柴電混動系統在某近海油船上的應用

李家帥，汪 濤， 吳光友，王 磊

(1.江蘇省船舶設計研究所有限公司，江蘇 鎮江 212003；2.江蘇通洋船舶有限公司，江蘇 常州 213200)

0 引言

常規推進的船舶由于是主機直接連接軸系和螺旋槳，形式比較單一，在特殊狀況下負荷率低，經濟性差，沒有靈活方便的附加配置及功能。然而，隨著主機需求端呈現多樣性趨勢及船舶工況復雜性的增加，傳統單一的動力配置逐漸暴露出能耗高、經濟性差等缺點，因此，有必要研究一種靈活性和效率高、經濟性和舒適性好、維護簡單的動力配備模式。本文研究的柴電混動系統主要是在常規推進的基礎上再配置1臺具有功率輸出/功率輸入(PTI/PTO)功能的齒輪箱和1臺可逆電機，以保證船舶能夠實現3個功能：經濟航速下運行時能實現整船的動力及電力系統以最經濟的方式運行；在主機發生故障或有特殊工況需要時可以微速航行；在緊急狀態下能夠更加快速航行等。目前國內這種柴電混動系統有些還停留在實驗室階段[1-3]，有的雖然有實船的應用[2]但功能沒有完全發掘出來。因此，為了保持與原動力系統差異最小化，且初期增加投資小、性價比最大化，本文以某近海油船柴電混動系統為研究對象，分析了柴電混動系統的功能，研究了該系統的關鍵點和適配性。

1 主要配置及功能

1.1 主要配置

某近海油船柴電混動系統由可逆電機、主機、帶PTO/PTI功能的齒輪箱、電能管理系統、軸系、可調槳共同組成一個動力系統。其他設備如全船的電池和用電設備等。柴電混動系統的主要配置示意圖見圖1。

圖1 柴電混動系統的主要配置示意圖

1.2 功能

1.2.1 功能1

主機連接齒輪箱直接驅動軸系，齒輪箱電機端切換至PTO模式，可逆電機變為發電機組可向電池組及全船供電。此時，可根據實船的用電負荷決定啟動發電機組的數量。此功能主要用于船舶在經濟航速下運行，已實現系統的最經濟運行，系統功率的最低負荷率能達到60%。柴電混動系統功能1示意見圖2。

圖2 柴電混動系統功能1示意

1.2.2 功能2

主機因故障不能啟動時，由齒輪箱切換至PTI模式，船內發電機組或電池組供電至電機，由電機帶動齒輪箱直接驅動軸系。此功能主要用于主機故障或船舶微速航行的情況，系統功率的最低負荷率能達到90%。柴電混動系統功能2示意見圖3。

圖3 柴電混動動力系統功能2示意

1.2.3 功能3

主機和電機同時連接到齒輪箱直接驅動軸系。此功能為booster模式，多用于緊急狀態或需要更加快速航行工況。功能3早在2011年的歐洲一些發達國家的運輸船上已經有實船應用。在國內，因2018年Peak Pegasus貨船為趕最后的交貨期飛馳狂奔的新聞引起廣泛關注。因違約而帶來的罰款的經濟損失遠比燃油消耗帶來的損失要大得多，所以boosber功能被業內大部分船東逐漸接受。此功能下系統功率的最大負荷率能達到100%。 柴電混動系統功能3示意見圖4。

圖4 柴電混動系統功能3示意

綜上可見，柴電混動系統優點就是能夠將船舶整體動力系統的潛力最大化的發揮出來，避免船舶主柴油機由于工作在低負荷工況下的較低的燃油效率，以及在高負荷狀態下達不到要求的情況，從而提高全工況的經濟性，更好地應對突發事件。

2 柴電混動系統的關鍵點

(1)柴電混動系統需要根據實際工況仔細計算、分配動力，使主柴油機與推進電機負荷輸出都有一個最佳的配合。

(2)電機在低功率高負載扭矩狀態下的難點。為保證電機在PTI 模式下能以較小的啟動負載啟動，將齒輪箱設計為PTO/PTI雙速比：PTO、PTI 各自有單獨的離合器，并設計不同的速比。同時也可考慮采用調距槳等方法來降低電機的負載扭矩等。

(3)PTO/PTI切換技術。PTO/PTI 模式切換需實時監測配電系統、電機、齒輪箱、主機等設備在實際運行下的各項參數，最后通過操控齒輪箱完成PTO/PTI切換。切換技術的難點在于需要系統計算PTO/PTI各工況下主機轉速、齒輪箱速比、電機轉速、主機功率、電機功率、配電系統的電流電壓之間的銜接，并根據上述設備的技術要求進行相應控制，最終確保主機、齒輪箱、電機之間安全、可靠地完成各模式之間的切換。

(4)電機和主機booster技術。柴油機相對電機而言，特性稍軟，所以對系統沒有大的影響。而電機由于自身的機械特性差異很大，選用的常規電動機特性較硬，適用于負載變化大但轉速變化小的情況，如轉速變化過大可能導致船舶電力系統崩潰。通常在這一模式下的配置中，負荷分配之間的問題就會對整個混合系統的安全性、穩定性有明顯的影響，所以柴油機功率一般是電機容量的5倍，當然也要根據電機的特性來確定負荷分配。另外對booster控制系統的動作精度、時間響應速度、運算精度等方面的技術要求很高。同時booster技術也是整個動力系統的難點之一，如何實現主機和電機在較寬的轉速范圍下實現并車、縮短響應時間、消除booster過程中齒輪與齒輪之間的沖擊等都是要考慮的問題。

(5)電機選型及其啟動系統設計技術。大部分發電機僅運行在發電狀態下，電動機僅運行于電動狀態下，而本系統的可逆電機要求既能在電動工況下運行，又能在發電工況下運行，因而需綜合考慮兩種不同工況以及在同一工況下不同負載還有主機和電機在不同階段下對電機的結構、電磁構造形式，以及冷卻方式上的推敲，這無疑縮小了電機的可選范圍，增大了選型的難度。可逆電機作為電動機使用時，啟動負載普遍偏大，又需要所謂的“軟起動”。對于這類啟動又分好多種啟動方式，如變頻啟動、小功率異步電動機輔助啟動、柴油發電機組降頻降壓啟動等，設計時要綜合考慮不同啟動方案及對動力系統的影響程度，再根據各自的影響程度，最終選擇最佳的電機型號及啟動系統方案。

3 柴電混動系統的適配性

從目前的配置來看，整個系統的冗余度高、設備配備多、重量大，主要適用于運輸船、海洋工作船、運維船、客滾船、公務船等。這類船舶的共同特點為機艙空間較大，同時增加的重量對整船航行性能的影響很小，船上的發電機組的容量高，動力設備的配置比較齊全。因此在這類船舶上使用本文的柴電混動系統比較合適。相反，如果是船型較小，又對整船的航速有較高的需求時，則不適用。當然隨著日后科技的進步，各種設備小型化后，柴電混動系統或有一個更大范圍的適用空間。

4 結論

實際裝船后經過1年半的使用后顯示，該系統能夠滿足船東的使用需求。

(1)從經濟性上來看，在1年半的時間內節省燃油消耗12%，超出預估的5%～10%的計算值。

(2)系統運行平穩，沒有出現在booster功能下的齒擊現象，而且booster功能下的航速滿足設計計算值。