某300 t執(zhí)法船基于定距槳的柴-電混合推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)貴平

(江南造船(集團(tuán))有限責(zé)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(duì)船舶限速8 kn以下的航行要求，此時(shí)船-機(jī)-槳無法匹配，且存在低負(fù)荷下主推進(jìn)柴油機(jī)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(jī)帶定距螺旋槳的基礎(chǔ)上引進(jìn)電力推進(jìn)的系統(tǒng)，針對(duì)該船的工況需求，開展基于定距槳的柴-電混合推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 原推進(jìn)系統(tǒng)存在問題

該船選用康明斯K50-M高速柴油機(jī)，通過齒輪箱帶動(dòng)定距螺旋槳。根據(jù)該船設(shè)計(jì)任務(wù)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(jī)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(jìn)形式無法滿足要求。在此航速下，康明斯K50-M高速柴油機(jī)的的負(fù)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(shí)，螺旋槳轉(zhuǎn)速198 r/min,減速比為3.7，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系將槳的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為主機(jī)轉(zhuǎn)速，則主機(jī)轉(zhuǎn)速732.6 r/min，而柴油機(jī)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(shí)，主機(jī)的轉(zhuǎn)速只在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速附近，8 kn以下時(shí)主機(jī)已不能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，不能滿足要求。此時(shí)，螺旋槳的需求功率為58.57 kW，而主機(jī)的額定功率為1 342 kW,負(fù)荷率4.36%，負(fù)荷率極低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于30%的低負(fù)荷工況[1]。

2 其他推進(jìn)的方案考慮

在采用柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，有兩種設(shè)計(jì)方案可供考慮。

1)柴油機(jī)推進(jìn)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(jī)推進(jìn)可調(diào)槳模式比低速電機(jī)推進(jìn)的油耗高，需增加可調(diào)槳液壓?jiǎn)卧⒚芊庥凸瘛炛亓τ凸瘛Ⅳ汗芑椭亓τ凸竦仍O(shè)備，螺旋槳維護(hù)和整體造價(jià)成本較高[2]。

2)采用裝有滑差離合器的齒輪箱。滑差離合器裝在齒輪箱內(nèi)與齒輪箱一起組成減速傳動(dòng)裝置。滑差離合器當(dāng)其完全合上時(shí)，與常規(guī)的減速齒輪箱完全一樣，具有固定的減速比。當(dāng)主機(jī)在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min(K50-M資料)以上運(yùn)行時(shí)，減速齒輪箱按常規(guī)的減速比帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)，可以滿足高速執(zhí)法的工況需求。當(dāng)主機(jī)在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min運(yùn)行時(shí)，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(jìn)的要求。這種齒輪箱的缺點(diǎn)是會(huì)增加滑差離合器，使齒輪箱的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，傳遞效率低[3]，國(guó)內(nèi)技術(shù)不成熟，國(guó)外價(jià)格較貴，不適用于該船。

3 混合推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)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(jì)性，在原有的主機(jī)通過齒輪箱帶動(dòng)定距螺旋槳的常規(guī)推進(jìn)形式的基礎(chǔ)上，通過引入推進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PTI)、推進(jìn)變頻器來實(shí)現(xiàn)柴電混合推進(jìn)[4]，布置示意于圖1。

圖1 柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)布置示意

圖中的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、推進(jìn)變頻器為常規(guī)的推進(jìn)形式增加的部分。

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

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

柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成：

1)2臺(tái)推進(jìn)柴油機(jī)。

2)2臺(tái)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(tái)柴油發(fā)電機(jī)組。

6)2臺(tái)變頻器。

7)2臺(tái)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)。

3.1 常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)形式

常規(guī)的柴油機(jī)推進(jìn)形式為柴油機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)定距螺旋槳，全船設(shè)置2臺(tái)康明斯K50-M高速柴油機(jī)和2臺(tái)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(jī)推進(jìn)形式主要設(shè)備配置見表1。

表1 常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)形式主要設(shè)備配置

3.2 電力推進(jìn)的形式

柴油發(fā)電機(jī)組輸出的電能通過配電板供給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過高彈性聯(lián)軸器與減速齒輪箱連接，帶動(dòng)軸系及定距槳工作以實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)。變頻器通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，使航速在合理的范圍內(nèi)運(yùn)行，船舶正倒車通過電機(jī)可逆來實(shí)現(xiàn)。全船設(shè)置2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，2臺(tái)變頻器。電力推進(jìn)的形式的主要設(shè)備配置見表2。

表2 電力推進(jìn)的形式的主要設(shè)備配置表

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

本船監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)除了能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)裝置的監(jiān)測(cè)報(bào)警之外，還具有監(jiān)測(cè)推進(jìn)柴油機(jī)等設(shè)備的功能。本船有2套控制系統(tǒng)，即常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)形式有1套控制系統(tǒng)，電力推進(jìn)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(hào)至遙控系統(tǒng)，互為聯(lián)鎖，主機(jī)接排，電機(jī)不能接排，電機(jī)接排主機(jī)不能接排。本船設(shè)有駕駛室、機(jī)電集控室及機(jī)旁3個(gè)控制站。監(jiān)控系統(tǒng)能在以上3個(gè)控制部位實(shí)施控制，機(jī)械處所有人值班。3個(gè)控制部位設(shè)有互相聯(lián)鎖的裝置，同一時(shí)間內(nèi)僅可在1個(gè)控制部位操縱，其優(yōu)先權(quán)次序?yàn)椋簷C(jī)旁優(yōu)先于機(jī)電集控室，機(jī)電集控室優(yōu)先于駕駛室。控制站的控制權(quán)均能方便地轉(zhuǎn)換。監(jiān)控系統(tǒng)既能通過控制推進(jìn)柴油機(jī)和推進(jìn)電機(jī)很好地實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)，又能保證設(shè)備和船舶的安全。

1)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)微機(jī)、機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警軟件、交換機(jī)(DLINK)、串口服務(wù)器、激光打印機(jī)(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(bào)警屏等組成。

2)主機(jī)遙控系統(tǒng)。駕駛室、集控室、機(jī)旁分別設(shè)有工作站。駕駛室控制站主要由遙控及車鐘操縱手柄、主機(jī)應(yīng)急停止按鈕、主機(jī)越控按鈕、主機(jī)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(jī)應(yīng)急停止按鈕、主機(jī)越控按鈕、主機(jī)遙控操作面板、主機(jī)駕控-集控室轉(zhuǎn)換板等組成；機(jī)旁控制站設(shè)置在機(jī)艙，主要由主機(jī)遙控機(jī)旁控制箱、主機(jī)測(cè)速盒、艉軸測(cè)速盒、主機(jī)調(diào)速伺服機(jī)構(gòu)等組成，主機(jī)遙控機(jī)旁控制箱有駕駛室控制、集控室控制、機(jī)旁控制等按鈕，并能實(shí)際顯示。

3)電力推進(jìn)控制系統(tǒng)。駕駛室、集控室、機(jī)旁分別設(shè)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(jī)旁控制站設(shè)在機(jī)艙，主要是電力推進(jìn)機(jī)旁控制箱，可就地操作。各個(gè)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(shè)備正常運(yùn)行。系統(tǒng)對(duì)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(jī)控制系統(tǒng)圖，右電機(jī)與此類似。

圖2 左舷電機(jī)控制系統(tǒng)

4)柴電混合推進(jìn)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(shí)并車，必須等一種推進(jìn)形式脫排，才能接排。柴油機(jī)推進(jìn)切換到電力推進(jìn)時(shí)，需對(duì)柴油機(jī)減速，當(dāng)柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速700 r/min，主機(jī)與齒輪箱脫排。為防止推進(jìn)電機(jī)逆變發(fā)電機(jī)，需等螺旋槳轉(zhuǎn)速降至約100 r/min時(shí)，推進(jìn)電機(jī)與齒輪箱接排，增加推進(jìn)電機(jī)功率到船舶需求航速，對(duì)主推進(jìn)柴油機(jī)停機(jī)；電力推進(jìn)切換到柴油機(jī)推進(jìn)時(shí)，起動(dòng)主推進(jìn)柴油機(jī)，當(dāng)柴油機(jī)達(dá)到怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)與齒輪箱脫排，主機(jī)與齒輪箱接排，增加油門使船舶達(dá)到需求航速。

常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)形式是雙手柄模式，雙手柄控制雙主機(jī)雙槳；電力推進(jìn)形式也是雙手柄模式，通過變頻器控制雙電機(jī)雙槳；這種方式控制邏輯簡(jiǎn)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(shí)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速在最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速以上，柴油機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)。圖3中功率與轉(zhuǎn)速的交匯點(diǎn)為螺旋槳在主推進(jìn)工況的設(shè)計(jì)點(diǎn)，也是定距槳的唯一設(shè)計(jì)點(diǎn)，設(shè)計(jì)航速為18 kn，螺旋槳的設(shè)計(jì)點(diǎn)的為95%的主機(jī)最大功率(110%的額定功率)，留有5%風(fēng)浪儲(chǔ)備功率，航行需求功率小于或等于主機(jī)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(shí)，推進(jìn)電機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)螺旋槳實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)。

圖3 主推進(jìn)航行特性曲線

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

圖4 電力推進(jìn)航行特性曲線

表3 船用發(fā)電機(jī)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(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得該船的動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備較多，在機(jī)艙布置時(shí)也克服了機(jī)艙空間狹小的困難。