大型自航耙吸式挖泥船“新海凤”轮机概述

盛卫明

（中港疏浚有限公司 上海 200129）

0 引 言

挖泥船使用相当广泛，它不仅在航道整治方面发挥作用，还在水利清淤、港口建设、海底管线敷设、围海造田、深海取砂以及建造岛屿等众多领域发挥着至关重要的作用。我国自主研发并建造的最早的大型耙吸式挖泥船是由上海江南造船厂建造的“劲风轮”和“险松轮”，后更名为“航浚4001轮”及“航浚4002轮”，又因市场结构调整，“航浚4002轮”被改造成了“金星洋”号油船。而“航浚4001轮”历经40载的风雨，目前仍在服役中。

我国以前的大型耙吸挖泥船主要以进口为主，基本由日本、荷兰等国垄断着建造市场，在设计、建造和使用中也处处受制于国外。国际上处于领先地位的少数发达国家均有百年以上的研发历史，长期引领疏浚工程技术的发展，占领着全球的重要行业市场，并对外实行技术封锁，独享疏浚产品这块大蛋糕。

在此背景下，上海航道局联合七○八研究所、广州文冲船厂和其他相关单位，在我国、政府的支持下，果断决定“国轮国造”，开创了新世纪国内大型耙吸挖泥船的建造先河。代表船舶包括:上海航道局“新海凤轮”、“新海牛轮”、“新海马轮”， 天津航道局的“通旭轮”、“通程轮”；2000年，由挖泥船强国荷兰IHC公司保持的世界记录——23000 m3超大型耙吸挖泥船被德国LMG公司以疏浚界的巨无霸——33000 m3超大型耙吸挖泥船所取代［1］。

本文以16888 m3大型自航耙吸式挖泥船“新海凤轮”为目标船型，通过分析、介绍该轮设备配备和布置情况，探求大型耙吸挖泥船的特点，为国内研制超大型（17000 m3以上）耙吸挖泥船提供一定的技术储备，紧抓机遇，加速提升我国疏浚船舶产品的研发能力和市场竞争能力。

1 “新海凤”轮的设计参数

1.1 主尺度及动力配置估算值

1.2 疏浚性能

1.2.1 挖掘土质

本船可挖淤泥、粘土、细粉砂、中细砂、粗砂、碎石和卵石。

1.2.2 装舱

疏浚土质为中细砂，挖深到35 m计算出的有效装舱时间大约为82 min（泥舱内载泥量13200 m3，舱内泥浆密度为1800 kg/m3）。装舱时间是基于双泵、进舱泥浆平均密度为1250 kg/m3和22%平均溢流损失计算的。疏浚土质为中细砂，挖深到45 m时，计算出的有效装舱时间约为102 min。装舱时间是基于双泵、进舱泥浆平均密度为1200 kg/m3和22%平均溢流损失计算的。泥泵作业时最高转速约为181 r/min。

1.2.3 吹岸

两台泥泵串联将上述中细砂（泥舱内载泥量13200 m3，舱内泥浆密度为 1800 kg/m3）通过 3000 m长的管线（不包括船上的排泥管）泵出时，吹岸时间约为103 min，吹岸时间是以管线直径为1000 mm和标高为6 m得出的。吹岸时，每台泥泵轴端的可用功率为6550 kW，相应每台泥泵的转速290 r/min，泥泵齿轮箱在高速档运行。当用两台泥泵串联吹岸时，吹岸距离可达到5000 m。

1.3 总体性能

1.3.1 自由航速

船舶在船体新油漆、平均吃水10.0 m、航道宽度不受限的深海平静水域、风力不大于蒲氏2级且每台主机推进最大持续功率在11600 kW时，可达到16.0kn自由航速。此时船舶所需主要电力（约1050kW）由主交流发电机组提供。

1.3.2 挖泥航速

当平均吃水10.0 m、挖深35 m、使用双耙挖泥时，对水航速约为8.0 kn，即船对地航速约为3.0 kn，逆流流速为5 kn。

2 “新海凤”轮设备配备的确定

作为国内目前最大的大型耙吸挖泥船，“新海凤”轮的设计瞄准了国际先进水平，而轮机系统的设计思路也紧追国际先进技术，主要体现在:动力装置“一拖三复合驱动”技术的应用；高效导热热油系统的应用；针对耙吸挖泥船混浊海水环境的冷却水（取水）系统设计和多工况点泥泵封水系统设计等方面，使本船的轮机系统设计理念接近国际先进水平。

2.1 主机动力系统——先进的“一拖三”复合驱动模式

大型自航式耙吸挖泥船有一个重要的技术指标，即动力系统装机总容量（主机和辅机，不包括应急机组）与泥舱容积的比值，称之为单位泥舱装机功率（单位:kW/m3）。除主推进系统外，泥泵、高压冲水泵、艏侧推、液压系统等配套设备也是能耗大户。如按以前设计思路去设计耙吸船动力系统，推进器、泥泵、发电机，甚至高压冲水泵都由柴油机作为原动机进行驱动，那么在这样一艘大型耙吸挖泥船上将配置多达10台柴油机，计算单位泥舱装机功率往往会大于2 kW/m3，甚至更高。这样一来，挖泥船初投资高，造成经济性下降，且船体舱室布置困难，减少了有效装载容积。因此，柴油机的增多必将造成能耗增大，对环境污染的可能性也加大。

近十几年来，国外大型超大型耙吸船的单位泥舱装机功率逐步下降，现一般都已在1.5 kW/m3以下，先进的实例已小于 1 kW/m3［2］。分析得出，这些单位泥舱装机功率较低的耙吸挖泥船主要得益于采用了先进的“一拖三复合驱动”技术。正常疏浚作业时，主机往往运行在40%～80%的负荷下，尚有许多富裕功率。因此就推出了“一拖二”、“一拖三”等各种复合驱动模式。

“一拖二”一般是指主柴油机既作为主推进系统的原动机，同时也可以作为带动轴带发电机的原动机；“一拖三”则更为复杂，即一台主柴油机不仅能为船舶提供主推进系统的动力，同时也可作为轴带发电机的原动机以及泥泵的原动机。这样，主机基本运行在60%～100%的负荷区间，既保证柴油机功率的充分使用，也大大降低了整船的单位泥舱装机功率。整船柴油机台数减少意味着装机容量减小、有效装载容积增加、初投资大大降低、营运成本包括日后柴油机的总维护成本也大大降低，其经济性不言而喻。

“新海凤”轮选用的是Wärtsilä生产的16V38B主机，2台主柴油机型式为单作用、四冲程、筒形活塞、直接喷射、增压、带中间冷却、V型、不可逆转中速船用柴油机，其规格性能如下:

按ISO 3046/I-1986（E）国际标准规定条件

燃油净热值不低于42700 kJ/kg（ISO 8217∶1996（E））

“新海凤”轮在航行工况时，主机带动主推进系统和轴带发电机，主机长时间保持在85%～100%负荷状态下运行。在疏浚作业时，主机带动主推进系统、轴带发电机以及泥泵进行作业，主机长时间保持在70%～90%负荷状态下运行，大大提高了主机的利用率。投产后主机年平均运行时间为8000多小时。

表1 新海凤轮在各个工况下的主机负荷分配图表

2.2 功率管理系统——智能化的体现

由上述可知，采用复合驱动，最大限度地利用了主柴油机的功率，同时降低了疏浚船舶的营运及维修成本，在方便船员操纵管理船舶的同时，大大降低了船员的工作强度。 复合驱动模式下的功率管理系统（PMS）有别于一般货船的功率管理系统，不仅仅对电站的负荷能够进行有效合理的分配和调节。在“一拖三”复合驱动模式下，泥泵的接合排和调速运行将直接影响到主柴油机的运行特性，也就是说主机的功率输出随时在变化，有时甚至是瞬间大功率变化。“新海凤”轮的功率管理系统就是要在这种工况下完成功率的合理分配和调节，保证全船在各个工况下的功率需求和配电模式的转换。

功率管理系统通过采用起动辅发电机或优先脱扣非重要负载、减少主推进器功率（减螺距）、减少艏侧推功率（减螺距）、减少高压冲水泵功率（减速）来防止主机及主发电机过载，实现主发电机、可调螺距桨CPP和泥泵之间功率的平衡。主要表现以下几个方面:

（1）主机正常全负荷航行时，由于各种原因均可能造成主机过载，比如由于航道水深变化、舵角的变化、CPP螺距的变化、桨叶根部绕到渔网等。此时PMS就通过计算获得主机超功率信息后给出一个指令到推进控制系统，推进控制系统就通过减小螺距来确保主机的正常运行。

（2）疏浚作业时（特别是在大潮汛），双耙作业时主机负荷往往要达到90%～100%，这时就比较容易发生主机过载情况。在泥泵接合排时，通过信号的采集输入到系统中，系统程序通过计算主机富裕功率与泥泵合排所需功率进行比较，满足条件的情况下才允许泥泵合排。疏浚过程中，如果主机超载情况发生，首先通过降低高压冲水泵的转速来降低功率，如降低到泵停止仍不能满足要求，就继续通过减小CPP螺距来进行调节，直至满足工况要求。

（3）吹填作业时，特别是在泥泵进行高-高双泵串联作业模式下，泥浆浓度的变化、主推进系统螺距的变化、侧推螺距的变化等也会导致主机过载。在这种情况下，PMS就计算后通过减小侧推螺距与高压冲水泵的转速来进行适当调节，满足主机工况要求。

PMS功率管理系统的采用，是复合驱动的大型耙吸挖泥船的自动化程度提高的标志。“新海凤”轮在复合驱动模式下，柴油机的负荷主要由主推进系统、泥泵和轴带发电机以及辅助设备的负荷组成，对各部分负荷监控并同时进行合理分配与管理是“一拖三”驱动方式必须解决的重中之重。镇江船舶电气有限公司利用国外IMTCH公司原有的设计技术，通过前期的程序设计和模拟试验，终于解决了这一难题。在实船使用过程中，PMS功率管理系统充分发挥了高效智能化优势，在功率管理与分配上严格执行程序设定，没有出现差错。

2.3 热油系统的运用——高效的导热性能

首先来了解一下热油锅炉的发展背景。热载体加热器是一种利用导热油作为导热媒体的加热系统，也称为热油锅炉加热系统。这种新型热能转换设备是20世纪30年代发展起来的，80年代起在船舶上得到越来越广泛的使用。热油锅炉与传统的蒸汽锅炉相比具有更多优越性，在技术和经济上有许多优点:

（1）热油的沸点高，具有低压高温特性，可保持高温液态下低压循环运行；而蒸汽锅炉的饱和蒸汽温度或过热蒸汽温度要达到热油的高温，则需要超高压运行。

（2）热油没有水的凝固膨胀现象，在温度极低的寒冷区域也不会发生停用期间冻结而导致管路设备爆裂。

（3）系统内被热油充满，没有汽、液、固相关变化过程，不易结垢、无腐蚀性、无需经常清洗。

（4）只有膨胀油柜和储存柜，无需进行水处理。

（5）没有蒸汽的冷凝热损失，虽然热油的传热系数小，热油加热器的热效率小于80%，但是热油加热系统的总效率要比蒸汽锅炉高10%～20%，属于节能型设备。

（6）回收排气能量高，可达12%，初投资比蒸汽装置少25%。

（7）热油装置布置简单，类似于集中供热系统，对温度控制比蒸汽锅炉精确，调节灵活、容易操作。

（8）运行、停止和日常维护比蒸汽锅炉简单。由于热油锅炉基本上没有漏泄情况产生，相对蒸汽锅炉来说，对系统的保温和环境的污染相对较少。

下面以“新海凤”轮热油系统为例，介绍船舶热油系统基本概况。热油系统主要由两台互为备用的热油循环泵、两台可以并联使用的废气锅炉、一台燃油辅助锅炉、一个热油膨胀柜、油舱柜等热能用户、管系阀件以及控制系统等主要部件组成。热油首先通过热油循环泵泵出后，经过两个并联的废气锅炉进行加热；然后再进入燃油辅锅炉再次加热（如前面温度已达到设定温度，燃油辅锅炉就不起动）；出来后到达各个用户；最后回到热油循环泵形成一个封闭回路。见图1所示。

“新海凤”轮:

从上述设备参数可以看到，“新海凤”轮辅锅炉额定功率就相当于其他船舶主机的单机功率。因此如何充分利用主机排气的余热，尽量减少辅锅炉的日常使用，对降低船舶燃油消耗至关重要。高导热性能热油系统的运用，不仅节省了能源，也大大降低了船舶对海洋与环境的污染。

2.4 中央冷却水系统——科技精华的体现

以前船舶上的许多设备大多是通过海水进行冷却。随着设备增多，配备的冷却水泵及相关附件如滤器、阀件、冷却器、管系等也越来越多。由于海水对设备、管路及附件具有很大腐蚀性，而且当冷却海水经过被冷却设备时，海水温度升高使腐蚀更甚。这对船东的营运成本和船员的使用维护极为不利。因此，随着中央板冷技术的提高，越来越多的船舶采用中央冷却水系统。下面就“新海凤”轮的中央冷却系统进行介绍分析。图2为“新海凤”轮冷却水原理图。

“新海凤”轮整个中央冷却水系统主要由左右高/低位海底门、四个海水滤器、二个海水缓冲柜、三台主海水泵、两个中央板式冷却器、中央淡水系统（包括三台低温水泵、各个用户等）、管系以及相关阀件和控制系统等组成。

中央冷却系统的出现，大大减少了海水管线的长度，也降低了管系的腐蚀和日常维护管理。在海水管线中，同时增加了ACG防海生物装置对整个海水系统设备的防护。左右高低位海底门可以满足船舶不同营运状态下的使用。首先，港内停泊时可以使用外侧高位海底门和滤器，防止港内漂浮物进入海水系统，引起海水管系、滤器和冷却器的堵塞；其次，海上航行时可以使用左右低位海底门和滤器，防止船舶在横摇时露出海底门造成海水系统进入空气，影响设备安全。船上其他设备通过中央淡水系统中的介质淡水进行循环冷却，正因为冷却介质是淡水，所以对各个设备的腐蚀明显降低，甚至基本没有腐蚀。在中央淡水系统中配备了低温水温控阀，通过系统中的温度传感器接收信号再输入到温控阀控制器，由温控器内部PLC逻辑控制程序来自动调节温控阀的开度，确保低温水温度保持在设定范围内。整个低温水系统中还安装了淡水添加剂浓度自动监控和投药装置，在很大程度上确保了淡水系统水质的可靠性，同时也降低了船员的劳动力。

2.5 疏浚液压系统

“新海凤”轮液压系统包含主液压系统和耙唇液压系统。主液压系统用于控制和驱动耙管收放、大小泥门启闭、闸阀和蝶阀启闭、锚机、绞缆机驱动等，耙唇液压系统用于耙唇油缸的伸缩和恒阻力控制。

2.5.1 主液压系统

系统由16000 L油箱总成，右舷液压泵站、左舷液压泵站、循环冷却泵组、6只波浪补偿器蓄能器罐、7组应急蓄能器组、各控制阀组和平衡阀组、各执行机构和中间管路组成。各液压泵为PARKER的PV系列比例柱塞泵，由电机驱动，能按给定比例电磁铁输入的电信号提供需要的液压油。泵出的液压油驱动耙头吊架油缸及绞车、耙中吊架油缸及绞车、弯管吊架油缸及绞车、锚机、绞缆机、24组大小泥门油缸、所有闸阀、蝶阀、2个溢流筒油缸、艏吹装置、波浪补偿器等船上液压系统设备，所有液压系统设备操作均集成至IHDCS疏浚集成控制系统，由疏浚台操作人员通过电脑控制屏上指示在键盘上完成操作。

2.5.2 耙唇液压系统

系统由液压泵站、耙唇油缸、中间管路组成。主要指耙头在水下进行耙吸作业时，根据不同的河床环境以及耙唇油缸内部压力变化来改变耙唇的角度，从而达到增加泥浆吸入浓度，提高耙吸装舱能力的效果。

2.6 泥泵封水及闸阀冲洗水系统

“新海凤”轮泥泵共有2台，泥泵为高效率双壳式离心泵，型号BJ238-1200B，四叶式叶轮。泥泵转向（视自泥泵进口侧）右泵为逆时针，左泵为顺时针。每台泥泵经双速减速齿轮箱，分别由主柴油机驱动。

双壳泵的主要特征是外泵壳包容内泵壳，内泵壳为压力补偿型。由于内泵壳为压力补偿型，故其一直可使用至接近于磨穿，且当内泵壳破裂时，泵舱也不会进水。为防止泥砂对泥泵吸口处泵壳衬套和轴封的磨损，泥泵需在吸口侧及轴侧设置水封。轴端封水系统是通过一股连续的封水以防止渗进的泥浆水窜入轴封。在轴端封水系统之外，吸入端封水系统是在吸口端提供有一股连续的封水，以防止泵出的泥浆水窜入叶轮与吸口泵盖之间。泥泵封水系统要根据所选泥泵的型号及泥泵的工作情况进行设计选型。图3为“新海凤”轮封水系统原理图。

“新海凤”轮泥泵共有2个工况点:挖泥时泥泵流量25200 m3/h，压力0.23 MPa；排岸时泥泵流量16200 m3/h，压力0.785 MPa。为提高排距，左右舷泥泵可以串联使用，右舷泥泵作为一级泵（低压泵），左舷泥泵作为二级泵（高压泵）。泥泵在工作过程中有挖泥工况、吹填排岸工况。吹填时根据吹距可以选择右泵单泵高速吹泥，也可以双泵串联。其中双泵串联又分为低—高和高—高串联。封水系统的设计要考虑满足泥泵在各个工况下对封水的要求。由于泥泵工况点十分复杂，在以往封水系统的设计中为满足泥泵的不同工况点，对泥泵封水泵进行串联、并联设计，所需设备多、管路复杂且操作十分麻烦。“新海凤”轮封水泵采用ABB变频电机驱动，可根据泥泵的转速和压力来调整封水泵的流量和压力，使系统简化。同时，闸阀密封件在闸阀冲洗水的保护下，有效保证了闸阀在使用过程中的正常关闭。

3 结 论

近年来，大型耙吸挖泥船的设计与建造在我国取得了快速发展。尽管我国起步较国外晚，但发展势头迅猛，自2005年起，国内先后建造了许多大型自航耙吸式挖泥船，这些船无论整体性能或轮机系统的设计都已接近国际先进水平。不过我们也要清楚地看到，现在国内建造挖泥船的关键设备还依赖于进口，如主机、推进装置、发电机等。因此，如要从根本意义上提高我国的挖泥船建造水平，当务之急是如何规范和提高船舶配套设备的生产和设计以及提升挖泥船整体设计理念。在进一步消化、吸收国外挖泥船建造的先进经验前提下，总结经验教训。走出一条符合中国特色的挖泥船建造之路，打造出真正意义上的精品挖泥船！

［1］张超.大型耙吸挖泥船研究［D］.上海:上海交通大学硕士论文，2003.01.

［1］于再红.大型耙吸挖泥船新海虎轮的轮机设计［J］.船舶，2008（5）:2-3.