養(yǎng)殖工船電力推進(jìn)調(diào)距槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)策略

黎建勛，董曉妮，崔銘超，楊棟軒

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266237；3 中國(guó)船舶集團(tuán)青島北海造船有限公司，山東 青島266520)

目前全球約93%的漁業(yè)資源處于“完全開(kāi)發(fā)或過(guò)度開(kāi)發(fā)”狀態(tài)[1]，中國(guó)海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型已迫在眉睫[2]。養(yǎng)殖工船融合了船舶技術(shù)與養(yǎng)殖技術(shù)[3]，是推進(jìn)中國(guó)海水養(yǎng)殖和海洋牧場(chǎng)建設(shè)的新型技術(shù)手段，是中國(guó)海洋漁業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。近年，中國(guó)對(duì)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船總體技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性論證、模型試驗(yàn)、規(guī)范指南、政策制定的研究接連展開(kāi)[4-5]。2022年5月，全球首艘十萬(wàn)噸級(jí)大型深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船“國(guó)信1號(hào)”完成交付運(yùn)營(yíng)，養(yǎng)殖工船技術(shù)取得實(shí)船應(yīng)用，中國(guó)深遠(yuǎn)海大型養(yǎng)殖工船產(chǎn)業(yè)也實(shí)現(xiàn)了由0到1的進(jìn)階發(fā)展。目前深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船面臨的最大問(wèn)題仍是初期投入成本非常高，很難找到合適的運(yùn)營(yíng)企業(yè)，成為制約其快速發(fā)展的瓶頸因素[5]。

電力推進(jìn)技術(shù)因其具有節(jié)能、環(huán)保、噪聲低、操縱性、機(jī)動(dòng)性、可靠性、推進(jìn)效率高等優(yōu)勢(shì)，在漁業(yè)船舶領(lǐng)域已逐步得到應(yīng)用[6-13]。養(yǎng)殖工船動(dòng)力系統(tǒng)是全船技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和船舶造價(jià)影響的一項(xiàng)重要指標(biāo)，工船采用電力推進(jìn)技術(shù)可以降低柴油機(jī)總裝機(jī)功率、提高經(jīng)濟(jì)性[14]，但是電力推進(jìn)其主要控制元器件較依賴于ABB、西門子等國(guó)外品牌，國(guó)產(chǎn)化率低[15-16]。

針對(duì)“國(guó)信1號(hào)”深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船電力推進(jìn)系統(tǒng)，基于適漁性要求，提出了一種電力推進(jìn)調(diào)距槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)策略。分析了該方案的技術(shù)特性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，及優(yōu)缺點(diǎn)，希望能為中國(guó)深遠(yuǎn)海養(yǎng)殖工船推進(jìn)方式適漁性研發(fā)和國(guó)產(chǎn)化率研究，提供借鑒和參考。

1 動(dòng)力系統(tǒng)方案與適漁性要求

采用何種推進(jìn)形式，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖工船動(dòng)力系統(tǒng)的操縱性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，與養(yǎng)殖工船生產(chǎn)模式相適宜，是養(yǎng)殖工船動(dòng)力系統(tǒng)首要考慮的設(shè)計(jì)原則。養(yǎng)殖工船根據(jù)時(shí)節(jié)與水文變化，需要周期性的錨泊、游弋在目標(biāo)海域，進(jìn)行輪作式生產(chǎn)?！皣?guó)信1號(hào)”養(yǎng)殖工船一年2季，主要開(kāi)展大黃魚(yú)養(yǎng)殖，工船具有航行、養(yǎng)殖、吸魚(yú)、轉(zhuǎn)場(chǎng)等多工況作業(yè)的特點(diǎn)。養(yǎng)殖工船動(dòng)力系統(tǒng)可以采用常規(guī)主機(jī)推進(jìn)或電力推進(jìn)形式，螺旋槳形式也有定距槳(fixed pitch propeller，F(xiàn)PP)和調(diào)距槳(controllable pitch propeller，CPP)兩種方案選擇。由于工船全年長(zhǎng)期運(yùn)行于錨泊養(yǎng)殖作業(yè)狀態(tài)，航行、轉(zhuǎn)場(chǎng)的周期非常短暫，采用常規(guī)推進(jìn)形式，主機(jī)將長(zhǎng)期閑置，得不到利用[14]，不具優(yōu)勢(shì)。相對(duì)而言，采用電力推進(jìn)則具有柴油機(jī)總裝機(jī)功率小、經(jīng)濟(jì)性高、與養(yǎng)殖載荷耦合性佳等諸多優(yōu)勢(shì)。

“國(guó)信1號(hào)”養(yǎng)殖工船采用電力推進(jìn)雙機(jī)雙定距槳的推進(jìn)形式。該方案較常規(guī)推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)性和適漁性優(yōu)勢(shì)明顯，但推進(jìn)系統(tǒng)大功率變頻器、推進(jìn)移相變壓器、制動(dòng)電阻等電氣裝置，設(shè)備重量和尺寸巨大，機(jī)艙空間占用多，設(shè)備散熱量大，配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。此外，推進(jìn)系統(tǒng)變頻裝置等核心元器件也均為國(guó)外產(chǎn)品，價(jià)格較高，這些不利因素給我國(guó)養(yǎng)殖工船產(chǎn)業(yè)的推廣帶來(lái)一定困難。表1為“國(guó)信1號(hào)”養(yǎng)殖工船各工況下的動(dòng)力系統(tǒng)主要性能參數(shù)。

表1 “國(guó)信1號(hào)”養(yǎng)殖工船各工況動(dòng)力系統(tǒng)主要性能參數(shù)

目前電力推進(jìn)船舶，主推進(jìn)和動(dòng)力定位動(dòng)力系統(tǒng)絕大部分都采用定距槳，而側(cè)推動(dòng)力系統(tǒng)則較多地應(yīng)用到調(diào)距槳[17]。定距槳具有螺距固定，裝置簡(jiǎn)單，成本低，管理方便，基本免維護(hù)的特點(diǎn)。并且定距槳比調(diào)距槳在輕載工況下節(jié)省10%～20%的功率，對(duì)于有較長(zhǎng)時(shí)間輕載低速運(yùn)行的船舶，有節(jié)能意義[18]。調(diào)距槳是通過(guò)設(shè)置槳轂操縱機(jī)構(gòu)，使槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)從而調(diào)節(jié)螺距[19]，調(diào)距槳多應(yīng)用于多工況作業(yè)、操控性要求較高的拖網(wǎng)漁船、工作船、破冰船[20]，以及設(shè)有大容量軸帶發(fā)電機(jī)且穩(wěn)定性要求高的船舶。調(diào)距槳機(jī)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)相對(duì)較高，效率也比定距槳稍低[20]。

對(duì)于電力推進(jìn)養(yǎng)殖工船，無(wú)論采用定距槳或調(diào)距槳，因?yàn)榇俣疾皇怯刹裼蜋C(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而是相應(yīng)的由船用變頻器(及其推進(jìn)電機(jī))或調(diào)距槳來(lái)調(diào)節(jié)，柴油機(jī)轉(zhuǎn)速均可以長(zhǎng)期運(yùn)行在最佳油耗點(diǎn)處。同時(shí)工船電站也都設(shè)有功率管理系統(tǒng)(power management system，PMS)，可以動(dòng)態(tài)匹配工船推進(jìn)、養(yǎng)殖負(fù)載和在網(wǎng)發(fā)電機(jī)數(shù)量，使柴油機(jī)始終運(yùn)行在最佳負(fù)荷區(qū)間，因此二者都具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。從表1可知，養(yǎng)殖工船作業(yè)工況多，工船全年“輕載運(yùn)行”的狀態(tài)非常之短，采用定距槳或調(diào)距槳兩者能效差異也幾乎可以忽略。

電力推進(jìn)養(yǎng)殖工船，不同類型的螺旋槳對(duì)推進(jìn)電機(jī)的要求也不同[21]。定距槳要求推進(jìn)電機(jī)具有無(wú)級(jí)調(diào)速性能，而采用調(diào)距槳策略，推進(jìn)電機(jī)將無(wú)調(diào)速需求，對(duì)推進(jìn)電機(jī)可以大大簡(jiǎn)化為起動(dòng)性能的需求，并首選軟起動(dòng)器的起動(dòng)方案。綜上，養(yǎng)殖工船采用電力推進(jìn)調(diào)距槳+不調(diào)速電動(dòng)機(jī)+軟起動(dòng)器的配置策略，在兼顧養(yǎng)殖工船燃油經(jīng)濟(jì)性與適漁性的同時(shí)，具有節(jié)省機(jī)艙空間，降低投入成本的可能。

2 養(yǎng)殖工船電力推進(jìn)調(diào)距槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)配置

“國(guó)信1號(hào)”電力推進(jìn)養(yǎng)殖工船采用定距槳+調(diào)速電動(dòng)機(jī)配置，主電站設(shè)計(jì)為AC 690V，其動(dòng)力系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：主柴油發(fā)電機(jī)組、配電板、移相變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)和定距槳。系統(tǒng)配置5臺(tái)AC 690V 3相50 Hz主柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)功率為1580 kW；2臺(tái)3 400 kVA大功率移相變壓器；2臺(tái)虛擬24脈沖二極管整流前端(Diode Front End，DFE)推進(jìn)變頻器，每臺(tái)功率約2700 kW，采用水冷方式，配有制動(dòng)電阻；2臺(tái)2 700 kW主推進(jìn)變頻電機(jī)，額定轉(zhuǎn)速為750 r/min；2只定螺距螺旋槳，并配有減速齒輪箱。系統(tǒng)AC 690V主配電板設(shè)計(jì)為2段匯流排，推進(jìn)負(fù)載、主要養(yǎng)殖負(fù)載均布于匯流排兩端。系統(tǒng)還設(shè)有2只1 800 kVA，AC 690V/400V日用變壓器，也部分在匯流排兩端，通過(guò)日用變壓器可向全船AC 380V及AC 220V日用負(fù)載供電。

圖1 養(yǎng)殖工船交流電力推進(jìn)定距槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)圖

當(dāng)采用電力推進(jìn)調(diào)距槳+不調(diào)速電動(dòng)機(jī)+軟起動(dòng)器的配置策略時(shí)，其動(dòng)力系統(tǒng)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主電源、養(yǎng)殖負(fù)載、日用負(fù)載配置與電力推進(jìn)定距槳方案一致，主要不同在于：1)采用小功率變頻軟起動(dòng)器及轉(zhuǎn)換柜，取代了容量、重量、尺寸巨大的移相變壓器、推進(jìn)變頻器、制動(dòng)電阻；2)推進(jìn)電機(jī)改為不調(diào)速的三相異步電動(dòng)機(jī)；3)螺旋槳采用CPP設(shè)計(jì)；4)推進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，需將調(diào)距槳調(diào)節(jié)在“零螺距”狀態(tài)下完成。

圖2 養(yǎng)殖工船交流電力推進(jìn)調(diào)距槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)圖

系統(tǒng)1號(hào)、2號(hào)推進(jìn)電機(jī)均設(shè)計(jì)為三相異步電動(dòng)機(jī)，功率仍為2 700 kW，并分別由1號(hào)、2號(hào)變頻軟起動(dòng)器起動(dòng)。2只變頻軟起動(dòng)器設(shè)有轉(zhuǎn)換柜，可實(shí)現(xiàn)2只變頻軟起動(dòng)器互為備用。養(yǎng)殖工船在航行或轉(zhuǎn)場(chǎng)中，當(dāng)某一路起動(dòng)器故障時(shí)，另一起動(dòng)器通過(guò)轉(zhuǎn)換柜仍可完成該路螺旋槳及推進(jìn)電機(jī)的整個(gè)起動(dòng)過(guò)程，從而提高推進(jìn)電機(jī)供電的可靠性和動(dòng)力系統(tǒng)的冗余度。2只變頻軟起動(dòng)器在其起動(dòng)器兩側(cè)也分別設(shè)有旁路接觸器K1及K2。相較于常規(guī)軟起動(dòng)器的旁路接觸器接線方式，該系統(tǒng)K1和K2旁路接觸器也分別設(shè)有獨(dú)立供電開(kāi)關(guān)7QF和9QF，這樣可以通過(guò)轉(zhuǎn)換柜，實(shí)現(xiàn)單個(gè)旁路接觸器分別對(duì)兩路變頻軟起動(dòng)器的旁通功能，進(jìn)一步提高系統(tǒng)冗余度。當(dāng)推進(jìn)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，在軟起動(dòng)結(jié)束后，通過(guò)接通旁路接觸器觸頭，軟起動(dòng)器退出運(yùn)行，推進(jìn)電機(jī)通過(guò)旁路接觸器回路供電。這樣可以有效延長(zhǎng)軟起動(dòng)器的使用壽命，避免電網(wǎng)諧波污染。

對(duì)于不調(diào)速大功率電動(dòng)機(jī)，采用軟起動(dòng)器電力驅(qū)動(dòng)的形式，是較為常用的一種措施。軟起動(dòng)器具有無(wú)沖擊電流、恒流起動(dòng)、可自由地?zé)o級(jí)調(diào)壓至最佳起動(dòng)電流及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)[21]，但是其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小。本方案進(jìn)一步采用變頻軟起動(dòng)器，改善了這種不利，并具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)可以調(diào)壓調(diào)頻，增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的氣隙磁通保持恒定(φ=kU/f)，既能實(shí)現(xiàn)無(wú)過(guò)電流起動(dòng)，而且還能提供1.2～2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；2)減少電網(wǎng)諧波。軟起動(dòng)用變頻器，整流器多采用二極管整流，產(chǎn)生的高次諧波少，減少了電網(wǎng)側(cè)的高次諧波，功率因數(shù)高。而且對(duì)于養(yǎng)殖工船來(lái)說(shuō)，這個(gè)起動(dòng)過(guò)程時(shí)間非常短，當(dāng)供電轉(zhuǎn)為旁通模式時(shí)，對(duì)電網(wǎng)幾乎無(wú)諧波輸入；3)變頻軟起動(dòng)器容量小。由于起動(dòng)用變頻器系短時(shí)工作制，所以其容量要比普通的變頻器小很多，一般為調(diào)速用變頻器的1/3～1/4[22]。

3 變頻軟起動(dòng)器容量的確定

根據(jù)調(diào)距槳的調(diào)速性能，一般認(rèn)為調(diào)距槳在零推力時(shí)的耗能約為滿載時(shí)的20%左右[23-24]。當(dāng)需要起動(dòng)推進(jìn)電機(jī)時(shí)，螺旋槳處于零螺距，螺旋槳空轉(zhuǎn)，推進(jìn)電機(jī)將基本處于空載狀態(tài)，三相異步電機(jī)空載電流約為額定電流的30%～70%[25-26]。因此，當(dāng)三相異步電機(jī)的功率仍為2 700 kW時(shí)，其變頻軟起動(dòng)器的功率卻可以不必按照推進(jìn)電機(jī)2 700 kW的功率等級(jí)來(lái)選擇，可以選擇適宜小功率的變頻軟起動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)需求。

螺旋槳空轉(zhuǎn)狀態(tài)，動(dòng)力系統(tǒng)的耗能主要來(lái)源于推進(jìn)電機(jī)的空載負(fù)荷。如果估算出異步電動(dòng)機(jī)的空載電流，進(jìn)而換算出異步電動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)下的輸入功率，則可進(jìn)一步選擇較準(zhǔn)確的軟起動(dòng)器容量。對(duì)于交流三相異步電動(dòng)機(jī)而言，空載電流的大小與異步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁密、氣隙磁阻、繞組定子、轉(zhuǎn)子磁阻、繞組匝數(shù)有關(guān)，也與額定電流存在一定的比例關(guān)系[27-28]。對(duì)于1 kV及以下的交流三相異步電動(dòng)機(jī)，當(dāng)缺乏磁路特征參數(shù)時(shí)，其空載電流大小的近似值可以根據(jù)以下公式得出[29]：

(1)

式中：I0為電動(dòng)機(jī)空載電流；IN為電動(dòng)機(jī)額定電流；cosφN為電動(dòng)機(jī)的額定功率因數(shù)；K為系數(shù)，按電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)取值，2極，K=5；4極，K=4；6、8、10極，K=3.5。

根據(jù)空載電流值，可以相應(yīng)得出空載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)的輸入功率，約為660 kW。螺旋槳及其推進(jìn)電機(jī)的特性，類似于風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載，通常該類負(fù)載軟起動(dòng)器的功率約為負(fù)載額定功率的1.1倍及以上，考慮到軟起動(dòng)的功率因數(shù)、效率等因素，變頻軟起動(dòng)的容量最終為選定為800 kW。如按前文，軟起動(dòng)器的容量約為調(diào)速用變頻器的1/3～1/4換算，則變頻軟起動(dòng)器容量約為675 kW～900 kW。綜上，變頻軟起動(dòng)器容量選定為800 kW是適宜的。

這意味著，在零螺距狀態(tài)下，推進(jìn)電機(jī)從零轉(zhuǎn)速起動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速，800 kW的變頻軟起動(dòng)器可滿足此功能。顯而易見(jiàn)，該容量等級(jí)的變頻軟起動(dòng)器要比2 700 kW等級(jí)的變頻器重量、尺寸、散熱小很多，并完全可以采用風(fēng)冷形式，這樣就大大降低了電力推進(jìn)配電部分的成本，也更有利于國(guó)產(chǎn)船用變頻器的選型。

4 電力推進(jìn)調(diào)距槳特性分析

4.1 零螺距起動(dòng)過(guò)程

電力推進(jìn)定距槳是通過(guò)變頻驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速，來(lái)改變螺旋槳的推力以獲得不同的航速，螺旋槳本身無(wú)需另外的任何控制[23]，且定距槳電動(dòng)機(jī)具有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速性能，低轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)矩也大。而采用電力推進(jìn)調(diào)距槳時(shí)，在航行過(guò)程電動(dòng)機(jī)不調(diào)速，通過(guò)調(diào)螺距來(lái)改變轉(zhuǎn)矩、推力和航速，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行及調(diào)節(jié)性能與采用柴油機(jī)直接推進(jìn)調(diào)距槳作動(dòng)力時(shí)相似。通常是小螺距時(shí)，轉(zhuǎn)矩小，推力也小，想要獲得大轉(zhuǎn)矩和航速，電機(jī)只能在額定轉(zhuǎn)速及大螺距下運(yùn)行。

根據(jù)調(diào)距槳的調(diào)速性能，在需要起動(dòng)推進(jìn)電機(jī)時(shí)，首先調(diào)節(jié)螺旋槳螺距，使處于“零螺距”狀態(tài)。此時(shí)船速為零，通過(guò)變頻軟起動(dòng)器控制，推進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)螺旋槳，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵\(yùn)轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速。養(yǎng)殖工船螺旋槳及推進(jìn)電機(jī)的零螺距起動(dòng)特性曲線如圖3所示。

圖3 養(yǎng)殖工船螺旋槳及推進(jìn)電機(jī)零螺距起動(dòng)特性曲線

圖3中1為螺旋槳自由航行特性曲線，自由航行曲線是船舶在風(fēng)平浪靜的靜水中航行時(shí)的螺旋槳機(jī)械特性曲線；2為螺旋槳系柱特性曲線，可看作船舶在碼頭被系泊拉住或被艉錨拉??；3為零螺距起動(dòng)螺旋槳特性曲線；圖3中的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率特性為電力推進(jìn)定距槳時(shí)的推進(jìn)電機(jī)的特性曲線， 供對(duì)照參考；Q0為零螺距變頻軟起動(dòng)下的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)螺旋槳理論，螺旋槳轉(zhuǎn)矩關(guān)系如式(2)。

Q=KQρn2D5

(2)

式中：Q為螺旋槳轉(zhuǎn)矩，N·m；KQ為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ρ為水的密度，kg/m3；n為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/s；D為調(diào)距槳的直徑，m。

在自由航行曲線上，螺旋槳轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成二次方關(guān)系，是典型的平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。螺旋槳特性曲線是隨著船舶推進(jìn)阻力變化而改變的一簇曲線，自由航行特性曲線是其中典型的一條特性曲線。當(dāng)船舶航行阻力增大或更小時(shí)，螺旋槳特性曲線將相對(duì)應(yīng)的較自由航行特性曲線更高或更低。

螺旋槳吸收功率與轉(zhuǎn)矩關(guān)系式如公式(3)所示，結(jié)合公式(2)可以看出，螺旋槳吸收功率與轉(zhuǎn)速成三次方關(guān)系。

(3)

式中：P為螺旋槳吸收功率,kW；Q為螺旋槳轉(zhuǎn)矩,N·m；n為柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速,r/s；

調(diào)距槳在零螺距起動(dòng)階段，螺旋槳輕載運(yùn)行，處于零推力螺距工況[30]，其特性曲線3分布在自由航行曲線下側(cè)。此時(shí)螺距為零，船速為零，推力為零，螺旋槳轉(zhuǎn)矩和功率需求較低。當(dāng)推進(jìn)電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后，變頻軟起動(dòng)器退出，推進(jìn)電機(jī)通過(guò)軟起動(dòng)器的旁路接觸器，繼續(xù)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由于采用了變頻軟起動(dòng)器，推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩獲得了一定提高，可在Q0范圍內(nèi)(可以有一定的短時(shí)過(guò)載能力范圍)表現(xiàn)為低速大轉(zhuǎn)矩特性。從圖3可知，采用變頻軟起動(dòng)器控制的電力推進(jìn)調(diào)距槳，當(dāng)螺距小于一定值時(shí)，推進(jìn)電機(jī)仍可在該輕載狀態(tài)下通過(guò)變頻控制實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。螺旋槳也仍可運(yùn)行在螺旋槳自由航行曲線線段“OD”以及系柱特性曲線線段“OC”上。此時(shí)與電力推進(jìn)定距槳性能相似，并且相比柴油機(jī)直接推進(jìn)調(diào)距槳，養(yǎng)殖工船仍能在較佳的燃油經(jīng)濟(jì)性狀態(tài)下維持低速航行。

4.2 調(diào)螺距運(yùn)行過(guò)程

當(dāng)螺旋槳和推進(jìn)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，養(yǎng)殖工船動(dòng)力系統(tǒng)改為調(diào)螺距運(yùn)行。通過(guò)調(diào)節(jié)螺距，來(lái)改變螺旋槳轉(zhuǎn)矩、推力、功率以及工船航速，螺旋槳轉(zhuǎn)矩即運(yùn)行在圖3線段“EA”上。隨著螺旋槳轉(zhuǎn)矩和功率的持續(xù)加大，螺旋槳沿著線段“EA”最終匯聚在自由航行曲線1的工作點(diǎn)A。此時(shí)，養(yǎng)殖工船螺推進(jìn)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，工船運(yùn)行在額定航速下。根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式(2)，可以看出此過(guò)程中，螺旋槳轉(zhuǎn)速恒定，螺旋槳轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)矩系數(shù)而變化。公式(4)給出了轉(zhuǎn)矩系數(shù)的函數(shù)關(guān)系，為螺旋槳進(jìn)速系數(shù)和螺距角(螺距比)的函數(shù)[31-33]。

KQ=f(J,P/D)

(4)

式中：J為螺旋槳進(jìn)速系數(shù)；P為螺旋槳螺距,m；D為螺旋槳的直徑,m。

對(duì)于螺旋槳，通常由螺距比P/D來(lái)表征其螺距角。調(diào)距槳就是改變螺距角，從而得到不同的螺距比值來(lái)改變轉(zhuǎn)矩、推力和功率。由于螺旋槳實(shí)際工作特性極其復(fù)雜，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩系數(shù)很難與進(jìn)速系數(shù)和螺距比P/D建立精確的數(shù)學(xué)模型，通常是根據(jù)敞水螺旋槳模型試驗(yàn)結(jié)果繪制的螺旋槳敞水特性曲線圖譜查得[24,33]。圖4為某型調(diào)距槳敞水特性圖譜[34]。從圖4可知，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)一定時(shí)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著螺距比P/D的增加而增加，這意味著養(yǎng)殖工船螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩隨之增加。

圖4 調(diào)距槳敞水特性圖譜

當(dāng)養(yǎng)殖工船在穩(wěn)定的航行工況，其調(diào)距槳的調(diào)速特性如圖5所示。圖5中的實(shí)線a、b、c、d、e、f、g是一組從大到小不同螺距比的螺旋槳特性曲線，而虛線1、2、3、4、5則是一組從大到小不同等航速的速度特性曲線。該等航速線，通常是反映傳統(tǒng)柴油機(jī)直接推進(jìn)調(diào)距槳的特性曲線，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、螺距比的聯(lián)合控制[35-36]，可以反映出柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和螺距比、船速的一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系和不同航速下的最優(yōu)設(shè)計(jì)點(diǎn)。由于本方案電動(dòng)機(jī)不調(diào)速，相比傳統(tǒng)的柴油機(jī)直接推進(jìn)調(diào)距槳而言，只能在額定轉(zhuǎn)速下單一的通過(guò)調(diào)節(jié)螺距比來(lái)改變航速。所對(duì)應(yīng)得到圖5中的不同航速V1、V2、V3、V4、V5、V6，都是運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速線上。只有當(dāng)航速小于某一值，滿足變頻軟起動(dòng)器和推進(jìn)電機(jī)輕載運(yùn)行的工況，方可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、螺距比和養(yǎng)殖工船低航速的聯(lián)合控制。

圖5 調(diào)距槳調(diào)速特性圖

5 定距槳與調(diào)距槳性能對(duì)比

通常調(diào)距槳價(jià)格要高于定距槳。但是由于配電裝置的不同，兩者差異會(huì)很大。在本電力推進(jìn)調(diào)距槳策略中，通過(guò)調(diào)距槳控制船速的策略，采用了三相異步電動(dòng)機(jī)，這樣就免去了造價(jià)較高的三相繞組移相變壓器、大功率12脈沖水冷變頻器，取而代之的是小容量的變頻軟起動(dòng)器，這樣配電裝置的成本大大降低。調(diào)距槳方案的總造價(jià)也得到很大降低，兩者的造價(jià)比較如表2所示。通過(guò)表2可以得到，采用電力推進(jìn)調(diào)距槳方案，系統(tǒng)因?yàn)橹饕獪p少了大功率的三繞組移相變壓器、虛擬24脈沖水冷變頻器等，雖然調(diào)距槳方案成本有所增加，但總體造價(jià)減少了184萬(wàn)元，約22.6%。

表2 定距槳與調(diào)距槳造價(jià)比較

結(jié)合前文分析，電力推進(jìn)定距槳與電力推進(jìn)調(diào)距槳，兩者的性能比較如表3所示。

表3 定距槳與調(diào)距槳方案性能比較

從表3二者的性能比較可以看出，電力推進(jìn)定距槳和電力推進(jìn)調(diào)距槳互有優(yōu)勢(shì)和不利因素。傳統(tǒng)方案下的調(diào)距槳，因?yàn)樾」β省⑿∞D(zhuǎn)矩、效率相對(duì)低、維護(hù)要求高，調(diào)距槳機(jī)構(gòu)復(fù)雜，以及價(jià)格高等因素，會(huì)認(rèn)為調(diào)距槳劣勢(shì)會(huì)相對(duì)明顯。由于本船電力推進(jìn)調(diào)距槳策略，充分利用了調(diào)距槳“零螺距”狀態(tài)下空載起動(dòng)推進(jìn)電機(jī)的特性，同時(shí)采用變頻軟起動(dòng)器，提高了低速下的轉(zhuǎn)矩性能。使得調(diào)距槳策略的優(yōu)勢(shì)大大增強(qiáng)，可靠性也得到很大改善。

6 討論

6.1 系統(tǒng)策略可行性與適漁性

目前電力推進(jìn)船舶絕大部分都采用定距槳[17]，“國(guó)信1號(hào)”養(yǎng)殖工船也采用此種推進(jìn)方式，本方案則在電力推進(jìn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合養(yǎng)殖工船長(zhǎng)期錨泊與短期游弋輪作式生產(chǎn)的作業(yè)特點(diǎn)，提出了一種新的調(diào)距槳+不調(diào)速電動(dòng)機(jī)+變頻軟起動(dòng)器的動(dòng)力系統(tǒng)策略。構(gòu)建了系統(tǒng)配置方案，提出了主要設(shè)備變頻軟起動(dòng)器的容量選型設(shè)計(jì)思路，并分析了該系統(tǒng)的主要運(yùn)行特性，系統(tǒng)具有可行性與適漁性。

6.2 電力推進(jìn)調(diào)距槳系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性

通常認(rèn)為調(diào)距槳經(jīng)濟(jì)性低于定距槳[20]，但對(duì)長(zhǎng)期處于錨泊作業(yè)狀態(tài)的養(yǎng)殖工船來(lái)說(shuō)，這種差異性不大。此外，由于采用了電力推進(jìn)的方式，定距槳與調(diào)距槳的柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、負(fù)荷率均可以維持在最佳區(qū)間，都具有較高的燃油經(jīng)濟(jì)性。雖然調(diào)距槳要比固定槳費(fèi)用高，但電氣設(shè)備的差價(jià)遠(yuǎn)大于螺旋槳的差價(jià)，可節(jié)省總造價(jià)約22.6%，也顯示出了造價(jià)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

6.2 電力推進(jìn)調(diào)距槳系統(tǒng)可靠性

常規(guī)雙機(jī)雙槳的電力推進(jìn)系統(tǒng)都是一對(duì)一驅(qū)動(dòng)[37]，無(wú)冗余性。該系統(tǒng)2只小功率變頻軟起動(dòng)器則具有復(fù)合功能，任意變頻器故障不影響推進(jìn)器使用，系統(tǒng)的冗余度、可靠性大大提高。雖然調(diào)距槳機(jī)構(gòu)復(fù)雜，故障率相對(duì)較高[38-39]，但該系統(tǒng)取消了移相變壓器、水冷變頻器、制動(dòng)電阻等裝置，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)配電裝置環(huán)節(jié)，系統(tǒng)故障點(diǎn)相對(duì)減少，可靠性也得到提高。

6.3 電力推進(jìn)調(diào)距槳與定距槳的差異及創(chuàng)新性

一般調(diào)距槳在零推力時(shí)的耗能約為滿載時(shí)的20%[23-24]，該策略反而將這種傳統(tǒng)意識(shí)的不利因素加以應(yīng)用。利用調(diào)距槳“零螺距”特性，以及變頻軟起動(dòng)器的起動(dòng)特性，可以實(shí)現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)在起動(dòng)階段“空載起動(dòng)”，用小功率起動(dòng)器實(shí)現(xiàn)大電機(jī)無(wú)級(jí)、平滑、大轉(zhuǎn)矩起動(dòng)；起動(dòng)完成后，轉(zhuǎn)換為調(diào)距槳對(duì)航速的完全控制。

該系統(tǒng)由于采用了小功率變頻軟起動(dòng)器，其容量?jī)H為定距槳變頻器容量的29.6%，完全可以采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備。這有利于提升中國(guó)船用設(shè)備配套自主化和本土化率，逐步擺脫對(duì)國(guó)外公司的依賴局面[17]。同時(shí)該系統(tǒng)配置、尺寸也大為簡(jiǎn)化，總體上既節(jié)省了機(jī)艙空間，又降低了投入成本，而且系統(tǒng)幾乎不用考慮電力推進(jìn)定距槳船舶不可避免的諧波干擾影響。

6.4 系統(tǒng)的不足之處

通常認(rèn)為調(diào)距槳需要定期維護(hù)[40]，隨著調(diào)距槳裝置的技術(shù)性能的日趨提高，相信會(huì)得到改善。結(jié)合系統(tǒng)調(diào)距槳調(diào)速特性，該電力推進(jìn)調(diào)距槳?jiǎng)恿ο到y(tǒng)策略，在常規(guī)操作模式下，對(duì)航速的控制只能通過(guò)調(diào)螺距來(lái)實(shí)現(xiàn)，相對(duì)單一。而常規(guī)推進(jìn)的調(diào)距槳船舶，通常則具有柴油機(jī)轉(zhuǎn)速、螺距比的聯(lián)合控制優(yōu)勢(shì)，機(jī)槳匹配范圍更大。

7 結(jié)論

養(yǎng)殖工船因其自身特有的錨泊與游弋多工況作業(yè)特點(diǎn)，采用常規(guī)主機(jī)推進(jìn)+調(diào)距槳的策略不經(jīng)濟(jì)，而主流電力推進(jìn)船舶又以定距槳居多。該系統(tǒng)在應(yīng)用電力推進(jìn)優(yōu)勢(shì)的背景下，采用電力推進(jìn)+調(diào)距槳+變頻軟起動(dòng)器動(dòng)力系統(tǒng)策略，將電力推進(jìn)、調(diào)距槳、變頻軟起動(dòng)器三者的優(yōu)勢(shì)充分結(jié)合，使電力推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可行性、適漁性、可靠性，得到了進(jìn)一步挖掘，具有適宜的應(yīng)用場(chǎng)景，尤其是當(dāng)機(jī)艙空間需求度大，初期投入成本期望能較低時(shí)。