柴电混动系统在某近海油船上的应用

2020-05-05李家帅吴光友

江苏船舶 2020年1期

李家帅，汪涛，吴光友，王磊

(1.江苏省船舶设计研究所有限公司，江苏镇江 212003；2.江苏通洋船舶有限公司，江苏常州 213200)

0 引言

常规推进的船舶由于是主机直接连接轴系和螺旋桨，形式比较单一，在特殊状况下负荷率低，经济性差，没有灵活方便的附加配置及功能。然而，随着主机需求端呈现多样性趋势及船舶工况复杂性的增加，传统单一的动力配置逐渐暴露出能耗高、经济性差等缺点，因此，有必要研究一种灵活性和效率高、经济性和舒适性好、维护简单的动力配备模式。本文研究的柴电混动系统主要是在常规推进的基础上再配置1台具有功率输出/功率输入(PTI/PTO)功能的齿轮箱和1台可逆电机，以保证船舶能够实现3个功能：经济航速下运行时能实现整船的动力及电力系统以最经济的方式运行；在主机发生故障或有特殊工况需要时可以微速航行；在紧急状态下能够更加快速航行等。目前国内这种柴电混动系统有些还停留在实验室阶段[1-3]，有的虽然有实船的应用[2]但功能没有完全发掘出来。因此，为了保持与原动力系统差异最小化，且初期增加投资小、性价比最大化，本文以某近海油船柴电混动系统为研究对象，分析了柴电混动系统的功能，研究了该系统的关键点和适配性。

1 主要配置及功能

1.1 主要配置

某近海油船柴电混动系统由可逆电机、主机、带PTO/PTI功能的齿轮箱、电能管理系统、轴系、可调桨共同组成一个动力系统。其他设备如全船的电池和用电设备等。柴电混动系统的主要配置示意图见图1。

图1 柴电混动系统的主要配置示意图

1.2 功能

1.2.1 功能1

主机连接齿轮箱直接驱动轴系，齿轮箱电机端切换至PTO模式，可逆电机变为发电机组可向电池组及全船供电。此时，可根据实船的用电负荷决定启动发电机组的数量。此功能主要用于船舶在经济航速下运行，已实现系统的最经济运行，系统功率的最低负荷率能达到60%。柴电混动系统功能1示意见图2。

图2 柴电混动系统功能1示意

1.2.2 功能2

主机因故障不能启动时，由齿轮箱切换至PTI模式，船内发电机组或电池组供电至电机，由电机带动齿轮箱直接驱动轴系。此功能主要用于主机故障或船舶微速航行的情况，系统功率的最低负荷率能达到90%。柴电混动系统功能2示意见图3。

图3 柴电混动动力系统功能2示意

1.2.3 功能3

主机和电机同时连接到齿轮箱直接驱动轴系。此功能为booster模式，多用于紧急状态或需要更加快速航行工况。功能3早在2011年的欧洲一些发达国家的运输船上已经有实船应用。在国内，因2018年Peak Pegasus货船为赶最后的交货期飞驰狂奔的新闻引起广泛关注。因违约而带来的罚款的经济损失远比燃油消耗带来的损失要大得多，所以boosber功能被业内大部分船东逐渐接受。此功能下系统功率的最大负荷率能达到100%。柴电混动系统功能3示意见图4。

图4 柴电混动系统功能3示意

综上可见，柴电混动系统优点就是能够将船舶整体动力系统的潜力最大化的发挥出来，避免船舶主柴油机由于工作在低负荷工况下的较低的燃油效率，以及在高负荷状态下达不到要求的情况，从而提高全工况的经济性，更好地应对突发事件。

2 柴电混动系统的关键点

(1)柴电混动系统需要根据实际工况仔细计算、分配动力，使主柴油机与推进电机负荷输出都有一个最佳的配合。

(2)电机在低功率高负载扭矩状态下的难点。为保证电机在PTI 模式下能以较小的启动负载启动，将齿轮箱设计为PTO/PTI双速比：PTO、PTI 各自有单独的离合器，并设计不同的速比。同时也可考虑采用调距桨等方法来降低电机的负载扭矩等。

(3)PTO/PTI切换技术。PTO/PTI 模式切换需实时监测配电系统、电机、齿轮箱、主机等设备在实际运行下的各项参数，最后通过操控齿轮箱完成PTO/PTI切换。切换技术的难点在于需要系统计算PTO/PTI各工况下主机转速、齿轮箱速比、电机转速、主机功率、电机功率、配电系统的电流电压之间的衔接，并根据上述设备的技术要求进行相应控制，最终确保主机、齿轮箱、电机之间安全、可靠地完成各模式之间的切换。

(4)电机和主机booster技术。柴油机相对电机而言，特性稍软，所以对系统没有大的影响。而电机由于自身的机械特性差异很大，选用的常规电动机特性较硬，适用于负载变化大但转速变化小的情况，如转速变化过大可能导致船舶电力系统崩溃。通常在这一模式下的配置中，负荷分配之间的问题就会对整个混合系统的安全性、稳定性有明显的影响，所以柴油机功率一般是电机容量的5倍，当然也要根据电机的特性来确定负荷分配。另外对booster控制系统的动作精度、时间响应速度、运算精度等方面的技术要求很高。同时booster技术也是整个动力系统的难点之一，如何实现主机和电机在较宽的转速范围下实现并车、缩短响应时间、消除booster过程中齿轮与齿轮之间的冲击等都是要考虑的问题。

(5)电机选型及其启动系统设计技术。大部分发电机仅运行在发电状态下，电动机仅运行于电动状态下，而本系统的可逆电机要求既能在电动工况下运行，又能在发电工况下运行，因而需综合考虑两种不同工况以及在同一工况下不同负载还有主机和电机在不同阶段下对电机的结构、电磁构造形式，以及冷却方式上的推敲，这无疑缩小了电机的可选范围，增大了选型的难度。可逆电机作为电动机使用时，启动负载普遍偏大，又需要所谓的“软起动”。对于这类启动又分好多种启动方式，如变频启动、小功率异步电动机辅助启动、柴油发电机组降频降压启动等，设计时要综合考虑不同启动方案及对动力系统的影响程度，再根据各自的影响程度，最终选择最佳的电机型号及启动系统方案。

3 柴电混动系统的适配性

从目前的配置来看，整个系统的冗余度高、设备配备多、重量大，主要适用于运输船、海洋工作船、运维船、客滚船、公务船等。这类船舶的共同特点为机舱空间较大，同时增加的重量对整船航行性能的影响很小，船上的发电机组的容量高，动力设备的配置比较齐全。因此在这类船舶上使用本文的柴电混动系统比较合适。相反，如果是船型较小，又对整船的航速有较高的需求时，则不适用。当然随着日后科技的进步，各种设备小型化后，柴电混动系统或有一个更大范围的适用空间。