黎建勛，董曉妮，崔銘超，楊棟軒

(1 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海200092；2 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室深藍漁業(yè)工程聯(lián)合實驗室，山東 青島266237；3 中國船舶集團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“完全開發(fā)或過度開發(fā)”狀態(tài)[1]，中國海洋漁業(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]，是推進中國海水養(yǎng)殖和海洋牧場建設(shè)的新型技術(shù)手段，是中國海洋漁業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)和可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。近年，中國對深遠海養(yǎng)殖工船總體技術(shù)、經(jīng)濟性論證、模型試驗、規(guī)范指南、政策制定的研究接連展開[4-5]。2022年5月，全球首艘十萬噸級大型深遠海養(yǎng)殖工船“國信1號”完成交付運營，養(yǎng)殖工船技術(shù)取得實船應(yīng)用，中國深遠海大型養(yǎng)殖工船產(chǎn)業(yè)也實現(xiàn)了由0到1的進階發(fā)展。目前深遠海養(yǎng)殖工船面臨的最大問題仍是初期投入成本非常高，很難找到合適的運營企業(yè)，成為制約其快速發(fā)展的瓶頸因素[5]。

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

針對“國信1號”深遠海養(yǎng)殖工船電力推進系統(tǒng)，基于適漁性要求，提出了一種電力推進調(diào)距槳動力系統(tǒng)策略。分析了該方案的技術(shù)特性、經(jīng)濟性、可靠性，及優(yōu)缺點，希望能為中國深遠海養(yǎng)殖工船推進方式適漁性研發(fā)和國產(chǎn)化率研究，提供借鑒和參考。

1 動力系統(tǒng)方案與適漁性要求

采用何種推進形式，實現(xiàn)養(yǎng)殖工船動力系統(tǒng)的操縱性、經(jīng)濟性、可靠性，與養(yǎng)殖工船生產(chǎn)模式相適宜，是養(yǎng)殖工船動力系統(tǒng)首要考慮的設(shè)計原則。養(yǎng)殖工船根據(jù)時節(jié)與水文變化，需要周期性的錨泊、游弋在目標(biāo)海域，進行輪作式生產(chǎn)?！皣?號”養(yǎng)殖工船一年2季，主要開展大黃魚養(yǎng)殖，工船具有航行、養(yǎng)殖、吸魚、轉(zhuǎn)場等多工況作業(yè)的特點。養(yǎng)殖工船動力系統(tǒng)可以采用常規(guī)主機推進或電力推進形式，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。由于工船全年長期運行于錨泊養(yǎng)殖作業(yè)狀態(tài)，航行、轉(zhuǎn)場的周期非常短暫，采用常規(guī)推進形式，主機將長期閑置，得不到利用[14]，不具優(yōu)勢。相對而言，采用電力推進則具有柴油機總裝機功率小、經(jīng)濟性高、與養(yǎng)殖載荷耦合性佳等諸多優(yōu)勢。

“國信1號”養(yǎng)殖工船采用電力推進雙機雙定距槳的推進形式。該方案較常規(guī)推進，經(jīng)濟性和適漁性優(yōu)勢明顯，但推進系統(tǒng)大功率變頻器、推進移相變壓器、制動電阻等電氣裝置，設(shè)備重量和尺寸巨大，機艙空間占用多，設(shè)備散熱量大，配電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜。此外，推進系統(tǒng)變頻裝置等核心元器件也均為國外產(chǎn)品，價格較高，這些不利因素給我國養(yǎng)殖工船產(chǎn)業(yè)的推廣帶來一定困難。表1為“國信1號”養(yǎng)殖工船各工況下的動力系統(tǒng)主要性能參數(shù)。

表1 “國信1號”養(yǎng)殖工船各工況動力系統(tǒng)主要性能參數(shù)

目前電力推進船舶，主推進和動力定位動力系統(tǒng)絕大部分都采用定距槳，而側(cè)推動力系統(tǒng)則較多地應(yīng)用到調(diào)距槳[17]。定距槳具有螺距固定，裝置簡單，成本低，管理方便，基本免維護的特點。并且定距槳比調(diào)距槳在輕載工況下節(jié)省10%～20%的功率，對于有較長時間輕載低速運行的船舶，有節(jié)能意義[18]。調(diào)距槳是通過設(shè)置槳轂操縱機構(gòu)，使槳葉轉(zhuǎn)動從而調(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)電機且穩(wěn)定性要求高的船舶。調(diào)距槳機構(gòu)復(fù)雜，造價相對較高，效率也比定距槳稍低[20]。

對于電力推進養(yǎng)殖工船，無論采用定距槳或調(diào)距槳，因為船速都不是由柴油機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而是相應(yīng)的由船用變頻器(及其推進電機)或調(diào)距槳來調(diào)節(jié)，柴油機轉(zhuǎn)速均可以長期運行在最佳油耗點處。同時工船電站也都設(shè)有功率管理系統(tǒng)(power management system，PMS)，可以動態(tài)匹配工船推進、養(yǎng)殖負(fù)載和在網(wǎng)發(fā)電機數(shù)量，使柴油機始終運行在最佳負(fù)荷區(qū)間，因此二者都具有較高的燃油經(jīng)濟性。從表1可知，養(yǎng)殖工船作業(yè)工況多，工船全年“輕載運行”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。

電力推進養(yǎng)殖工船，不同類型的螺旋槳對推進電機的要求也不同[21]。定距槳要求推進電機具有無級調(diào)速性能，而采用調(diào)距槳策略，推進電機將無調(diào)速需求，對推進電機可以大大簡化為起動性能的需求，并首選軟起動器的起動方案。綜上，養(yǎng)殖工船采用電力推進調(diào)距槳+不調(diào)速電動機+軟起動器的配置策略，在兼顧養(yǎng)殖工船燃油經(jīng)濟性與適漁性的同時，具有節(jié)省機艙空間，降低投入成本的可能。

2 養(yǎng)殖工船電力推進調(diào)距槳動力系統(tǒng)配置

“國信1號”電力推進養(yǎng)殖工船采用定距槳+調(diào)速電動機配置，主電站設(shè)計為AC 690V，其動力系統(tǒng)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要包括以下設(shè)備：主柴油發(fā)電機組、配電板、移相變壓器、推進變頻器、推進電機和定距槳。系統(tǒng)配置5臺AC 690V 3相50 Hz主柴油發(fā)電機組，每臺功率為1580 kW；2臺3 400 kVA大功率移相變壓器；2臺虛擬24脈沖二極管整流前端(Diode Front End，DFE)推進變頻器，每臺功率約2700 kW，采用水冷方式，配有制動電阻；2臺2 700 kW主推進變頻電機，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)計為2段匯流排，推進負(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定距槳動力系統(tǒng)圖

當(dāng)采用電力推進調(diào)距槳+不調(diào)速電動機+軟起動器的配置策略時，其動力系統(tǒng)圖如圖2所示。該系統(tǒng)主電源、養(yǎng)殖負(fù)載、日用負(fù)載配置與電力推進定距槳方案一致，主要不同在于：1)采用小功率變頻軟起動器及轉(zhuǎn)換柜，取代了容量、重量、尺寸巨大的移相變壓器、推進變頻器、制動電阻；2)推進電機改為不調(diào)速的三相異步電動機；3)螺旋槳采用CPP設(shè)計；4)推進電機的起動過程，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調(diào)距槳動力系統(tǒng)圖

系統(tǒng)1號、2號推進電機均設(shè)計為三相異步電動機，功率仍為2 700 kW，并分別由1號、2號變頻軟起動器起動。2只變頻軟起動器設(shè)有轉(zhuǎn)換柜，可實現(xiàn)2只變頻軟起動器互為備用。養(yǎng)殖工船在航行或轉(zhuǎn)場中，當(dāng)某一路起動器故障時，另一起動器通過轉(zhuǎn)換柜仍可完成該路螺旋槳及推進電機的整個起動過程，從而提高推進電機供電的可靠性和動力系統(tǒng)的冗余度。2只變頻軟起動器在其起動器兩側(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)有獨立供電開關(guān)7QF和9QF，這樣可以通過轉(zhuǎn)換柜，實現(xiàn)單個旁路接觸器分別對兩路變頻軟起動器的旁通功能，進一步提高系統(tǒng)冗余度。當(dāng)推進電機達到額定轉(zhuǎn)速，在軟起動結(jié)束后，通過接通旁路接觸器觸頭，軟起動器退出運行，推進電機通過旁路接觸器回路供電。這樣可以有效延長軟起動器的使用壽命，避免電網(wǎng)諧波污染。

對于不調(diào)速大功率電動機，采用軟起動器電力驅(qū)動的形式，是較為常用的一種措施。軟起動器具有無沖擊電流、恒流起動、可自由地?zé)o級調(diào)壓至最佳起動電流及節(jié)能等優(yōu)點[21]，但是其起動轉(zhuǎn)矩較小。本方案進一步采用變頻軟起動器，改善了這種不利，并具有以下優(yōu)點：1)可以調(diào)壓調(diào)頻，增大起動轉(zhuǎn)矩。起動時電動機的氣隙磁通保持恒定(φ=kU/f)，既能實現(xiàn)無過電流起動，而且還能提供1.2～2倍額定轉(zhuǎn)矩的起動轉(zhuǎn)矩；2)減少電網(wǎng)諧波。軟起動用變頻器，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。而且對于養(yǎng)殖工船來說，這個起動過程時間非常短，當(dāng)供電轉(zhuǎn)為旁通模式時，對電網(wǎng)幾乎無諧波輸入；3)變頻軟起動器容量小。由于起動用變頻器系短時工作制，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)距槳在零推力時的耗能約為滿載時的20%左右[23-24]。當(dāng)需要起動推進電機時，螺旋槳處于零螺距，螺旋槳空轉(zhuǎn)，推進電機將基本處于空載狀態(tài)，三相異步電機空載電流約為額定電流的30%～70%[25-26]。因此，當(dāng)三相異步電機的功率仍為2 700 kW時，其變頻軟起動器的功率卻可以不必按照推進電機2 700 kW的功率等級來選擇，可以選擇適宜小功率的變頻軟起動來實現(xiàn)推進電機的起動需求。

螺旋槳空轉(zhuǎn)狀態(tài)，動力系統(tǒng)的耗能主要來源于推進電機的空載負(fù)荷。如果估算出異步電動機的空載電流，進而換算出異步電動機空載狀態(tài)下的輸入功率，則可進一步選擇較準(zhǔn)確的軟起動器容量。對于交流三相異步電動機而言，空載電流的大小與異步電動機的氣隙磁密、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]。對于1 kV及以下的交流三相異步電動機，當(dāng)缺乏磁路特征參數(shù)時，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為電動機空載電流；IN為電動機額定電流；cosφN為電動機的額定功率因數(shù)；K為系數(shù)，按電動機極對數(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)下電動機的輸入功率，約為660 kW。螺旋槳及其推進電機的特性，類似于風(fēng)機、泵類負(fù)載，通常該類負(fù)載軟起動器的功率約為負(fù)載額定功率的1.1倍及以上，考慮到軟起動的功率因數(shù)、效率等因素，變頻軟起動的容量最終為選定為800 kW。如按前文，軟起動器的容量約為調(diào)速用變頻器的1/3～1/4換算，則變頻軟起動器容量約為675 kW～900 kW。綜上，變頻軟起動器容量選定為800 kW是適宜的。

這意味著，在零螺距狀態(tài)下，推進電機從零轉(zhuǎn)速起動到額定轉(zhuǎn)速，800 kW的變頻軟起動器可滿足此功能。顯而易見，該容量等級的變頻軟起動器要比2 700 kW等級的變頻器重量、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配電部分的成本，也更有利于國產(chǎn)船用變頻器的選型。

4 電力推進調(diào)距槳特性分析

4.1 零螺距起動過程

電力推進定距槳是通過變頻驅(qū)動電動機的調(diào)速，來改變螺旋槳的推力以獲得不同的航速，螺旋槳本身無需另外的任何控制[23]，且定距槳電動機具有恒轉(zhuǎn)矩和恒功率調(diào)速性能，低轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)矩也大。而采用電力推進調(diào)距槳時，在航行過程電動機不調(diào)速，通過調(diào)螺距來改變轉(zhuǎn)矩、推力和航速，電動機運行及調(diào)節(jié)性能與采用柴油機直接推進調(diào)距槳作動力時相似。通常是小螺距時，轉(zhuǎn)矩小，推力也小，想要獲得大轉(zhuǎn)矩和航速，電機只能在額定轉(zhuǎn)速及大螺距下運行。

根據(jù)調(diào)距槳的調(diào)速性能，在需要起動推進電機時，首先調(diào)節(jié)螺旋槳螺距，使處于“零螺距”狀態(tài)。此時船速為零，通過變頻軟起動器控制，推進電機帶動螺旋槳，轉(zhuǎn)速從零運轉(zhuǎn)至額定轉(zhuǎn)速。養(yǎng)殖工船螺旋槳及推進電機的零螺距起動特性曲線如圖3所示。

圖3 養(yǎng)殖工船螺旋槳及推進電機零螺距起動特性曲線

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的螺旋槳機械特性曲線；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住；3為零螺距起動螺旋槳特性曲線；圖3中的恒轉(zhuǎn)矩和恒功率特性為電力推進定距槳時的推進電機的特性曲線， 供對照參考；Q0為零螺距變頻軟起動下的電動機轉(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，螺旋槳特性曲線將相對應(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為柴油機的轉(zhuǎn)速,r/s；

調(diào)距槳在零螺距起動階段，螺旋槳輕載運行，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)推進電機到達額定轉(zhuǎn)速后，變頻軟起動器退出，推進電機通過軟起動器的旁路接觸器，繼續(xù)在額定轉(zhuǎn)速下運行。由于采用了變頻軟起動器，推進電機的轉(zhuǎn)矩獲得了一定提高，可在Q0范圍內(nèi)(可以有一定的短時過載能力范圍)表現(xiàn)為低速大轉(zhuǎn)矩特性。從圖3可知，采用變頻軟起動器控制的電力推進調(diào)距槳，當(dāng)螺距小于一定值時，推進電機仍可在該輕載狀態(tài)下通過變頻控制實現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩運行。螺旋槳也仍可運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。此時與電力推進定距槳性能相似，并且相比柴油機直接推進調(diào)距槳，養(yǎng)殖工船仍能在較佳的燃油經(jīng)濟性狀態(tài)下維持低速航行。

4.2 調(diào)螺距運行過程

當(dāng)螺旋槳和推進電機達到額定轉(zhuǎn)速后，養(yǎng)殖工船動力系統(tǒng)改為調(diào)螺距運行。通過調(diào)節(jié)螺距，來改變螺旋槳轉(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A。此時，養(yǎng)殖工船螺推進電機達到額定轉(zhuǎn)矩，工船運行在額定航速下。根據(jù)螺旋槳轉(zhuǎn)矩計算公式(2)，可以看出此過程中，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為螺旋槳進速系數(shù)；P為螺旋槳螺距,m；D為螺旋槳的直徑,m。

對于螺旋槳，通常由螺距比P/D來表征其螺距角。調(diào)距槳就是改變螺距角，從而得到不同的螺距比值來改變轉(zhuǎn)矩、推力和功率。由于螺旋槳實際工作特性極其復(fù)雜，導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩系數(shù)很難與進速系數(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)進速系數(shù)一定時，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)柴油機直接推進調(diào)距槳的特性曲線，實現(xiàn)柴油機轉(zhuǎn)速、螺距比的聯(lián)合控制[35-36]，可以反映出柴油機轉(zhuǎn)速和螺距比、船速的一個動態(tài)平衡關(guān)系和不同航速下的最優(yōu)設(shè)計點。由于本方案電動機不調(diào)速，相比傳統(tǒng)的柴油機直接推進調(diào)距槳而言，只能在額定轉(zhuǎn)速下單一的通過調(diào)節(jié)螺距比來改變航速。所對應(yīng)得到圖5中的不同航速V1、V2、V3、V4、V5、V6，都是運行在額定轉(zhuǎn)速線上。只有當(dāng)航速小于某一值，滿足變頻軟起動器和推進電機輕載運行的工況，方可實現(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)距槳性能對比

通常調(diào)距槳價格要高于定距槳。但是由于配電裝置的不同，兩者差異會很大。在本電力推進調(diào)距槳策略中，通過調(diào)距槳控制船速的策略，采用了三相異步電動機，這樣就免去了造價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器，這樣配電裝置的成本大大降低。調(diào)距槳方案的總造價也得到很大降低，兩者的造價比較如表2所示。通過表2可以得到，采用電力推進調(diào)距槳方案，系統(tǒng)因為主要減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，但總體造價減少了184萬元，約22.6%。

表2 定距槳與調(diào)距槳造價比較

結(jié)合前文分析，電力推進定距槳與電力推進調(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，電力推進定距槳和電力推進調(diào)距槳互有優(yōu)勢和不利因素。傳統(tǒng)方案下的調(diào)距槳，因為小功率、小轉(zhuǎn)矩、效率相對低、維護要求高，調(diào)距槳機構(gòu)復(fù)雜，以及價格高等因素，會認(rèn)為調(diào)距槳劣勢會相對明顯。由于本船電力推進調(diào)距槳策略，充分利用了調(diào)距槳“零螺距”狀態(tài)下空載起動推進電機的特性，同時采用變頻軟起動器，提高了低速下的轉(zhuǎn)矩性能。使得調(diào)距槳策略的優(yōu)勢大大增強，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

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

6.2 電力推進調(diào)距槳系統(tǒng)經(jīng)濟性

通常認(rèn)為調(diào)距槳經(jīng)濟性低于定距槳[20]，但對長期處于錨泊作業(yè)狀態(tài)的養(yǎng)殖工船來說，這種差異性不大。此外，由于采用了電力推進的方式，定距槳與調(diào)距槳的柴油機轉(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)濟性。雖然調(diào)距槳要比固定槳費用高，但電氣設(shè)備的差價遠大于螺旋槳的差價，可節(jié)省總造價約22.6%，也顯示出了造價經(jīng)濟性優(yōu)勢。

6.2 電力推進調(diào)距槳系統(tǒng)可靠性

常規(guī)雙機雙槳的電力推進系統(tǒng)都是一對一驅(qū)動[37]，無冗余性。該系統(tǒng)2只小功率變頻軟起動器則具有復(fù)合功能，任意變頻器故障不影響推進器使用，系統(tǒng)的冗余度、可靠性大大提高。雖然調(diào)距槳機構(gòu)復(fù)雜，故障率相對較高[38-39]，但該系統(tǒng)取消了移相變壓器、水冷變頻器、制動電阻等裝置，簡化了系統(tǒng)配電裝置環(huán)節(jié)，系統(tǒng)故障點相對減少，可靠性也得到提高。

6.3 電力推進調(diào)距槳與定距槳的差異及創(chuàng)新性

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

該系統(tǒng)由于采用了小功率變頻軟起動器，其容量僅為定距槳變頻器容量的29.6%，完全可以采用國產(chǎn)化設(shè)備。這有利于提升中國船用設(shè)備配套自主化和本土化率，逐步擺脫對國外公司的依賴局面[17]。同時該系統(tǒng)配置、尺寸也大為簡化，總體上既節(jié)省了機艙空間，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[40]，隨著調(diào)距槳裝置的技術(shù)性能的日趨提高，相信會得到改善。結(jié)合系統(tǒng)調(diào)距槳調(diào)速特性，該電力推進調(diào)距槳動力系統(tǒng)策略，在常規(guī)操作模式下，對航速的控制只能通過調(diào)螺距來實現(xiàn)，相對單一。而常規(guī)推進的調(diào)距槳船舶，通常則具有柴油機轉(zhuǎn)速、螺距比的聯(lián)合控制優(yōu)勢，機槳匹配范圍更大。

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，采用常規(guī)主機推進+調(diào)距槳的策略不經(jīng)濟，而主流電力推進船舶又以定距槳居多。該系統(tǒng)在應(yīng)用電力推進優(yōu)勢的背景下，采用電力推進+調(diào)距槳+變頻軟起動器動力系統(tǒng)策略，將電力推進、調(diào)距槳、變頻軟起動器三者的優(yōu)勢充分結(jié)合，使電力推進動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可行性、適漁性、可靠性，得到了進一步挖掘，具有適宜的應(yīng)用場景，尤其是當(dāng)機艙空間需求度大，初期投入成本期望能較低時。