金枪鱼延绳钓船机电混合动力推进系统应用研究

2014-01-01史斌杰都劲松唐慧妍

船舶与海洋工程 2014年4期

史斌杰，都劲松，唐慧妍，刘赟

（上海船用柴油机研究所，上海 201108）

0 引言

金枪鱼延绳钓船是一种专门用于捕捞深海金枪鱼的渔船。由于其满足极其严格的资源保护要求，且渔获物的品质极佳等多种因素，目前金枪鱼延绳钓船在金枪鱼捕捞作业中占了很大的比例[1]。金枪鱼延绳钓船作业时，在判断好鱼场情况下，从船上放出一根干线（120～150km）于海中，有一定数量的支线、浮子和鱼钓以一定间距系在干线上，借助浮子的浮力使支线（一端带有鱼饵，饵料主要采用冷冻秋刀鱼、鲐鱼、沙丁鱼、鱿鱼等）悬浮在一定深度的水中，用鱼饵（或拟饵）诱引金枪鱼上钩，从而达到捕捞的目的[2]。

机电混合动力推进系统通过齿轮箱的接脱排控制可以选择使用柴油机推进，或使用电机推进，以满足不同推进工况的需求。与传统的船舶动力系统相比,混合动力推进系统的电力推进具有调速范围广、驱动力大、正反转易控、体积小、布局灵活、安装维修方便、振动和噪音小等优点[3,4]。

1 系统组成与控制原理

机电混合动力推进系统由主推进柴油机、柴油发电机组、推进变频器、推进电机、电推控制箱、电磁软轴系统、齿轮箱等组成（见图1）。

图1 机电混合动力推进系统组成

1.1 柴油机推进系统

柴油机推进系统使用时，柴油机自带的控制箱对柴油机的启动、停止等功能进行控制。同时柴油机上的相关传感器将信号传送至柴油机控制箱，然后经过分析处理，通过仪表、指示灯予以显示。电磁软轴操作手柄发出控制信号至电磁软轴控制单元，后者将主机接脱排信号和主机调速信号发送至齿轮箱上的主机离合器接脱排电磁阀以及调速执行机构。齿轮箱的主机离合器接脱排电磁阀接收到接脱排信号后动作，控制主机离合器接脱排。同时相关传感器将是否接脱排成功信号反馈给电磁软轴控制单元，供信息显示。调速执行机构根据接收到的调速信号转动电机，拉动软轴，从而拉动柴油机油门拉杆，对柴油机进行调速。

正常航行时，使用柴油机控制箱起动柴油机，使用电磁软轴手柄，接排主机离合器，并按照需要，对柴油机转速与功率进行调整。

1.2 电力推进系统

使用电力推进系统时，电推控制箱将控制信号发至变频器，对电机的起动、调速、停止、备车等进行控制。变频器根据控制信号，对配电板送来的动力电源的电流进行调整后送至推进电机，以达到控制电机目的。电机上的各传感器信号反馈给变频器和电推控制箱，用以控制与显示。电推控制箱还可以将电机接脱排信号发至齿轮箱的电机离合器接脱排电磁阀，控制电机离合器的接脱排。同时相关传感器将是否接脱排成功信号反馈给电推控制箱，供信息显示。

钓鱼作业时，使用电推控制箱起动电机，接排电机离合器，按需对电机进行调速控制。

图2 电源切换装置

1.3 电力推进系统和柴油机推进系统切换

由于电力推进系统和柴油机推进系统用于不同工况，且不能同时使用，所以两者之间的切换需要特别设计加装一个电源切换装置（如图2所示），使得柴油机推进系统与电力推进系统不能同时操控。当选择开关选择柴油机推进系统时，柴油机控制箱和电磁软轴装置得电，电推控制箱和变频器失电；当选择开关选择电力推进系统时，电推控制箱和变频器得电，柴油机控制箱和电磁软轴装置失电。

为了防止柴油机和电机同时接排而导致系统损坏，在齿轮箱内部增加联锁装置（如图 3所示），使得柴油机与电机不能同时接排。当三位阀处于A位，无论二位阀处于哪个位置，主机正车离合器工作，主机倒车离合器和电机离合器不能工作；当三位阀处于B位时，主机正车离合器、主机倒车离合器、电机离合器都不能工作；当三位阀处于C位，二位阀处于A位时，电机离合器工作，主机正车离合器、主机倒车离合器都不能工作；当三位阀处于C位，二位阀处于B位时，主机倒车离合器工作，主机正车离合器、电机离合器都不能工作。以此来保证同时只有一个离合器工作，即柴油机与电机不能同时接排。

图3 接脱排联锁装置

2 系统设计特点

金枪鱼延绳钓船在钓鱼作业时要求航速较低，一般在7kn以下，而如果以此确定设计航速，那么就无法满足渔船出返航、寻找渔场的航行以及金枪鱼在船上保鲜、储存的要求，因为金枪鱼的捕捞都是远洋，若以如此低的航速将捕捞的金枪鱼运送到岸，将要花费大量时间。如果采用定距桨柴油机推进系统，那么必然有一种工况无法满足设计工况要求。若以渔船出返航的航速确定设计航速，那么在金枪鱼延绳钓船作业时间内，主机将处于低转速、低负荷运行状态，燃油消耗率升高，出现积炭、增压器背压增加现象，可能引起喘振；主机受最低稳定转速限制，易造成航速忽快忽慢，不利于生产作业。此外，长期在非设计工况下运行，将对柴油机造成较大损伤，且能源利用率极低，既不经济也不环保。现在，一般采用可调桨或者全电力推进系统来解决这一矛盾。这两种方式虽然能够满足设计要求，但是可调桨装置价格昂贵、装置复杂，且船舶常年投入远洋生产，维修保养难度大，对船员的操作要求也与普通船舶不同；而全电力推进系统如需满足高航速要求，必须提高设计功率，这将导致变频器与电机的价格都非常高，体积也非常大；对于本身机舱就较小的渔船来说，布置难度非常大，同时由于功率太高，变频器与电机的冷却也是一个较难解决的问题。采用机电混合动力推进系统有如下优势：

1) 满足两种工况要求。高航速航行工况，使用柴油机推进系统；低航速钓鱼作业工况，使用电力推进系统；

2) 与全电力推进系统相比的优点是使电机与变频器的功率可选小些。小功率电机和变频器的价格并不高，体积也相对较小，布置起来容易，同时由于功率小而发热量小，冷却问题也不难解决；

3) 与可调桨装置相比的优点是没有复杂的机械液压装置，布置容易，维护保养问题较少，同时成本相对也小，操纵较为简单，与普通船舶相近；

4) 提高机动性能。在钓鱼作业时，对船舶的机动性能要求很高，此时电机调速快、正倒车快、响应速度快的优势就体现出来了。同时钓鱼作业时，海况不同，船舶航行的推进功率值范围很大，若使用柴油机，则在很多时候是偏离设计工况点的，对柴油机有损伤，能源效率低，也不经济环保，而使用电机，就没有这样的问题了；

5) 增加冗余度。使用机、电两套动力推进系统，增加了推进系统的冗余度，当出现柴油机或电机任一故障时，均能保证船舶的安全航行，有效地提升了船舶航行和生产的可靠性和安全性；

6) 充分利用电能。考虑到金枪鱼延绳钓船上设有冷藏库，而机电混合动力推进系统所需电量并不很大，并且在钓鱼作业时才使用，此时冷藏库应该未处满负荷，所以机电混合动力系统并不需要像全电力推进系统那样单独设立推进发电机组，而是可以合用全船电网，只需稍稍提高全船电网设计容量即可。

3 实船效果

上海水产集团2013年向黄海造船集团公司首次订造了2艘装备机电混合动力推进系统的44.9m金枪鱼延绳钓船。这两艘船主推进装置选用KT38-M型柴油机（额定功率596kW/1800r/min）、HCD450P型齿轮箱、S120变频器（额定电压440V）、1LE0001- 3AB09-0TC5-Z型电机（额定功率120kW）、KE-7 Single型电磁软轴系统，电推控制箱选用QYK-RCS-C1型电力推进控制系统。这两艘船已于2014年初交付使用，并与2014年5月赴太平洋作业。

经过这两艘船实际测试，效果如表1所示。起钩作业时使用电力推进，比使用柴油机推进每小时节油0.009m3，节油率25%；与使用柴油机推进经济航速航行相比，使用电力推进航行每10n mile节油0.0111m3，节油率15%。可见使用机电混合动力系统使船舶经济性有较大提高。