“长江流域从上游到下游，泥沙沉积总体呈逐步细化演变，在长江下游和长江口水域沉积的泥沙更细，板结后挖掘较难，但挖泥船挖掘进泥舱后却又很难沉淀。针对这种土质的高效疏浚，和以往常规的挖泥船疏浚设计理念将有所不同。”
4月27日，中国船舶工业集团公司第七〇八研究所中标长江航道局13800立方米耙吸式挖泥船，这是近期国内较大的挖泥船新建项目，也是长江水域内最大一型耙吸式挖泥船。同期，七〇八所为长江航道局设计的6000立方米耙吸式挖泥船项目也在扎实推进。这两艘船都将用于长江下游12.5米深水航道的维护疏浚。
沈志平，七〇八所海洋工程部资深专家，我国高性能大型挖泥船实现自主研发设计建造的参与者。这回，他再次带队，承担6000立方米和13800立方米耙吸式挖泥船设计工作。他说，虽然现在并非大型挖泥船的建造高峰期，但国内相关技术、理念的发展并没有停止步伐。七〇八所设计团队将针对长江中、下游特殊的作业环境和作业需求，开发设计出更高效、高适应性的挖泥船，国产挖泥船有新看头。
针对长江航道需求，开发特定船型
“长期以来，我国主要跟随国外挖泥船的发展趋势和技术进行设计开发，引领性技术创新缺乏。设计中也偏重于经验性，对系统设计的深入设计研究不够。”沈志平表示。上世纪90年代后期，国际疏浚业迎来了“黄金10年”。随着亚洲地区的经济复苏 ，大型交通基础设施以及陆地吹填工程的实施，促使疏浚理念接连发生重大变化，一大批更加现代化、技术形态更先进的挖泥船应运而生。同时，也催生了中国疏浚装备设计建造的“黄金年代”。2005年开始，国内各大航道局都需要更新挖泥装备，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绞吸式挖泥船。其中，耙吸式挖泥船适合在如沙质土、淤泥等较为疏散的土质环境下作业，因此，在长江和沿海水域和航道的疏浚作业得到广泛应用。2006年，七〇八所为长江航道局开发设计了8000立方米耙吸式挖泥船“长鲸2”，为中交集团上海航道局有限公司开发设计了13500立方米大型耙吸式挖泥船“新海虎”，开启了我国挖泥船自主研制的征程。此后，七〇八所集中设计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舱容积达20000立方米。
“长江流域从上游到下游，泥沙沉积总体呈逐步细化演变，在长江下游和长江口水域沉积的泥沙更细，板结后挖掘较难，但挖泥船挖掘进泥舱后却又很难沉淀。针对这种土质的高效疏浚，和以往常规的挖泥船疏浚设计理念将有所不同。”沈志平介绍。因此，针对长江口的特殊土质，七〇八所项目团队开始进行专题论证，根据长江航道的特殊需求，研发适应长江中下游疏浚作业环境和条件，更具适应性、更具高效率和更具环保性的挖泥船。据了解，前述6000立方米和13800立方米耙吸挖式泥船技术方案就分别采用了全电力驱动和“一拖二”的驱动方式，并配备水下泵提高吸入性能。
把握作业特点，创新实践新型动力装置配置
就动力驱动型式而言，早期的中小型耙吸式挖泥船主要为独立驱动，挖泥船的推进装置、泥泵装置以及高压冲水泵装置分别采用独立的柴油机驱动。随着耙吸式挖泥船朝大型化发展，其动力驱动方式也向复合驱动型式发展，复合驱动型式主要有“一拖三”和”一拖二”，即主机除驱动推进装置外，还同时驱动泥泵和轴带发电机，轴带发电机提供高压冲水泵等疏浚作业装置和全船的电力需求。
复合驱动方式兼顾了耙吸式挖泥船航行和各种疏浚作业工况的动力分配特点，减少了全船的动力装置配置数量和装机功率。沈志平介绍，刚中标的13800立方米耙吸式挖泥船将采用“一拖二”的复合驱动方式。相对”一拖三“驱动方式，主机除驱动推进器外，还驱动轴带发电机，由轴带发电机提供包括泥泵在内的疏浚装置电力需求，泥泵、高压冲水泵采用变频电机驱动。这种方式将泥泵从主机直接驱动分离出来而采用变频电机驱动，则可根据不同的疏浚工况需要，调节泥泵的运行速度。如果按照传统的“一拖三”的复合传动方式，泥泵运行工况点会受限，主机由于驱动泥泵，在泥泵的运行过程中也容易出现转速的波动，会影响整船电网的稳定性。“伴随变频技术的成熟，‘一拖二’的方式已经成为目前业内普遍采用的挖泥船驱动方式，并成为趋势。在此基础上，船舶推进器也可进一步考虑采用电机驱动，成为全电力动力驱动形式，能够进一步提升挖泥船的复杂作业工况的适应性和灵活性。”沈志平介绍。
因此值得一提的是，七〇八所为长江航道局设计的6000立方米耙吸式挖泥船即尝试采用了设计理念更为领先的全电力驱动。“这是国内耙吸式挖泥船首次尝试，在国外案例也很少。”沈志平表示，由于用于长江作业的耙吸式挖泥船作业环境条件、作业要求多变，在动力驱动配置方面需兼顾更多方面论证考虑。
“全电驱动可根据各种不同的作业条件和作业要求配置相应的动力需求，能充分适应不同的工况要求。”沈志平指出。一般而言，以往在设计阶段制定一艘船的设计指标往往根据极端的作业条件和最大的作业要求，而往往对挖泥船的平常作业条件工况忽视给予关注。比如，一艘挖泥船的最大挖泥深度是30米，但很多情况下可能只需要挖十几米，且作业环境条件也不是设计极端条件。在此情况下，船上原本配置的动力装置并不需要在额定工况下运行，这使得动力装置可能常常会处于一种不利的负荷状态下运行，不利于动力装置的高效运行，也不利于节能环保。
通过对以往设计经验的总结，以及国内上一波挖泥船建造热潮期用户的反馈，虽然目前采用全电驱动的6000立方米耙吸式挖泥船还处在设计阶段，还需要通过实船建成和营运来进行验证和比较，但考虑到全球船舶动力技术发展采用综合电力集成的趋势越来越明显，用户对挖泥船提升作业能力、优化作业系统以及全船布置和注重节能环保等要求的不断提升，七〇八所进行这样的创新开发实践是值得的。（文：李俨儿）
