应贵平
(江南造船(集团)有限责任公司 江南研究院，上海 201913)
300 t执法船航行于黄浦江，因黄浦江对船舶限速8 kn以下的航行要求，此时船-机-桨无法匹配，且存在低负荷下主推进柴油机存在油耗高、排放差的问题[1]。为解决该问题，在成熟的柴油机带定距螺旋桨的基础上引进电力推进的系统，针对该船的工况需求，开展基于定距桨的柴-电混合推进系统的设计。
该船选用康明斯K50-M高速柴油机，通过齿轮箱带动定距螺旋桨。根据该船设计任务书，本船有航行于黄浦江的工况要求，而航行于黄浦江需要在8 kn航速以下，且高速柴油机最低稳定转速较高，结合桨的性能曲线，齿轮箱的选型，这种推进形式无法满足要求。在此航速下，康明斯K50-M高速柴油机的的负荷率也较低、油耗较高、排放差。
根据桨的参数可知，在航速8 kn时，螺旋桨转速198 r/min,减速比为3.7，通过对应关系将桨的转速转化为主机转速，则主机转速732.6 r/min，而柴油机的最低稳定转速为700 r/min。以上数据表明，航速8 kn时，主机的转速只在最低稳定转速附近，8 kn以下时主机已不能稳定运转，不能满足要求。此时，螺旋桨的需求功率为58.57 kW，而主机的额定功率为1 342 kW,负荷率4.36%，负荷率极低，远远低于30%的低负荷工况[1]。
在采用柴电混合推进系统设计之前，有两种设计方案可供考虑。
1)柴油机推进的可调桨模式。通过调节螺距既能满足最大航速不小于18 kn的高速执法工况，又需满足在航速8 kn以下低速工况需求。在同等低速航行的工况下，柴油机推进可调桨模式比低速电机推进的油耗高，需增加可调桨液压单元、密封油柜、桨毂重力油柜、艉管滑油重力油柜等设备，螺旋桨维护和整体造价成本较高[2]。
2)采用装有滑差离合器的齿轮箱。滑差离合器装在齿轮箱内与齿轮箱一起组成减速传动装置。滑差离合器当其完全合上时，与常规的减速齿轮箱完全一样，具有固定的减速比。当主机在最低稳定转速700 r/min(K50-M资料)以上运行时，减速齿轮箱按常规的减速比带动螺旋桨转动实现船舶推进，可以满足高速执法的工况需求。当主机在最低稳定转速700 r/min运行时，通过调节转速手柄使齿轮箱的输出转速稳定在30%～70%正常输出转速，然后按照齿轮箱减速比得出螺旋桨转速在57～133 r/min，根据螺旋桨性能曲线，可以满足6 kn以下的低速推进的要求。这种齿轮箱的缺点是会增加滑差离合器，使齿轮箱的设计更为复杂，传递效率低[3]，国内技术不成熟，国外价格较贵，不适用于该船。
结合执法船的作业环境及工况，充分考虑船舶操作的经济性，在原有的主机通过齿轮箱带动定距螺旋桨的常规推进形式的基础上，通过引入推进电动机(PTI)、推进变频器来实现柴电混合推进[4]，布置示意于图1。
图1 柴电混合推进系统布置示意
图中的推进电动机、推进变频器为常规的推进形式增加的部分。
本船动力系统日常航行时(8 kn以上)为双机、双桨驱动的柴油机动力装置系统；
8 kn以下低速航行时采用电力推进，柴油发电机组输出的电能通过配电板供给推进电动机，以实现船舶推进。采用双输入单输出齿轮箱，推进柴油机和推进电动机通过高弹性联轴器与减速齿轮箱连接，带动轴系及定距桨工作。
任一舷推进装置损坏后，能依靠另一舷未损坏的推进装置实现船舶推进。
柴电混合推进系统的基本组成：
1)2台推进柴油机。
2)2台船用减速齿轮箱(双输入单输出，具PTI功能)。
3)2套轴系和固定螺距螺旋桨。
4)1套监控系统。
5)2台柴油发电机组。
6)2台变频器。
7)2台推进电动机及其控制系统。
3.1 常规柴油机推进形式
常规的柴油机推进形式为柴油机通过齿轮箱驱动定距螺旋桨，全船设置2台康明斯K50-M高速柴油机和2台GWC36.39P双输入单输出齿轮箱，2套螺旋桨轴及固定螺旋桨，常规柴油机推进形式主要设备配置见表1。
表1 常规柴油机推进形式主要设备配置
3.2 电力推进的形式
柴油发电机组输出的电能通过配电板供给推进电动机，电动机通过高弹性联轴器与减速齿轮箱连接，带动轴系及定距桨工作以实现船舶推进。变频器通过控制电机转速，使航速在合理的范围内运行，船舶正倒车通过电机可逆来实现。全船设置2台柴油发电机组、2台推进电动机，2台变频器。电力推进的形式的主要设备配置见表2。
表2 电力推进的形式的主要设备配置表
3.3 监控系统及柴-电混合推进系统切换
本船监控系统由监测报警系统和控制系统组成。监测报警系统除了能实现推进装置的监测报警之外，还具有监测推进柴油机等设备的功能。本船有2套控制系统，即常规柴油机推进形式有1套控制系统，电力推进形式有1套控制系统。柴电切换执行主要由齿轮箱完成，齿轮箱输出信号至遥控系统，互为联锁，主机接排，电机不能接排，电机接排主机不能接排。本船设有驾驶室、机电集控室及机旁3个控制站。监控系统能在以上3个控制部位实施控制，机械处所有人值班。3个控制部位设有互相联锁的装置，同一时间内仅可在1个控制部位操纵，其优先权次序为：机旁优先于机电集控室，机电集控室优先于驾驶室。控制站的控制权均能方便地转换。监控系统既能通过控制推进柴油机和推进电机很好地实现船舶推进，又能保证设备和船舶的安全。
1)监测报警系统。监测报警系统主要由监测微机、机舱监测报警软件、交换机(DLINK)、串口服务器、激光打印机(HP)、数据采集箱、通讯接口、二次仪表、电源及UPS装置、延伸报警屏等组成。
2)主机遥控系统。驾驶室、集控室、机旁分别设有工作站。驾驶室控制站主要由遥控及车钟操纵手柄、主机应急停止按钮、主机越控按钮、主机遥控操作面板等组成；
集控室控制站主要由遥控及车钟操纵手柄、主机应急停止按钮、主机越控按钮、主机遥控操作面板、主机驾控-集控室转换板等组成；
机旁控制站设置在机舱，主要由主机遥控机旁控制箱、主机测速盒、艉轴测速盒、主机调速伺服机构等组成，主机遥控机旁控制箱有驾驶室控制、集控室控制、机旁控制等按钮，并能实际显示。
3)电力推进控制系统。驾驶室、集控室、机旁分别设有工作站。驾驶室控制站由驾驶室控制面板和控制器组成；
集控室控制站由集控室控制面板和控制器组成；
机旁控制站设在机舱，主要是电力推进机旁控制箱，可就地操作。各个工作站之间采用以太网和串口2种通讯形式，形成冗余通讯，任何一路中断，不影响设备正常运行。系统对外采用2路供电，AC220 V 1路，DC24 V 1路，系统内部电源自行分配。图2是左舷电机控制系统图，右电机与此类似。
图2 左舷电机控制系统
4)柴电混合推进系统切换。因该船桨为定距桨，柴电切换、电柴切换难以做到短时并车，必须等一种推进形式脱排，才能接排。柴油机推进切换到电力推进时，需对柴油机减速，当柴油机的转速达到最低稳定转速700 r/min，主机与齿轮箱脱排。为防止推进电机逆变发电机，需等螺旋桨转速降至约100 r/min时，推进电机与齿轮箱接排，增加推进电机功率到船舶需求航速，对主推进柴油机停机；
电力推进切换到柴油机推进时，起动主推进柴油机，当柴油机达到怠速运转时，电机与齿轮箱脱排，主机与齿轮箱接排，增加油门使船舶达到需求航速。
常规柴油机推进形式是双手柄模式，双手柄控制双主机双桨；
电力推进形式也是双手柄模式，通过变频器控制双电机双桨；
这种方式控制逻辑简单、界面清晰、安全系数高。
8 kn以上时，柴油机转速在最低稳定转速以上，柴油机通过齿轮箱驱动螺旋桨转动实现船舶推进。图3中功率与转速的交汇点为螺旋桨在主推进工况的设计点，也是定距桨的唯一设计点，设计航速为18 kn，螺旋桨的设计点的为95%的主机最大功率(110%的额定功率)，留有5%风浪储备功率，航行需求功率小于或等于主机发出的功率，能够满足8 kn以上各航速需求。8 kn以下(含8 kn)时，推进电机通过齿轮箱驱动螺旋桨实现船舶推进。
图3 主推进航行特性曲线
图4中航行需求功率始终小于电机发出的功率，能够满足8 kn以下各个航速的需求，且该模式下的发电机组的油耗、排放处于合理范围内。柴油发电机组供全船用电及电推工况的推进柴油机用电，查看电力负荷计算书，此时的负荷率为83.13%，结合表3船用柴油发电机组性能数据表，此时燃油消耗率较低，经济性较好，发电机组的能力得到了充分的利用。
图4 电力推进航行特性曲线
表3 船用发电机组性能数据表
某300 t船基于定距桨的柴-电混合推进系统设计，使得该船的动力系统既能需满足最大航速不小于18 kn的高速执法工况，又可满足在航速8 kn以下低速工况需求；
解决了油耗高、排放差差的问题；
本船动力系统设备较多，在机舱布置时也克服了机舱空间狭小的困难。