曹大友，李國(guó)榮

(招商局金陵船舶(南京)有限公司，江蘇 南京 210015)

0 引言

在節(jié)能環(huán)保的大環(huán)境下，利用軸帶同步電機(jī)的可逆性原理，讓其在船舶不同工況模式下進(jìn)行發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間相互轉(zhuǎn)換[1]，使得船舶推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)能和船舶配電系統(tǒng)電能兩者之間可以相互補(bǔ)充，從而滿足特殊船舶工況下對(duì)動(dòng)能或電能的峰值需求。這不僅大大節(jié)省了設(shè)備采購(gòu)成本，同時(shí)也給船舶機(jī)艙設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)安裝帶來了便利。

軸帶電機(jī)的功率引出(Power Take Out, PTO)和功率引入(Power Take In, PTI)功能越來越受到船東的青睞，而低速可調(diào)螺距螺旋槳(Controllable Pitch Propeller, CPP)主機(jī)帶抱軸式變頻控制的軸帶電機(jī)PTO/PTI的設(shè)計(jì)更有優(yōu)勢(shì)。對(duì)于低速CPP主機(jī)，由于轉(zhuǎn)速的變化及軸帶發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后和主發(fā)電機(jī)調(diào)速調(diào)壓特性的不同而帶來的航行安全問題在設(shè)計(jì)時(shí)是必須要考慮的[2]。本文以某冰區(qū)航行的25 000載重噸雙燃料雜貨船為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了PTO/PTI 2種模式的運(yùn)行條件、安保設(shè)計(jì)及2種模式之間相互平穩(wěn)轉(zhuǎn)換的要求，為業(yè)內(nèi)其他PTO/PTI安全可靠設(shè)計(jì)提供參考。

1 系統(tǒng)配置

PTO/PTI系統(tǒng)配置見圖1。船舶推進(jìn)和船舶配電系統(tǒng)主要設(shè)備如下：

(1)推進(jìn)系統(tǒng)：1臺(tái)6 000 kW主柴油機(jī)、1臺(tái)1 250 kW(PTI模式)軸帶電機(jī)、2臺(tái)700 kW側(cè)推。

(2)配電系統(tǒng)：主配電板、2臺(tái)950 kW主發(fā)電機(jī)、1臺(tái)590 kW主發(fā)電機(jī)和軸帶電機(jī)800 kW(PTO模式)。

由圖1可以看出，軸帶電機(jī)的PTO/PTI模式是設(shè)計(jì)的核心，既可以從推進(jìn)軸上提取800 kW功率和電站的主發(fā)電機(jī)并車共同向電網(wǎng)供電，也可以從電站3臺(tái)主發(fā)電機(jī)得到1 250 kW的功率給推進(jìn)軸輔助增加推進(jìn)力。

BT—側(cè)推；DG—柴油發(fā)電機(jī)；CPP—可調(diào)螺距螺旋槳。圖1 PTO/PTI系統(tǒng)配置

2 PTO模式設(shè)計(jì)

2.1 PTO模式設(shè)計(jì)背景

25 000載重噸雜貨船采用單機(jī)單槳，由低速二沖程主機(jī)直接驅(qū)動(dòng)軸系和螺旋槳，并在軸上配置抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)。主機(jī)額定功率為6 000 kW，額定轉(zhuǎn)速為100 r/min；而當(dāng)持續(xù)服務(wù)功率(CSR)為2 970 kW時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速為83.7 r/min，因此正常航行時(shí)主機(jī)功率的富余量很大。

根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書，正常航行時(shí)全船總負(fù)載為580 kW，安裝1臺(tái)800 kW的軸帶發(fā)電機(jī)就可以利用主機(jī)的富余功率來滿足正常航行時(shí)船舶電站的用電需求量。

船舶在操縱模式下，2臺(tái)700 kW的側(cè)推需要投入運(yùn)行。根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算書，此模式下的總負(fù)載為2 192 kW，而3臺(tái)發(fā)電機(jī)的總功率為2 490 kW，如果任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障或者處于檢修狀態(tài)，那么就無(wú)法滿足此工況要求。而800 kW的軸帶發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，不僅可以確保操縱模式下電網(wǎng)電能的富余量，還可以在缺少一臺(tái)發(fā)電機(jī)的情況下滿足操縱模式的電能需求。

2.2 PTO模式

主機(jī)的轉(zhuǎn)速直接影響到抱軸式軸帶發(fā)電機(jī)的功率輸出，兩者之間關(guān)系見圖2。

圖2 PTO模式功率和轉(zhuǎn)速

圖2給出了2點(diǎn)要求：一是PTO模式啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速要求為60～80 r/min；二是恒功率800 kW輸出的最低轉(zhuǎn)速為70 r/min。

當(dāng)主機(jī)的轉(zhuǎn)速為60～70 r/min時(shí)，輸出功率為650～800 kW，兩者呈線性關(guān)系。此段PTO輸出的功率是變化的，因此實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速低于70 r/min時(shí)，軸帶發(fā)電機(jī)無(wú)法進(jìn)入PTO模式。

主機(jī)運(yùn)行后，在電站管理(PMS)界面上觸發(fā)PTO模式啟動(dòng)請(qǐng)求。如果主機(jī)轉(zhuǎn)速為70～80 r/min時(shí)，會(huì)直接反饋給軸帶發(fā)電機(jī)一個(gè)允許啟動(dòng)信號(hào)；如果主機(jī)轉(zhuǎn)速低于70 r/min，那么主機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)自動(dòng)上升到70 r/min后再給出允許信號(hào)，并且主機(jī)轉(zhuǎn)速在任何正常操作模式下都不會(huì)低于70 r/min，除非退出PTO模式或者主機(jī)安保系統(tǒng)觸發(fā)降速(SLD)命令或停車(SHD)命令。

2.3 PTO模式設(shè)計(jì)要點(diǎn)

軸帶電機(jī)PTO模式主要是給電網(wǎng)供電或者和主發(fā)電機(jī)并車后給電網(wǎng)供電。設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)當(dāng)SLD命令觸發(fā)時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)先降低到70 r/min(確保軸帶發(fā)電機(jī)依然可以輸出800 kW功率，不會(huì)造成全船失電)，螺距會(huì)降到額定值的40%。此時(shí)，PMS需要將軸帶發(fā)電機(jī)上的負(fù)載轉(zhuǎn)移給在網(wǎng)發(fā)電機(jī)，或者啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)后再進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移，最后將軸帶發(fā)電機(jī)從電網(wǎng)脫開。如果2 min內(nèi)主機(jī)收到軸帶發(fā)電機(jī)主開關(guān)分閘狀態(tài)信號(hào)，那么主機(jī)轉(zhuǎn)速將會(huì)繼續(xù)降到40 r/min，否則，主機(jī)將會(huì)直接觸發(fā)SHD命令。

(2)軸帶發(fā)電機(jī)的調(diào)速和調(diào)壓特性需要和主發(fā)電機(jī)的特性相匹配[3]。在軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)并車運(yùn)行前提下，當(dāng)電網(wǎng)有大負(fù)載突加或者突卸時(shí)，有功功率和無(wú)功功率之間比例分配至關(guān)重要，否則就會(huì)導(dǎo)致某一臺(tái)發(fā)電機(jī)或軸帶發(fā)電機(jī)過載而脫扣，造成全船失電。常規(guī)發(fā)電機(jī)出廠時(shí)的調(diào)速和調(diào)壓特性基本相同，因此需要調(diào)整軸帶發(fā)電機(jī)的參數(shù)，使其調(diào)速率和調(diào)壓率與發(fā)電機(jī)的基本相同。調(diào)速率決定著電網(wǎng)突變負(fù)載的有功功率分配，見圖3。調(diào)壓率決定著電網(wǎng)突變負(fù)載的無(wú)功功率分配，見圖4。

圖3 軸帶發(fā)電機(jī)的調(diào)速率

圖4 軸帶發(fā)電機(jī)的調(diào)壓率

3 PTI模式設(shè)計(jì)

3.1 PTI模式設(shè)計(jì)背景

該船服役航線的海況相對(duì)比較惡劣，同時(shí)還需要破冰航行，若不降低航速，就需要加大推進(jìn)功率，而增加推進(jìn)功率最直接的方式就是增加主機(jī)輸出功率[4]。基于破冰航行工況比較少的情況，本文利用軸帶電機(jī)的PTI助推(BOOST)模式為船舶推進(jìn)提供輔助推力，和主機(jī)推進(jìn)形成混合動(dòng)力，滿足推進(jìn)力的峰值需求[5]。

3.2 PTI模式

當(dāng)軸帶電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)時(shí)，主機(jī)轉(zhuǎn)速同樣決定著電動(dòng)機(jī)作用在推進(jìn)軸上的功率，兩者之間關(guān)系見圖5。

圖5 PTI模式功率和轉(zhuǎn)速

圖5同樣給出了2點(diǎn)要求：一是PTI模式啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速要求是60～80 r/min；二是恒功率1 250 kW的最低轉(zhuǎn)速為93 r/min。

轉(zhuǎn)速在60～93 r/min之間時(shí)，電動(dòng)機(jī)的功率為800～1 250 kW，兩者之間也是線性的關(guān)系。同樣，此段PTI讓推進(jìn)軸的功率是變化的，這給船舶電站管理和主機(jī)遙控設(shè)計(jì)增加了難度。考慮到PTI BOOST模式是作為推進(jìn)力峰值需求的補(bǔ)充，此時(shí)主機(jī)處于較大負(fù)荷狀態(tài)，其轉(zhuǎn)速不會(huì)低于93 r/min，因此實(shí)船設(shè)計(jì)時(shí)將93 r/min設(shè)定為PTI模式啟動(dòng)的一個(gè)必要條件。由于93 r/min不在PTI模式啟動(dòng)的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，所以PTI模式無(wú)法直接啟動(dòng)，只能通過PTO模式轉(zhuǎn)換過來。

先啟動(dòng)PTO模式，提升主機(jī)轉(zhuǎn)速至93 r/min。此時(shí)，直接選擇PTI模式，軸帶電機(jī)將自動(dòng)由PTO模式轉(zhuǎn)變?yōu)镻TI模式，完成從發(fā)電機(jī)到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換，無(wú)需任何主開關(guān)的分閘合閘過程，操作流程十分簡(jiǎn)便。

3.3 PTI模式設(shè)計(jì)要點(diǎn)

軸帶電機(jī)PTI模式主要是從電網(wǎng)獲得電能用于輔助主機(jī)增加推進(jìn)力。電能的獲取依靠PMS設(shè)計(jì)，輔助增加推力依靠推進(jìn)遙控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。以下幾點(diǎn)在設(shè)計(jì)PTI模式時(shí)需要著重考慮：

(1)進(jìn)入PTI模式時(shí)，只是說明軸帶電動(dòng)機(jī)具備了提供1 250 kW的能力，實(shí)際需求作用在軸上的功率是由推進(jìn)系統(tǒng)控制并且必須受到PMS安全剩余功率的限制，這樣可以避免全船失電的風(fēng)險(xiǎn)。如當(dāng)前PTI模式功率為500 kW，此時(shí)PMS給出的安全剩余功率為400 kW，那么推進(jìn)系統(tǒng)將會(huì)把螺距限制在對(duì)應(yīng)PTI模式900 kW的位置。如果PTI模式下有任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)故障脫扣，那么PMS將會(huì)直接切斷配電板上軸帶電機(jī)主開關(guān)。

(2)PTI模式功率從0→1 250 kW→0的加載和卸載過程應(yīng)設(shè)有可調(diào)的程序控制其速度，既需考慮電網(wǎng)允許的突加突卸特性，也需要考慮主機(jī)推進(jìn)實(shí)船操作需要，這個(gè)可以在試航試驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)驗(yàn)證。結(jié)果顯示：實(shí)船從0→1 250 kW的加載速率是5%/s，即總時(shí)長(zhǎng)為20 s，從1 250 kW→0的卸載時(shí)間也是20 s，見圖6。

圖6 PTI模式功率加載和卸載

(3)PTO轉(zhuǎn)換為PTI模式時(shí)，只有在PTO功率小于額定功率的10%(80 kW)才允許轉(zhuǎn)換,此設(shè)定值也可以根據(jù)實(shí)船調(diào)節(jié)。選擇PTI模式后，PMS將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)所有備用發(fā)電機(jī)，并車入網(wǎng)后將軸帶發(fā)電機(jī)的負(fù)荷向在網(wǎng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移，直到軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷低于80 kW后，才會(huì)激活PTO→PTI模式轉(zhuǎn)換程序。同樣，當(dāng)從PTI模式切換回PTO模式時(shí)，也需要先把PTI的功率降低到允許切換的設(shè)定值后，才能夠激活PTI→PTO模式轉(zhuǎn)換程序。

(4)PTI模式影響著推進(jìn)軸的推進(jìn)功率。在主機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，只能通過調(diào)節(jié)螺距來增加推進(jìn)力，因此PTI模式下螺距的標(biāo)定值和PTO模式是不同的，見表1。

表1 PTI/PTO模式螺距標(biāo)定值

4 結(jié)論

(1)抱軸式軸帶電機(jī)PTI/PTO模式在某冰區(qū)航行的25 000載重噸雙燃料雜貨船上的應(yīng)用打破了常規(guī)齒輪箱型式的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。雖然在2種模式設(shè)計(jì)上提出了更多的要求，但是在操縱性能上卻帶來了很大的優(yōu)勢(shì)，尤其是PTI和PTO 2個(gè)模式之間的無(wú)停機(jī)平穩(wěn)切換，讓推進(jìn)動(dòng)能和配電電能之間的能量轉(zhuǎn)換變得更加簡(jiǎn)易，提升了船舶的操縱性能。

(2)PTO模式下，建議要充分考慮主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化帶來的軸帶發(fā)電機(jī)輸出功率變化；軸帶發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的調(diào)速、調(diào)壓特性要保持一致。

(3)PTI模式下，建議根據(jù)實(shí)船需求，軸帶電動(dòng)機(jī)的輸出功率受電網(wǎng)剩余功率限制；PTI功率加載和卸載速率需根據(jù)實(shí)船操作后調(diào)整，直至系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。