小型科考船PTO/PTI改造研究

2019-01-17陈旭清陈嘉伟王骏超

船电技术 2018年12期

陈旭清，陈嘉伟，王骏超

小型科考船PTO/PTI改造研究

陈旭清1，陈嘉伟2，王骏超2

（1.江苏省无锡市水利局，江苏无锡 214031；2.中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082）

小型科考船一般都为单机单桨，存在失去动力隐患。本文首先对船舶PTO与PTI模式进行了综述，针对经典配置的单机单桨科考船推进系统冗余性改造提出了三种方案，论证了增加PTO/PTI电机辅助推进方案的先进性。对PTO/PTI电机的四种启动方式进行了论证，并概括了各自的优缺点。最后对PTO/PTI改造中涉及到的动力系统、电气系统的改造进行了分析和概括。

小型科考船船舶改造冗余性 PTO/PTI电机

0 引言

现代船舶轴带电机系统中，轴带电机既可作为发电机从主推进柴油机吸收功率（PTO 模式，power take off），也可以作为电动机为推进系统提供动力（PTI 模式，power take in）。PTI 模式又可分为辅助推进（BOOST，即柴油机和电动机并车推进）和应急推进（PTH，即电动机单独推进）。在双机双桨船舶上，还有“电轴模式”[1]，可以实现一机带两桨。

BOOST和PTH工作原理是相似的[2]，都是将轴带电机变为轴带电动机。不同之处在于PTH模式是被动模式，是船舶失去动力情况下的无奈之举，单独靠轴带电动机驱动螺旋桨，无并车模式，航速也仅仅4至5 kn。而BOOST模式是主动模式，也是经常发生的模式，其目的是通过PTI模式将轴带电动机与主机并车增加螺旋桨收到更大的推进功率。

船舶PTH模式的设计，能成功地使主机出现故障的船舶安全地返回基地，从而提高船舶运行的安全性和可靠性[3,4]。该系统对我国正在不断开拓发展的新型先进船舶的设计，是一个非常好的借鉴。

1 主推冗余度增加方案对比论证

大型科考船往往配置双机，通过并车齿轮箱驱动单螺旋桨来规避此风险。但对于小型科考船来说，其方型系数小，布置两台柴油机基本是不可实现的，单台四冲程中速柴油机+PTO齿轮箱+CPP(Control Pitch Propeller，调距桨)已成为小型科考船的经典配置模式。虽然目前四冲程中速柴油机可靠性已经很高，然而使用过程中仍然无法保证100%的可靠性。另一方面，科考船通常为保障能有更好的拖力，较多采用单机单桨推进方式，并可减少螺旋桨缠绕拖网的概率。因此为保证船舶安全性和可靠性，国外的小型科考船较多采用电力推进方式或采用增设PTH模块的单机单桨常规推进方式。目前冰岛和挪威渔业科考船动力和推进系统（电力推进船除外）都配置了PHT模块[5]，但国内公务船及科考船极少有配置此功能的案例。

以小型科考船主推系统经典配置为例，一般为单机单可调桨，齿轮箱输出端带一台轴带发电机，存在主机故障时船舶失去主动力的安全隐患。为了增加主推进系统冗余度，避免出现执行任务时失去主动力的安全隐患，需改造主推进系统。这类船舶的改造方案有如下三种：1）增加一套主推进系统，改为双机双桨形式；2）增加一台主机，改为双机单桨形式；3）增加PTO/PTI电机辅助推进。前两种方案涉及更改船体结构、船舶系统、机舱布置等，改造难度大且成本高。故改造船采用PTO/PTI电机方案比较经济，可实现主机故障时的应急推进，使船舶安全返航。

对于小型科考船而言，设置PTI 模式，有以下优点：

1）增加推进系统冗余度。由于为单主机，主机故障时船舶将失去动力，使用PTI中的PTH功能可实现主机故障时应急推进，保持一定航速返航，如图1所示。

2）改善主机运行条件。由于科考船在巡航时，有低速航行工况，主机低负荷运行时燃油燃烧质量差，影响增压器、喷油嘴等关键零部件性能，使用PTI中的BOOST功能可以提高主机使用寿命。另一方面，在恶劣海况或船舶所需避险时，需要加快航速或加大更多推力的情况下，主机提供的推进力不够，需要额外加大动力，此时开启BOOST工作模式，开启一台或两台柴油发电机，通过轴带电动机与推进柴油机并车共同驱动螺旋桨，增加推力，如图2所示。

图1 PTH模式的运行工况

图2 BOOST模式的运行工况

3）船舶运行经济性好。设置PTI用于低速推进，可通过调节PTI功率，使发电机组运行在最优工作区间，提高螺旋桨在低转速时的效率。

2 轴带电机改造

对于轴带电机来说，增加PTI 功能有两种途径：一是单独增加一台电动机，齿轮箱需进行较大改造，多增加一个输入端，同样增加PTI离合器和主离合器。另一途径是将原有轴带电机设计成可逆型式，既可做发电机，也可做电动机，这样齿轮箱改造为带主离合器和PTO离合器，同时增加一套PTO/PTI 控制系统。

从成本和周期上考虑，船舶改造最好不涉及主机和轴系的改造，使其安装位置不变。另一方面，由于小型科考船齿轮箱的布置空间有限，一般无法再单独增加一台PTI电机。故采用一台PTO/PTI可逆电机来实现PTI功能最为经济。

PTO/PTI电机的形式，通常有同步电机、异步电机和永磁电机三种[6]。异步电机选型容易、稳定性好、调速范围宽、效率高，并且较容易实现PTI功能[7]，配合使用的变频器也在大量电力推进船舶上应用，技术成熟。鉴于以上因素，轴带电机改造建议选用异步电动机。

船舶动力系统中轴带电机作为PTI电机起动时，需配置相应的起动装置。目前常用的有四种方式，其主要特性对比分析如表1所示（本文对PTI 轴带电机的相关设备方案描述是基于轴带电机变频起动的方式）。

若科考船船设置PTI主要为实现主机故障时的应急推进，则主机带动方案不适用。一般轴带发电机轴向布置空间有限，小电机拖动整个轴带发电机轴向尺寸大，需注意空间布置问题。

表1 PTO/PTI电机启动方式差异

3 其他重要设备改造

3.1 动力系统改造

针对单机单桨，调距桨，齿轮箱没有离合器，带PTO的经典配置，改造后需更换齿轮箱，增加主离合器和PTO离合器。另外轴带发电机更换为可逆电机，既可以工作在PTO模式，也可工作在电动模式PTH模式。改造后整个主推进模式是（无助推模式）：（a）柴油机单独推进；（b）柴油机推进+PTO发电；（c）PTH推进模式。其中（a）和（b）两个模式都与原可调桨遥控系统控制模式基本一致，只是多了离合器；PTH推进模式下，通过电机使螺旋桨运行在恒转速，只是通过调节螺距来加减航速，但遥控系统最大螺距限制在电机功率。此种工况仅仅是在主机故障时，作为应急使用。

根据要求原调距桨遥控系统控制面板和操作方式等需基本保持原状，故主推进模式切换以及离合器控制将通过单独增加一套控制系统（含控制面板）来实现，原遥控系统只进行软件升级及改造相关信号接口等。主机故障或者使用PTH低速巡航时，要求通过主离合器将主机与桨轴脱开，使用PTI电机驱动螺旋桨使船舶前进。同时主机脱开离合器起动，改善起动条件。PTO工况下轴带发电机不用时，可通过离合器将轴带发电机脱开，延长轴带发电机使用寿命。PTI工况下，PTI电机接排带轴桨缓慢起动，可以减小起动转矩，减小起动电流对电网的冲击。齿轮箱增加了离合器，需要在机旁和遥控位置（集控室）进行离合器接脱排，PTO/PTI模式切换，PTI电机的起停、加减速等操作和控制功能，故需对控制系统进行改造。改造控制系统，涉及到与主机机旁控制系统、可调桨遥控系统、监测报警系统等接口影响。

3.2 电气系统改造

增加PTI功能后，主发电机组容量需重新校核，有时需要更换扩容。主要是因为改造后PTI接排带螺旋桨及轴系起动时，需克服螺旋桨起动转矩，根据工程经验，PTI电机轴功率大约需在20%螺旋桨额定输入功率。同时，需要根据该船轴功率与航速测试结果，得到改造后该船应急PTH推进时达到预定航速所需的轴功率，以上两者取大者考虑。对于改造船，还需要考虑发电机组容量在长期使用后的下降，建议对原发电机组进行测容试验。

若发电机组容量需变大，则需重新计算并更新PPU（Paralleling and Protection Unit，并车与保护单元）参数和设置开关参数，更换相关仪表和线路，功能升级等，所以要对配电板进行改造。涉及到的改造管系有发电机组燃油管系、滑油管系、冷却水管系、排烟管系等。

改造新增的变频器需要海水冷却，故需要设置一台海水冷却水泵从海水总管中抽吸海水送至变频器冷却器中进行冷却，将冷却后的海水排出舷外，且变频器需要设置一台空调满足变频器对工作环境的湿度和温度要求。

4 小结

我国小型科考船的经典配置都为单机单桨、可调桨、轴带PTO，本文首先对船舶PTO与PTI模式进行了综述，针对经典配置的单机单桨科考船推进系统冗余性改造提出了三种方案，论证了增加PTO/PTI电机辅助推进方案的先进性，其不仅可以增加推进系统冗余性，还可提高主机寿命，节省燃油提高经济性。对PTO/PTI电机的四种启动方式进行了论证，并概括了各自的优缺点。最后对其他涉及到的船舶系统、电气系统的改造进行了分析。

本文对小型科考船推进系统的冗余性改造起到了一定的借鉴作用。

[1] 陶少琳, 路泽文, 钱庄. 船舶推进同步电机PTI/PTO模式研究[J]. 舰船科学技术, 2017, 39(17): 105-110.

[2] 张枫. 具备PTO/PTI功能的船舶电站建模与控制研究[D]. 武汉理工大学, 2014.

[3] 孟永奇, 李保来, 兰建军. 船舶轴带发电—电动系统的原理及控制[J]. 船电技术, 2011, 31(8): 35-38.

[4] 曹森, 沈爱弟, 刘莉飞等. 新型船舶轴带发电系统的建模与仿真[J]. 船舶工程, 2014(5): 69-73.

[5] 陈嘉伟, 封海宝, 张辉. 船舶直流电站电力推进系统的研究[J]. 青岛远洋船员职业学院学报, 2017, 38(2): 1-4.

[6] 王贝贝. DMS-2012轮机模拟器轴带发电机系统数学建模与仿真[D]. 大连海事大学, 2013.

[7] 张艺川, 赵同宾, 周晓洁等. 船舶柴电混合动力系统轴带电机不同起动方式的仿真研究[J]. 舰船科学技术, 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