大型装船机技术性能及电气系统.docx

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大型装船机技术性能及电气系统

大型装船机的技术性能及电气系统

南通润邦重机有限公司赵国庆

随着40万吨散货船，“VALECHINA”的下水，大型装船机向12000T/H以上发展已经是不争的事实。

大型装船机的技术性能要求日趋完善，电控的设计不是千篇一律，启动方式有（DirectOnLine），YD（tar-Delta）SS（oft.Starter）FC（FrequencyControl）；控制方式有:

RC（laycontrol），PLC，PLC+CMS，SCADE（Supervisory Control And Data Acquisition）等。

关键词（Keyword）：

人机工程学ErgonomicsHMI-人机界面CMS-装船机管理系统，SCADA-数据采集与监视控制系统dasdataacquisitionsystem数据采集与处理系统ddcdirectdigitalcontrol现场总线控制系统SCSSequenceControlSystem顺序（程序）控制系统　BLKbulk散装（货）BCBulkcarriers散装船SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）数据采集与监视控制系统。

TMR：

TeleMeterReading电能量计量系统　OMS：

OutageManagementSystem。

GPS：

停电管理系统：

globalpositionSystem全球定位系统。

　MODEM:

ModulatorandDemodulator调制器和解调器DCE:

DataCommunicationEquipment数据连接设备计算机软件相关HMI:

HumanMachineInterface人机界面CSCS：

ComputerSupervisoryControlSystem计算机监控系统

人机工程学Ergonomics

1，装船机设计标准

国外著名公司可根据用户的要求设计,采用不同国家的最新标准,如欧洲、德国、日本、美国等：

相关标准。

众所周知,对于港口干散料设备设计,各先进国家都有自己的设计规范,如国际ISO、德国DIN、欧洲FEM、日本的JIS等,并且不断完善和更新。

我国的GB3811中至今缺乏散料设备设计部分有关规范,我们通常采用FEM标准,对其他最

新设计标准的理解、应用远不及国外著名公司。

国内装船机的设计、制造、安装和调试应符合下列标准（最新版本）或具有相同水平的其他标准，投标时应说明所采用的设计标准，中标后应提供2套所采用的有关标准。

结构：

欧洲搬运工程协会标准FEM

机构：

欧洲搬运工程协会标准FEM

齿轮：

美国齿轮协会标准AGMA

电气：

国际电工技术委员会标准IEC

涂漆：

瑞典工业标准SIS

焊接：

美国焊接学会标准AWS

材料：

美国材料试验协会标准ASTM

计量单位：

国际单位制SI

加工制造：

国际标准化组织标准ISO

《起重机设计规范》GB/T3811-2008

《起重机械安全规程》GB/T6067.1-2011

《起重机试验规范和程序》GB/T5905-1986

《作业场所空气中粉尘测定表》GB5748-85

《港口装卸作业粉尘最高允许浓度控制指标》JT2006-84

《水运工程质量检验标准》JTS257-2008

未提及部分按中华人民共和国国家标准GB

2，装船机电控系统的关键技术

2.1装船机电控系统的关键技术主要分以下几个方面：

2.1.1装船控制：

自动检测舱位位置和物料距离，根据臂架皮带流量按优化的作业路径控制装载途径，实现均匀装料，以提高装船效率和质量，减轻操作者的劳动强度。

2.1.2臂架俯仰和溜筒控制：

基于力矩效验功能来实现良好的速度加减速控制和机构稳定抱闸制动，保证臂架俯仰、旋转和溜筒上下、摆动到某一个具体位置。

2.1.3精确的物料流量统计：

安装在臂架皮带上的电子皮带秤量装置精确地记录和打印出装载物料的吨位数。

2.1.4标准化的软件设计框架和标准分组程序模块：

标准的故障保护及停车程序、机构运行程序、速度给定处理程序、速度加减速控制程序、与MCC通讯联络连锁、自动优化装船。

2.1.5完善的安全保护：

臂架溜筒防撞控制，卷筒电缆过紧过松保护、极限位置三级保护，皮带打滑、撕裂、、拉断、跑偏保护，电机过流、过载、超速、失速保护，油压过高过低保护，等，确保整个装船机械的安全运行；整机烟雾、粉尘、火灾保护。

2.1.6装船机人性化的HMI：

具有友好的人机界面，智能化的故障处理及设备维护功能，显示各机构运行速度、轴承温度、电机电流电压、温度，位置功能及作业数据统计，减少维护和操作员的工作强度，方便管理。

2.2典型的大型装船机概况

由于装船机是根据各种装船码头的具体情况设计的，所以非标设计的较多。

目前世界上最大矿石装船机装载能力高达2万t/h,国内是用的最大装船机在8000t/h，振华重工出口巴西里约热内卢的2台装船机的装载能力已达到12000t/h。

2.2.1典型的大型装船机概况见下表：

序号

装船机装载能力t/h

回转半径m

伸缩m

俯仰角度

装机容量

KW

轨距

m

制造商

使用商

使用年

备注

设计

最大

1

6000

6800

27.7

16

-12º~

+70º

1400

大连重工

日照港

2003.

1台，装煤

2

6000

6700

29.2

13

-15º~

+30º

1200

14.7

上海港机

秦皇岛

2005

2台，装煤

利用老码头

3

8000

9250

37

24

-15º~+30º

1600

24

上海港机

秦皇岛

2006

4台,装煤，自重2400t

2台头部可回转

TKF设计

4

12000

15300

50

-12º~+12º

1800

18

振华重工

里约热内卢

2012.-2013

2台，装铁矿石

激光扫描，GPS定位，（PLC）自重1800t

5

8000

9250

37

24

-15º~+30º

1600

24

中交集团

黄骅港

2014

4台，装煤

移动回转

6

11600

12790

44.6

13.7

SANDVIK

澳州

2001

带宽1.6M,铁矿石

7

10000

11020

52

12.8

SANDVIK

澳州

2005

带宽1.8M,铁矿石

8

6500

7165

27

12

SANDVIK

中国

2004

带宽2.0M,煤炭

9

11250

12400

41.5

41

SANDVIK

加拿大

2003

带宽2.0M,石膏

10

13200

14550

35

23

SANDVIK

澳州

2003

带宽1.8M,铁矿石

2.3，国内外大型装船机电控对比

由于大型转船机的装机容量在1200KW以上，电气成本占整机的20%~40%,电气系统优化设计可以减少电气成本。

国外（SANDVIK）等：

尽量采用电压等级高的电动机，尽量采用DOL（直接联线），这样可以减少一次投资：

大功率的的臂架皮带驱动电动机直接用3.3-6.6KV的电网供电，采用DOL控制（真空接触器直接控制），这无疑降低了电缆和驱动装置的一次投入成本。

电气原理分析如下：

电机功率：

P=√3IUηcosθ,√3ηcosθ是常数,设η=0.95，cosθ=0.85则有，

√3ηcosθ=0.95x0.85x1.732=1.41，

则有：

P=1.41IU

电机电流：

I=P/1.41U=0.71P/U，当电机的功率定下来后，电流和电压成反比（电压越高，电缆截面越小）

例如，一台双向移动距离为100米的装船机的臂架皮带电机容量为350KW，则I=0.71x350000/U=248500/U（A）：

采用AC380V的电机时，定子电流为248500/U（A）=248500/380=653A；

采用AC690V的电机时，定子电流为248500/U（A）=248500/690=360A；

采用AC6.6kV的电机时，定子电流为248500/U（A）=248500/6600=37.7A。

2.3.2采用不同电压等级的电动机时装船机的电气基本配置费用见下表：

序

号

电气配套件

情况

电机AC380V，3P

电机AC690V，3P

电机AC6000V，3P

材料型号价格（元）

材料型号价格（元）

材料型号价格（元）

1

电机型号

380V/653A

100000

690V/360A

100500

6.6kV/38A

115000

2

电缆选择

2x3x240mm2

144000

3*300mm2

90000

3*6mm2

20000

3

降压变压器

400KVR

80000

400KVR

80000

0

0

3

电缆卷筒

380V/800A

10000

690V/400A

8000

6.6kV/63A

12000

4

开关接触器

380V/700A

10000

690V/400A

8000

6.6kV/63A

8000

5

直接联线控制（DOL）价格

一次电器配套投入费用大约是344000（元）人民币

一次电器配套投入费用是采用380V电机的83.3%；

一次电器配套投入费用是采用380V电机的45.0%；

6

整流模块选择

ACS800-

207-0440-3

400000

ACS800-

207-480-7

200000

无

0

7

整流模块体积

2x900x644x

x2130

0

1x900x644x

x2130

0

无

0

8

逆变器选择

ACS800-107

-0770-3

400000

ACS800-

107-580-7

200000

无

0

9

逆变器体积

2x900x644x

x2130

0

1x900x644x

x2130

0

无

0

10

变频控制

（FC）价格

FC,费用大约是

（元）人民币

FC,费用大约是采用380V电机费用的60%

DOL，费用是采用380V电机FC的13.6%；

2.3.3.国外（SANDVIK）等公司：

电气系统基本上是整机厂自己设计、调试，元器件采用性价比高的，控制箱体标准化:

资料显示,国外许多著名公司的大型装船机的电控系统自己设计，接触器、断路器、等采用施耐德产品，PLC采用西门子产品，变频调速装置采用ABB产品，电气柜有从小到大有近百种规格的箱体尺寸，并设有尺寸可调节的拼装柜，电气设计者可以根据各机构控制所需电器件占用的空间直接选用相应的电控柜体配置，这无疑加快了电气系统报价和组箱布置速度。

整机厂自己设计配套安装大型散货机械的电气系统，可以积累电气设计专利和业绩，是企业要做好做强的必由之路。

3，装船机的中压电器、电气房和司机室要求

3.1.中压电气房

中压变压器、开关柜安放在中压电气房内，同时，出于安全的考虑，设置足够的空间和隔离装置（如304不锈钢丝网等）将中压变压器与行走通道隔离。

中压变压器设有防雨设施。

中压电气房要铺有耐高压绝缘防滑地毯，进入电气房的所有电缆口必须永久密封，室内配有灭火器、还配置温度、烟雾传感器，火灾自动消防装置。

3.2.低压电气房

低压电气房内安装全套控制柜等电控设备，它的四壁和天花板镶有隔音材料，材料具有防火性能，室内装有冷热兼用型空调设备保持电气室温在18～26℃左右，设有电话机，备有办公桌、折叠椅和文件柜。

良好的隔振隔音措施保证工作间内的噪音低于60dB。

电气室内有玻璃窗可监视机房内各机构的工作，室内地板防静电，室内配有灭火器、还配置火灾报警装置、工具箱等设备。

3．3司机室

3.3.1一般要求

司机室按人机工程学原理进行设计，整体应坚固、美观、安全、隔热、隔音、防火、防尘、防雨、全封闭。

司机室固定的位置要保证使司机对装舱区域及俯仰挂钩区有良好的视野与视线。

司机室的门采用外开门（门上有玻璃窗）并带门锁。

司机室门窗的框架必须与司机室的骨架直接刚性连接，防止出现抖动。

司机室应采用夹层结构，夹层间充填隔热、隔音、阻燃材料，室内装饰板应绝缘防静电，且均用防火材料。

司机室应有足够的空间，以便设备安装、司机操作和维修。

地板为双层结构，底部用防滑材料铺设。

司机室前半部的正面、侧面和底部应设置玻璃窗，以确保司机有良好的视野，所有的玻璃窗方便清洗。

两侧设有可通气的活动窗户，活动窗户应能在敞开、半开及关闭位置时锁紧，并在关闭时保证密封。

司机室的门、窗坚固耐用。

前方及两侧窗户配置遮阳自动卷帘窗。

底部玻璃应设置保护架，前方及两侧窗户的下半部设有两层不锈钢的护栏。

窗户上有遮挡阳光和防眩光措施，在室内就可以进行更换玻璃。

司机室的窗户采用钢化层压夹胶玻璃。

司机室的窗户应设置电动刮水器、清洗用喷咀和防止人员坠落的安全措施，应设置擦玻璃的专用安全平台。

司机室设干粉灭火器。

司机室内在便于维修的地方设置一套冷热兼用的分体式空调，同时配置一台电加热器，确保室温常年控制在18～26℃之间可调。

3.3.2司机座椅

司机室设置一把可调节高度和前后距离及靠背角度的舒适的大椅子，座椅上应覆以透气和防滑的材料，座位的布置应便于司机出入。

司机室还设有副驾驶员的座椅。

3.3.3主令控制器

司机室内主令控制器安装在专门制作的联动台内，用主令手柄控制臂架俯仰、回转、伸缩，溜筒旋转、伸缩、摆动及大车行走机构的运行等。

控制器是标准可互换的，带有零位机械锁扣。

控制器可全方位回转，档位清晰，自动回零。

3.3.4控制器的基本参数：

a、额定电压：

交流为480V，直流为220V；b、凸轮控制器的主电路额定工作电流为32A和63A，辅助电路额定电流2.6A、约定发热电流为10A，直流时额定电流为0.4A。

3.3.4.1控制器的额定操作频率：

a、主令控制器为1200次/h；

b、凸轮控制器为600次/h.

3.3.4.2控制器为反复短时工作制，额定通电持续率40%。

3.3.4.3操作单个控制器时的手柄操作力：

a、10A不大于25N；

b、32A不大于40N；

c、63A不大于50N。

3.3.4.4控制台的机械寿命和电寿命

3.3.4.4.1电寿命

控制台的主电路触头电寿命应符合AC-2使用类别要求，控制电路的触头电寿命应符合AC-15、DC-13使用类别要求。

使用类别

电寿命（次数）

AC-2

7.5×104

AC-15

10×105

DC-13

6×105

3.3.4.4.2机械寿命

控制器的机械寿命：

各控制器均为150万次，联动操作机构为300万次。

3.3.5下列主要机构控制装置设于司机室内：

臂架俯仰机构溜筒摆动机构

臂架回转机构溜筒旋转机构

臂架伸缩机构溜筒伸缩机构

大车行走机构臂架皮带机

主电路通、断开关紧急停车按钮

除尘洒水装置控制开关指示装船机工作状态的主要仪表和信号显示装置

还有其他一些必需的及规定的设备。

3.3.6司机室应配备的辅助控制装置：

可视屏幕用17触摸式彩色液晶故障显示器21闭路监控彩色液晶显示器及其控制器

室内外照明控制开关空调设备控制装置

玻璃窗刮水器及清洗喷头控制开关扩音器、喇叭、话筒及其控制装置

夹轮器（夹轨器）控制装置

电源插座

上述设备使司机既能完成装船机各机构的操作和控制，也能根据仪表、指示灯监测各机构的运行状态和位置。

3.3.6司机室设低噪音空调设备，保持室温在18～26℃，空调设备要求防震，并适合于作业的工作环境。

3.3.7司机室有隔音措施，使噪音控制在60分贝以下。

司机室有隔绝振动和缓冲的装置，防止作业时对司机室产生的振动和摇晃。

4，装船机的电气设备配置

主要电气设备，如电气传动系统及电气控制系统，目前一般选用进口优质名牌产品，如GE、ABB或SIEMENS，由其成套（包括所有软硬件、系统调试和相关的技术服务内容）供货。

此外，其他的电气零部件及电气设备，包括：

三合一的控制电缆、光缆与动力电缆、全部保护装置和控制（包括远程控制）、监视、检测系统（包括软件）目前一般都是国际上著名厂商生产的原装产品。

外购（包括进口）的零部件及电气控制设备，卖方一般推荐两家以上制造商，供买方确认。

中压系统，包括：

地面中压供电箱，地面中压电缆导向装置，中压开关柜、中压变压器等，中压开关柜采用国内制造的ABB、SIEMENS产品，中压变压器采用国内ABB优质产品。

4.1电源

装船机供电电源根据用户电网的情况，一般都是中压供电，选用为交流3.3-20KV±5％、50（60）HZ±0.5%、三相三线制，带接地保护线、采用软电缆通过电缆卷筒向机上供电，电源接自码头上的3.3-20KV中压供电箱。

中压供电箱和电缆换向装置由主机厂配套提供。

4.2机上电源类别及电压等级

输入电压：

AC3.3-20kV，三相，50（60）Hz

控制电压：

AC（120）220V。

装船机的每个控制单元都应有各自独立的控制供电回路，卖方将尽最大可能使用同一电压等级控制供电方式。

照明与加热器：

AC110-240V（各国不同）三相三线制（带接地保护线）

维修电源：

AC380（415、440）V/（120）220V三相三线制（带接地保护线）

安全照明：

AC24V/36V

备用低压供电电源：

AC380（415\440）V三相三线制（带接地保护线）

装船机上使用的控制电压、检修电源、照明电源、空调机、风机、电热器和安全照明等电源一般均经由隔离变压器获得。

4.3电气设备一般要求

电气设备的设计和选择要考虑先进性、可靠性和操作维护方便，选择适合用于装船机使用的电气设备。

室内电气设备要按防潮湿、防粉尘等条件选择，室外电气设备还须增加防水要求。

所有配电系统设备均应符合IEC和GB标准，两者之间有冲突时按高的执行。

装船机的每个机构都要有自己单独的供电回路、控制设备及保护装置。

各机构应设置单独的运行时间累计，设置电源总电度表、功率因数表和分机构电压表、电流表，以便监视运行和计量。

电热和空调、插座回路装设漏电保护开关。

4.4变压器及中压开关柜

配电用电力变压器的电压水平为3300（~20000）/400（415,440）V，△/Yn11，二次中性点直接接地，手动调节分接头在无载条件下为额定电压的±2.5％和±5％。

配电用电力变压器是防雾、低损耗、全封闭带防护外壳、室内型，线圈为铜导体的干式变压器。

变压器的绝缘种类：

为铜芯环氧树脂浇注干式自冷带风冷，绝缘等级为F级，按B级温升设计，并配置温度监控装置，以测量和显示变压器三相高压绕组温度，启停自带冷却风机，并在司机室有报警信号，及超温跳闸等保护功能。

变压器容量具有20%的备用裕量。

变压器的保护装置满足选择性的要求,即在低压线路发生故障时,低压侧保护装置应先动作,切除电源,而中压侧的保护装置不应先于低压侧动作。

所有接线端子有封闭，安全可靠的防护罩。

变压器安装在带护围的隔离区内，该区内有明显的警示标志。

变压器中压侧设有切断负载电流的真空断路器，满足开断容量的要求，并设有短路、失压、过载、单相接地、零序等保护功能，高压进线侧需装接地刀闸。

接地刀闸必须与上级电源开关联锁，并设有观察接地刀闸工况的观察窗。

开关与变压器要满足“五防”要求。

中压开关柜和变压器布置合理，安装在电气房内，装船机上中压开关柜由进线开关柜和馈电柜组成。

开关柜为金属封闭自立柜式结构，防尘、防水、防雾。

进线开关柜和馈电柜包括接地开关、附电压表和电流表，选用中置式手车真空断路器，手动、电动操作，并设远程操作箱，带开关合分指示灯。

开关柜具有相应的保护装置，开关断开时要有可视明显的隔离点。

开关柜在工厂装配并完成配线，所有配线整齐成束的放在走线槽内，所有外接引线在端子板上连接。

中压柜的防护等级为IP44，柜内装有温控式空间加热器。

每个开关柜内装有带开关的（120）220V/8W的荧光照明灯。

4.5电机

电机为全封闭、风冷型，应符合IEC及GB标准，其结构和特性适合于起重机运行要求，电机绝缘等级为F级。

电机能在90%～110%额定电压的电压波动范围内正常工作。

电机防护等级室内为IP44，室外为IP55。

冷却风机防护等级为IP23，风机带滤网。

室外电器设备外壳防护等级不低于IP55。

室外电机设置防护罩。

变频调速机构应采用配套的变频电机，基频以下时恒转矩输出，基频以上时恒功率输出，卖方应书面说明电机的动力电源变频的范围,明确标明所选用电机的基准工作制、电压等级、频率变化范围、额定功率及输出扭矩等的电机参数。

所有主要机构的电动机均应有下列电气保护：

A、温升B、过载C、过压、D、欠压E、失压F、短路、G、缺相H、超速I、过流

所有电动机的容量应满足相应机构承载能力的要求，发热验算应符合规范的规定。

皮带机的电动机由于装船工艺的要求，需要频繁起动，电机的所有参数和机械性能按照频繁起动进行设计和制造。

卖方应明确标明各机构电动机的实际工作制及负载持续率，且必须在电机的铭牌上明确标明。

所有主要机构的电机的冷却方式应采用强迫风冷方式，空气进入电动机应经过过滤。

用来强迫风冷的通风机应与电动机联锁控制，并设有风机运行信号指示。

应急机构的电机采用直接起动方式。

但应考虑直接起动的大电流对线路及保护装置的影响。

主要机构电动机内应设超温切断的温度检测器（带控制器）和信号报警系统。

功率超过200kW的电动机必须设置防止轴电流的措施。

各主要机构驱动电动机应设防冷凝加热器，加热器应在该机构不工作时通电，在该机构作业时自动切断电源。

所有其它辅助设备如液压油泵等的电动机都应采用交流电动机。

4.6上机电缆及配套设备

装船机应配套提供3.3-20KV，耐压高于实际电压的卷盘软电缆、光缆与控制电缆耐压大于0.6KV，电缆卷筒和电缆换向装置；配套提供控制接线箱，码头面电缆托架。

软电缆长度为应满足装船机行走行程要求，并留有足够的安全系数的裕量。

a.电缆卷筒为两个：

动力电缆卷筒（3.3-20KV）一个，控制电缆、光缆卷筒各一个（0.6KV），电缆卷筒旁有安全防护隔开网。

电缆采用磁滞式驱动装置或变频电机控制。

电缆卷筒的设计将满足如下要求：

电缆卷取装置一般选用国际著名公司产品。

电缆卷筒驱动方式买方认可，电缆卷取装置由电缆卷筒、电缆换向装置、驱动装置、控制装置和滑环组成。

电缆有效长度按装船机从码头供电点起，装船机单向行走最大距离来确定，行走到终点时，地面张紧环上和电缆卷盘上应至少有三圈余量。

电缆卷盘其结构强度、刚度和设计须考虑电缆满盘时正面吹袭时的防风能力和措施，并充分考虑大车行走晃动对电缆卷盘的影响，且侧向间隙应可以调整。

卷盘的驱动系统的设计应能适应突然启动、停止的工作特点，电缆卷盘应设有如下的电缆保护装置（包括但不限于此）。

电缆的过绕力保护、过松驰保护；