“長江流域從上游到下游，泥沙沉積總體呈逐步細化演變，在長江下游和長江口水域沉積的泥沙更細，板結后挖掘較難，但挖泥船挖掘進泥艙后卻又很難沉淀。針對這種土質的高效疏浚，和以往常規(guī)的挖泥船疏浚設計理念將有所不同。”
4月27日，中國船舶工業(yè)集團公司第七〇八研究所中標長江航道局13800立方米耙吸式挖泥船，這是近期國內較大的挖泥船新建項目，也是長江水域內最大一型耙吸式挖泥船。同期，七〇八所為長江航道局設計的6000立方米耙吸式挖泥船項目也在扎實推進。這兩艘船都將用于長江下游12.5米深水航道的維護疏浚。
沈志平，七〇八所海洋工程部資深專家，我國高性能大型挖泥船實現(xiàn)自主研發(fā)設計建造的參與者。這回，他再次帶隊，承擔6000立方米和13800立方米耙吸式挖泥船設計工作。他說，雖然現(xiàn)在并非大型挖泥船的建造高峰期，但國內相關技術、理念的發(fā)展并沒有停止步伐。七〇八所設計團隊將針對長江中、下游特殊的作業(yè)環(huán)境和作業(yè)需求，開發(fā)設計出更高效、高適應性的挖泥船，國產(chǎn)挖泥船有新看頭。
針對長江航道需求，開發(fā)特定船型
“長期以來，我國主要跟隨國外挖泥船的發(fā)展趨勢和技術進行設計開發(fā)，引領性技術創(chuàng)新缺乏。設計中也偏重于經(jīng)驗性，對系統(tǒng)設計的深入設計研究不夠。”沈志平表示。上世紀90年代后期，國際疏浚業(yè)迎來了“黃金10年”。隨著亞洲地區(qū)的經(jīng)濟復蘇 ，大型交通基礎設施以及陸地吹填工程的實施，促使疏浚理念接連發(fā)生重大變化，一大批更加現(xiàn)代化、技術形態(tài)更先進的挖泥船應運而生。同時，也催生了中國疏浚裝備設計建造的“黃金年代”。2005年開始，國內各大航道局都需要更新挖泥裝備，由此掀起了一波大型耙吸式挖泥船的建造高潮。
主流挖泥船主要包括耙吸式挖泥船和絞吸式挖泥船。其中，耙吸式挖泥船適合在如沙質土、淤泥等較為疏散的土質環(huán)境下作業(yè)，因此，在長江和沿海水域和航道的疏浚作業(yè)得到廣泛應用。2006年，七〇八所為長江航道局開發(fā)設計了8000立方米耙吸式挖泥船“長鯨2”，為中交集團上海航道局有限公司開發(fā)設計了13500立方米大型耙吸式挖泥船“新?；?rdquo;，開啟了我國挖泥船自主研制的征程。此后，七〇八所集中設計了多型大型耙吸式挖泥船，形成了系列船型，其中最大的耙吸式挖泥船泥艙容積達20000立方米。
“長江流域從上游到下游，泥沙沉積總體呈逐步細化演變，在長江下游和長江口水域沉積的泥沙更細，板結后挖掘較難，但挖泥船挖掘進泥艙后卻又很難沉淀。針對這種土質的高效疏浚，和以往常規(guī)的挖泥船疏浚設計理念將有所不同。”沈志平介紹。因此，針對長江口的特殊土質，七〇八所項目團隊開始進行專題論證，根據(jù)長江航道的特殊需求，研發(fā)適應長江中下游疏浚作業(yè)環(huán)境和條件，更具適應性、更具高效率和更具環(huán)保性的挖泥船。據(jù)了解，前述6000立方米和13800立方米耙吸挖式泥船技術方案就分別采用了全電力驅動和“一拖二”的驅動方式，并配備水下泵提高吸入性能。
把握作業(yè)特點，創(chuàng)新實踐新型動力裝置配置
就動力驅動型式而言，早期的中小型耙吸式挖泥船主要為獨立驅動，挖泥船的推進裝置、泥泵裝置以及高壓沖水泵裝置分別采用獨立的柴油機驅動。隨著耙吸式挖泥船朝大型化發(fā)展，其動力驅動方式也向復合驅動型式發(fā)展，復合驅動型式主要有“一拖三”和”一拖二”，即主機除驅動推進裝置外，還同時驅動泥泵和軸帶發(fā)電機，軸帶發(fā)電機提供高壓沖水泵等疏浚作業(yè)裝置和全船的電力需求。
復合驅動方式兼顧了耙吸式挖泥船航行和各種疏浚作業(yè)工況的動力分配特點，減少了全船的動力裝置配置數(shù)量和裝機功率。沈志平介紹，剛中標的13800立方米耙吸式挖泥船將采用“一拖二”的復合驅動方式。相對”一拖三“驅動方式，主機除驅動推進器外，還驅動軸帶發(fā)電機，由軸帶發(fā)電機提供包括泥泵在內的疏浚裝置電力需求，泥泵、高壓沖水泵采用變頻電機驅動。這種方式將泥泵從主機直接驅動分離出來而采用變頻電機驅動，則可根據(jù)不同的疏浚工況需要，調節(jié)泥泵的運行速度。如果按照傳統(tǒng)的“一拖三”的復合傳動方式，泥泵運行工況點會受限，主機由于驅動泥泵，在泥泵的運行過程中也容易出現(xiàn)轉速的波動，會影響整船電網(wǎng)的穩(wěn)定性。“伴隨變頻技術的成熟，‘一拖二’的方式已經(jīng)成為目前業(yè)內普遍采用的挖泥船驅動方式，并成為趨勢。在此基礎上，船舶推進器也可進一步考慮采用電機驅動，成為全電力動力驅動形式，能夠進一步提升挖泥船的復雜作業(yè)工況的適應性和靈活性。”沈志平介紹。
因此值得一提的是，七〇八所為長江航道局設計的6000立方米耙吸式挖泥船即嘗試采用了設計理念更為領先的全電力驅動。“這是國內耙吸式挖泥船首次嘗試，在國外案例也很少。”沈志平表示，由于用于長江作業(yè)的耙吸式挖泥船作業(yè)環(huán)境條件、作業(yè)要求多變，在動力驅動配置方面需兼顧更多方面論證考慮。
“全電驅動可根據(jù)各種不同的作業(yè)條件和作業(yè)要求配置相應的動力需求，能充分適應不同的工況要求。”沈志平指出。一般而言，以往在設計階段制定一艘船的設計指標往往根據(jù)極端的作業(yè)條件和最大的作業(yè)要求，而往往對挖泥船的平常作業(yè)條件工況忽視給予關注。比如，一艘挖泥船的最大挖泥深度是30米，但很多情況下可能只需要挖十幾米，且作業(yè)環(huán)境條件也不是設計極端條件。在此情況下，船上原本配置的動力裝置并不需要在額定工況下運行，這使得動力裝置可能常常會處于一種不利的負荷狀態(tài)下運行，不利于動力裝置的高效運行，也不利于節(jié)能環(huán)保。
通過對以往設計經(jīng)驗的總結，以及國內上一波挖泥船建造熱潮期用戶的反饋，雖然目前采用全電驅動的6000立方米耙吸式挖泥船還處在設計階段，還需要通過實船建成和營運來進行驗證和比較，但考慮到全球船舶動力技術發(fā)展采用綜合電力集成的趨勢越來越明顯，用戶對挖泥船提升作業(yè)能力、優(yōu)化作業(yè)系統(tǒng)以及全船布置和注重節(jié)能環(huán)保等要求的不斷提升，七〇八所進行這樣的創(chuàng)新開發(fā)實踐是值得的。（文：李儼兒）
