3耙吸船以及国外近期开发的三型全电力驱动耙吸船船型资料均汇集于表1，表列中的5型船都在5 000 m3以下。考虑到今后30年内，长江下游航道治理的实际需求，全电力驱动目标船型规模大致定位在舱容4 500 m3、装船功率6 500 kW 左右。船型特征方面，可在浅吃水、肥大型船的设计基础上，充分汲取“航浚10”号（2 000 m3）的成功经验；而在疏浚功能、动力配置方面，拟参照国外3 400 m3和4 400 m3船进行配备，并增设首吹，航速12～13 kn。对比2 000 m3船便不难发现采用全电力驱动的节能优势。如按长江中游要求进行功能定位，目标船型可参考“航浚15”号（900 m3）和国外2 300 m3船来进行设计和配备，规模大小拟按舱容2 500 m3、装船功率按4 000 kW配置。在中小型船全电力驱动取得成功的基础上，向大型、超大型船的目标进发。

4 结 论

（1）电力系统综合集成动力技术因其高效、节能、环保以及操作管理简便等优势，在国内外船界引起广泛重视，尤其工况多变的工程作业船，因其在装船动力的综合利用方面更具优越性，不少国内用户已率先取得这方面的业绩。

（2）耙吸挖泥船装船设备多、作业工况繁复且多为浅水作业，国外迄今仅少数中小型耙吸船获得装船应用，新船型研制确有相当难度。

（3）国内有关设计单位在耙吸挖泥船电力推进技术研究等方面已积累了相当经验，近年来更获得2000 m3/h吸盘挖泥船全电力驱动的研制成功。只要目标船型功能定位合理、技术攻关路线明晰，相信我国新一代全电力驱动的耙吸挖泥船定会迅速破茧而出。

［参考文献］

［1］ 陈永道.船舶动力系统现状及发展趋势［J］.机械制造与自动化，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（疏浚与港口建设中国版），2003，八月号：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］ 郭晓浩，陈源华，刘厚恕.从更新进口1 500 m3耙吸挖泥船实施看我国挖泥船技术的进步［J］.船舶，2003 （2）：36-63.

［8］ 刘厚恕. 国外挖泥船发展新态势［J］.船舶，2009（6）：1-7.

［9］ 朱涤，吴斐文.耙吸挖泥船全电动电力推进船型方案之探讨［J］.船舶，2008（5）：36-41.

［中图分类号］U674.31

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0001-05

［收稿日期］2014-12-22；［修回日期］2015-02-05

［作者简介］刘厚恕（1940-），男，研究员，研究方向：船舶总体设计研究。戴 菁（1972-），女，高级工程师，研究方向：船舶项目管理。

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