金槍魚延繩釣船機電混合動力推進系統應用研究

史斌杰，都勁松，唐慧妍，劉 赟

（上海船用柴油機研究所，上海 201108）

0 引 言

金槍魚延繩釣船是一種專門用于捕撈深海金槍魚的漁船。由于其滿足極其嚴格的資源保護要求，且漁獲物的品質極佳等多種因素，目前金槍魚延繩釣船在金槍魚捕撈作業中占了很大的比例[1]。金槍魚延繩釣船作業時，在判斷好魚場情況下，從船上放出一根干線（120～150km）于海中，有一定數量的支線、浮子和魚釣以一定間距系在干線上，借助浮子的浮力使支線（一端帶有魚餌，餌料主要采用冷凍秋刀魚、鮐魚、沙丁魚、魷魚等）懸浮在一定深度的水中，用魚餌（或擬餌）誘引金槍魚上鉤，從而達到捕撈的目的[2]。

機電混合動力推進系統通過齒輪箱的接脫排控制可以選擇使用柴油機推進，或使用電機推進，以滿足不同推進工況的需求。與傳統的船舶動力系統相比,混合動力推進系統的電力推進具有調速范圍廣、驅動力大、正反轉易控、體積小、布局靈活、安裝維修方便、振動和噪音小等優點[3,4]。

1 系統組成與控制原理

機電混合動力推進系統由主推進柴油機、柴油發電機組、推進變頻器、推進電機、電推控制箱、電磁軟軸系統、齒輪箱等組成（見圖1）。

圖1 機電混合動力推進系統組成

1.1 柴油機推進系統

柴油機推進系統使用時，柴油機自帶的控制箱對柴油機的啟動、停止等功能進行控制。同時柴油機上的相關傳感器將信號傳送至柴油機控制箱，然后經過分析處理，通過儀表、指示燈予以顯示。電磁軟軸操作手柄發出控制信號至電磁軟軸控制單元，后者將主機接脫排信號和主機調速信號發送至齒輪箱上的主機離合器接脫排電磁閥以及調速執行機構。齒輪箱的主機離合器接脫排電磁閥接收到接脫排信號后動作，控制主機離合器接脫排。同時相關傳感器將是否接脫排成功信號反饋給電磁軟軸控制單元，供信息顯示。調速執行機構根據接收到的調速信號轉動電機，拉動軟軸，從而拉動柴油機油門拉桿，對柴油機進行調速。

正常航行時，使用柴油機控制箱起動柴油機，使用電磁軟軸手柄，接排主機離合器，并按照需要，對柴油機轉速與功率進行調整。

1.2 電力推進系統

使用電力推進系統時，電推控制箱將控制信號發至變頻器，對電機的起動、調速、停止、備車等進行控制。變頻器根據控制信號，對配電板送來的動力電源的電流進行調整后送至推進電機，以達到控制電機目的。電機上的各傳感器信號反饋給變頻器和電推控制箱，用以控制與顯示。電推控制箱還可以將電機接脫排信號發至齒輪箱的電機離合器接脫排電磁閥，控制電機離合器的接脫排。同時相關傳感器將是否接脫排成功信號反饋給電推控制箱，供信息顯示。

釣魚作業時，使用電推控制箱起動電機，接排電機離合器，按需對電機進行調速控制。

圖2 電源切換裝置

1.3 電力推進系統和柴油機推進系統切換

由于電力推進系統和柴油機推進系統用于不同工況，且不能同時使用，所以兩者之間的切換需要特別設計加裝一個電源切換裝置（如圖2所示），使得柴油機推進系統與電力推進系統不能同時操控。當選擇開關選擇柴油機推進系統時，柴油機控制箱和電磁軟軸裝置得電，電推控制箱和變頻器失電；當選擇開關選擇電力推進系統時，電推控制箱和變頻器得電，柴油機控制箱和電磁軟軸裝置失電。

為了防止柴油機和電機同時接排而導致系統損壞，在齒輪箱內部增加聯鎖裝置（如圖 3所示），使得柴油機與電機不能同時接排。當三位閥處于A位，無論二位閥處于哪個位置，主機正車離合器工作，主機倒車離合器和電機離合器不能工作；當三位閥處于B位時，主機正車離合器、主機倒車離合器、電機離合器都不能工作；當三位閥處于C位，二位閥處于A位時，電機離合器工作，主機正車離合器、主機倒車離合器都不能工作；當三位閥處于C位，二位閥處于B位時，主機倒車離合器工作，主機正車離合器、電機離合器都不能工作。以此來保證同時只有一個離合器工作，即柴油機與電機不能同時接排。

圖3 接脫排聯鎖裝置

2 系統設計特點

金槍魚延繩釣船在釣魚作業時要求航速較低，一般在7kn以下，而如果以此確定設計航速，那么就無法滿足漁船出返航、尋找漁場的航行以及金槍魚在船上保鮮、儲存的要求，因為金槍魚的捕撈都是遠洋，若以如此低的航速將捕撈的金槍魚運送到岸，將要花費大量時間。如果采用定距槳柴油機推進系統，那么必然有一種工況無法滿足設計工況要求。若以漁船出返航的航速確定設計航速，那么在金槍魚延繩釣船作業時間內，主機將處于低轉速、低負荷運行狀態，燃油消耗率升高，出現積炭、增壓器背壓增加現象，可能引起喘振；主機受最低穩定轉速限制，易造成航速忽快忽慢，不利于生產作業。此外，長期在非設計工況下運行，將對柴油機造成較大損傷，且能源利用率極低，既不經濟也不環保。現在，一般采用可調槳或者全電力推進系統來解決這一矛盾。這兩種方式雖然能夠滿足設計要求，但是可調槳裝置價格昂貴、裝置復雜，且船舶常年投入遠洋生產，維修保養難度大，對船員的操作要求也與普通船舶不同；而全電力推進系統如需滿足高航速要求，必須提高設計功率，這將導致變頻器與電機的價格都非常高，體積也非常大；對于本身機艙就較小的漁船來說，布置難度非常大，同時由于功率太高，變頻器與電機的冷卻也是一個較難解決的問題。采用機電混合動力推進系統有如下優勢：

1) 滿足兩種工況要求。高航速航行工況，使用柴油機推進系統；低航速釣魚作業工況，使用電力推進系統；

2) 與全電力推進系統相比的優點是使電機與變頻器的功率可選小些。小功率電機和變頻器的價格并不高，體積也相對較小，布置起來容易，同時由于功率小而發熱量小，冷卻問題也不難解決；

3) 與可調槳裝置相比的優點是沒有復雜的機械液壓裝置，布置容易，維護保養問題較少，同時成本相對也小，操縱較為簡單，與普通船舶相近；

4) 提高機動性能。在釣魚作業時，對船舶的機動性能要求很高，此時電機調速快、正倒車快、響應速度快的優勢就體現出來了。同時釣魚作業時，海況不同，船舶航行的推進功率值范圍很大，若使用柴油機，則在很多時候是偏離設計工況點的，對柴油機有損傷，能源效率低，也不經濟環保，而使用電機，就沒有這樣的問題了；

5) 增加冗余度。使用機、電兩套動力推進系統，增加了推進系統的冗余度，當出現柴油機或電機任一故障時，均能保證船舶的安全航行，有效地提升了船舶航行和生產的可靠性和安全性；

6) 充分利用電能。考慮到金槍魚延繩釣船上設有冷藏庫，而機電混合動力推進系統所需電量并不很大，并且在釣魚作業時才使用，此時冷藏庫應該未處滿負荷，所以機電混合動力系統并不需要像全電力推進系統那樣單獨設立推進發電機組，而是可以合用全船電網，只需稍稍提高全船電網設計容量即可。

3 實船效果

上海水產集團2013年向黃海造船集團公司首次訂造了2艘裝備機電混合動力推進系統的44.9m金槍魚延繩釣船。這兩艘船主推進裝置選用KT38-M型柴油機（額定功率596kW/1800r/min）、HCD450P型齒輪箱、S120變頻器（額定電壓440V）、1LE0001- 3AB09-0TC5-Z型電機（額定功率120kW）、KE-7 Single型電磁軟軸系統，電推控制箱選用QYK-RCS-C1型電力推進控制系統。這兩艘船已于2014年初交付使用，并與2014年5月赴太平洋作業。

經過這兩艘船實際測試，效果如表1所示。起鉤作業時使用電力推進，比使用柴油機推進每小時節油0.009m3，節油率25%；與使用柴油機推進經濟航速航行相比，使用電力推進航行每10n mile節油0.0111m3，節油率15%。可見使用機電混合動力系統使船舶經濟性有較大提高。

表1 兩種推進系統對比

4 結 語

使用機電混合動力系統可以提高金槍魚船推進系統冗余度，提高船舶放釣、收釣作業工況下的操縱靈活性，大幅度提高船舶操縱性和綜合推進效率，提高了船舶經濟性與環保節能性，因此船舶機電混合動力系統具有廣闊的應用推廣前景。

[1] 錢 晨，劉 健，黃洪亮. 金槍魚延繩釣船機電混合推進系統的應用前景分析[J]. 漁業信息與戰略，2013, 28 (4): 285-288.

[2] 沙 鋒，王永鼎，葉守建. 金槍魚延繩釣船混合動力推進系統研究與分析[J]. 上海海事大學學報，2014, (2): 279-283.

[3] 徐筱欣. 船舶動力裝置[M]. 上海：上海交通大學出版社，2005.

[4] 胡 堅. 大功率海工輔助船混合推進裝置應用技術研究[J]. 船舶與海洋工程，2014, (3): 35-38.