0 引　言

内河船舶主力货运船的动力系统多采用双机双桨间接推进匹配定距桨的型式^{[1 - 2]}，在动力系统匹配设计时，“大马拉小车”的现象尤为突出，当主机长时间运行在低负荷区间时，带来了油耗率高、排放差等问题^{[3 - 4]}。随着节能和环保要求的不断提高，“零污染”和“零排放”已是内河船舶发展的主要趋势^{[5 - 8]}。

某7500 t级散货船是一艘载运煤炭、金属矿石、建筑沙石料等的干散货船，常运行水域为内河A级航区J2航段，航行于上海至重庆。该船舶采用如图1所示的柴气电混合双机双桨动力系统型式，具备主机模式、PTO模式、PTI模式与PTH模式等多种工作模式^[9]。动力系统主要设备包括主机、齿轮箱、螺旋桨、轴带电机及关联DC/AC模块、锂电池组及关联DC/DC模块、发电机组及关联AC/DC模块、直流母排、交流母排及关联AC/DC模块。其中，主机选用柴油机，发电机组选用LNG气体机，齿轮箱包含正车离合器与倒车离合器。该船舶在主机的正车离合器或倒车离合器合排过程中，出现了主机合排“吃力”的现象，产生浓烈黑烟。

针对以上问题，调取实船数据进行原因分析，发挥混合动力系统优势提出改造方案，考虑到船舶营运情况及实船可实施性，选择电机辅助主机合排控制方法来降低主机合排过程的扭矩冲击，进而解决主机冒黑烟问题。

1 分析实船数据

调取7500 t级散货船在主机合排过程中的螺旋桨轴系扭矩、螺旋桨尾轴转速、主机油耗等实船数据，以右舷的实船参数变化为例进行说明，如图2与图3所示。

由图2可知，在主机合排过程中，螺旋桨对主机的轴系扭矩从0 N·m快速突增至18700 N·m；由图3可知，当尾轴转速逐步上升至28 r/min时，主机油耗从10 kg/h突增至65 kg/h，随着尾轴转速上升并稳定在72 r/min，主机油耗回落到45 kg/h附近波动。主机油耗的过大突增导致主机气缸进气量相对不足，燃油在缸内不能完全燃烧并产生大量的碳氢化合物和氮氧化合物排出气缸，导致船舶在主机合排过程中出现浓烈黑烟现象。

2 优选改造方案

针对主机合排过程中的黑烟问题，经过对实船合排过程中的参数变化理论分析与实船试验观察，通过降低主机合排过程中螺旋桨对主机的轴系扭矩冲击或降低主机合排过程中，主机油耗的突增峰值可解决该问题，提出实船改造方案如表1所示。

综合考虑表1中实船改造方案的作用机理与预期效果、实施内容、实施成本、实施难点、船舶航行安全、实船安装空间、改造周期等关键因素，方案一电机辅助主机合排控制方案为最优改造方案。

3 优化实船控制策略

根据改造方案一电机辅助主机合排控制方案的作用机理与实施内容，优化实船的主机合排控制策略，主机合排控制策略优化前与优化后对比如图4所示。由图1可知，实船轴带电机与齿轮箱之间无离合器，直接采用齿轮机械连接，故通过检测轴带电机转速和齿轮箱转速传动比可计算得到主机合排控制策略中所需的螺旋桨尾轴转速。

步骤1　　

检测控制手柄位置，当控制手柄从零位推至合排档时，主机保持合排转速运行，检测控制手柄到达合排档时刻，并进入步骤2。

步骤2　

1）优化前主机合排控制策略

直接发出离合器合排指令，进入步骤3。

2）优化后主机合排控制策略

①检测轴带电机转速计算得到螺旋桨尾轴转速；

②当尾轴转速＜目标转速时，通过变频器控制轴带电机启动运行，由轴带电机驱动螺旋桨尾轴转速快速上升，当尾轴转速从当前转速上升至目标转速或轴带电机运行一定时间时，发出离合器合排指令，进入步骤3。

步骤3　

检测离合器合排状态，当离合器处于脱排状态时继续等待；当离合器处于合排状态时，主机合排过程完成；主机合排完成后，继续推动控制手柄超过合排档位时，主机转速跟随控制手柄位置而变化，进入正常操船流程。

4 实船试验与应用 4.1 试验验证

完成实船的主机合排控制策略优化工作后，首先优化实船的主机合排控制程序，然后在静水锚地进行实船的静态模拟试验，检测控制程序逻辑、标定控制参数初始值，最后完成实船的优化试验与对比试验。试验内容如表2所示。

在所有实船试验中，有电机辅助的主机合排优化试验过程中，主机排气均没有出现浓烈黑烟，而无电机辅助的主机合排对比试验过程中，主机排气均存在浓烈黑烟，且黑烟从主机合排后第3 s持续到第14 s才明显减少。试验结果表明，在主机合排过程中，采用轴带电机辅助主机合排控制的方法能有效解决主机冒黑烟问题。在船舶营运过程中，混合动力系统设备能保持安全、稳定的运行。本文仅对有电机辅助的右舷正车合排优化试验与无电机辅助的右舷正车合排对比试验部分结果进行展示，如图5所示。

4.2 数据分析

调取7500 t级散货船在实船试验中的螺旋桨轴系扭矩、螺旋桨尾轴转速、主机油耗等数据，以图5实船右舷正车合排试验结果对比图中2组试验数据为例进行对比分析，即有电机辅助的右舷正车合排优化试验数据与无电机辅助的右舷正车合排对比试验数据进行对比分析。

主机合排前后螺旋桨轴系扭矩数值如表3所示，变化趋势如图6所示。有电机辅助的右舷正车合排优化试验在齿轮箱正车离合器做出合排动作之前，右舷轴带电机已提前启动运行，并将螺旋桨轴系扭矩提前从0 N·m提升至6500 N·m并短时稳定；在齿轮箱正车离合器做出合排动作后螺旋桨轴系扭矩在主机作用下从6500 N·m突增至19000 N·m。相较于无电机辅助的右舷正车合排对比试验在齿轮箱正车离合器做出合排动作后，有电机辅助的右舷正车合排优化试验中，螺旋桨轴系扭矩突增量减小6200 N·m，且其突增速率更平缓。

主机合排前后螺旋桨尾轴转速、主机油耗数值如表4所示，变化趋势如图7所示。有电机辅助的右舷正车合排优化试验在齿轮箱离合器做出合排动作之前，右舷轴带电机已提前启动运行，并将螺旋桨尾轴转速驱动至30 r/min，在此过程中由于主机未参与，故主机油耗保持在10 kg/h；在齿轮箱离合器做出合排动作之后，螺旋桨尾轴转速由30 r/min突增至72 r/min并稳定运行，在此过程中，主机油耗从10 kg/h突增至42 kg/h。相较于无电机辅助的右舷正车合排对比试验在齿轮箱正车离合器做出合排动作后，有电机辅助的右舷正车合排优化试验中，主机油耗突增量减小23 kg/h，螺旋桨尾轴转速突增量减小30 r/min，且螺旋桨尾轴转速突增速率更平缓。

综上所述，实船试验中螺旋桨轴系扭矩、螺旋桨尾轴转速、主机油耗等数据的变化对比结果与图5实船右舷正车合排试验结果对比图中2组试验的现象相匹配，即采用电机辅助的主机合排控制方法有效解决了主机冒黑烟问题。

5 结　语

针对某型7500 t级散货船在主机合排过程中存在浓烈黑烟问题，通过分析实船数据，找到问题发生的原因，优化具有可行性改造方案，优化实船混合动力系统的主机合排控制策略与控制程序，经过多个实船优化试验与对比试验的试验现象和试验数据的对比分析，采用有电机辅助的主机合排控制过程相较于无电机辅助的主机合排控制过程，其螺旋桨轴系扭矩突增量减小33%，主机油耗突增量减小35%，螺旋桨尾轴转速突增量减小41%，且螺旋桨轴系扭矩与螺旋桨尾轴转速上升速率更平缓，有效解决主机冒黑烟问题，达到降低主机碳排放的目的。在船舶营运过程中，混合动力系统设备能保持安全、稳定运行。