應貴平

(江南造船(集團)有限責任公司 江南研究院，上海 201913)

300 t執(zhí)法船航行于黃浦江，因黃浦江對船舶限速8 kn以下的航行要求，此時船-機-槳無法匹配，且存在低負荷下主推進柴油機存在油耗高、排放差的問題[1]。為解決該問題，在成熟的柴油機帶定距螺旋槳的基礎上引進電力推進的系統(tǒng)，針對該船的工況需求，開展基于定距槳的柴-電混合推進系統(tǒng)的設計。

1 原推進系統(tǒng)存在問題

該船選用康明斯K50-M高速柴油機，通過齒輪箱帶動定距螺旋槳。根據(jù)該船設計任務書，本船有航行于黃浦江的工況要求，而航行于黃浦江需要在8 kn航速以下，且高速柴油機最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速較高，結(jié)合槳的性能曲線，齒輪箱的選型，這種推進形式無法滿足要求。在此航速下，康明斯K50-M高速柴油機的的負荷率也較低、油耗較高、排放差。

根據(jù)槳的參數(shù)可知，在航速8 kn時，螺旋槳轉(zhuǎn)速198 r/min,減速比為3.7，通過對應關系將槳的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為主機轉(zhuǎn)速，則主機轉(zhuǎn)速732.6 r/min，而柴油機的最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為700 r/min。以上數(shù)據(jù)表明，航速8 kn時，主機的轉(zhuǎn)速只在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速附近，8 kn以下時主機已不能穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，不能滿足要求。此時，螺旋槳的需求功率為58.57 kW，而主機的額定功率為1 342 kW,負荷率4.36%，負荷率極低，遠遠低于30%的低負荷工況[1]。

2 其他推進的方案考慮

在采用柴電混合推進系統(tǒng)設計之前，有兩種設計方案可供考慮。

1)柴油機推進的可調(diào)槳模式。通過調(diào)節(jié)螺距既能滿足最大航速不小于18 kn的高速執(zhí)法工況，又需滿足在航速8 kn以下低速工況需求。在同等低速航行的工況下，柴油機推進可調(diào)槳模式比低速電機推進的油耗高，需增加可調(diào)槳液壓單元、密封油柜、槳轂重力油柜、艉管滑油重力油柜等設備，螺旋槳維護和整體造價成本較高[2]。

2)采用裝有滑差離合器的齒輪箱?；铍x合器裝在齒輪箱內(nèi)與齒輪箱一起組成減速傳動裝置?；铍x合器當其完全合上時，與常規(guī)的減速齒輪箱完全一樣，具有固定的減速比。當主機在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min(K50-M資料)以上運行時，減速齒輪箱按常規(guī)的減速比帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動實現(xiàn)船舶推進，可以滿足高速執(zhí)法的工況需求。當主機在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min運行時，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速手柄使齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在30%～70%正常輸出轉(zhuǎn)速，然后按照齒輪箱減速比得出螺旋槳轉(zhuǎn)速在57～133 r/min，根據(jù)螺旋槳性能曲線，可以滿足6 kn以下的低速推進的要求。這種齒輪箱的缺點是會增加滑差離合器，使齒輪箱的設計更為復雜，傳遞效率低[3]，國內(nèi)技術不成熟，國外價格較貴，不適用于該船。

3 混合推進系統(tǒng)動力配置

結(jié)合執(zhí)法船的作業(yè)環(huán)境及工況，充分考慮船舶操作的經(jīng)濟性，在原有的主機通過齒輪箱帶動定距螺旋槳的常規(guī)推進形式的基礎上，通過引入推進電動機(PTI)、推進變頻器來實現(xiàn)柴電混合推進[4]，布置示意于圖1。

圖1 柴電混合推進系統(tǒng)布置示意

圖中的推進電動機、推進變頻器為常規(guī)的推進形式增加的部分。

本船動力系統(tǒng)日常航行時(8 kn以上)為雙機、雙槳驅(qū)動的柴油機動力裝置系統(tǒng)；8 kn以下低速航行時采用電力推進，柴油發(fā)電機組輸出的電能通過配電板供給推進電動機，以實現(xiàn)船舶推進。采用雙輸入單輸出齒輪箱，推進柴油機和推進電動機通過高彈性聯(lián)軸器與減速齒輪箱連接，帶動軸系及定距槳工作。

任一舷推進裝置損壞后，能依靠另一舷未損壞的推進裝置實現(xiàn)船舶推進。

柴電混合推進系統(tǒng)的基本組成：

1)2臺推進柴油機。

2)2臺船用減速齒輪箱(雙輸入單輸出，具PTI功能)。

3)2套軸系和固定螺距螺旋槳。

4)1套監(jiān)控系統(tǒng)。

5)2臺柴油發(fā)電機組。

6)2臺變頻器。

7)2臺推進電動機及其控制系統(tǒng)。

3.1 常規(guī)柴油機推進形式

常規(guī)的柴油機推進形式為柴油機通過齒輪箱驅(qū)動定距螺旋槳，全船設置2臺康明斯K50-M高速柴油機和2臺GWC36.39P雙輸入單輸出齒輪箱，2套螺旋槳軸及固定螺旋槳，常規(guī)柴油機推進形式主要設備配置見表1。

表1 常規(guī)柴油機推進形式主要設備配置

3.2 電力推進的形式

柴油發(fā)電機組輸出的電能通過配電板供給推進電動機，電動機通過高彈性聯(lián)軸器與減速齒輪箱連接，帶動軸系及定距槳工作以實現(xiàn)船舶推進。變頻器通過控制電機轉(zhuǎn)速，使航速在合理的范圍內(nèi)運行，船舶正倒車通過電機可逆來實現(xiàn)。全船設置2臺柴油發(fā)電機組、2臺推進電動機，2臺變頻器。電力推進的形式的主要設備配置見表2。

表2 電力推進的形式的主要設備配置表

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)及柴-電混合推進系統(tǒng)切換

本船監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測報警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。監(jiān)測報警系統(tǒng)除了能實現(xiàn)推進裝置的監(jiān)測報警之外，還具有監(jiān)測推進柴油機等設備的功能。本船有2套控制系統(tǒng)，即常規(guī)柴油機推進形式有1套控制系統(tǒng)，電力推進形式有1套控制系統(tǒng)。柴電切換執(zhí)行主要由齒輪箱完成，齒輪箱輸出信號至遙控系統(tǒng)，互為聯(lián)鎖，主機接排，電機不能接排，電機接排主機不能接排。本船設有駕駛室、機電集控室及機旁3個控制站。監(jiān)控系統(tǒng)能在以上3個控制部位實施控制，機械處所有人值班。3個控制部位設有互相聯(lián)鎖的裝置，同一時間內(nèi)僅可在1個控制部位操縱，其優(yōu)先權次序為：機旁優(yōu)先于機電集控室，機電集控室優(yōu)先于駕駛室?？刂普镜目刂茩嗑芊奖愕剞D(zhuǎn)換。監(jiān)控系統(tǒng)既能通過控制推進柴油機和推進電機很好地實現(xiàn)船舶推進，又能保證設備和船舶的安全。

1)監(jiān)測報警系統(tǒng)。監(jiān)測報警系統(tǒng)主要由監(jiān)測微機、機艙監(jiān)測報警軟件、交換機(DLINK)、串口服務器、激光打印機(HP)、數(shù)據(jù)采集箱、通訊接口、二次儀表、電源及UPS裝置、延伸報警屏等組成。

2)主機遙控系統(tǒng)。駕駛室、集控室、機旁分別設有工作站。駕駛室控制站主要由遙控及車鐘操縱手柄、主機應急停止按鈕、主機越控按鈕、主機遙控操作面板等組成；集控室控制站主要由遙控及車鐘操縱手柄、主機應急停止按鈕、主機越控按鈕、主機遙控操作面板、主機駕控-集控室轉(zhuǎn)換板等組成；機旁控制站設置在機艙，主要由主機遙控機旁控制箱、主機測速盒、艉軸測速盒、主機調(diào)速伺服機構等組成，主機遙控機旁控制箱有駕駛室控制、集控室控制、機旁控制等按鈕，并能實際顯示。

3)電力推進控制系統(tǒng)。駕駛室、集控室、機旁分別設有工作站。駕駛室控制站由駕駛室控制面板和控制器組成；集控室控制站由集控室控制面板和控制器組成；機旁控制站設在機艙，主要是電力推進機旁控制箱，可就地操作。各個工作站之間采用以太網(wǎng)和串口2種通訊形式，形成冗余通訊，任何一路中斷，不影響設備正常運行。系統(tǒng)對外采用2路供電，AC220 V 1路，DC24 V 1路，系統(tǒng)內(nèi)部電源自行分配。圖2是左舷電機控制系統(tǒng)圖，右電機與此類似。

圖2 左舷電機控制系統(tǒng)

4)柴電混合推進系統(tǒng)切換。因該船槳為定距槳，柴電切換、電柴切換難以做到短時并車，必須等一種推進形式脫排，才能接排。柴油機推進切換到電力推進時，需對柴油機減速，當柴油機的轉(zhuǎn)速達到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min，主機與齒輪箱脫排。為防止推進電機逆變發(fā)電機，需等螺旋槳轉(zhuǎn)速降至約100 r/min時，推進電機與齒輪箱接排，增加推進電機功率到船舶需求航速，對主推進柴油機停機；電力推進切換到柴油機推進時，起動主推進柴油機，當柴油機達到怠速運轉(zhuǎn)時，電機與齒輪箱脫排，主機與齒輪箱接排，增加油門使船舶達到需求航速。

常規(guī)柴油機推進形式是雙手柄模式，雙手柄控制雙主機雙槳；電力推進形式也是雙手柄模式，通過變頻器控制雙電機雙槳；這種方式控制邏輯簡單、界面清晰、安全系數(shù)高。

4 柴電混合工況分析

8 kn以上時，柴油機轉(zhuǎn)速在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以上，柴油機通過齒輪箱驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動實現(xiàn)船舶推進。圖3中功率與轉(zhuǎn)速的交匯點為螺旋槳在主推進工況的設計點，也是定距槳的唯一設計點，設計航速為18 kn，螺旋槳的設計點的為95%的主機最大功率(110%的額定功率)，留有5%風浪儲備功率，航行需求功率小于或等于主機發(fā)出的功率，能夠滿足8 kn以上各航速需求。8 kn以下(含8 kn)時，推進電機通過齒輪箱驅(qū)動螺旋槳實現(xiàn)船舶推進。

圖3 主推進航行特性曲線

圖4中航行需求功率始終小于電機發(fā)出的功率，能夠滿足8 kn以下各個航速的需求，且該模式下的發(fā)電機組的油耗、排放處于合理范圍內(nèi)。柴油發(fā)電機組供全船用電及電推工況的推進柴油機用電，查看電力負荷計算書，此時的負荷率為83.13%，結(jié)合表3船用柴油發(fā)電機組性能數(shù)據(jù)表，此時燃油消耗率較低，經(jīng)濟性較好，發(fā)電機組的能力得到了充分的利用。

圖4 電力推進航行特性曲線

表3 船用發(fā)電機組性能數(shù)據(jù)表

5 結(jié)論

某300 t船基于定距槳的柴-電混合推進系統(tǒng)設計，使得該船的動力系統(tǒng)既能需滿足最大航速不小于18 kn的高速執(zhí)法工況，又可滿足在航速8 kn以下低速工況需求；解決了油耗高、排放差差的問題；本船動力系統(tǒng)設備較多，在機艙布置時也克服了機艙空間狹小的困難。