陳旭清，陳嘉偉，王駿超

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小型科考船PTO/PTI改造研究

陳旭清1，陳嘉偉2，王駿超2

（1.江蘇省無(wú)錫市水利局，江蘇無(wú)錫 214031；2.中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇無(wú)錫 214082）

小型科考船一般都為單機(jī)單槳，存在失去動(dòng)力隱患。本文首先對(duì)船舶PTO與PTI模式進(jìn)行了綜述，針對(duì)經(jīng)典配置的單機(jī)單槳科考船推進(jìn)系統(tǒng)冗余性改造提出了三種方案，論證了增加PTO/PTI電機(jī)輔助推進(jìn)方案的先進(jìn)性。對(duì)PTO/PTI電機(jī)的四種啟動(dòng)方式進(jìn)行了論證，并概括了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。最后對(duì)PTO/PTI改造中涉及到的動(dòng)力系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的改造進(jìn)行了分析和概括。

小型科考船 船舶改造 冗余性 PTO/PTI電機(jī)

0 引言

現(xiàn)代船舶軸帶電機(jī)系統(tǒng)中，軸帶電機(jī)既可作為發(fā)電機(jī)從主推進(jìn)柴油機(jī)吸收功率（PTO 模式，power take off），也可以作為電動(dòng)機(jī)為推進(jìn)系統(tǒng)提供動(dòng)力（PTI 模式，power take in）。PTI 模式又可分為輔助推進(jìn)（BOOST，即柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)并車(chē)推進(jìn)）和應(yīng)急推進(jìn)（PTH，即電動(dòng)機(jī)單獨(dú)推進(jìn)）。在雙機(jī)雙槳船舶上，還有“電軸模式”[1]，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)帶兩槳。

BOOST和PTH工作原理是相似的[2]，都是將軸帶電機(jī)變?yōu)檩S帶電動(dòng)機(jī)。不同之處在于PTH模式是被動(dòng)模式，是船舶失去動(dòng)力情況下的無(wú)奈之舉，單獨(dú)靠軸帶電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，無(wú)并車(chē)模式，航速也僅僅4至5 kn。而B(niǎo)OOST模式是主動(dòng)模式，也是經(jīng)常發(fā)生的模式，其目的是通過(guò)PTI模式將軸帶電動(dòng)機(jī)與主機(jī)并車(chē)增加螺旋槳收到更大的推進(jìn)功率。

船舶PTH模式的設(shè)計(jì)，能成功地使主機(jī)出現(xiàn)故障的船舶安全地返回基地，從而提高船舶運(yùn)行的安全性和可靠性[3,4]。該系統(tǒng)對(duì)我國(guó)正在不斷開(kāi)拓發(fā)展的新型先進(jìn)船舶的設(shè)計(jì)，是一個(gè)非常好的借鑒。

1 主推冗余度增加方案對(duì)比論證

大型科考船往往配置雙機(jī)，通過(guò)并車(chē)齒輪箱驅(qū)動(dòng)單螺旋槳來(lái)規(guī)避此風(fēng)險(xiǎn)。但對(duì)于小型科考船來(lái)說(shuō)，其方型系數(shù)小，布置兩臺(tái)柴油機(jī)基本是不可實(shí)現(xiàn)的，單臺(tái)四沖程中速柴油機(jī)+PTO齒輪箱+CPP(Control Pitch Propeller，調(diào)距槳)已成為小型科考船的經(jīng)典配置模式。雖然目前四沖程中速柴油機(jī)可靠性已經(jīng)很高，然而使用過(guò)程中仍然無(wú)法保證100%的可靠性。另一方面，科考船通常為保障能有更好的拖力，較多采用單機(jī)單槳推進(jìn)方式，并可減少螺旋槳纏繞拖網(wǎng)的概率。因此為保證船舶安全性和可靠性，國(guó)外的小型科考船較多采用電力推進(jìn)方式或采用增設(shè)PTH模塊的單機(jī)單槳常規(guī)推進(jìn)方式。目前冰島和挪威漁業(yè)科考船動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)（電力推進(jìn)船除外）都配置了PHT模塊[5]，但國(guó)內(nèi)公務(wù)船及科考船極少有配置此功能的案例。

以小型科考船主推系統(tǒng)經(jīng)典配置為例，一般為單機(jī)單可調(diào)槳，齒輪箱輸出端帶一臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)，存在主機(jī)故障時(shí)船舶失去主動(dòng)力的安全隱患。為了增加主推進(jìn)系統(tǒng)冗余度，避免出現(xiàn)執(zhí)行任務(wù)時(shí)失去主動(dòng)力的安全隱患，需改造主推進(jìn)系統(tǒng)。這類船舶的改造方案有如下三種：1）增加一套主推進(jìn)系統(tǒng)，改為雙機(jī)雙槳形式；2）增加一臺(tái)主機(jī)，改為雙機(jī)單槳形式；3）增加PTO/PTI電機(jī)輔助推進(jìn)。前兩種方案涉及更改船體結(jié)構(gòu)、船舶系統(tǒng)、機(jī)艙布置等，改造難度大且成本高。故改造船采用PTO/PTI電機(jī)方案比較經(jīng)濟(jì)，可實(shí)現(xiàn)主機(jī)故障時(shí)的應(yīng)急推進(jìn)，使船舶安全返航。

對(duì)于小型科考船而言，設(shè)置PTI 模式，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）增加推進(jìn)系統(tǒng)冗余度。由于為單主機(jī)，主機(jī)故障時(shí)船舶將失去動(dòng)力，使用PTI中的PTH功能可實(shí)現(xiàn)主機(jī)故障時(shí)應(yīng)急推進(jìn)，保持一定航速返航，如圖1所示。

2）改善主機(jī)運(yùn)行條件。由于科考船在巡航時(shí)，有低速航行工況，主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)燃油燃燒質(zhì)量差，影響增壓器、噴油嘴等關(guān)鍵零部件性能，使用PTI中的BOOST功能可以提高主機(jī)使用壽命。另一方面，在惡劣海況或船舶所需避險(xiǎn)時(shí)，需要加快航速或加大更多推力的情況下，主機(jī)提供的推進(jìn)力不夠，需要額外加大動(dòng)力，此時(shí)開(kāi)啟BOOST工作模式，開(kāi)啟一臺(tái)或兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)，通過(guò)軸帶電動(dòng)機(jī)與推進(jìn)柴油機(jī)并車(chē)共同驅(qū)動(dòng)螺旋槳，增加推力，如圖2所示。

圖1 PTH模式的運(yùn)行工況

圖2 BOOST模式的運(yùn)行工況

3）船舶運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性好。設(shè)置PTI用于低速推進(jìn)，可通過(guò)調(diào)節(jié)PTI功率，使發(fā)電機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)工作區(qū)間，提高螺旋槳在低轉(zhuǎn)速時(shí)的效率。

2 軸帶電機(jī)改造

對(duì)于軸帶電機(jī)來(lái)說(shuō)，增加PTI 功能有兩種途徑：一是單獨(dú)增加一臺(tái)電動(dòng)機(jī)，齒輪箱需進(jìn)行較大改造，多增加一個(gè)輸入端，同樣增加PTI離合器和主離合器。另一途徑是將原有軸帶電機(jī)設(shè)計(jì)成可逆型式，既可做發(fā)電機(jī)，也可做電動(dòng)機(jī)，這樣齒輪箱改造為帶主離合器和PTO離合器，同時(shí)增加一套PTO/PTI 控制系統(tǒng)。

從成本和周期上考慮，船舶改造最好不涉及主機(jī)和軸系的改造，使其安裝位置不變。另一方面，由于小型科考船齒輪箱的布置空間有限，一般無(wú)法再單獨(dú)增加一臺(tái)PTI電機(jī)。故采用一臺(tái)PTO/PTI可逆電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)PTI功能最為經(jīng)濟(jì)。

PTO/PTI電機(jī)的形式，通常有同步電機(jī)、異步電機(jī)和永磁電機(jī)三種[6]。異步電機(jī)選型容易、穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍寬、效率高，并且較容易實(shí)現(xiàn)PTI功能[7]，配合使用的變頻器也在大量電力推進(jìn)船舶上應(yīng)用，技術(shù)成熟。鑒于以上因素，軸帶電機(jī)改造建議選用異步電動(dòng)機(jī)。

船舶動(dòng)力系統(tǒng)中軸帶電機(jī)作為PTI電機(jī)起動(dòng)時(shí)，需配置相應(yīng)的起動(dòng)裝置。目前常用的有四種方式，其主要特性對(duì)比分析如表1所示（本文對(duì)PTI 軸帶電機(jī)的相關(guān)設(shè)備方案描述是基于軸帶電機(jī)變頻起動(dòng)的方式）。

若科考船船設(shè)置PTI主要為實(shí)現(xiàn)主機(jī)故障時(shí)的應(yīng)急推進(jìn)，則主機(jī)帶動(dòng)方案不適用。一般軸帶發(fā)電機(jī)軸向布置空間有限，小電機(jī)拖動(dòng)整個(gè)軸帶發(fā)電機(jī)軸向尺寸大，需注意空間布置問(wèn)題。

表1 PTO/PTI電機(jī)啟動(dòng)方式差異

3 其他重要設(shè)備改造

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)改造

針對(duì)單機(jī)單槳，調(diào)距槳，齒輪箱沒(méi)有離合器，帶PTO的經(jīng)典配置，改造后需更換齒輪箱，增加主離合器和PTO離合器。另外軸帶發(fā)電機(jī)更換為可逆電機(jī)，既可以工作在PTO模式，也可工作在電動(dòng)模式PTH模式。改造后整個(gè)主推進(jìn)模式是（無(wú)助推模式）：（a）柴油機(jī)單獨(dú)推進(jìn)；（b）柴油機(jī)推進(jìn)+PTO發(fā)電；（c）PTH推進(jìn)模式。其中（a）和（b）兩個(gè)模式都與原可調(diào)槳遙控系統(tǒng)控制模式基本一致，只是多了離合器；PTH推進(jìn)模式下，通過(guò)電機(jī)使螺旋槳運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)速，只是通過(guò)調(diào)節(jié)螺距來(lái)加減航速，但遙控系統(tǒng)最大螺距限制在電機(jī)功率。此種工況僅僅是在主機(jī)故障時(shí)，作為應(yīng)急使用。

根據(jù)要求原調(diào)距槳遙控系統(tǒng)控制面板和操作方式等需基本保持原狀，故主推進(jìn)模式切換以及離合器控制將通過(guò)單獨(dú)增加一套控制系統(tǒng)（含控制面板）來(lái)實(shí)現(xiàn)，原遙控系統(tǒng)只進(jìn)行軟件升級(jí)及改造相關(guān)信號(hào)接口等。主機(jī)故障或者使用PTH低速巡航時(shí)，要求通過(guò)主離合器將主機(jī)與槳軸脫開(kāi)，使用PTI電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳使船舶前進(jìn)。同時(shí)主機(jī)脫開(kāi)離合器起動(dòng)，改善起動(dòng)條件。PTO工況下軸帶發(fā)電機(jī)不用時(shí)，可通過(guò)離合器將軸帶發(fā)電機(jī)脫開(kāi)，延長(zhǎng)軸帶發(fā)電機(jī)使用壽命。PTI工況下，PTI電機(jī)接排帶軸槳緩慢起動(dòng)，可以減小起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，減小起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊。齒輪箱增加了離合器，需要在機(jī)旁和遙控位置（集控室）進(jìn)行離合器接脫排，PTO/PTI模式切換，PTI電機(jī)的起停、加減速等操作和控制功能，故需對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造控制系統(tǒng)，涉及到與主機(jī)機(jī)旁控制系統(tǒng)、可調(diào)槳遙控系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等接口影響。

3.2 電氣系統(tǒng)改造

增加PTI功能后，主發(fā)電機(jī)組容量需重新校核，有時(shí)需要更換擴(kuò)容。主要是因?yàn)楦脑旌驪TI接排帶螺旋槳及軸系起動(dòng)時(shí)，需克服螺旋槳起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，PTI電機(jī)軸功率大約需在20%螺旋槳額定輸入功率。同時(shí)，需要根據(jù)該船軸功率與航速測(cè)試結(jié)果，得到改造后該船應(yīng)急P(pán)TH推進(jìn)時(shí)達(dá)到預(yù)定航速所需的軸功率，以上兩者取大者考慮。對(duì)于改造船，還需要考慮發(fā)電機(jī)組容量在長(zhǎng)期使用后的下降，建議對(duì)原發(fā)電機(jī)組進(jìn)行測(cè)容試驗(yàn)。

若發(fā)電機(jī)組容量需變大，則需重新計(jì)算并更新PPU（Paralleling and Protection Unit，并車(chē)與保護(hù)單元）參數(shù)和設(shè)置開(kāi)關(guān)參數(shù)，更換相關(guān)儀表和線路，功能升級(jí)等，所以要對(duì)配電板進(jìn)行改造。涉及到的改造管系有發(fā)電機(jī)組燃油管系、滑油管系、冷卻水管系、排煙管系等。

改造新增的變頻器需要海水冷卻，故需要設(shè)置一臺(tái)海水冷卻水泵從海水總管中抽吸海水送至變頻器冷卻器中進(jìn)行冷卻，將冷卻后的海水排出舷外，且變頻器需要設(shè)置一臺(tái)空調(diào)滿足變頻器對(duì)工作環(huán)境的濕度和溫度要求。

4 小結(jié)

我國(guó)小型科考船的經(jīng)典配置都為單機(jī)單槳、可調(diào)槳、軸帶PTO，本文首先對(duì)船舶PTO與PTI模式進(jìn)行了綜述，針對(duì)經(jīng)典配置的單機(jī)單槳科考船推進(jìn)系統(tǒng)冗余性改造提出了三種方案，論證了增加PTO/PTI電機(jī)輔助推進(jìn)方案的先進(jìn)性，其不僅可以增加推進(jìn)系統(tǒng)冗余性，還可提高主機(jī)壽命，節(jié)省燃油提高經(jīng)濟(jì)性。對(duì)PTO/PTI電機(jī)的四種啟動(dòng)方式進(jìn)行了論證，并概括了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。最后對(duì)其他涉及到的船舶系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的改造進(jìn)行了分析。

本文對(duì)小型科考船推進(jìn)系統(tǒng)的冗余性改造起到了一定的借鑒作用。

[1] 陶少琳, 路澤文, 錢(qián)莊. 船舶推進(jìn)同步電機(jī)PTI/PTO模式研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2017, 39(17): 105-110.

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Research on the PTO/PTI Reconstruction of Small Scientific Research Ship

Chen Xuqing1, Chen Jiawei2, Wang Junchao2

(1. Wuxi Water Conservancy Bureau, Wuxi 214031, Jiangsu, China; 2.China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, Jiangsu, China)

U664.14

A

1003-4862（2018）12-0006-03

2018-05-21

國(guó)家自然科學(xué)基金（51509255）

陳旭清(1963-)，男，工程師。專業(yè)方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)與研究，E-mail：814219417@qq.com.