史斌杰，都勁松，唐慧妍，劉 赟

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

金槍魚延繩釣船是一種專門用于捕撈深海金槍魚的漁船。由于其滿足極其嚴格的資源保護要求，且漁獲物的品質(zhì)極佳等多種因素，目前金槍魚延繩釣船在金槍魚捕撈作業(yè)中占了很大的比例[1]。金槍魚延繩釣船作業(yè)時，在判斷好魚場情況下，從船上放出一根干線（120～150km）于海中，有一定數(shù)量的支線、浮子和魚釣以一定間距系在干線上，借助浮子的浮力使支線（一端帶有魚餌，餌料主要采用冷凍秋刀魚、鮐魚、沙丁魚、魷魚等）懸浮在一定深度的水中，用魚餌（或擬餌）誘引金槍魚上鉤，從而達到捕撈的目的[2]。

機電混合動力推進系統(tǒng)通過齒輪箱的接脫排控制可以選擇使用柴油機推進，或使用電機推進，以滿足不同推進工況的需求。與傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)相比,混合動力推進系統(tǒng)的電力推進具有調(diào)速范圍廣、驅(qū)動力大、正反轉(zhuǎn)易控、體積小、布局靈活、安裝維修方便、振動和噪音小等優(yōu)點[3,4]。

1 系統(tǒng)組成與控制原理

機電混合動力推進系統(tǒng)由主推進柴油機、柴油發(fā)電機組、推進變頻器、推進電機、電推控制箱、電磁軟軸系統(tǒng)、齒輪箱等組成（見圖1）。

圖1 機電混合動力推進系統(tǒng)組成

1.1 柴油機推進系統(tǒng)

柴油機推進系統(tǒng)使用時，柴油機自帶的控制箱對柴油機的啟動、停止等功能進行控制。同時柴油機上的相關傳感器將信號傳送至柴油機控制箱，然后經(jīng)過分析處理，通過儀表、指示燈予以顯示。電磁軟軸操作手柄發(fā)出控制信號至電磁軟軸控制單元，后者將主機接脫排信號和主機調(diào)速信號發(fā)送至齒輪箱上的主機離合器接脫排電磁閥以及調(diào)速執(zhí)行機構。齒輪箱的主機離合器接脫排電磁閥接收到接脫排信號后動作，控制主機離合器接脫排。同時相關傳感器將是否接脫排成功信號反饋給電磁軟軸控制單元，供信息顯示。調(diào)速執(zhí)行機構根據(jù)接收到的調(diào)速信號轉(zhuǎn)動電機，拉動軟軸，從而拉動柴油機油門拉桿，對柴油機進行調(diào)速。

正常航行時，使用柴油機控制箱起動柴油機，使用電磁軟軸手柄，接排主機離合器，并按照需要，對柴油機轉(zhuǎn)速與功率進行調(diào)整。

1.2 電力推進系統(tǒng)

使用電力推進系統(tǒng)時，電推控制箱將控制信號發(fā)至變頻器，對電機的起動、調(diào)速、停止、備車等進行控制。變頻器根據(jù)控制信號，對配電板送來的動力電源的電流進行調(diào)整后送至推進電機，以達到控制電機目的。電機上的各傳感器信號反饋給變頻器和電推控制箱，用以控制與顯示。電推控制箱還可以將電機接脫排信號發(fā)至齒輪箱的電機離合器接脫排電磁閥，控制電機離合器的接脫排。同時相關傳感器將是否接脫排成功信號反饋給電推控制箱，供信息顯示。

釣魚作業(yè)時，使用電推控制箱起動電機，接排電機離合器，按需對電機進行調(diào)速控制。

圖2 電源切換裝置

1.3 電力推進系統(tǒng)和柴油機推進系統(tǒng)切換

由于電力推進系統(tǒng)和柴油機推進系統(tǒng)用于不同工況，且不能同時使用，所以兩者之間的切換需要特別設計加裝一個電源切換裝置（如圖2所示），使得柴油機推進系統(tǒng)與電力推進系統(tǒng)不能同時操控。當選擇開關選擇柴油機推進系統(tǒng)時，柴油機控制箱和電磁軟軸裝置得電，電推控制箱和變頻器失電；當選擇開關選擇電力推進系統(tǒng)時，電推控制箱和變頻器得電，柴油機控制箱和電磁軟軸裝置失電。

為了防止柴油機和電機同時接排而導致系統(tǒng)損壞，在齒輪箱內(nèi)部增加聯(lián)鎖裝置（如圖 3所示），使得柴油機與電機不能同時接排。當三位閥處于A位，無論二位閥處于哪個位置，主機正車離合器工作，主機倒車離合器和電機離合器不能工作；當三位閥處于B位時，主機正車離合器、主機倒車離合器、電機離合器都不能工作；當三位閥處于C位，二位閥處于A位時，電機離合器工作，主機正車離合器、主機倒車離合器都不能工作；當三位閥處于C位，二位閥處于B位時，主機倒車離合器工作，主機正車離合器、電機離合器都不能工作。以此來保證同時只有一個離合器工作，即柴油機與電機不能同時接排。

圖3 接脫排聯(lián)鎖裝置

2 系統(tǒng)設計特點

金槍魚延繩釣船在釣魚作業(yè)時要求航速較低，一般在7kn以下，而如果以此確定設計航速，那么就無法滿足漁船出返航、尋找漁場的航行以及金槍魚在船上保鮮、儲存的要求，因為金槍魚的捕撈都是遠洋，若以如此低的航速將捕撈的金槍魚運送到岸，將要花費大量時間。如果采用定距槳柴油機推進系統(tǒng)，那么必然有一種工況無法滿足設計工況要求。若以漁船出返航的航速確定設計航速，那么在金槍魚延繩釣船作業(yè)時間內(nèi)，主機將處于低轉(zhuǎn)速、低負荷運行狀態(tài)，燃油消耗率升高，出現(xiàn)積炭、增壓器背壓增加現(xiàn)象，可能引起喘振；主機受最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速限制，易造成航速忽快忽慢，不利于生產(chǎn)作業(yè)。此外，長期在非設計工況下運行，將對柴油機造成較大損傷，且能源利用率極低，既不經(jīng)濟也不環(huán)?！，F(xiàn)在，一般采用可調(diào)槳或者全電力推進系統(tǒng)來解決這一矛盾。這兩種方式雖然能夠滿足設計要求，但是可調(diào)槳裝置價格昂貴、裝置復雜，且船舶常年投入遠洋生產(chǎn)，維修保養(yǎng)難度大，對船員的操作要求也與普通船舶不同；而全電力推進系統(tǒng)如需滿足高航速要求，必須提高設計功率，這將導致變頻器與電機的價格都非常高，體積也非常大；對于本身機艙就較小的漁船來說，布置難度非常大，同時由于功率太高，變頻器與電機的冷卻也是一個較難解決的問題。采用機電混合動力推進系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：

1) 滿足兩種工況要求。高航速航行工況，使用柴油機推進系統(tǒng)；低航速釣魚作業(yè)工況，使用電力推進系統(tǒng)；

2) 與全電力推進系統(tǒng)相比的優(yōu)點是使電機與變頻器的功率可選小些。小功率電機和變頻器的價格并不高，體積也相對較小，布置起來容易，同時由于功率小而發(fā)熱量小，冷卻問題也不難解決；

3) 與可調(diào)槳裝置相比的優(yōu)點是沒有復雜的機械液壓裝置，布置容易，維護保養(yǎng)問題較少，同時成本相對也小，操縱較為簡單，與普通船舶相近；

4) 提高機動性能。在釣魚作業(yè)時，對船舶的機動性能要求很高，此時電機調(diào)速快、正倒車快、響應速度快的優(yōu)勢就體現(xiàn)出來了。同時釣魚作業(yè)時，海況不同，船舶航行的推進功率值范圍很大，若使用柴油機，則在很多時候是偏離設計工況點的，對柴油機有損傷，能源效率低，也不經(jīng)濟環(huán)保，而使用電機，就沒有這樣的問題了；

5) 增加冗余度。使用機、電兩套動力推進系統(tǒng)，增加了推進系統(tǒng)的冗余度，當出現(xiàn)柴油機或電機任一故障時，均能保證船舶的安全航行，有效地提升了船舶航行和生產(chǎn)的可靠性和安全性；

6) 充分利用電能?？紤]到金槍魚延繩釣船上設有冷藏庫，而機電混合動力推進系統(tǒng)所需電量并不很大，并且在釣魚作業(yè)時才使用，此時冷藏庫應該未處滿負荷，所以機電混合動力系統(tǒng)并不需要像全電力推進系統(tǒng)那樣單獨設立推進發(fā)電機組，而是可以合用全船電網(wǎng)，只需稍稍提高全船電網(wǎng)設計容量即可。

3 實船效果

上海水產(chǎn)集團2013年向黃海造船集團公司首次訂造了2艘裝備機電混合動力推進系統(tǒng)的44.9m金槍魚延繩釣船。這兩艘船主推進裝置選用KT38-M型柴油機（額定功率596kW/1800r/min）、HCD450P型齒輪箱、S120變頻器（額定電壓440V）、1LE0001- 3AB09-0TC5-Z型電機（額定功率120kW）、KE-7 Single型電磁軟軸系統(tǒng)，電推控制箱選用QYK-RCS-C1型電力推進控制系統(tǒng)。這兩艘船已于2014年初交付使用，并與2014年5月赴太平洋作業(yè)。

經(jīng)過這兩艘船實際測試，效果如表1所示。起鉤作業(yè)時使用電力推進，比使用柴油機推進每小時節(jié)油0.009m3，節(jié)油率25%；與使用柴油機推進經(jīng)濟航速航行相比，使用電力推進航行每10n mile節(jié)油0.0111m3，節(jié)油率15%?？梢娛褂脵C電混合動力系統(tǒng)使船舶經(jīng)濟性有較大提高。

表1 兩種推進系統(tǒng)對比

4 結 語

使用機電混合動力系統(tǒng)可以提高金槍魚船推進系統(tǒng)冗余度，提高船舶放釣、收釣作業(yè)工況下的操縱靈活性，大幅度提高船舶操縱性和綜合推進效率，提高了船舶經(jīng)濟性與環(huán)保節(jié)能性，因此船舶機電混合動力系統(tǒng)具有廣闊的應用推廣前景。

[1] 錢 晨，劉 健，黃洪亮. 金槍魚延繩釣船機電混合推進系統(tǒng)的應用前景分析[J]. 漁業(yè)信息與戰(zhàn)略，2013, 28 (4): 285-288.

[2] 沙 鋒，王永鼎，葉守建. 金槍魚延繩釣船混合動力推進系統(tǒng)研究與分析[J]. 上海海事大學學報，2014, (2): 279-283.

[3] 徐筱欣. 船舶動力裝置[M]. 上海：上海交通大學出版社，2005.

[4] 胡 堅. 大功率海工輔助船混合推進裝置應用技術研究[J]. 船舶與海洋工程，2014, (3): 35-38.