3 800m3/h自航电动绞吸挖泥船电气系统设计

黄 兵

(江苏省船舶设计研究所有限公司,江苏镇江 212003)

3 800m3/h自航电动绞吸挖泥船按 2006版《钢质海船入级规范》设计,满足 2004版《国内航行海船法定检验规则》。该船近海航行,作业区域为沿海。

本船电气系统分为航行电力系统、挖泥作业电力系统、挖泥疏浚综合显示系统、液压控制系统、内部通信系统、外部通信系统、照明系统、泥泵机控制及监视系统、电动绞刀变频调速监控系统、横移及桥架变频调速监控系统等子系统。本船的电气系统电制为交流AC3 000V、交流AC690V、交流AC400V、交流AC230V、直流DC24V。本文结合电制逐一介绍本船的电力系统。

1 电轴系统

电轴系统是挖泥船特有的系统,由发电机直接供电给电动机的系统称电轴系统,电轴系统的特点为发电机和电动机之间直接连接。该发电机专供电动机使用,不能作为电网用电。电轴系统电动机的起动是通过控制发电机的励磁电流来实现,并组成闭环系统。电动机的调速是调发电机的原动机即柴油机的转速来实现,此时发电机的频率、电压也随着变化,电动机的转速可在 70%～100%(750～525 r/m in)之间变化,电动机以恒转矩输出。

发电机励磁电流由船上电网三相电源经电轴系统励磁柜提供。电轴励磁柜的控制使发电机的电压调节特性,按电压 U/频率F比值进行,满足电动机以恒转矩输出。电动机启动后,电动机的转速通过直接调节柴油机的速度来实施。

为了限制电动机的起动电流,电动机的起动只能在柴油机的转速小于等于70%速度(525r/m in)下起动,此时,只要对发电机施加励磁即可。这一起动只能在该速度以下才能进行。在起动期间,发电机受到强励磁的作用,以确保电动机的可靠起动。电轴系统对电动机起动冲击有良好的缓冲作用,并对系统扭振具有很好的调控作用,系统冲击负荷小,转矩传递可靠稳定。电轴系统对移动中的桥架变形具有很好的动态适应性,在动态大位移变形状态下能确保系统可靠工作。挖泥施工中证明电轴系统工作稳定、可靠、高效。

电轴系统框图如图 1所示。

本船电轴系统组成如下:

(1)发电机为TF2 540kVA水冷式船用发电机,发电机功率为 2 032kW,发电机端头输出电压为3 150V,额定电流为 466A,极数为 6P,额定转速为1 000r/min。

(2)水下泵电动机为YKS1900型水冷船用电动机,电动机功率为 1 900kW,电动机额定电压为3 000V,额定电流为 450A,极数为 6P,额定转速为985 r/min。

(3)高压柜 1只,安装在机舱内。高压柜主要测控功能有:开关量的采集、各类模拟量的测量显示、信号量的输出、事件及保护事件记录功能、电流测量、电压测量等。保护功能有:差动保护、电流速断保护、反时限过电流保护、过电压保护、零序电压保护、温度保护等。

图1 电轴系统框图

(4)励磁调节柜 1只,安装在机舱监控室。励磁调节柜进行发电机的励磁调节,发电机线圈加热,电动机线圈加热等。

(5)远程遥控板 1块,安装在挖泥操纵台上。远程遥控板的功能是控制电源合闸、分闸,励磁投入、励磁切除,故障报警等。

本船的电轴系统电力电制为交流 AC3 000V。该电气系统独立使用,就是指电轴发电机发电直接供电给电轴电动机,电轴发电机不向船上其他设备供电,电动机驱动水下泥泵。

2 挖泥作业电力系统

挖泥作业电力系统简图见图 2。挖泥作业电力系统使用交流AC690V、交流AC400V两种电制。

(1)挖泥作业机舱设 2台挖泥作业发电机,发电机为TFW 560-6-H系列发电机,额定电压690V,额定电流 1 570A,额定功率1 500kW。2台发电机可以并车使用。挖泥作业发电机主要向绞刀电机、横移绞车电机以及桥架绞车电机供电。

(2)本船配2台电动绞刀,绞刀电动机为 JFSD750-6P 750kW 785A 690V水下防水电机,该电机为国内研制。2台水下电动机均配大功率重载型变频器驱动以调节水下电动机的转速即绞刀的转速。操纵台上设置了变频器的遥控监视板。机旁设置了变频器机旁控制箱。

(3)配备 2台横移绞车变频电动机,电动机型号为YZP400L3-8-H 690V 315 kW,2台横移绞车变频电动机均配变频器驱动以调节横移绞车的转速。操纵台上设置了变频器的遥控监视板。机旁设置了变频器机旁控制箱。通过对变频器的模式及参数设定可使横移绞车在收放的过程中,放缆绞车始终保持为横张力。

(4)配备 2台桥架绞车变频电动机,电动机型号为YZP400L3-8-H 690V 315 kW,2台桥架绞车变频电动机均配变频器驱动以调节桥架绞车的转速达到调节桥架的升降速度。操纵台上设置了变频器的遥控监视板。机旁设置了变频器机旁控制箱。

(5)本船使用了 6台变频电动机,配备 6台变频器;在挖泥作业机舱旁的变频器室设有变频控制柜,变频器受海拔高度以及温度影响会降容,所以设计时变频器选型跨了 2档,绞刀电机变频器选用水冷型变频器,其余为风冷变频器。变频器室设有空调装置保证变频器工作温度在许可范围内。

(6)绞刀电机功率较大,所配的变频器功率相应也大,工作时会产生谐波影响其他电器设备的使用,所以本船配备了 12脉移相变压器、滤波器等以消除谐波。

(7)挖泥作业时许多机舱辅机同时工作,如封水泵、液压泵站、作业机舱风机、燃油输送泵等,所以作业机舱内设置了 2台 690V/400V变压器供电给挖泥作业辅机配电板向上述挖泥辅机提供电力。

(8)监控室内设挖泥作业配电板 1座,该配电板可以向航行配电板提供电力。液压控制系统、内部通信系统、外部通信系统、照明系统、泥泵机控制及监视系统、挖泥疏浚综合显示系统等所需的电力均由航行配电板提供。这种设计使用时灵活方便,如果工地的土质疏松绞刀电机就不会满载工作。挖泥作业时全船电力可由挖泥作业发电机提供,如果挖泥作业发电机电力紧张则由航行发电机供电。

3 航行电力系统

航行电力系统图如图 2所示。

(1)航行机舱内设置 2台航行发电机,发电机参数为400V,90.5A,50kW。航行时使用1台,另1台备用,2台发电机可以短时并车不断电转移负荷。

(2)航行机舱内设航行配电板 1座。该配电板主要向航行辅机及全船照明系统、内部通信系统、外部通信系统以及机舱监控系统供电。

4 应急电力系统

应急发电机机舱内设置应急发电机 1台,应急配电板 1座。应急配电板与航行配电板设联络开关,船舶正常航行时航行配电板向应急配电板正向供电;应急时应急配电板向全船应急负载供电,这时应急配电板不能向航行配电板反向供电;当船停泊时可以开动应急发电机作为停泊发电机使用,这时该发电机向全船提供电力,并且可以向航行配电板反向供电。

图2 挖泥作业和航行电力系统简图

5 液压控制系统

本船选用S7-200系列可编程序控制器组成液压控制系统,液压控制系统安装在操纵台内。

6 控制台

该船设有挖泥机舱监控台、航行机舱监控板、驾驶室航行控制台、驾驶室挖泥操纵台。挖泥操纵台设置与挖泥作业有关的控制设备及挖泥作业显示仪表,驾驶室航行控制台则设置与航行有关的设备及仪表。