小型科考船PTO/PTI改造研究

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.江蘇省無錫市水利局，江蘇無錫 214031；2.中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082）

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

小型科考船 船舶改造 冗余性 PTO/PTI電機

0 引言

現(xiàn)代船舶軸帶電機系統(tǒng)中，軸帶電機既可作為發(fā)電機從主推進柴油機吸收功率（PTO 模式，power take off），也可以作為電動機為推進系統(tǒng)提供動力（PTI 模式，power take in）。PTI 模式又可分為輔助推進（BOOST，即柴油機和電動機并車推進）和應急推進（PTH，即電動機單獨推進）。在雙機雙槳船舶上，還有“電軸模式”[1]，可以實現(xiàn)一機帶兩槳。

BOOST和PTH工作原理是相似的[2]，都是將軸帶電機變?yōu)檩S帶電動機。不同之處在于PTH模式是被動模式，是船舶失去動力情況下的無奈之舉，單獨靠軸帶電動機驅(qū)動螺旋槳，無并車模式，航速也僅僅4至5 kn。而BOOST模式是主動模式，也是經(jīng)常發(fā)生的模式，其目的是通過PTI模式將軸帶電動機與主機并車增加螺旋槳收到更大的推進功率。

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

1 主推冗余度增加方案對比論證

大型科考船往往配置雙機，通過并車齒輪箱驅(qū)動單螺旋槳來規(guī)避此風險。但對于小型科考船來說，其方型系數(shù)小，布置兩臺柴油機基本是不可實現(xiàn)的，單臺四沖程中速柴油機+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可靠性已經(jīng)很高，然而使用過程中仍然無法保證100%的可靠性。另一方面，科考船通常為保障能有更好的拖力，較多采用單機單槳推進方式，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，國外的小型科考船較多采用電力推進方式或采用增設(shè)PTH模塊的單機單槳常規(guī)推進方式。目前冰島和挪威漁業(yè)科考船動力和推進系統(tǒng)（電力推進船除外）都配置了PHT模塊[5]，但國內(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，一般為單機單可調(diào)槳，齒輪箱輸出端帶一臺軸帶發(fā)電機，存在主機故障時船舶失去主動力的安全隱患。為了增加主推進系統(tǒng)冗余度，避免出現(xiàn)執(zhí)行任務(wù)時失去主動力的安全隱患，需改造主推進系統(tǒng)。這類船舶的改造方案有如下三種：1）增加一套主推進系統(tǒng)，改為雙機雙槳形式；2）增加一臺主機，改為雙機單槳形式；3）增加PTO/PTI電機輔助推進。前兩種方案涉及更改船體結(jié)構(gòu)、船舶系統(tǒng)、機艙布置等，改造難度大且成本高。故改造船采用PTO/PTI電機方案比較經(jīng)濟，可實現(xiàn)主機故障時的應急推進，使船舶安全返航。

對于小型科考船而言，設(shè)置PTI 模式，有以下優(yōu)點：

1）增加推進系統(tǒng)冗余度。由于為單主機，主機故障時船舶將失去動力，使用PTI中的PTH功能可實現(xiàn)主機故障時應急推進，保持一定航速返航，如圖1所示。

2）改善主機運行條件。由于科考船在巡航時，有低速航行工況，主機低負荷運行時燃油燃燒質(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功能可以提高主機使用壽命。另一方面，在惡劣海況或船舶所需避險時，需要加快航速或加大更多推力的情況下，主機提供的推進力不夠，需要額外加大動力，此時開啟BOOST工作模式，開啟一臺或兩臺柴油發(fā)電機，通過軸帶電動機與推進柴油機并車共同驅(qū)動螺旋槳，增加推力，如圖2所示。

圖1 PTH模式的運行工況

圖2 BOOST模式的運行工況

3）船舶運行經(jīng)濟性好。設(shè)置PTI用于低速推進，可通過調(diào)節(jié)PTI功率，使發(fā)電機組運行在最優(yōu)工作區(qū)間，提高螺旋槳在低轉(zhuǎn)速時的效率。

2 軸帶電機改造

對于軸帶電機來說，增加PTI 功能有兩種途徑：一是單獨增加一臺電動機，齒輪箱需進行較大改造，多增加一個輸入端，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設(shè)計成可逆型式，既可做發(fā)電機，也可做電動機，這樣齒輪箱改造為帶主離合器和PTO離合器，同時增加一套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，一般無法再單獨增加一臺PTI電機。故采用一臺PTO/PTI可逆電機來實現(xiàn)PTI功能最為經(jīng)濟。

PTO/PTI電機的形式，通常有同步電機、異步電機和永磁電機三種[6]。異步電機選型容易、穩(wěn)定性好、調(diào)速范圍寬、效率高，并且較容易實現(xiàn)PTI功能[7]，配合使用的變頻器也在大量電力推進船舶上應用，技術(shù)成熟。鑒于以上因素，軸帶電機改造建議選用異步電動機。

船舶動力系統(tǒng)中軸帶電機作為PTI電機起動時，需配置相應的起動裝置。目前常用的有四種方式，其主要特性對比分析如表1所示（本文對PTI 軸帶電機的相關(guān)設(shè)備方案描述是基于軸帶電機變頻起動的方式）。

若科考船船設(shè)置PTI主要為實現(xiàn)主機故障時的應急推進，則主機帶動方案不適用。一般軸帶發(fā)電機軸向布置空間有限，小電機拖動整個軸帶發(fā)電機軸向尺寸大，需注意空間布置問題。

表1 PTO/PTI電機啟動方式差異

3 其他重要設(shè)備改造

3.1 動力系統(tǒng)改造

針對單機單槳，調(diào)距槳，齒輪箱沒有離合器，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)電機更換為可逆電機，既可以工作在PTO模式，也可工作在電動模式PTH模式。改造后整個主推進模式是（無助推模式）：（a）柴油機單獨推進；（b）柴油機推進+PTO發(fā)電；（c）PTH推進模式。其中（a）和（b）兩個模式都與原可調(diào)槳遙控系統(tǒng)控制模式基本一致，只是多了離合器；PTH推進模式下，通過電機使螺旋槳運行在恒轉(zhuǎn)速，只是通過調(diào)節(jié)螺距來加減航速，但遙控系統(tǒng)最大螺距限制在電機功率。此種工況僅僅是在主機故障時，作為應急使用。

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，故主推進模式切換以及離合器控制將通過單獨增加一套控制系統(tǒng)（含控制面板）來實現(xiàn)，原遙控系統(tǒng)只進行軟件升級及改造相關(guān)信號接口等。主機故障或者使用PTH低速巡航時，要求通過主離合器將主機與槳軸脫開，使用PTI電機驅(qū)動螺旋槳使船舶前進。同時主機脫開離合器起動，改善起動條件。PTO工況下軸帶發(fā)電機不用時，可通過離合器將軸帶發(fā)電機脫開，延長軸帶發(fā)電機使用壽命。PTI工況下，PTI電機接排帶軸槳緩慢起動，可以減小起動轉(zhuǎn)矩，減小起動電流對電網(wǎng)的沖擊。齒輪箱增加了離合器，需要在機旁和遙控位置（集控室）進行離合器接脫排，PTO/PTI模式切換，PTI電機的起停、加減速等操作和控制功能，故需對控制系統(tǒng)進行改造。改造控制系統(tǒng)，涉及到與主機機旁控制系統(tǒng)、可調(diào)槳遙控系統(tǒng)、監(jiān)測報警系統(tǒng)等接口影響。

3.2 電氣系統(tǒng)改造

增加PTI功能后，主發(fā)電機組容量需重新校核，有時需要更換擴容。主要是因為改造后PTI接排帶螺旋槳及軸系起動時，需克服螺旋槳起動轉(zhuǎn)矩，根據(jù)工程經(jīng)驗，PTI電機軸功率大約需在20%螺旋槳額定輸入功率。同時，需要根據(jù)該船軸功率與航速測試結(jié)果，得到改造后該船應急PTH推進時達到預定航速所需的軸功率，以上兩者取大者考慮。對于改造船，還需要考慮發(fā)電機組容量在長期使用后的下降，建議對原發(fā)電機組進行測容試驗。

若發(fā)電機組容量需變大，則需重新計算并更新PPU（Paralleling and Protection Unit，并車與保護單元）參數(shù)和設(shè)置開關(guān)參數(shù)，更換相關(guān)儀表和線路，功能升級等，所以要對配電板進行改造。涉及到的改造管系有發(fā)電機組燃油管系、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)置一臺空調(diào)滿足變頻器對工作環(huán)境的濕度和溫度要求。

4 小結(jié)

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

本文對小型科考船推進系統(tǒng)的冗余性改造起到了一定的借鑒作用。

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

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[5] 陳嘉偉, 封海寶, 張輝. 船舶直流電站電力推進系統(tǒng)的研究[J]. 青島遠洋船員職業(yè)學院學報, 2017, 38(2): 1-4.

[6] 王貝貝. DMS-2012輪機模擬器軸帶發(fā)電機系統(tǒng)數(shù)學建模與仿真[D]. 大連海事大學, 2013.

[7] 張藝川, 趙同賓, 周曉潔等. 船舶柴電混合動力系統(tǒng)軸帶電機不同起動方式的仿真研究[J]. 艦船科學技術(shù), 2016(s1): 134-138.

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

國家自然科學基金（51509255）

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