小型船舶電力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化的發(fā)展與應(yīng)用

喻小力　鐘利堅(jiān)

摘要：介紹國(guó)內(nèi)外船舶電力推進(jìn)發(fā)展?fàn)顩r及相關(guān)電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)，隨著動(dòng)力系統(tǒng)大量采用LNG清潔能源，國(guó)內(nèi)小型化船舶電力推進(jìn)裝置的需求日趨緊逼，變頻、諧波控制等關(guān)鍵技術(shù)的深入研究和突破，國(guó)產(chǎn)化電力推進(jìn)方式將是國(guó)內(nèi)小型船舶推進(jìn)方式的最佳選擇。

關(guān)鍵詞：變頻；電力；推進(jìn)；國(guó)產(chǎn)化

1 前言

船舶采用電力推進(jìn)方式具有降低廢氣排放、減少噪音和振動(dòng)、布置方便、操縱性能良好等優(yōu)點(diǎn)、并且可無(wú)級(jí)調(diào)速、快速逆轉(zhuǎn)、起動(dòng)操作次數(shù)少、減少原動(dòng)機(jī)的磨損、延長(zhǎng)使用壽命等優(yōu)點(diǎn)，因此已廣泛用于破冰船、起重船、挖泥船、勘探船、渡船、游船、LNG運(yùn)輸船、海洋守防船等大型船舶。

受船舶油污、廢氣排放以及柴油供應(yīng)壓力等影響，航行于內(nèi)河和近海等水域的船舶，日趨采用燃燒清潔燃料的動(dòng)力裝置，以解決對(duì)水系的污染，達(dá)到節(jié)能減排的效果。目前我國(guó)正大力發(fā)展LNG氣體燃料動(dòng)力系統(tǒng)船的研究工作，實(shí)現(xiàn)近海與內(nèi)河航運(yùn)“綠色環(huán)?！眴?wèn)題已提上了議事日程，船舶動(dòng)力采用LNG作為燃料將成為發(fā)展趨勢(shì)。

從LNG為燃料的動(dòng)力裝置的特性可知，高轉(zhuǎn)速段LNG發(fā)動(dòng)機(jī)功率曲線變化平緩，低速段功率曲線變化大，以LNG燃料為動(dòng)力源的船舶采用電力推進(jìn)方式較為合適。目前以LNG為燃料的動(dòng)力裝置的船舶已普遍采用電力推進(jìn)方式，電力推進(jìn)初始投資稍大，但通過(guò)電站的功率管理，可減少備用機(jī)組的設(shè)置，從而減少燃油消耗和維護(hù)費(fèi)用，降低了船舶的全壽命周期成本，特別是當(dāng)船舶負(fù)荷變化比較大時(shí)效果更加顯著。同時(shí)，因國(guó)產(chǎn)化推進(jìn)電機(jī)及配套產(chǎn)品日趨成熟，電力推進(jìn)配套產(chǎn)品不再完全依靠進(jìn)口，與常規(guī)推進(jìn)裝置價(jià)格相差越來(lái)越少，因此電力推進(jìn)是LNG動(dòng)力源的首選方案。而迄今為止，我國(guó)尚無(wú)全套推進(jìn)系統(tǒng)完全使用國(guó)產(chǎn)設(shè)備的電力推進(jìn)產(chǎn)品，發(fā)展和研究國(guó)產(chǎn)化電力推進(jìn)具有非常重要的意義。

2 國(guó)外船舶電力推進(jìn)發(fā)展?fàn)顩r

船舶電力推進(jìn)的歷史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄電池為動(dòng)力、電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的電力推進(jìn)潛艇投入使用。進(jìn)入20世紀(jì)，大部分潛艇都采用電力推進(jìn)方式。常規(guī)潛艇在水面航行時(shí)由柴油機(jī)—發(fā)電機(jī)組，核潛艇則采用原子能發(fā)電，給蓄電池充電并向電動(dòng)機(jī)供電驅(qū)動(dòng)船舶；在水下航行時(shí)由蓄電池供電，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)船舶。20世紀(jì)20年代，美國(guó)建造的6艘Mexico級(jí)戰(zhàn)艦（40000HP）和2艘航空母艦（180000HP）都采用了汽輪機(jī)—發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的電力推進(jìn)系統(tǒng)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，僅美國(guó)就建造了300多艘采用柴油機(jī)—發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模式的戰(zhàn)艦和運(yùn)輸艦。此后，在破冰船、科學(xué)考察船以及其他特殊用途船舶上也陸續(xù)裝備了電力推進(jìn)系統(tǒng)。據(jù)ABB公司介紹，他們生產(chǎn)的電力推進(jìn)裝置截止到2010年已裝備450艘船舶。尤其是POD新型電力推進(jìn)方式的應(yīng)用，將推進(jìn)裝置和操舵裝置結(jié)合于一體，置于一個(gè)能360°回轉(zhuǎn)的吊艙內(nèi)，省去了軸系、舵和艉側(cè)推器，從而提高了船舶的操縱性、靈活性，便于船舶的建造和運(yùn)行，同時(shí)還降低了船舶的廢氣排放、噪音和振動(dòng)，因此船舶電力推進(jìn)裝置得到了更迅速的發(fā)展。

國(guó)外生產(chǎn)船舶電力推進(jìn)裝置的廠家除ABB公司外，主要還有德國(guó)SIEMENS和法國(guó)ALSTOM、Rolls-Royce公司，這些公司生產(chǎn)的電力推進(jìn)裝置已廣泛使用于科考船、火車渡船、海洋守防船等船舶。目前所使用的電力推進(jìn)裝置的功率：低壓交流傳動(dòng)0.18千瓦至5600千瓦；中壓交流傳動(dòng)315千瓦至100兆瓦；直流傳動(dòng)9千瓦至18兆瓦。

3 國(guó)內(nèi)船舶電力推進(jìn)發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)目前完全采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備集成的電力推進(jìn)裝置還沒(méi)有，現(xiàn)國(guó)內(nèi)廠家所集成的電力推進(jìn)裝置均采用進(jìn)口設(shè)備，其中SIEMENS、ABB、ALSTOM是目前我國(guó)開(kāi)發(fā)電力推進(jìn)系統(tǒng)的主流。國(guó)內(nèi)集成單位主要有：中船重工第七一二研究所，上海中海機(jī)電設(shè)備有限公司，廣州美柯船舶電氣設(shè)備有限公司等。推進(jìn)功率：覆蓋功率等級(jí)10MW以下的各種電力推進(jìn)系統(tǒng)；電壓等級(jí)：低壓690V/中壓6600V。

經(jīng)過(guò)聯(lián)合攻關(guān)，我國(guó)已在現(xiàn)代電力電子及交流調(diào)速領(lǐng)域取得不少科研成果，已經(jīng)建成晶閘管GTO和IGBT三代電力電子器件，品種比較齊全。尤其是第三代器件IGBT及其應(yīng)用產(chǎn)品已開(kāi)發(fā)成功，在大中容量交流調(diào)速領(lǐng)域也取得不少科研成果，并有產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際中。目前國(guó)產(chǎn)的變頻電機(jī)已在起重船、多型船的壓載水泵、大型風(fēng)機(jī)等船用輔機(jī)上應(yīng)用。北京利德華福電氣技術(shù)有限公司已能生產(chǎn)不同功率的國(guó)產(chǎn)變頻器、變頻電動(dòng)機(jī)、移相變壓器等設(shè)備，其產(chǎn)品依靠性能穩(wěn)定，價(jià)格優(yōu)勢(shì)已逐漸取代進(jìn)口設(shè)備；另外，北調(diào)991海洋科考船，電力推進(jìn)系統(tǒng)是由七一二所集成，其中，交流變頻推進(jìn)系統(tǒng)的變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)是引進(jìn)SIEMENS設(shè)備，其余系統(tǒng)和設(shè)備均為國(guó)產(chǎn)研制；美柯船舶電氣設(shè)備有限公司等也已開(kāi)始集成國(guó)產(chǎn)化電力推進(jìn)裝置，大部分推進(jìn)設(shè)備選用國(guó)產(chǎn)化，該公司已在側(cè)推動(dòng)力源采用電動(dòng)變頻時(shí)實(shí)船集成整套系統(tǒng)，變頻器、控制設(shè)備采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，已裝船使用，運(yùn)行狀況良好；最近由中國(guó)遠(yuǎn)洋漁船研究中心與北車集團(tuán)永濟(jì)新時(shí)速有限公司合作共同研制的36.5米電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船已進(jìn)入試航階段，該推進(jìn)裝置整套系統(tǒng)集成是國(guó)內(nèi)公司，大部元器件采用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，價(jià)格遠(yuǎn)低于進(jìn)口設(shè)備，據(jù)報(bào)道，如整套系統(tǒng)運(yùn)行良好的話，漁業(yè)公司準(zhǔn)備在國(guó)內(nèi)很多漁船上安裝該套系統(tǒng)。

4 船舶小型電力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化市場(chǎng)需求分析

小型電力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化是指推進(jìn)功率及全船用電負(fù)荷功率較小，總功率在2000kW以下，整套設(shè)備主要元器件是由國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)，系統(tǒng)集成也由國(guó)內(nèi)公司完成的產(chǎn)品。

國(guó)外公司大型的推進(jìn)電機(jī)在國(guó)內(nèi)都有生產(chǎn)廠家，供貨問(wèn)題也比較好。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)外公司主要致力大型的電力推進(jìn)系統(tǒng)集成，小型的小于1000kW電機(jī)國(guó)內(nèi)一般不生產(chǎn)，要依靠國(guó)外進(jìn)口，存在訂貨周期長(zhǎng)，產(chǎn)品價(jià)格貴，調(diào)試維護(hù)困難等問(wèn)題。通常電力推進(jìn)的整套價(jià)格是柴油機(jī)直接推進(jìn)價(jià)格的5～7倍，另外國(guó)內(nèi)變頻電機(jī)、移相變壓器等電力推進(jìn)配套國(guó)內(nèi)廠家生產(chǎn)滯后，技術(shù)不夠成熟，導(dǎo)致小型船舶不采用電力推進(jìn)方式而是采用柴油機(jī)直接推進(jìn)方式。最近第三代器件IGBT及其應(yīng)用產(chǎn)品已開(kāi)發(fā)成功，國(guó)內(nèi)的變頻器技術(shù)已相當(dāng)成熟，且國(guó)內(nèi)電力推進(jìn)集成廠家已成功集成成套電力推進(jìn)裝置，有的廠家甚至開(kāi)始選用國(guó)內(nèi)與國(guó)外混合產(chǎn)品集成成套電力推進(jìn)裝置，不再完全依靠國(guó)外廠家的產(chǎn)品，維護(hù)、調(diào)試不用再依靠國(guó)外公司，成本大大降低。隨著國(guó)內(nèi)電子技術(shù)的迅速發(fā)展，小功率的變頻器價(jià)格大大降低，國(guó)內(nèi)電力推進(jìn)集成廠家技術(shù)也逐步成熟，價(jià)格上柴油機(jī)直接推進(jìn)方式與國(guó)產(chǎn)化的電力推進(jìn)裝置相比優(yōu)勢(shì)不明顯，而電力推進(jìn)有許多優(yōu)點(diǎn)，是船舶推進(jìn)方式的最好選擇。國(guó)內(nèi)有許多小功率的船舶，特別是內(nèi)河游船，頻繁?？看a頭，電力推進(jìn)裝置操縱性能良好，必將是此類型推進(jìn)方式的最佳選擇。國(guó)內(nèi)電力推進(jìn)配套廠家正迅速發(fā)展，技術(shù)儲(chǔ)備日趨成熟，只是實(shí)船使用經(jīng)驗(yàn)欠缺，經(jīng)過(guò)前期一段時(shí)間的發(fā)展，小型船舶電力推進(jìn)裝置國(guó)產(chǎn)化是完全有可能的，而且在實(shí)船上開(kāi)始安裝使用。

目前國(guó)內(nèi)航行的機(jī)動(dòng)船舶，95%以上是采用柴油機(jī)動(dòng)力裝置直接推進(jìn)方式。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年全國(guó)海洋漁政船約300艘，主機(jī)功率大部分都在1000kW以下，國(guó)內(nèi)渡船、游覽船、拖輪、貨船、漁船等主機(jī)功率及用電負(fù)荷大部分都在1000kW以下。例如：川江及三峽庫(kù)區(qū)干散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型從500噸至5000噸，推進(jìn)功率由220～1320kW；川江及三峽庫(kù)區(qū)液貨船（包括油船、化學(xué)品船）標(biāo)準(zhǔn)船型從500噸至3500噸，推進(jìn)功率由320～1100kW；川江及三峽庫(kù)區(qū)集裝箱船標(biāo)準(zhǔn)船型從50箱到350箱，推進(jìn)功率由400～1460kW；川江及三峽庫(kù)區(qū)I型客滾船標(biāo)準(zhǔn)船型70車位到110車位，推進(jìn)功率由750～1050kW；川江及三峽庫(kù)區(qū)普通客船標(biāo)準(zhǔn)船型從330客位到670客位，推進(jìn)功率由516～1324kW。上述數(shù)據(jù)表明，國(guó)內(nèi)船舶推進(jìn)功率及全船用電負(fù)荷的小型船舶很多，特別是內(nèi)河250客位左右的游船的推進(jìn)功率及全船用電負(fù)荷大概在650kW，小客位的客船功率更小。隨著LNG清潔能源的使用，LNG為動(dòng)力的推進(jìn)系統(tǒng)是發(fā)展趨勢(shì)，很多游船、渡船正計(jì)劃改裝成LNG為動(dòng)力的推進(jìn)系統(tǒng)，此類型船電力推進(jìn)是最佳選擇。所以小型船舶國(guó)產(chǎn)化電力推進(jìn)系統(tǒng)的市場(chǎng)前景是廣闊的。

5 船舶電力推進(jìn)國(guó)產(chǎn)化需要考慮的問(wèn)題

雖然國(guó)內(nèi)推進(jìn)裝置的配套廠家生產(chǎn)能力已大大提高，但是電力推進(jìn)需使用大功率的電子器件，很容易對(duì)船舶的電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，特別是諧波污染。對(duì)于運(yùn)行電機(jī)，諧波將引起附加損耗，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩減小，對(duì)測(cè)量?jī)x表將產(chǎn)生虛假的諧波功率，出現(xiàn)隨機(jī)誤差；對(duì)于繼電保護(hù)裝置，諧波將影響其設(shè)定整定值，引起誤動(dòng)作；對(duì)于通訊網(wǎng)絡(luò)，諧波將影響其電磁效應(yīng)和正常的載波。因此在選擇推進(jìn)方案的時(shí)候應(yīng)當(dāng)考慮變頻器類型、是否加諧波吸收器、或與船舶的低壓系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離等不同方案。為了防止諧波對(duì)船舶產(chǎn)生影響，通常在建造過(guò)程中要進(jìn)行諧波的測(cè)定，目前采用的方法是進(jìn)行總諧波變形值（THD）的測(cè)量，船級(jí)社為此也提出了相關(guān)的規(guī)范，一般要求低壓配電系統(tǒng)的THD應(yīng)小于5％，推進(jìn)系統(tǒng)THD應(yīng)小于8％。變頻器的選擇應(yīng)考慮其功率損失要小，過(guò)度阻尼要盡量大，變頻器中元件的儲(chǔ)藏能量盡可能小。

6 電網(wǎng)諧波畸變的控制

電力推進(jìn)功率有時(shí)候可以占到總用電負(fù)荷的95％，換句話說(shuō)，只要保證該負(fù)荷的安全，也就保護(hù)了整個(gè)系統(tǒng)。事實(shí)上，負(fù)荷的推進(jìn)變頻器是諧波電流的主要來(lái)源。最常用降低諧波分量的方法是采用諧波濾波器，或采用旋轉(zhuǎn)變流器（電動(dòng)機(jī)一發(fā)電機(jī)組）用于敏感負(fù)荷的供電。濾波器的設(shè)計(jì)需要考慮周密以防止出現(xiàn)電網(wǎng)諧振，而旋轉(zhuǎn)變流器則需要在配電系統(tǒng)中增加附加設(shè)備及電纜。采用更高脈動(dòng)數(shù)的變頻也能降低負(fù)荷電流中的諧波分量，但另一方面則會(huì)顯著增加變頻元件數(shù)和投資成本。采用雙重電抗器組將發(fā)電站的推進(jìn)負(fù)荷母線與船舶其他負(fù)荷母線進(jìn)行一定的隔離，也可使船舶其他負(fù)荷的配電網(wǎng)諧波分量維持在較低水平。目前國(guó)內(nèi)集成廠家已注意到該問(wèn)題，在整體設(shè)計(jì)方案中，會(huì)提出要求，選擇合適的方案，注意施工工藝，，可達(dá)到規(guī)范要求。

7 實(shí)船應(yīng)用

2000年，上海愛(ài)德華造船有限公司為瑞典公司建造了一艘19500噸化學(xué)品船，名為“帕勞斯佩拉”，這是我國(guó)制造的首艘吊艙式電力推進(jìn)船舶；2010年1月22日，由上海海事大學(xué)、云南省航務(wù)管理局、昆明市航務(wù)管理局以及格蘭特游艇有限公司共同完成“內(nèi)河小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研制”項(xiàng)目，此項(xiàng)目開(kāi)展了內(nèi)河小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與參數(shù)匹配、電力推進(jìn)船舶電站動(dòng)態(tài)管理、電力推進(jìn)船舶智能化操縱控制、低電壓大電流船用變頻裝置動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等技術(shù)的研究，該項(xiàng)目的示范船通過(guò)了船檢等單位的檢驗(yàn)，適航性良好，乘坐舒適?！吧械聡?guó)盛號(hào)”游船由兩臺(tái)150kW推進(jìn)柴油發(fā)電機(jī)組供全船推進(jìn)用電，整套系統(tǒng)由712所系統(tǒng)集成，該船在上海世博會(huì)期間使用，運(yùn)行狀況良好；最近由中國(guó)遠(yuǎn)洋漁船研究中心與北車集團(tuán)永濟(jì)新時(shí)速有限公司合作共同研制的36.5米電力推進(jìn)拖網(wǎng)漁船已進(jìn)入試航階段；此外國(guó)內(nèi)很多自航全回轉(zhuǎn)起重船都是采用電力推進(jìn)方式。

8 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研究及應(yīng)用方面起步較晚，隨著柴－電推進(jìn)費(fèi)用過(guò)高的不利因素正在縮小，更高的燃油價(jià)格和綠色造船的需求，縮短了投資回收時(shí)間，使電力推進(jìn)對(duì)更多的船型更具有吸引力。但目前我國(guó)在船用大功率永磁電機(jī)、高壓大容量電力電子元器件、吊艙推進(jìn)器等設(shè)計(jì)與制造方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距。我國(guó)應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用，加強(qiáng)電力推進(jìn)系統(tǒng)配套產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)，從小型船舶電力推進(jìn)裝置開(kāi)始使用國(guó)產(chǎn)化設(shè)備，積極參與這一領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，在市場(chǎng)占有一席之地。