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6500 m3耙吸式挖泥船动力装置选型研究

更新时间:2016-07-05

0 前言

近年来,全球市场经济复苏,迎来了疏浚业发展的黄金周期,我国中小型耙吸式挖泥船的设计建造水平仍难以满足市场日趋增长的需要。疏浚船舶的动力装置是后期整个工程运营成本中最主要因素。国外巨头公司的船舶广泛采用3~4台主机装船,通过一拖多的方式进行混合拖动,极大程度上提高了设备利用率,降低了功率闲置几率。我国中小型耙吸式挖泥船的动力系统利用率低、能源消耗大,运营成本居高不下,已经与节能减排的时代背景格格不入。

中交集团上海航道局6500 m3耙吸式挖泥船建成交付用于上海长江口深水航道的维护疏浚,对船舶的技术先进性和节能减排特性要求高,船舶主尺度参数如表1所示。本文以该船动力装置为研究对象,进行动力配置方案选择、主机选型研究和能力校核计算,利用基于层次分析法的模糊综合评价模型和最大隶属度原则在备选方案中确定出适用于目标船的最佳的动力配置方案。

表1 挖泥船主要参数

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1 工况及动力配置方案

耙吸式挖泥船作业方式决定其主要的机械设备除了有常规的柴油机、推进装置、发电机组、船首侧推外,还配有用于疏浚作业的泥泵、冲水泵、液压泵等。耙吸式挖泥船的工况多变,注定会出现多设备、多任务的交叉作业。为使得目前的耙吸式挖泥船能更好地应对多变的作业需求,其动力推进系统应相应具备多种驱动模式。

1.1 目标船不同作业工况及其功率需求

1.1.1 主要作业工况

由于耙吸式挖泥船属于疏浚类船舶且区别于其他类型,作业工况频繁多变。根据其作业特点通常分为调遣航行、耙吸挖泥、淤泥排岸、靠港停泊和应急工况等。根据目标船舶的设计要求,主要作业工况有如下几种:

1)航行调遣工况:目标船空载以经济航速航行至施工区域;

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2)航行抛泥工况:目标船满载航行至指定点抛泥并返回;

3)挖泥装舱工况:目标船低速航行放下耙头挖泥装舱直至满载,航速约6 kn(50°疏浚深度30 m);

4)排岸工况:目标船用舱内泥泵抽出泥砂,通过吹岸的方式排空,舱内泥泵单泵工作,船舶处于锚泊或动态定位状态。

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华北事变以后,日本加紧了侵略山东的步伐,除了利用军事和经济手段加强对山东的控制和掠夺,还采取文化手段实现“精神殖民”,一方面推行奴化教育,另一方面破坏山东教育机构,企图对山东民众实现精神控制,达到长期占领中国的目的。加之山东广大农村地区文艺活动极度封建、落后,农民整体文化素质不高,因此,党在山东抗日根据地的文化动员是在极端艰难的情况下顽强开展的。

为了满足目标船在非应急工况下的航行控制性能和疏浚作业要求,估算了主要的动力装置、辅助机械及疏浚设备在各工况下的功率需求,如表2所示。

推进装置和疏浚泥泵是功率消耗大户,但在不同的工况,两设备的峰值刚好成功避开,使得总功率相差不是太大。其次,该船属于中小型耙吸船,故只配备有1台高压冲水泵和1台耙吸泥泵,这为动力装置的选型提供了足够的空间。

本文研究分析了了当污水流速为0.15m/s、0.2m/s和0.25 m/s堵塞换热系数的变化趋势,并与工程实际应用时的实验数据进行了对比.图1为污水流速对污水侧换热系数的影响,从图上可知,当污水流速增加时换热系数随之增大,当污水流速为0.15 m/s,污水侧换热系数约921 W/m2·K;当污水流速增大到0.25 m/s,污水侧换热系数约 1280W/m2·K,污水增大67%,换热系数增大约38%.

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表2 主要设备各工况下满载分配kW

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1.2 目标船可选的动力配置方案

综上不同方案的适用性分析结果来看,初步选取3种方案作为该船的动力系统配置方案,依次为,

1)“一拖三”复合驱动方案:柴油机飞轮端经由一进双出减速箱拖动可调螺距螺旋桨和轴发,自由端同样经由减速箱驱动疏浚泥泵或高压冲水泵。

2)“一拖二”复合驱动方案:柴油机飞轮端经由一进双出变速箱驱动变距螺旋桨和轴发,其疏浚泥泵和高压冲水泵均由变频电机拖动。

式中:ηc——传动设备、推力轴承和中间轴承等的总传动效率,减速齿轮箱为0.95~0.97

3)“一拖三”和“一拖二”混合配置,以适应目标船的设计要求。其中“一拖三”是柴油机飞轮端经由一进双出减速箱驱动变距螺旋桨及轴发,自由端经由双速减速齿轮箱拖动高压冲水泵。“一拖二”是柴油机飞轮端经由减速箱拖动变距螺旋桨,自由端通过1台双速减速齿轮箱拖动泥泵。

2 动力装置选型指标分析

在动力装置选型时,船东的侧重点偏向于在保证船舶各工况下作业性能的前提下,追求更低的投资成本和更高的经济效益。所以,在进行船舶推进装置选型时还必须要从动力性、经济性方面的指标去分析比较[1]

2.1 动力性分析

根据目标船的设计任务书要求的电力和功率需求,不同推进装置中的轴带设备不同,故其主机功率选择也会随着轴带设备而变化。初步统计的不同动力装置配置形式下的各主机和柴油发电机的功率需求汇总如表3所示。

表3 初步统计各推进形式的功率需求和主机型号kW

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其中,设计专家、船厂项目部、船东设备部对每种性能指标的期望值不尽相同,故采用了三个评价组。

表4 各型号主机的主要参数

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2.2 经济性分析

船舶成本开支的主体是动力装置,而柴油机的燃油消耗约占动力装置全部运营成本的50%[2]。为了保证目标船建造和营运的经济性和竞争力就必须做好船舶主机的经济性分析,选用工作效率高、燃料能耗低的柴油机。

目标船3种方案主要设备在其功率区间的评估价格如下:

“一拖三”方案所选用的5000~6000 kW主机单台价格约为1300万元,加上变距桨、减速箱和轴带发电机等主要机械设备的总额约为3000万元。

“一拖二”方案所选用4000~5000 kW柴油机单台价格约为1000万元。在此方案中,增加了泥泵电机、变频器、变压器等电气设备,轴带发电机容量也有所增加,全套设备总价约为3300万元。

“一拖三”和“一拖二”所选3000~4000 kW主机单台价格约为900万元,5000~6000 kW主机单台价格约为1300万元,加上减速箱,变距桨、轴发等主要装置的总价约为2900万元。

3 动力装置选型综合评价

2)螺旋桨前端的轴功率即为螺旋桨收到的功率 PD见式(2):

3.1 综合评价整体框架

依据在前两章所述方法中可确定下来3种方案,采用三层综合评判,更能客观、准确的去评判;也能避免因素过多时,权数过小又经取小运算淹没评价因素值,而引起权重难以分配的弊端。图1为三层综合评判的流程。

图1 三层评判流程图

各型号主机的主要参数如表4所示。

3.2 各评价组因素集隶属度确认

隶属度常常应用在定量指标的数学模型的建立,传统数学方法在对评价指标满意度的建模上很难发挥作用,所以使用隶属度过渡。对因素集各指标确定隶属度可根据模糊分布或者打分统计并归一化的方式,详见表5。

表5 三评价组的因素集隶属度

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3.3 应用层次分析法确定最佳方案

根据动力装置配备方案的选型结果,选用一拖三和一拖二混合驱动的形式。验证所选主机是否达到了目标船在各工况下的动力需求,进而验证所用方法和模型的可行性及准确性。

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对项目评价组收集到的数据进行模糊运算得到最后评价集。

由最大隶属度原则可知,最优的方案是方案3“一拖三和一拖二的混合搭配”。依据选型方案,目标船的动力配置如图2、图3所示。目标船动力装置配套机械如表6所示。

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图2 左舷动力配置图

图3 右舷动力配置图

表6 动力装置配套机械

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4 选型方案验证

从定性分析到定量分析的经常使用层次分析法,量化了人们对各个因素重要性的主观决策的定性分析,直接决定复杂系统的层次化。使用层次分析法确定各指标的权值更加客观、准确。

4.1 航行工况功率验算

目标船的设计要求在新油漆的船体、平均型吃水7.00 m、平静的深海水域、无限航道宽度、风力不超过蒲氏2级、每根尾轴推进功率即螺旋桨接收的功率为2400 kW时,船舶试航航速12.9 kn。

1.1.2 主要设备负载

螺旋桨推力功率验算步骤:

1) 轴功率Ps指的是在尾轴管前轴端的输入功率,见式(1):

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对于动力装置选型过程中需考虑多重因素,通常以定性分析为主,并根据设计方、建造方、船东方的要求建议等进行综合考虑并确定最佳方案。由于设计方、建造方、船东方的经验、观念、要求带有一定的主观性、模糊性和随意性,导致最终的决策不一定满足要求。近年来广泛普及的模糊综合评判方法,是运用模糊数学、统计学[3]知识原理,使主机选型建立在量的比较基础上。主要是通过AHP与模糊评判相结合所建立的数学模型对3种候选方案进行综合评价,得出最理想的动力装置配备方案。

式中:ηstern——船尾管内轴承及密封装置的总传动效率,为 0.985~0.99

由上述过程可计算得出,左舷动力装置能提供给螺旋桨的最大功率为3368.7 kW,右舷动力装置能提供给螺旋桨的最大推力功率为4295.1 kW,能够满足目标船航速的设计要求。

4.2 挖泥装载工况功率验算

目标船在50°疏浚深度30 m的航行速度大约为6 kn,在航行状态下使用耙管挖泥并装舱直至满载,每根尾轴推进功率1300 kW。 此工况下主柴油机将为以下设备提供动力。

1)左舷主柴油机:轴带发电机供应全船用电、高压冲水泵、可调螺距螺旋桨。 其中,轴带发电机按75%负载计算,需要的功率为1200 kW,高压冲水泵最大工作负载为890 kW,螺旋桨需要1300 kW的功率,考虑到轴系和减速箱箱的传动效率,则在挖泥装载工况下左舷机械设备需要的功率为

故左舷主机MAN 6L3244CR在100%MCR时3600 kW满足该工况的功率需求。

2)右舷主柴油机:疏浚泥泵、变距螺旋桨。其中,疏浚泥泵在1400 kW功率下工作,螺旋桨需要1300 kW的功率,同样需要考虑轴系和齿轮箱的传动效率,则目标船在该工况下右舷机械设备需要的功率为

故左舷主机MAN 9L3244CR在100%MCR时4590 kW满足该工况的功率需求。

4.3 排岸工况功率验算

当目标船处于排岸的工况时,泥泵抽出舱内泥砂,通过吹岸形式排空,此时利用锚泊或DP定位来保持船舶位置,螺旋桨不工作。

此工况下,主柴油机将为以下设备提供动力,左舷柴油机主要拖动轴带发电机和冲水泵,假设柴油机的功率维持在100%负载1600 kW,提供船舶首侧推DP定位和船上其他设备的电力需求。冲水泵最大工作负载为890 kW。右舷主柴油机只驱动泥泵进行大功率的排岸工作,此时泥泵最大的工作功率为4030 kW。考虑到轴系和齿轮箱的传动效率,则目标船在该工况下左舷机械设备需要的功率为2621 kW,右舷机械设备需要的功率为4263 kW。

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动力装置选型方案能够满足目标船在排岸工况下的各机械设备的功率需求。

5 结语

以6500 m3耙吸式挖泥船动力装置为研究对象,进行了动力配置方案选择、主机选型研究和能力校核计算,采用基于层次分析法和模糊评价法进行了综合评判,并根据最大隶属度原则确定了最优的配置方案。最后,根据目标船的工作特性,对航行、挖泥、吹岸主要工况进行了功率验算,且验算结果满足设计要求。根据对比分析的结果,得到如下结论。

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1)每一种拖动方案都有自己的优势和劣势,在满足目标船的整体性能和疏浚能力要求下,通过综合评价的方式得出“一拖三”和“一拖二”混合搭配驱动方式为目标船最佳的配置方案,同时也成为当今中小型耙吸式挖泥船的主流拖动方案。

2)功率负载较大的疏浚泥泵、高压冲水泵、为船舶提供电力的轴带发电机由柴油机驱动,降低大功率负载对船舶电力系统的要求,且通过减速箱传动,也保证了主机能在稳定转速下运转,很好地控制了船舶成本和操作。

[参考文献]

[1]于洪亮,段树林,陈刚.船用主机的选型[J].大连海事大学学报,2004(4):23-26.

[2]祝晓.对船舶主机选型的经济性阐述[J].经济建设.2015(5):50-51.

[3]吴东杰.主推进装置优化设计及仿真研究[D].武汉:武汉理工大学,2012.

潘峰
《船舶设计通讯》 2018年第2期
《船舶设计通讯》2018年第2期文献

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