抱轴式轴带电机PTO/PTI设计

曹大友，李国荣

(招商局金陵船舶(南京)有限公司，江苏 南京 210015)

0 引言

在节能环保的大环境下，利用轴带同步电机的可逆性原理，让其在船舶不同工况模式下进行发电机和电动机之间相互转换[1]，使得船舶推进系统动能和船舶配电系统电能两者之间可以相互补充，从而满足特殊船舶工况下对动能或电能的峰值需求。这不仅大大节省了设备采购成本，同时也给船舶机舱设计和现场安装带来了便利。

轴带电机的功率引出(Power Take Out, PTO)和功率引入(Power Take In, PTI)功能越来越受到船东的青睐，而低速可调螺距螺旋桨(Controllable Pitch Propeller, CPP)主机带抱轴式变频控制的轴带电机PTO/PTI的设计更有优势。对于低速CPP主机，由于转速的变化及轴带发电机并网后和主发电机调速调压特性的不同而带来的航行安全问题在设计时是必须要考虑的[2]。本文以某冰区航行的25 000载重吨双燃料杂货船为研究对象，详细分析了PTO/PTI 2种模式的运行条件、安保设计及2种模式之间相互平稳转换的要求，为业内其他PTO/PTI安全可靠设计提供参考。

1 系统配置

PTO/PTI系统配置见图1。船舶推进和船舶配电系统主要设备如下：

(1)推进系统：1台6 000 kW主柴油机、1台1 250 kW(PTI模式)轴带电机、2台700 kW侧推。

(2)配电系统：主配电板、2台950 kW主发电机、1台590 kW主发电机和轴带电机800 kW(PTO模式)。

由图1可以看出，轴带电机的PTO/PTI模式是设计的核心，既可以从推进轴上提取800 kW功率和电站的主发电机并车共同向电网供电，也可以从电站3台主发电机得到1 250 kW的功率给推进轴辅助增加推进力。

BT—侧推；DG—柴油发电机；CPP—可调螺距螺旋桨。图1 PTO/PTI系统配置

2 PTO模式设计

2.1 PTO模式设计背景

25 000载重吨杂货船采用单机单桨，由低速二冲程主机直接驱动轴系和螺旋桨，并在轴上配置抱轴式轴带发电机。主机额定功率为6 000 kW，额定转速为100 r/min；而当持续服务功率(CSR)为2 970 kW时，主机转速为83.7 r/min，因此正常航行时主机功率的富余量很大。

根据电力负荷计算书，正常航行时全船总负载为580 kW，安装1台800 kW的轴带发电机就可以利用主机的富余功率来满足正常航行时船舶电站的用电需求量。

船舶在操纵模式下，2台700 kW的侧推需要投入运行。根据电力负荷计算书，此模式下的总负载为2 192 kW，而3台发电机的总功率为2 490 kW，如果任意一台发电机出现故障或者处于检修状态，那么就无法满足此工况要求。而800 kW的轴带发电机投入电网，不仅可以确保操纵模式下电网电能的富余量，还可以在缺少一台发电机的情况下满足操纵模式的电能需求。

2.2 PTO模式

主机的转速直接影响到抱轴式轴带发电机的功率输出，两者之间关系见图2。

图2 PTO模式功率和转速

图2给出了2点要求：一是PTO模式启动的转速要求为60～80 r/min；二是恒功率800 kW输出的最低转速为70 r/min。

当主机的转速为60～70 r/min时，输出功率为650～800 kW，两者呈线性关系。此段PTO输出的功率是变化的，因此实船设计时，当主机转速低于70 r/min时，轴带发电机无法进入PTO模式。

主机运行后，在电站管理(PMS)界面上触发PTO模式启动请求。如果主机转速为70～80 r/min时，会直接反馈给轴带发电机一个允许启动信号；如果主机转速低于70 r/min，那么主机转速会自动上升到70 r/min后再给出允许信号，并且主机转速在任何正常操作模式下都不会低于70 r/min，除非退出PTO模式或者主机安保系统触发降速(SLD)命令或停车(SHD)命令。

2.3 PTO模式设计要点

轴带电机PTO模式主要是给电网供电或者和主发电机并车后给电网供电。设计要点如下：

(1)当SLD命令触发时，主机转速会先降低到70 r/min(确保轴带发电机依然可以输出800 kW功率，不会造成全船失电)，螺距会降到额定值的40%。此时，PMS需要将轴带发电机上的负载转移给在网发电机，或者启动备用发电机后再进行负载转移，最后将轴带发电机从电网脱开。如果2 min内主机收到轴带发电机主开关分闸状态信号，那么主机转速将会继续降到40 r/min，否则，主机将会直接触发SHD命令。

(2)轴带发电机的调速和调压特性需要和主发电机的特性相匹配[3]。在轴带发电机和主发电机并车运行前提下，当电网有大负载突加或者突卸时，有功功率和无功功率之间比例分配至关重要，否则就会导致某一台发电机或轴带发电机过载而脱扣，造成全船失电。常规发电机出厂时的调速和调压特性基本相同，因此需要调整轴带发电机的参数，使其调速率和调压率与发电机的基本相同。调速率决定着电网突变负载的有功功率分配，见图3。调压率决定着电网突变负载的无功功率分配，见图4。

图3 轴带发电机的调速率

图4 轴带发电机的调压率

3 PTI模式设计

3.1 PTI模式设计背景

该船服役航线的海况相对比较恶劣，同时还需要破冰航行，若不降低航速，就需要加大推进功率，而增加推进功率最直接的方式就是增加主机输出功率[4]。基于破冰航行工况比较少的情况，本文利用轴带电机的PTI助推(BOOST)模式为船舶推进提供辅助推力，和主机推进形成混合动力，满足推进力的峰值需求[5]。

3.2 PTI模式

当轴带电机作为电动机时，主机转速同样决定着电动机作用在推进轴上的功率，两者之间关系见图5。

图5 PTI模式功率和转速

图5同样给出了2点要求：一是PTI模式启动的转速要求是60～80 r/min；二是恒功率1 250 kW的最低转速为93 r/min。

转速在60～93 r/min之间时，电动机的功率为800～1 250 kW，两者之间也是线性的关系。同样，此段PTI让推进轴的功率是变化的，这给船舶电站管理和主机遥控设计增加了难度。考虑到PTI BOOST模式是作为推进力峰值需求的补充，此时主机处于较大负荷状态，其转速不会低于93 r/min，因此实船设计时将93 r/min设定为PTI模式启动的一个必要条件。由于93 r/min不在PTI模式启动的转速范围内，所以PTI模式无法直接启动，只能通过PTO模式转换过来。

先启动PTO模式，提升主机转速至93 r/min。此时，直接选择PTI模式，轴带电机将自动由PTO模式转变为PTI模式，完成从发电机到电动机的转换，无需任何主开关的分闸合闸过程，操作流程十分简便。

3.3 PTI模式设计要点

轴带电机PTI模式主要是从电网获得电能用于辅助主机增加推进力。电能的获取依靠PMS设计，辅助增加推力依靠推进遥控系统设计。以下几点在设计PTI模式时需要着重考虑：

(1)进入PTI模式时，只是说明轴带电动机具备了提供1 250 kW的能力，实际需求作用在轴上的功率是由推进系统控制并且必须受到PMS安全剩余功率的限制，这样可以避免全船失电的风险。如当前PTI模式功率为500 kW，此时PMS给出的安全剩余功率为400 kW，那么推进系统将会把螺距限制在对应PTI模式900 kW的位置。如果PTI模式下有任意一台发电机故障脱扣，那么PMS将会直接切断配电板上轴带电机主开关。

(2)PTI模式功率从0→1 250 kW→0的加载和卸载过程应设有可调的程序控制其速度，既需考虑电网允许的突加突卸特性，也需要考虑主机推进实船操作需要，这个可以在试航试验时调节验证。结果显示：实船从0→1 250 kW的加载速率是5%/s，即总时长为20 s，从1 250 kW→0的卸载时间也是20 s，见图6。

图6 PTI模式功率加载和卸载

(3)PTO转换为PTI模式时，只有在PTO功率小于额定功率的10%(80 kW)才允许转换,此设定值也可以根据实船调节。选择PTI模式后，PMS将会自动启动所有备用发电机，并车入网后将轴带发电机的负荷向在网发电机转移，直到轴带发电机负荷低于80 kW后，才会激活PTO→PTI模式转换程序。同样，当从PTI模式切换回PTO模式时，也需要先把PTI的功率降低到允许切换的设定值后，才能够激活PTI→PTO模式转换程序。

(4)PTI模式影响着推进轴的推进功率。在主机转速不变的情况下，只能通过调节螺距来增加推进力，因此PTI模式下螺距的标定值和PTO模式是不同的，见表1。

表1 PTI/PTO模式螺距标定值

4 结论

(1)抱轴式轴带电机PTI/PTO模式在某冰区航行的25 000载重吨双燃料杂货船上的应用打破了常规齿轮箱型式的传统设计。虽然在2种模式设计上提出了更多的要求，但是在操纵性能上却带来了很大的优势，尤其是PTI和PTO 2个模式之间的无停机平稳切换，让推进动能和配电电能之间的能量转换变得更加简易，提升了船舶的操纵性能。

(2)PTO模式下，建议要充分考虑主机转速的变化带来的轴带发电机输出功率变化；轴带发电机和主发电机并网后的调速、调压特性要保持一致。

(3)PTI模式下，建议根据实船需求，轴带电动机的输出功率受电网剩余功率限制；PTI功率加载和卸载速率需根据实船操作后调整，直至系统稳定可靠运行。