渔船电力推进系统性能测定试验设计

曹建军，李胜勇

(中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092)

农业农村部渔业渔政管理局(原农业部渔业局)于2008年开展“我国渔业能耗与节能技术分类调查”[1]工作，旨在促进渔船节能技术的研究与产品开发，加强和规范渔船节能信息管理，推进渔船节能科技创新体系建设[2]。在此背景下,已将在高铁、大型客船、科学考察队船上的电力推进技术也逐步推广运用到渔船上。2011年中国第一艘具有自主知识产权的电力推进拖网渔船在福建省东山县下水[3]，标志着电力推进技术在中国渔船正式得到了运用，随后在福建和山东两省又相继建造了一批电力推进拖网渔船。随着电力推进技术在渔船上运用越来越广泛，其技术也得到了更为灵活的使用，不再拘泥于纯电力，而是依据渔船的捕捞作业特点，将普通推进和电力推进的混合模式运用于金枪鱼延绳钓船[4]、灯光围网渔船[5]上，该方法节能效果良好。然而，渔船电力推进系统性能与质量的检验却成为了一个重要问题。

目前，验船人员在检验以电力推进为推进系统的渔船时，遇到了诸多困难，如电力推进系统需要检验哪些项目、如何检这些项目、这些项目否能反应电力推进系统特性等。现阶段迫切需要明确质量规范，特别是电力推进系统装船后的系泊与航行试验方法尤为迫切。

1 渔船电力推进系统的组成与特点

1.1 渔船电力推进系统的基本组成

推进系统主要由发电机组、配电装置、变流装置、电动机、控制设备、监控设备等组成[6]，如图1虚框中部件所示，图中箭头表示能量与信号的传递方向；可以看出柴油发电机组为总的电能来源，输出至配电板进行分配，再经过变频变流供给推进电机使用，监视台上的控制设备和监控设备监控整个电能传递的流程，确保整个流程安全可靠。

1.2 渔船电力推进系统的特点

电力推进系统相较于普通机械推进系统最大的不同就是“多了电能的转换”，普通推进系统由柴油机-齿轮箱-螺旋桨组成，都是机械能的传递，而电力推进系统却在螺旋桨之前都是电能的传递，虽然增加一次能量转换使得系统的传动效率明显降低[7]，但较之机械能，电能在系统控制管理监测方面更具优势。另外，普通推进的渔船动力系统与生活系统完全独立存在，而电力推进系统由于使用的是电能，自然易与生活系统相结合[8]。对一些用电量比较大的渔船，如带有多台制冷设备的低温捕捞渔船，电力推进系统和机械推进系统混合使用更为适用，通过综合管理可以减少主副柴油机总功率配备，节约能耗，减少投入。当然有利也有弊，综合使用也使系统变得更复杂，尤其是提高了对电站的管理要求。由此可见，电力推进系统与普通机械推进系统有很大的不同，特别是对于控制管理的要求上，使用针对普通机械推进系统的试验方法和检测项目去验证电力推进系统的性能与质量要求显然不合适，因此，需要针对电力推进系统的特点，使用相适宜的试验方法去验证。

图1 渔船电力推进系统组成Fig.1Electrical hybrid propulsion system components for fishing boat

2 渔船电力推进系统检验依据现状

目前，国内对于装有电力推进系统的渔船的检验依据主要为一个建造规范和两个国家标准，也可以说是两个技术要求和一个试验方法，分别为《钢质海洋渔船建造规范(2015)》[9]、GB/T 13030—2008《船舶电力推进系统技术条件》[10]以及GB/T 3471—2011《海船系泊及航行试验通则》[11]。其中，前两个规定了电力推进系统的分类、技术和试验要求，而最后一个标准GB/T 3471—2011没有针对电力推进系统的内容，但是其适用范围为海洋船舶系泊与航行试验的项目，规定了航行试验条件、试验内容及程序、试验记录与报告，并阐明标准以外的特殊装置的试验可参照执行。因此，在检验过程中，通常参照《海船系泊及航行试验通则》标准，自编试验大纲进行检验，但每艘船不同的设计单位、系统供货商以及验船人员对标准参考内容的理解有差异，导致采用的试验方法与项目各不相同，这就易造成试验方法不规范不严谨，无法准确验证电力推进系统的质量与性能，也就难以达到试验目的，给船舶的安全航行带来了隐患。因此，建立一套适用于渔船电力推进系统的试验方法标准非常必要。

3 渔船电力推进系统性能验证实验设计

3.1 基本框架

渔船系统性能验证试验通常主要是针对其整体性能，渔船电力推进系统的性能验证试验同样如此，但又有些特殊。因为电力推进系统是安装到渔船上的，需要和渔船上其他设备如螺旋桨等对接，所以对于系统性能的最好评价途径就是渔船的系泊试验与航行试验[12-13]，需要开展的具体项目见表1。

依据渔船法定检验规则以及GB/T 3471—2011《海船系泊及航行试验通则》的要求，航行试验是在系泊试验完成并保证机电设备能安全可靠运行后才能进行。因此，在系泊试验中，要求对渔船的电力推进系统的安装以及电路进行检查，保证整个系统的运行试验都在外部安装及电路连线可靠的情况下运行。由于系统复杂，由多个部件组成并统一控制，容易出现各部件运行不协调的安全隐患。因此，在系泊试验中，需设置监控及报警的试验保障系统，确保安全运行。另外，整体性能与控制性能的试验，对于任何系统的试验都是必须的，电力推进系统也不例外。因此，在系泊试验中，设置了推进系统性能试验以及控制系统运行试验。对于航行试验，系统的性能试验同样必不可少。但由于航行试验在系泊试验后，因此，有些试验内容不必重复做[14]，而有些内容只能在航行的时候才能做，所以同样也设置了相关的性能试验内容，即推进系统运行试验、主推电机遥控试验。另外船舶航行安全对于航速也有一定的要求，船舶只有达到一定的航速才能抵抗风浪[15-16]，电力推进系统又采用的是至少双推进电机系统，由于某些特殊情况，有时会发生其中一台推进电机无法正常工作现象，此时航速就至关重要。因此，在航行试验中设置了航速测定。

表1 渔船电力推进系统性能验证试验项目Tab.1 The verification project for fishing boat electric propulsion system

3.2 检验方法

3.2.1 系泊试验

1)安装及电路检查

安装及电路检查主要是用通过目测、与设计图纸校对、手动调试等手段对渔船的电力推进系统各组成部件进行检查，主要包括：各部件外形等是否符合设计要求和有关规定，操作功能及操作设备布置是否满足推进系统设计及安装规范要求，关键设备标示及操控指示是否清晰，螺栓等紧固件是否有松动现象，各电器、仪表、开关等型号及结构参数是否符合设计要求，各电路的接线状态、配线情况是否符合要求，控制电缆屏蔽层两端的接地线路、模拟信号传输线等连接是否正确规范等。另外，需重点检查一些安全事项，如主电路应设置对地绝缘检测装置，以及自动断路开关；各控制站应设置独立的应急停车装置；电力推进系统中的变流装置的技术性能、电气接口、控制特性及冷却方式均应满足电力推进系统总体技术要求；应具有过流、过压、输入输出缺相、短路和功率器件过热等保护功能；中间直流回路应有能量泄放装置，防止中间回路的储能装置造成触电事故，在输入断电后，储能装置应能快速放电至安全电压以下；应具有功率器件过压释放保护装置[17]。最后开机试运行，在正常工作转速下，观察所有旋转部件及轴系应无异常振动。

2)推进系统性能试验

推进系统的性能试验主要是针对电力推进系统各主要组成部件，具体可分为柴油发电机组-主配电板性能试验、主推变频器试验以及主推电机试验。相比普通的机械推进系统，电力推进系统的电站需要兼顾动力供电和生活供电。因此，电站较复杂，需更高程度的智能化。柴油发电机组-主配电板性能试验除了按照GB/T 3471—2011《海船系泊及航行试验通则》系泊试验篇中柴油发电机组试验的要求进行起动试验、负荷试验、并联运行试验外，还需对其进行自控功能试验，主要包含机组自动起动、停机、机组自动投网、调频调载、分级卸载、自动增减机组等试验内容。

主推变频器的试验主要为通电后的性能试验，主要检查变频器自带显示单元是否正常显示初始画面；冷却泵组运行是否正常；检查变频器自诊断结果，检测变频器内部电压是否正常；并对变频器功能进行试验，包括柜体本体控制、远程操作控制、通讯检测、紧急停车功能、功率限制功能等。另外，检查变频器UPS电源，启动UPS，断开主控制电源开关，检查UPS是否可持续输出额定电压。

主推电机的试验，主要分两部分：一是对地绝缘检查，使用兆欧表检测电机的对地绝缘值、检查变频电缆接地情况；二是运转试验，将齿轮箱脱开，启动系统，逐步增加电机转速，记录电机转速、电压、电流、轴承及绕组温度，检查电机振动及噪音应无异常。

3)控制系统运行试验

控制系统运行试验主要是模拟在整个电力推进系统的日常操作。因此，试验内容涵盖了整个电力推进系统，主要包括：电源试验、紧急停止试验、控制权转换试验、控制站操作测试、系统控制动作试验以及推进电机负荷试验及谐波分析检测[18]。

电源试验主要是对柜电源与控制站电源进行测试，主要方法为模拟任一进线电源故障或开关电源故障，检查PLC工作情况与采集模块工作情况。紧急停止试验是对紧急停止按钮效果的测试，在任意控制站点按下紧急停止按钮，检查推进系统是否停机，并有声光报警。控制权转换试验主要是机舱中机旁控制权限与驾驶室控制权限的转换，操控“机旁/遥控”选择开关，检查是否能有效转换并有状态指示信号，确认是否取得控制权。控制站操作测试分为机旁操作试验和驾驶室操作试验，两种操作试验内容相似，都包含以下内容：a) 控制系统送电。送电成功后，检查各指示状态应正常；b) 设置控制站控制权。将机旁控制箱上的“机旁/遥控”选择开关处于“机旁”，检查指示状态；c) 按下备车按钮。变频器备妥后，检查机旁控制箱上备妥指示状态；d) 选择控制模式。分别进行同步、1#单动、2#单动，观察对应的指示状态；e) 按下启动按钮。变频器完成启动，推进电机运行在怠速状态，检查对应的指示状态；f)调节转速。操作调速开关或按钮，检查转速表显示应变化正常；g) 调节正车/倒车转换开关。检查正车/倒车指示状态；h) 按下停车按钮。变频器停机，检查启动灯与备妥灯指示状态。

系统控制动作试验在系统空载状态下，由变频器向推进电机供电，快速而连续地操作速度控制器，实现系统工作状态的连续变化：正转运行-制动减速-反转运行。在操作过程中，检查系统应过渡平稳、控制准确，机械装置及电气系统应无异常现象。

推进电机负荷试验及谐波分析检测需使用到示波器等专业仪器设备，试验时需将推进电机与齿轮箱联接固定，由变频器向推进电机供电，通过驾控台上的仪表及监控装置，参照GB/T 3471—2011《海船系泊及航行试验通则》系泊试验篇中主推进系统试验的要求，按表2工况顺序记录电机的电压、电流、转速、绕组温度、轴承温度等，并测试电站的电压谐波畸变率；电压谐波畸变率的限定值参见《钢质海洋渔船建造规范(2015)》第四篇2.16.1.22进行计算，检测各工况下的电压谐波畸变率[19]应在规定范围内。

表2 推进电机系泊试验工况及试验时间Tab.2 The test conditions and testing time for propulsion motor mooring

4)推进系统监测、报警试验

系统的监测与报警是整个电力推进系统安全运行的保障[20]，在《钢质海洋渔船建造规范(2015)》中也单设了一个章节规定了电力推进系统的监测报警表，可见其重要性，整个试验方法主要分为外观检查与模拟实验。外观检查主要检查监控装置应能对电力推进系统重要设备的运行参数及运行状态进行监控；应有声光报警装置；检查监控测量仪表应能满足船舶电力推进系统技术条件；检查监控装置应具备信息采集、数据分析、运行监控、报警、数据存储等功能；所采用的通讯协议应符合要求，应能与船舶电站的功率管理系统、变流装置实现通讯[21]；系统应由两路独立电源进行供电，单路电源的故障应不影响电力推进系统的有效运行；网络监控装置的软硬件应能达到产品技术要求，并应预留功能扩展接口。模拟试验[22]是通过模拟各种状态信号，验证仪表显示应正常准确、验证操控面板上各状态指示灯驱动电路的正常或故障，模拟对应的设备故障检测点，验证报警电路逻辑的正常或故障。并试验“消声”、“复位”等按钮，检查其工作情况是否正常。

3.2.2 航行试验

推进系统完成系泊试验，并确认所有功能及运行状态正常后，方可进行航行试验。试验分为推进系统运行试验、主推电机遥控试验和航速测定[23-24]。

1)推进系统运行试验

航行试验中的推进系统运行试验与系泊试验类似，在确认推进电机与齿轮箱联接固定后，由变频器向推进电机供电，通过驾控台上的仪表及监控装置，参照GB/T 3471—2011《海船系泊及航行试验通则》航行试验篇中主推进系统试验的要求，按表3工况顺序进行运行试验。

表3 推进电机航行试验工况及试验时间Tab.3 The test conditions and testing time for seatrials by propelling motor

注：1)试验应连续进行，中间因故停车时间应不超过15 min；2)经船舶检验机构同意后，表中1～5工况规定的试验时间可减少50%。

主推进系统在各工况运行时，检查各部件运转情况，记录渔船的航速、航行纵倾角，记录测速区的水域位置、气温、气压、风速、风向、海况、水温及水的比重等试验数据。主推进系统满负荷运行时，记录变频器的输入/出电压、电流，推进电机的转速、功率数据；测试配电板母线总电压谐波畸变率。主推进系统满负荷运行稳定后，记录变压器各相绕组的温度、冷却水进水口温度；推进电机各相绕组温度、轴承温度、冷却水进水口温度；变频器冷却水进水温度、冷却介质温度[25]。在主推进系统及各主要用电设备满负荷工作的状态下，验证柴油发电机组并车以及负荷转移工作状态，记录航速，检查电站自动控制系统(包括报警装置)的功能和动作可靠性，在渔船运行的各个工况下，测量并记录各台柴油机的功率、转速及油、水温度和压力。

2)主推电机遥控试验

在机旁与驾驶室，进行主推电机遥控/机旁操纵控制转换。在驾驶室遥控操纵主推电机，进行各种效用试验——加/减速、正反向、停车、应急停车等。

3.2.3 航速试验

在推进电机满负荷运行状态下，测试并记录渔船最高航速； 关闭任意一台发电机，测试渔船航速；关闭任意一台推进电机，测试渔船航速。

4 结论

本研究提出的渔船电力推进系统的试验方法基本对应了《钢质海洋渔船建造规范(2015)》与GB/T 13030—2008《船舶电力推进系统技术条件》中对于电力推进系统提出的技术要求，且该方法在中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所设计的40 m电力推进远洋拖网渔船以及35.6 m电力推进拖网渔船渔船上分别进行了试验。结果表明，该方法符合渔船验船部门对于渔船推进系统的安全要求。如果能够通过论证与内容细化，形成渔船的电力推进系统性能试验的方法标准，将会规范电力推进渔船的质量判定，加快电力推进系统在渔船上的推广运用。