近海渔业资源调查船推进系统设计研究

罗殿军，龚希武

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山　316022）

·研究简报·

近海渔业资源调查船推进系统设计研究

罗殿军，龚希武

（浙江海洋学院船舶与海洋工程学院，浙江舟山316022）

以渔业资源调查船推进系统为主要研究对象，通过对目前科考船、渔船较为普遍使用的推进方式研究，并结合渔业资源调查船的其他调查功能要求，进行科学对比和研究，以期为渔业资源调查船选取最为经济、安全的推进方式，满足科学调查的需要。

渔业资源调查船；推进系统；PTI工况；设计

渔业资源调查船是一种专门用于渔业资源调查和评估的科考船。此类船舶主要是为服务渔业资源、渔场生物环境、渔获量、资源量评估这四大项的科学研究服务的［1］，是一种具有配合以上研究所需的专业的实验室，既具有包括一般综合调查船的海洋物理、海洋化学、海洋生物方面的专业调查功能，还具有专业的渔业拖网功能的科学调查船。

因近海渔业资源调查船兼具综合的海洋调查能力的科考船，又兼具拖网渔船的捕捞功能。故该船在船型、船舶舱室布置，均有特殊的要求，尤其是轮机等动力机械配置上，需要船舶在出航、返航和转移渔场时具有较高的自由航速，又要求在拖网时具有较大的拖力。在现阶段，渔业资源调查船此类作业方式，推进形式主要以单主机调节桨的推进形式较为普遍。然而，单主机的推进模式，对于科考船的特殊性和船舶安全性考虑，还是存在欠缺。如何能使在不用投入较大资金的情况下，使该船的推进系统可以满足科学调查的需要和船舶安全运行需要，为本文研究的主要方向。

1　相关船型推进系统的现状

渔业资源调查调查船兼具渔业拖网功能和海洋综合调查功能，是一种综合的渔业科考船。该船型推进方式需兼具科考船和拖网渔船的特点。

1.1国内科考船推进系统的现状

国内远洋及近海科考船一般均使用可调桨类型的推进形式，一般为双机双桨，主机并配有电子调试装置，可以达到主机和桨的功率最好匹配。近来，新建的远洋科考船也有使用统一电站，以电力来作为推进方式的，如2013年建造的“向阳红10”号科考船，有三台发电机组并车，来实现船舶的推进方式，其组成部分包括原动机、发电机、配电板、变压器、变频器以及推进电机。主要工作方式就是原动机带动发电机，发出的电能传送至配电板，由配电板汇流后分配至全船各用电设备，另外通过整流还可以给蓄电池充电，使之作为备用电源。有些系统的变频器采用中高压供电，因为提高电压有利于减小推进电机的尺寸和线路损耗，然后在转换过程中按要求对电的频率进行控制调整把满足要求的电能送给电机。该推进类型技术近几年发展很快，船舶上应用的电力推进方式也呈现多种类型，但归纳起来基本可分为五类［2］：1）可控硅整流器+直流电动机；2）可调螺距螺旋桨+交流异步电动机；3）电流型变频器+交流同步电动机；4）交-交变频器+交流同步电动机；5）电压型变频器+交流异步电动机。

优点：噪音低，适合各种科考工况；运行的任何工况，均能保持较高效率，经济性好［3］。

缺点：电力推进系统渔船因增加了较大功率的电机、变频器，存在初期造价高等问题，其功率管理系统供电的连续性、能量稳定平衡性、船舶操纵的机动性以及管理的经济性也有待进一步优化［4］。

1.2国内拖网渔船推进系统的现状

拖网渔船属于多工况船舶之一，如何使其在各种工况下都能获得较好的推进性能，一直是渔船设计建造和应用部门重视的问题。拖网渔船既要求在出航、返航和转移渔场时具有较高的自由航速，又要求在拖网时具有较大的拖力，显然这对于普通螺旋桨或导管桨来说都存在着一个有待充分利用主机功率的问题。国内拖网渔船推进系统除新近还处在研究阶段的电力推进模式外，主要是常规的柴油机带桨的推进模式。柴油机带桨推进模式，主要通过柴油机、齿轮箱、轴系、螺旋桨等组成的推进方式，包括柴油机+定螺距桨型式和柴油机+可变螺距桨型式两种类型。

1.2.1柴油机+定螺距桨型式

柴油机+定螺距桨推进型式主要有：主机为一台高速柴油机，发出的功率通过高弹传递到齿轮箱，经过齿轮箱后，带动轴系，驱动定螺距桨转动，产生推力使船体克服水阻力前进。

优点：结构简单，初投资小。

缺点：当处于非设计工况时，系统效率低，油耗高［5］。

该类型的推进方式因造价便宜、使用方便，长期以来一直大量应用在拖网渔船上。因拖网渔船多工况的实际情况，经长期的实践和不断摸索，在该推进型式的基础上不断有新的技术应用，主要为：（1）将单速齿轮箱变为双速齿轮箱，克服拖网船航行高速和拖网低速的要求；（2）将开式桨改为闭式导管桨，减轻螺旋桨的负荷，减少尾流能量损失，提高螺旋桨的效率。

1.2.2柴油机+调距桨型式

柴油机+调距桨推进型式主要有：主机为一台高速柴油机，发出的功率通过高弹传递到齿轮箱，经过齿轮箱减速后，带动轴系，驱动调距桨转动，产生推力使船体克服水阻力前进。柴油机恒速运行，通过机械式调距桨机构，调距螺旋桨的螺距，螺距可正向（正车）和负向（倒车）调节，来达到船舶的前进、后退、停止。

优点：任何工况下螺旋桨均能保持较高的效率；柴油机处在低油耗区运行，油耗低；操纵灵活，正倒车方便。

缺点：调距机构复杂、制造技术要求高，初投资较高［5］。

该类型的推进型式因油耗低、操纵灵活，现较多的运用在新建的现代拖网渔船上。

2　近海渔业资源调查船建设基本要求

2.1调查船总体功能

根据近海渔业资源调查的基本要求及研究需要，总体功能应包括：

1）船舶主要参数

船长45 m左右，船宽8 m左右，型深5 m左右，排水量500 t以上，续航能力4 000 n mile，能连续航行20 d以上，主机最大功率约750 kW，乘员（包括船员）30人以上。

2）船舶实验室功能

该船需集捕捞、调查、科研于一体，具备能在近海渔区进行大范围海洋渔业资源、水文、物理、化学、声学等综合要素的实时、同步探测、分析和处理能力，具备考察数据采集、样品的保真取样、现场分析能力及信息传输能力。

2.2调查船推进系统要求

要完成上述几项功能，对整套推进系统的设计提出以下要求：

1）出航、返航和执行特殊的渔业抢险和评估时具有较高的自由航速，即全速航行模式，航速要求12 kn以上；

2）渔业生物环境调查走航时的巡航模式，航速要求6-8 kn，该航速也是较为经济的航速；

3）渔业资源调查拖网模式，要求具有较大的拖力，航速3.5 kn左右；

4）海洋声学等综合要素调查时，要求船舶震动、噪声噪声较低；

5）在主机瘫痪等应急情况下，以较经济的方式到达安全回港的目的。

3　调查船推进系统模型设计

综合渔业资源调查船的总体功能与推进系统的要求，结合实际和国内对拖网渔船的已有的研究［5.6］，渔业资源调查船推进系统采用柴-电混合推进模式，既可以符合科学调查低噪音和巡航要求；又可以满足渔业资源调查拖网的功能；而且还达到在投资相对不高的情况下，达到经济、安全的航行要求。

柴-电混合推进模式的推进系统是由柴油机、齿轮箱、轴系、可调桨组成的主推进系统和PTI电机、齿轮箱、轴系、可调桨组成的辅助（应急）推进系统组成。以上两套系统并车，即可组成柴-电联合推进的混合推进系统。

3.1推进系统模型

3.1.1可调桨主推进系统模型

根据渔业调查船作业要求、船型特点，综合以上系统要求，渔业资源调查船设计以单台柴油机，通过变速齿轮箱及轴、驱动一套可调桨方案较为可靠和经济。该系统如图1所示，由柴油机、高弹、齿轮箱、轴系、可调桨等五部分组成船舶的主推进模式。另外，船舶还需配备柴油机发电机组，用于航行电力供应、侧推动力和渔获储存需要。

该主推进系统设计具有四种控制模式：

1）定转速模式（或称轴带发电机模式）；

2）联合控制模式（螺旋桨螺距随主机功率匹配，经济模式）；

3）拖网模式（主机转速恒定，航速3.5 kn左右）；

4）分控模式（特殊的调查需求和遥控系统失灵情况下）。

图1　可调桨推进系统Fig.1　Adjustable pitch propeller propulsion system

3.1.2柴-电混合动力推进系统模型

单主机的推进模式，对于科考船的特殊性和船舶安全性考虑，还是存在欠缺。为使船舶能在不投入较大资金的情况下，推进系统可以满足科学调查的需要和船舶安全运行需要，就需要再增加一套应急推进模式，即在主机瘫痪情况下，仍能将科考船和人员安全送回基地的推进模式。通过研究和结合现有技术，一种新型的柴-电混合动力推进模式，完全可以满足以上的特殊要求［6］。以如图1所示的主推进部分模型为常规的可调桨推进系统部分。配合船上发电机组，由发电机组并网发电，实现向轴带电机送电，这样便组成如图2所示的，由柴油机、高弹、齿轮箱、电机、轴系、可调桨等六大部件组成的柴-电混合动力推进系统。

图2　柴-电混合动力推进系统Fig.2　Diesel-Electric Hybrid Propulsion System

柴-电混合动力是一种新型动力形式，是由柴油机和轴带电机混合推进。该推进形式可以实现以下三种运行模式：

1）正常航行模式：轴带电机作为发电机，吸收柴油机功率，称为PTO（Power Take Off）模式。该模式为常规运行模式，轴带发电机直接或并网向船舶电网送电；

2）应急推进模式：轴带电机作为电动机单独推进，称为应急（Power Take me Home，PTH）模式，即俗称的“带我回家”。应急模式航速很慢，可以达6 kn左右，只能柴油机故障应急时和特殊要求时使用（如生物调查巡航或ADCP海流仪走航调查）。

3）柴-电混合推进模式：轴带电机作为电动机与柴油机共同推进，称为助力（Booster）模式。该模式需船用发电机组向轴带电机供电，可实现加速航行或增加拖网作业拖力的要求；

PTH和Booster模式都是将轴带电机作为电动机使用，两者又统称为PTI（Power Take In）［6］。

3.2柴-电混合动力推进系统方案设计

根据近海渔业资源调查的基本要求，本文以浙江海洋学院设计建造的近海渔业资源调查船推进系统为例，方案设计如下：

3.2.1推进动力系统集成方案

1）船舶主要参数

船长48.8 m，船宽8 m，型深5.15 m，排水量680 t，续航能力4 000 n mile，能连续航行30 d以上，主机最大功率746 kW，乘员（包括船员）35人。

2）推进系统主要参数

表1　推进系统参数Tab.1　Parameters of propulsion system

3.2.2系统工作模式及控制策略

渔业资源调查船推进系统可分为由柴油机组成的主推进系统和PTI电机组成的应急推进系统。以上两套系统并车，即可组成柴-电联合推进的混合推进系统。单独柴油机-可调桨的推进技术在现代舰船应用中已经很成熟，笔者不再赘述。PTI电机组成的应急推进系统，由推进电机及变频驱动控制系统、齿轮箱、桨等几部分组成，200 kW的主推电机由船上的2台150 kW发电机组并网发电向其送电，达到电力推进的功能。柴-电联合推进的混合推进系统，集成柴油机和推进电机并车驱动的控制系统等组成。渔业资源调查船的多种控制模式，既可以实现轴带系统与主机的并车推进，提高船舶航速；又可以实现主机故障下的应急推进，实现船舶安全返航；还可以驱动侧推，提高船舶的机动性能。

1）应急推进系统（PTH工况）工作模式

应急推进模式下，推进电机单独驱动螺旋桨，推进系统完全为电力推进。此时轴带系统变频器控制策略为恒速控制。

起动过程为：选择应急推进模式，调距桨位于零螺距，齿轮箱滑油压力正常，主机离合器脱开，轴带电机离合器脱开，变频器将小电机加速，带动轴带电机到额定异步转速，辅机电站供电给轴带电机，合上励磁开关，轴带电机牵入同步转速，切断变频器，接通轴带电机的功率因数控制器，使功率因数保持在0.95以上，启动齿轮箱备用油泵，轴带电机离合器接排，增加螺距加大轴带电机输出功率，实现船舶应急低速推进航行。

图3　系统模型Fig.3　The system model

如图3所示，由变频器、辅机电站、起动电机、轴带电机及励磁、离合器、齿轮箱、调距桨等组成部分的应急推进系统的控制方式原理。

2）柴电混合推进，即轴带电机助力（Booster）工作模式

先将变频器模式定为转速控制模式，调整转速到与主机转速一致，然后合排，收到合排信号后，发一个信号到变频控制系统，将变频器控制模式确定为力矩模式，然后返回一个确认信号，此时遥控系统按双机功率进行负载控制。要脱开电机时，先将负荷降到主机能承担的程度，再脱开电机离合器。

3）PTI工况下的控制策略

对PTH工况，为保证轴带电机的稳定运行和尽量降低电枢电流轴带电机的励磁控制应在较低转矩时按功率因数为1控制目标；高转矩时按某特定函数使无功电流随转矩的增大而增大，同时还要限定电枢电流，确保电机不过流［7］。

应急推进时，船舶控制系统控制变频器输出切换至主推进起动电机，零螺距下变频器接受上位机指令起动主推进起动电机并控制到设定转速（通过4～20 mA设定，一般设定到额定转速），然后保持电机转速，通过调节螺距，实现轴带系统推进船舶前进。

调节螺距时需要考虑轴带系统的输出能力，当轴带系统输出超过200 kW时，变频器会自动降低电机转速，使得轴带系统输出下降到200 kW。可以通过减少螺距等方法使轴带系统输出低于200 kW，此时，变频器会自动升高推进电机转速，直至达到电机的额定转速。

4）对Booster工况，主要考虑在轴带电机与主机并机推进时，科学合理地分配二者的转矩。由于系统中轴带电机采用了励磁控制，没有实施电枢控制，因此该工况的控制主要由主机调速系统实现［7］。

为确保整船推进功率最大化，并车控制策略实现是基于柴油机运行在恒转速模式下，此时推进电机的功率输出在自动模式下能够动态地、实时地跟踪外部负荷的变化，控制PTI电机输出扭矩，确保并车推进的有效、可控。

此外，在恶劣海况下并车推进时，存在船舶螺旋桨突然出水导致主机负载突卸的情况，会引起柴油机转速突升，此时如果轴带系统还按并车推进模式下进行恒转矩控制的话，极有可能导致主机逆功，转速升高更快，导致主机飞车事故。因此，当系统转速超过额定转速一定值时，轴带系统变频器会自动控制主推进电机将转矩下降到零，起动对船舶主机的保护作用。

4　结论

（1）柴油机推进工况下，方案可以满足船舶正常航行和资源调查时的拖网的功能。

（2）Booster工况，可以降低船舶噪声，满足巡航及海洋声学调查时的航行要求。

（3）方案在不增加较大的初投资情况下，可以满足应急情况安全回港的目的。

柴-电混合动力推进系统在小型近海渔业资源调查船上的应用，是一个综合多个专业和多门学科知识的复杂的系统工程。该技术可以全面提升小型现代渔船、科考船、军舰等多用途特殊船舶的操纵性、可靠性、经济性、安全性等问题，大力开展舰船柴-电混合动力推进技术的研究，是我国海洋事业发展战略的迫切需求。

［1］SC/T 9403-2012海洋渔业资源调查规范［S］.北京:中国农业出版社，2013.

［2］高海波，高孝洪，陈辉.船舶电力推进几种典型方式的比较［J］.航海技术，2006（6）:54-57.

［3］谢家纯.电力推进在船舶上的应用及系统设计研究［J］.船舶工程，2011（33）:61-64.

［4］黎建勋，金娇辉，谌志新.电力推进拖网渔船控制系统设计［J］.渔业现代化，2012，39（5）:43-48.

［5］罗晓元，郑锐聪，李新，等.基于现代渔船主要推进型式及其节能效果分析研究［J］.机电设备，2012（3）:58-62.

［6］周庆波，艾钢，赵同宾，等.柴-电混合动力系统应急推进模式仿真研究［J］.船舶工程，2011，33（4）:16-19.

［7］孟永奇，李保来，兰建军.船舶轴带发电一电动系统的原理及控制［J］.船电技术，2011，31（8）:35-44.

A Study on Propulsion System Design of Offshore Fishery Resources Research Ship

LUO Dian-jun，GONG Xi-wu
（Naval Architecture and Civil Engineering School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan316022，China）

This article takes the fishery resources research ship’s propulsion system as the main research object.Based on the current common researches of propulsion mode of research vessels and fishing vessels，and combined with the functions specially required by fishery resources research ship，this paper carries out a scientific and contrastive analysis of propulsion system，so as to work out the most economical and safest propulsion system of the fishery resources research ship，so as to satisfying the needs of scientific researches.

fishery resources research ship；propulsion system；PTI operating mode；design

U664.3

A

1008-830X（2015）02-0181-06

2014-10-30

浙江省高校实验室工作研究项目（Y201324）

罗殿军（1978-），男，浙江临安人，助理工程师，研究方向：渔船及渔业机械化.E-mail:zhehaike@163.com

龚希武（1973-），男，江西鄱阳人，副教授，研究方向：能源与动力.E-mail:gongwinfish@126.com