船舶電力推進(jìn)原理及系統(tǒng)組成

付品森

(上海博格推進(jìn)器國(guó)際貿(mào)易有限公司，上海 200035)

船舶電力推進(jìn)原理及系統(tǒng)組成

付品森

(上海博格推進(jìn)器國(guó)際貿(mào)易有限公司，上海 200035)

船舶電力推進(jìn)是船舶市場(chǎng)一個(gè)方興未艾的話題。通過(guò)對(duì)電力推進(jìn)各個(gè)組成環(huán)節(jié)的介紹，深入技術(shù)細(xì)節(jié)，由一般原理分析出電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，并與主柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行比較，得出2種推進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)造船廠、船東、設(shè)計(jì)人員進(jìn)行船舶推進(jìn)系統(tǒng)選型時(shí)具有借鑒作用。

螺旋槳;電力推進(jìn);效率;操縱性能

1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程

19世紀(jì)40年代俄國(guó)科學(xué)家用蓄電池和直流電機(jī)在一條小船上做了電力推進(jìn)的試驗(yàn)，船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)從概念形成至今已經(jīng)有170余年的歷史。

其后到20世紀(jì)80年代，電動(dòng)機(jī)由于受到調(diào)速技術(shù)限制，船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展一直緩慢。船舶電力推進(jìn)一般采用直流電機(jī)推進(jìn)。直流電機(jī)電壓低，電流大，尺寸大，重量大，效率低，同時(shí)電流電機(jī)需要電刷換向，元件多，維護(hù)成本高，這些技術(shù)因素一直制約著電力推進(jìn)的廣泛應(yīng)用。

到20世紀(jì)70年代，高頻開(kāi)關(guān)電子元器件的發(fā)展推動(dòng)了變頻技術(shù)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)的興起給船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)。船舶電力推進(jìn)在民船上取得了突破性進(jìn)展。

到20世紀(jì)末，新造民船已有30%采用電力推進(jìn)。到21世紀(jì)，每年的市場(chǎng)有近10%的增長(zhǎng)。

交流電力推進(jìn)的一個(gè)核心的問(wèn)題就是采用何種類型的調(diào)速系統(tǒng)。

變頻器從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，相繼發(fā)展了電壓源型、電流源型、脈寬調(diào)制型等各種變頻器。目前使用的交流變頻器可分為間接變頻(交-直-交變頻)以及直接變頻(交-交變頻)2大類。前者是目前變頻器的主流，可用于各種功率的各種機(jī)械，適用于與異步電動(dòng)機(jī)組成調(diào)速系統(tǒng);后者則可用于5 000 kW以上的特大功率及低速驅(qū)動(dòng)的情況，適用于與同步電動(dòng)機(jī)組成調(diào)速系統(tǒng)。從我國(guó)船舶設(shè)計(jì)制造的現(xiàn)狀來(lái)看，采用電力推進(jìn)的功率規(guī)模一般在5 000 kW以下，所以間接變頻系統(tǒng)是當(dāng)前電力推進(jìn)所采用的主要形式。本文所討論的電力推進(jìn)電動(dòng)機(jī)指的是異步電動(dòng)機(jī)。

2 螺旋槳基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 效率曲線

螺旋槳效率特性曲線圖如圖1所示。

縱坐標(biāo)為螺旋槳的效率，橫坐標(biāo)為進(jìn)速系數(shù)值，用J表示:

式中:v為螺旋槳相對(duì)于水的速度;n為螺旋槳轉(zhuǎn)速;D為螺旋槳直徑。

公式的含義是螺旋槳每轉(zhuǎn)1圈相對(duì)于水的進(jìn)程與直徑的比值。

通常是根據(jù)這個(gè)曲線來(lái)設(shè)計(jì)螺旋槳的最佳工作點(diǎn)，以達(dá)到最好的效率。

圖1 螺旋槳效率特性曲線

圖中:KF為螺旋槳推力系數(shù)，和轉(zhuǎn)速是二次方的關(guān)系，按照相似定理通過(guò)船模實(shí)驗(yàn)求得;KM是螺旋槳軸的扭距系數(shù)，螺旋槳轉(zhuǎn)速也是二次方的關(guān)系，按照相似定理通過(guò)船模實(shí)驗(yàn)求得。

2.2 螺旋槳操作工況

2.2.1 定距槳操作工況

定距槳只有1個(gè)最佳工作點(diǎn)，就是在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下達(dá)到設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)距，此時(shí)螺旋槳才能達(dá)到設(shè)計(jì)的功率，如圖2的1號(hào)線所示。

通常這個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)是船舶處于設(shè)計(jì)的負(fù)載狀態(tài)下，船體清潔、水面無(wú)風(fēng)浪、自由航行狀態(tài)。

當(dāng)船體有污，或風(fēng)浪很大時(shí)，或水很淺，此時(shí)航速變慢，船的進(jìn)速系數(shù)J值變小，軸的扭距增加，由公式M=9 550P/n可知，必然引起原動(dòng)機(jī)的功率增加。其中，M表示扭距，P表示功率，n表示轉(zhuǎn)速。如圖2的3號(hào)線所示，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)不到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速，原動(dòng)機(jī)要降速運(yùn)行，否則會(huì)引起超負(fù)荷。

當(dāng)船舶貨沒(méi)裝滿，半載前行時(shí)，此時(shí)船舶的阻力變小，航速就會(huì)變快，J值增加。如圖2的2號(hào)線所示，軸的扭距變小，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，扭距達(dá)不到設(shè)計(jì)的扭距，此時(shí)原動(dòng)機(jī)的功率達(dá)不到設(shè)計(jì)的功率，不能充分發(fā)揮作用。

圖2 定距槳操作工況

2.2.2 調(diào)距槳操作工況

由于調(diào)距槳的螺距可以改變，所以在任何情況下都可以使原動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速下獲得最佳的的扭距，使得原動(dòng)機(jī)可以充分利用其功率。

當(dāng)船舶的運(yùn)行阻力增加時(shí)，可以減小螺距，原動(dòng)機(jī)不會(huì)超負(fù)荷，如圖3的2號(hào)線所示。

當(dāng)船舶的運(yùn)行阻力減小時(shí)，可以增加螺距，原動(dòng)機(jī)不會(huì)欠功率運(yùn)行，如圖3的3號(hào)線所示。

圖3 調(diào)距槳操作工況

特別是當(dāng)船舶處于多用途狀況時(shí)，有時(shí)需要自由航行，有時(shí)需要拖力航行時(shí)，因此調(diào)距槳是最佳的選擇，而定距槳因?yàn)橹挥?個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)無(wú)法滿足全部要求。

3 電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)知識(shí)

電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電氣機(jī)械，定子三相繞組通以三相正弦交流電，三相電壓在空間相量上相差120°，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)體，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體產(chǎn)生電流，電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生力，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體的力產(chǎn)生扭距從而推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，此種電機(jī)稱為感應(yīng)電機(jī)。因?yàn)樾D(zhuǎn)的磁場(chǎng)切割轉(zhuǎn)子，所以磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間有相對(duì)的速度差，轉(zhuǎn)子永遠(yuǎn)與磁場(chǎng)不同步，所以又稱為異步電動(dòng)機(jī)。

由于異步電動(dòng)機(jī)的電流與電壓在相位上有角度差，所以異步電機(jī)的功率不能直接通過(guò)電壓和電流的乘積得到，還要通過(guò)功率因數(shù)修正。

功率因數(shù)會(huì)隨著電機(jī)負(fù)荷的增加而上升，所以盡量保持電機(jī)在大負(fù)荷下工作，否則會(huì)引起整個(gè)電網(wǎng)的功率因數(shù)下降而浪費(fèi)電能。

然而，由于轉(zhuǎn)差率的存在，在大負(fù)荷下，電機(jī)的效率會(huì)下降。表1為西門子電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)，可以看到效率隨著負(fù)荷的增加而下降。

表1 西門子電機(jī)銘牌數(shù)據(jù)型號(hào)1RN4 456-6HM98-Z

電機(jī)制造好之后，運(yùn)行過(guò)程中一般要保持其磁通量不變。如果磁通量過(guò)大會(huì)飽和，就會(huì)造成銅耗、鐵耗增加，電機(jī)發(fā)熱;如果磁通量減小，又會(huì)造成激磁電流增加引起電機(jī)運(yùn)行電流過(guò)大，電機(jī)也會(huì)不正常發(fā)熱。

式中:U為電壓;f為頻率;w和k分別代表電機(jī)的制造常數(shù)。

由此可見(jiàn)，在變頻調(diào)速的過(guò)程中，要基本保持U/f的比值不變。

當(dāng)U/f不變時(shí)，由電機(jī)學(xué)公式可推導(dǎo)出以下2個(gè)結(jié)論:

①基頻以下的變頻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)距調(diào)速;

②基頻以上的變頻調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。

從而得知變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)定距槳具有良好的啟動(dòng)特性，因?yàn)閺膯?dòng)開(kāi)始就具有最大的電磁轉(zhuǎn)距，同時(shí)具有良好的調(diào)速特性，所以在變頻調(diào)速電力推進(jìn)系統(tǒng)中，一般是選擇電動(dòng)機(jī)和定距槳組成推進(jìn)系統(tǒng)。圖4所示為變頻電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)速和扭拒的關(guān)系。

圖4 變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)距

4 電動(dòng)機(jī)+螺旋槳

4.1 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速裕度

由于電動(dòng)機(jī)在基頻以下調(diào)速時(shí)是以恒轉(zhuǎn)距方式工作的，最大轉(zhuǎn)距就是定距槳的系柱拖力轉(zhuǎn)距，所以定距槳是以系柱拖力點(diǎn)為設(shè)計(jì)點(diǎn)的。如圖5中的3號(hào)曲線所示，當(dāng)船舶在負(fù)重拖力前行時(shí)，特別是重負(fù)荷時(shí)，定距槳能很好地和電動(dòng)機(jī)配合工作在理想狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在額定功率狀態(tài)。

當(dāng)船舶自由航行時(shí)，船舶阻力變小，進(jìn)速系數(shù)增加，此時(shí)，軸的扭距下降，如圖5的1號(hào)曲線所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)到達(dá)額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)不到額定功率，不能充分利用電動(dòng)機(jī)的功率。特別是船舶在輕載狀態(tài)下，如圖5中2號(hào)曲線所示，情況會(huì)更嚴(yán)重。此意味著，若以電動(dòng)機(jī)的扭距來(lái)設(shè)計(jì)工作點(diǎn)，船舶在自由航行時(shí)的推力可能達(dá)不到要求，船舶無(wú)法達(dá)到預(yù)定的航速。所以在訂購(gòu)電動(dòng)機(jī)時(shí)候要提出特別的要求，若電動(dòng)機(jī)需超速運(yùn)行，通常要求能超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的10%～20%，具體數(shù)據(jù)要通過(guò)廠家進(jìn)行計(jì)算后得到。

圖5 電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)定距槳

4.2 電動(dòng)機(jī)的功率裕度

當(dāng)電動(dòng)機(jī)不能超速運(yùn)行時(shí)，可以提高電動(dòng)機(jī)的功率裕度，變頻器的容量提高，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的扭距也會(huì)提高，能夠滿足船舶的拖力要求。同時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速時(shí)，能夠滿足船舶的功率要求，提高推力，達(dá)到要求的航速。提高電機(jī)的功率裕度和變頻的容量并不會(huì)要求額外提高電站和配電板的容量，所以費(fèi)用并不會(huì)大幅增加。

4.3 電動(dòng)機(jī)+調(diào)距槳

當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)調(diào)距槳的時(shí)候，可以通過(guò)對(duì)螺距的調(diào)整來(lái)適應(yīng)進(jìn)速系數(shù)的變化。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)增加的時(shí)候，可以適當(dāng)增加螺距使扭距系數(shù)增加，軸扭距不減小從而可以使電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定的轉(zhuǎn)速額定扭距而達(dá)到額定的功率。

反之，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)減小的時(shí)候扭距系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加，此時(shí)可以適當(dāng)減小螺距使相應(yīng)的扭距減小，額定的轉(zhuǎn)速下不使電動(dòng)機(jī)過(guò)載，充分利用電動(dòng)機(jī)的功率。

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)調(diào)距槳的缺點(diǎn)是造價(jià)太高。

5 變頻器

5.1 變頻原理

間接變頻方式的工作原理是先將電網(wǎng)輸入的交流電變?yōu)橹绷麟姡缓笤僭谧兞麟娐分袑⒅绷鬓D(zhuǎn)變?yōu)轭l率可調(diào)的交流輸出。變頻器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出頻率變化范圍大、功率因數(shù)高、諧波易于消除、可應(yīng)用于各種大功率設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵極型功率管)具有高速開(kāi)關(guān)功能，可以把直流電壓調(diào)制成任何寬度的直流脈沖電壓(PWM信號(hào))，高速開(kāi)關(guān)的性能使得任何頻率可以調(diào)制出來(lái)。圖6所示為6脈沖變頻電路示意圖。

圖6 6脈沖變頻工作原理

5.2 諧波問(wèn)題

在變頻器輸入端的橋式整流電路上，二極管工作在通斷狀態(tài)，電壓大于直流側(cè)的電壓時(shí)，二極管打通，電壓小于直流側(cè)的電壓時(shí)關(guān)斷。IGBT把輸入的直流電流以高頻脈沖的方式逆變并模擬形成正弦波，但電機(jī)得到的波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形而是有所畸變的，如圖7所示。IGBT的電流是脈沖形式的，IGBT的高頻開(kāi)關(guān)把電流以高頻的形式返射給配電網(wǎng)絡(luò)，高頻電流通常是基頻的奇數(shù)倍，3倍，5倍，7倍……形成高次諧波，諧波會(huì)導(dǎo)致正弦波形畸變?nèi)鐖D8所示。電網(wǎng)中的諧波電流會(huì)最終流向發(fā)電機(jī)組，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)溫度升高，選用的電動(dòng)機(jī)也會(huì)因?yàn)橹C波電流的存在而溫度升高，因此選擇發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)時(shí)要選擇絕緣等級(jí)高的，尺寸大一點(diǎn)的，散熱能力強(qiáng)的型號(hào)，或者大一點(diǎn)的功率容量。

諧波會(huì)影響整個(gè)電氣網(wǎng)絡(luò)，與電氣相連的電子設(shè)備有時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度異常升高現(xiàn)象，造成功能失常。

變頻器也會(huì)損壞電機(jī)的軸承。這是因?yàn)楦哳l的電壓輸入電機(jī)時(shí)，在PWM信號(hào)上升時(shí)會(huì)形成高頻的電流，這時(shí)電纜及繞組等通電導(dǎo)體在空間上會(huì)形成雜散電容，軸承套與軸承座也會(huì)形成雜散電容，當(dāng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)形成電容充放電過(guò)程，像一空氣閘開(kāi)關(guān)分離的瞬間產(chǎn)生電弧，軸承內(nèi)部也會(huì)產(chǎn)生電弧，造成軸承內(nèi)部表面產(chǎn)生小坑，損害軸承。如果是經(jīng)常變頻使用，極端情況下軸承的壽命有時(shí)會(huì)縮短至6個(gè)月。

圖7 變頻器的波形變化

圖8 諧波導(dǎo)致的正弦波形畸變

5.3 諧波解決方法

當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)的容量很大，而變頻功率又比較小時(shí)，產(chǎn)生的諧波不足以造成損害。而在電力推進(jìn)的船舶上通常變頻的功率相當(dāng)大，造成的諧波干擾會(huì)在相當(dāng)程度上危害船舶設(shè)備。解決的方法之一是可采用12脈沖的的變頻器，如圖9所示。

圖9 12脈沖變頻器

12脈沖變頻器需要移相變壓器，會(huì)降低電網(wǎng)中的諧波含量，但系統(tǒng)價(jià)格會(huì)提高。

另外一種方法是采用AFE技術(shù)。AFE變頻是用IGBT把輸入端的二極管整流裝置替換掉，這樣輸入的波形就是正弦波，輸出也是正弦波，電網(wǎng)中諧波就會(huì)很小。但此時(shí)電網(wǎng)會(huì)有高頻干擾，需要加裝高頻過(guò)濾裝置。

采用AFE變頻技術(shù)的電機(jī)在制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)能會(huì)反饋給電網(wǎng)，有時(shí)需要安裝制動(dòng)電阻箱防止對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。

AFE變頻設(shè)備不需要移相變壓器，但價(jià)格依然很貴。18脈沖和24脈沖的變頻器需要更多的移相變壓器，這種形式的變頻由于用得不多，價(jià)格又很貴，所以很少會(huì)用在船舶電力推進(jìn)裝置中。

6 電力推進(jìn)與主柴油機(jī)推進(jìn)的系統(tǒng)比較

6.1 螺旋槳的效率

當(dāng)螺旋槳螺距定下來(lái)之后基本上進(jìn)速系數(shù)J值是不變的，不隨軸轉(zhuǎn)速的大小而變，當(dāng)然效率也就基本上是固定的。只有當(dāng)船舶因操作工況引起J值變化時(shí)，效率才會(huì)改變，如船舶吃水變化、負(fù)載大小、船底污垢、風(fēng)流潮流等。從圖10的包絡(luò)線可看到，定距槳船通過(guò)軸轉(zhuǎn)速變化調(diào)節(jié)航速的快慢，其J值不變，定距槳的效率比調(diào)距槳高。當(dāng)由于負(fù)載變化引起船阻力增減時(shí)，其J值是變化的，調(diào)距槳由于有不同的螺距比從而使其效率高于定距槳。圖10中，KT為推力系數(shù)，KΦ表示扭距系數(shù)，η0為效率。

電力推進(jìn)通常使用定距槳，當(dāng)負(fù)載不變化時(shí)，只調(diào)速，此時(shí)電力推進(jìn)的效率較高。如果船舶負(fù)載經(jīng)常變化，航行區(qū)域多變，使用調(diào)距槳的船選擇合適的螺距和軸轉(zhuǎn)速會(huì)有較高的效率。

圖10 螺旋槳的效率曲線

6.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

圖11是Caterpillar公司C2880-8機(jī)型的燃油消耗率，橫坐標(biāo)表示主機(jī)負(fù)荷，1代表100%;縱坐標(biāo)代表消耗率。從圖上可以看出，在負(fù)荷達(dá)到100%時(shí)燃油消耗率是最低的。結(jié)合各柴油機(jī)廠商的數(shù)據(jù)來(lái)看，柴油機(jī)負(fù)荷在60%～100%時(shí)的燃油消耗率是最低的;當(dāng)負(fù)荷低于40%或高于110%時(shí)，燃油消耗率會(huì)顯著上升。從這點(diǎn)來(lái)講，電力推進(jìn)省油。因?yàn)榭赏ㄟ^(guò)負(fù)荷的大小來(lái)調(diào)節(jié)運(yùn)行的發(fā)電柴油機(jī)數(shù)量，只要不低于40%的負(fù)荷運(yùn)行，在相同功率下總會(huì)比主推進(jìn)柴油機(jī)省油。

事實(shí)上，船舶運(yùn)行的狀況總比理論要復(fù)雜很多。

電力推進(jìn)系統(tǒng)配置有發(fā)電機(jī)組、配電板、移相變壓器、變頻器、電機(jī)、齒輪箱、軸系和螺旋槳。軸系很短，假設(shè)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)不造成影響。去掉柴油機(jī)和螺旋槳，從中間傳遞環(huán)節(jié)入手，比較系統(tǒng)的傳遞效率。

從表2和表3可以看出，在滿負(fù)荷時(shí)，電力推進(jìn)系統(tǒng)的傳遞效率是0.88，而主柴油機(jī)推進(jìn)的系統(tǒng)傳遞效率可高達(dá)0.97。從這一點(diǎn)上來(lái)看電力推進(jìn)并不節(jié)省燃油，所以在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電力推進(jìn)的船舶并沒(méi)有節(jié)省燃油。從直觀上來(lái)講，主柴油機(jī)推進(jìn)是把燃油直接轉(zhuǎn)化成機(jī)械能;而電力推進(jìn)是把燃油能轉(zhuǎn)化成電能，電能再轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，所以效率會(huì)比主柴油機(jī)推進(jìn)的效率低。

圖11 CATC2880-8燃油消耗率/(g·(kwh)-1)

表2 電力推進(jìn)系統(tǒng)傳遞效率

但是在部分負(fù)荷下，電力推進(jìn)系統(tǒng)效率會(huì)高一點(diǎn)。主機(jī)負(fù)荷在低于60%時(shí)，主柴油機(jī)的的燃油效率會(huì)顯著下降，而電力推進(jìn)系統(tǒng)因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的高燃油效率會(huì)整體提高系統(tǒng)的效率。

現(xiàn)假設(shè)柴油機(jī)和螺旋槳若達(dá)到設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)，則可定義其效率達(dá)到100%，其值為1。表4至表6所列為電力推進(jìn)船舶和主柴油機(jī)推進(jìn)船舶的負(fù)荷在25%～75%變化時(shí)的系統(tǒng)總體效率。只有達(dá)到設(shè)計(jì)的工作點(diǎn)，推進(jìn)系統(tǒng)才是最節(jié)省燃油的。

表3 主柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)傳遞效率

表4 電力推進(jìn)船效率

表5 柴油機(jī)推進(jìn)+定距槳

表6 柴油機(jī)推進(jìn)+變距槳

從上表可以看出電力推進(jìn)船舶相對(duì)效率為0.88，調(diào)距槳船在恒速操作模式下50%負(fù)荷時(shí)的相對(duì)效率為0.77，但當(dāng)主機(jī)的負(fù)荷大于75%時(shí)，調(diào)距槳的效率就超過(guò)了電力推進(jìn)船。調(diào)距槳船在變轉(zhuǎn)速變螺距操作時(shí)叫作聯(lián)合操作模式。從前面的螺旋槳的效率分析可知，調(diào)距槳聯(lián)合操作時(shí)的效率要大于定距槳，此時(shí)的推進(jìn)效率一定會(huì)大于表5所列的效率，即當(dāng)主機(jī)在50%負(fù)荷下用使用調(diào)距槳在聯(lián)合操作模式下的負(fù)荷會(huì)高于0.9，所以也一定會(huì)大于表4所列的效率(25%負(fù)荷時(shí)不確定)。由上可知，電力推進(jìn)船舶效率只在低負(fù)荷下效率稍高。電力推進(jìn)支持者所宣稱的電推船的效率較高，只是在某些特定的場(chǎng)所才正確。電力推進(jìn)船的效率只是比調(diào)距槳船在恒速操作模式75%負(fù)荷下效率高一些，在其他情況下，效率均不及柴油機(jī)推進(jìn)。所以長(zhǎng)期工作在低負(fù)荷區(qū)域的船舶在使用電力推進(jìn)系統(tǒng)會(huì)有較好的燃油經(jīng)濟(jì)性。

6.3 電力推進(jìn)船的其他優(yōu)點(diǎn)

6.3.1 節(jié)省艙容

電力推進(jìn)船舶擁有很短的軸系，為貨物艙容提供了大量的空間?，F(xiàn)在很多LNG船選用電力推進(jìn)也是這個(gè)原因。

6.3.2 降低噪音震動(dòng)

由于沒(méi)有柴油機(jī)，機(jī)艙會(huì)很安靜，發(fā)電機(jī)組集中放在一個(gè)密閉空間，機(jī)艙容易布置，船員會(huì)感到舒適。因震動(dòng)減少，一些地震船和漁船適合電力推進(jìn)。

6.3.3 尾氣排放污染低

電力推進(jìn)船的發(fā)電機(jī)組可以保持在75%負(fù)荷以上運(yùn)行，總體燃燒要比柴油推進(jìn)機(jī)組好很多。燃油可以充分燃燒，尾氣中的氮和硫的排放物會(huì)相對(duì)降低，有利于滿足MARPOL公約要求。

6.3.4 操縱性好

相同尺寸的螺旋槳配備電力推進(jìn)會(huì)有顯著的操縱性。通常從全速前進(jìn)到全速倒車只需要15 s，從倒車到前進(jìn)也是15 s，這和螺旋槳在水中的慣量有關(guān)。配備調(diào)距槳柴油機(jī)推進(jìn)的船從全速倒車到全速前進(jìn)會(huì)超過(guò)20 s，從全速前進(jìn)到全速倒車會(huì)稍微快一點(diǎn)。定距槳的船會(huì)更慢一些。

當(dāng)然電力推進(jìn)船會(huì)配定距槳船，在全速倒車時(shí)的推力只能達(dá)到全速前進(jìn)時(shí)的30%。而調(diào)距槳船由于不需要換向，水動(dòng)力性能優(yōu)于定距槳，倒車時(shí)的推力會(huì)達(dá)到前進(jìn)時(shí)的60%。

6.3.5 冗余安全性

電力推進(jìn)船舶在安全方面有較強(qiáng)的冗余性。當(dāng)1臺(tái)發(fā)電機(jī)組需要維修時(shí)，可以切換到另1臺(tái)機(jī)組而不需要停船等待，方便船舶維護(hù)管理和備件管理。

由于電力推進(jìn)船應(yīng)用還不是很普遍，這方面的人才儲(chǔ)備不充足。當(dāng)電力推進(jìn)系統(tǒng)需要修理時(shí)服務(wù)工程師可能不能及時(shí)登船。

電力推進(jìn)系統(tǒng)由配電系統(tǒng)、變頻系統(tǒng)、電機(jī)及螺旋槳、控制系統(tǒng)等，組合在一起接口眾多，某一個(gè)環(huán)節(jié)出問(wèn)題很難去定位，調(diào)試時(shí)需要很多廠家的調(diào)試人員在一起工作。當(dāng)船舶交付時(shí)，船員很難定位出哪一個(gè)環(huán)節(jié)的問(wèn)題應(yīng)該找誰(shuí)來(lái)解決。

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電力推進(jìn)的各個(gè)環(huán)節(jié)的討論，針對(duì)電力推進(jìn)船舶的優(yōu)缺點(diǎn)分析，可得出以下結(jié)論:

①具有很好的操縱性;

②扭距較大;

③噪音和震動(dòng)很低;

④節(jié)省空間;

⑤尾氣排放較容易符合要求;

⑥船舶備件管理方便;

⑦電推系統(tǒng)維護(hù)不方便;

⑧效率在低負(fù)荷時(shí)相對(duì)較高，其他時(shí)候較低;

⑨并沒(méi)有節(jié)省燃油，只是在某種工況下節(jié)省燃油;

⑩電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器需要額外大的尺寸，較易發(fā)熱;

(11)達(dá)不到滿負(fù)荷設(shè)計(jì)點(diǎn);

(12)有諧波問(wèn)題;

(13)有軸承損壞的現(xiàn)象;

(14)造價(jià)較常規(guī)推進(jìn)高出50%多。

電力推進(jìn)比較適合某些工作船，如那些頻繁地變化轉(zhuǎn)速需要很好的操縱性能的軍船，大扭距工作的破冰船，長(zhǎng)期工作在低負(fù)荷下，長(zhǎng)時(shí)間使用動(dòng)力定位的鋪管布線船等;低噪音低震動(dòng)的地震船、漁船和豪華游輪;需要節(jié)省艙容的LNG船等。

［1］ 劉錦波，張承慧.電機(jī)與拖動(dòng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［2］ 吳恒.船舶動(dòng)力裝置管理［M］.大連:大連海事大學(xué)出版社，1999.

［3］ 盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理 (下冊(cè))［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，

2004.

Ship electric propulsion is a topic in the ascendant in the ship market.The paper introduces the electric propulsion every component link，embedding details，analyzing the features of electric propulsion system from general principle，and compares with the main diesel engine propulsion system，educing the merits and drawbacks of the two propulsion fashion，it has use for reference to shipbuilding，ship owner，design staff for selection of ship propulsion system.

Ship electric propulsion principle and system composing

Fu Pinsen(29)

U664.3

B

2012-08-16

付品森(1980-)，男，工程師，主要從事船舶推進(jìn)系統(tǒng)技術(shù)支持和項(xiàng)目管理工作。