用于艦船綜合電力推進的燃氣輪機關鍵技術

周 瑞，柳 波，周安宇

（1.海軍駐沈陽地區(qū)艦船配套軍事代表室,沈陽110011：2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015：3.哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，哈爾濱150001）

用于艦船綜合電力推進的燃氣輪機關鍵技術

周 瑞1，柳 波2，周安宇3

（1.海軍駐沈陽地區(qū)艦船配套軍事代表室,沈陽110011：2.中航工業(yè)沈陽發(fā)動機設計研究所，沈陽110015：3.哈爾濱工業(yè)大學能源科學與工程學院，哈爾濱150001）

綜合電力推進系統(tǒng)由于其獨特的優(yōu)勢已經(jīng)成為未來船舶，特別是軍用艦船的發(fā)展方向。為了保障作為綜合電力推進系統(tǒng)原動機的燃氣輪機，安全、可靠、高效地運行，必須研究相關的系統(tǒng)集成技術，確保其運行的高效率和高冗余，需要研究其在大沖擊、大功率負載突變運行環(huán)境下的解決方案，研究在艦船電力系統(tǒng)孤網(wǎng)運行條件下的綜合控制技術。對系統(tǒng)集成、抗沖擊、大功率負載變化對燃氣輪機影響和發(fā)電綜合控制等4項關鍵技術進行了分析，并就其國內外的發(fā)展以及技術實現(xiàn)途徑進行了探討。

燃氣輪機；綜合電力推進；艦船

0 引言

艦船綜合電力推進系統(tǒng)由于具有很高的經(jīng)濟性、機動性及可靠性等優(yōu)勢，已成為未來艦船動力的發(fā)展方向之一[1]。特別是對于軍用艦船，高性能武器和先進探測設備的飛速發(fā)展使艦船電力負荷功率所占比例越來越大，隨著綜合全電力系統(tǒng)研究的不斷深入和艦船電力設備技術的進步，普遍采用綜合全電力推進設計方案已成為未來艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢[2]。電力推進是由原動機帶動發(fā)電機發(fā)電，通過配電及調速系統(tǒng)供電給推進電機，再由電動機驅動螺旋槳的推進方式。電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點是：用電纜完全代替機械連接，使原動機在船上布置更靈活，推進軸系短；到推進電機的電氣連線有備用電路，當艦船遭到損壞后能提高艦船的持續(xù)作戰(zhàn)能力；系統(tǒng)噪聲低。但是，艦船電網(wǎng)由數(shù)量有限的原動機與發(fā)電機組成，是1個獨立運行的孤立電網(wǎng)，電網(wǎng)容量小，對電力負荷的變化比較敏感。各種大功率設備起動或停機時，會造成瞬時的負荷突變，對整個艦船電力系統(tǒng)造成較大的沖擊，對艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成重大影響。

燃機作為發(fā)電模塊的原動機，要適應電力推進要求，必須進行相關關鍵技術研究。其中以下幾種技術十分關鍵：系統(tǒng)集成、抗沖擊、大功率負載變化和發(fā)電綜合控制技術。本文將分別對它們的實質以及國內外的發(fā)展現(xiàn)狀和未來的發(fā)展方向進行探討。

1 相關關鍵技術

1.1 系統(tǒng)集成技術

1.1.1 概述

要想推動電力系統(tǒng)在未來海軍艦船中的應用,系統(tǒng)集成技術的研究是至關重要的。這是因為艦船電力系統(tǒng)是1個涵蓋基礎理論、設計體系、系統(tǒng)集成、工程應用等方面的復雜系統(tǒng)工程，而系統(tǒng)集成技術研究對整個艦船的建設投資、運行效率、系統(tǒng)生命力都有決定性影響。

作為整個電力推進系統(tǒng)的原動機，系統(tǒng)集成技術主要研究供電系統(tǒng)的運行模式，確保在合適的運行模式下，燃氣輪機運行的高效率和高冗余性。但是，運行模式的界定會隨著系統(tǒng)組成或網(wǎng)絡結構的改變而發(fā)生變化。例如：受系統(tǒng)儲能方式優(yōu)化和減少單件生產(chǎn)成本（UPC）等因素的影響，英國皇家海軍的45型驅逐艦的供電系統(tǒng)結構（如圖1所示[3]）將“至少2機在網(wǎng)運行”的要求改變?yōu)楝F(xiàn)在的“單發(fā)電機運行”模式。

圖1 45型驅逐艦電力網(wǎng)絡結構

目前涉及到燃氣輪機原動機的最先進系統(tǒng)集成技術是：單一發(fā)電機運行模式（SGO）。采用SGO模式并不意味著當船上的發(fā)電機無法運行時艦船會失去全部動力。目前已投入運行的某些級別艦船已經(jīng)具有一定數(shù)量的能量儲備能力，用于指揮、控制以及其它設備所需動力。另外，還必須對SGO模式提出一些額外的要求，尤其是能量儲存持續(xù)時間以及明確所儲備能量的用途到底是滿足推進和艦船基本能源需求還是僅供推進使用，或者僅滿足艦船基本能源需求還是僅滿足顯示的需求。

1.1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

荷蘭Imtech公司所提供的艦船供電系統(tǒng)集成服務包括：短路電流水平計算和校驗、故障辨識能力設計、故障模式影響分析、諧波抑制計算、產(chǎn)品模塊化設計等。在他們設計的供電系統(tǒng)中，所有設備都能確保滿足客戶要求,達到集成系統(tǒng)的規(guī)定指標。法國施耐德公司的供電系統(tǒng)集成技術的能力也很強大，它主要進行系統(tǒng)設計、可行性研究工作，提供高質量供電系統(tǒng)設備[4]。英國已經(jīng)在42型驅逐艦上應用“單一發(fā)電運行（SGO）模式。

2005年以來，國內建造的電力推進艦船已逾30艘。但是，除水聲試驗船和“華天龍”起重打撈船共2艘新型艦船是自主系統(tǒng)集成的以外，其他新型艦船（包括中科院近期投建的科考船在內）幾乎都是由國外公司進行電力推進系統(tǒng)設計集成和提供裝船設備。所以，當前我們對電力系統(tǒng)集成技術還處于1種“初學者”的被動跟進狀態(tài)。

1.1.3 技術途徑及要求

通過系統(tǒng)集成技術需要達到這樣1種目標：確保艦船在處于任何1種運行工況，都能保證使用滿足所需負載的最少燃氣輪機，且保持這些燃氣輪機均運行于接近最佳效率的工況條件，并在合適的功率范圍內選擇功率更小的燃氣輪機，從而使整個動力系統(tǒng)實現(xiàn)高效的運行。同時應該能確保艦船電力推進系統(tǒng)達到如下目標：SGO模式應當在良好工況下采用，如在威脅程度低的環(huán)境中巡邏等。而且，SGO模式只能在低輸出功率狀態(tài)下運行，一旦所需功率超過單臺燃氣輪機輸出功率時，就需啟動另1臺燃氣輪機。

當正在運行的能源無法滿足所需功率或所需航速時，就需選擇配置第2臺燃氣輪機。啟動第2臺燃氣輪機艦艇時的艦船航速是很難控制的，當在受限制水域航行或如果運行危險增加，也需啟動另1臺燃氣輪機。

1.2 抗沖擊技術

1.2.1 概述

艦船在其服役期間不可避免地要面臨各種復雜的沖擊環(huán)境，海上戰(zhàn)艦和實船水下爆炸沖擊試驗結果表明：艦艇在水下爆炸環(huán)境中所顯示出的突出薄弱環(huán)節(jié),是艦艇上許多重要設備和裝置的抗沖擊性能過差。對于復雜大型艦載設備往往是與其他設備有著緊密的連接關系,在沖擊環(huán)境下設備之間的耦合關系更是難以確定。根據(jù)GJB730A-97《艦船燃氣輪機通用規(guī)范》的要求，燃氣輪機應符合GJB150.18《軍用設備環(huán)境試驗方法-沖擊試驗》的要求。因此必須進行燃氣輪機的抗沖擊性研究。對于艦船燃氣輪機來說，由于其結構復雜，其本身的動力學特性已難準確獲得，再加上沖擊，分析難度更大。

1.2.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

在艦用抗沖擊研究方面，美國和西歐海軍處于領先地位。美國堅持用實船水下爆炸的方法考核其艦艇設備的抗沖擊能力，并在試驗的基礎上開展理論研究[5]。沖擊試驗的方法可以全面真實地了解船用設備的抗沖擊能力，為理論研究提供基礎，但需要大量的經(jīng)費和時間。通過沖擊仿真建模預測沖擊響應，結合部分沖擊試驗進行校核，適當開展實船水下爆炸試驗，是以德國為代表的西歐海軍普遍采用的方法。

國內以往對艦船設備沖擊研究主要有：張衛(wèi)等試驗研究了沖擊對轉子-軸承系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；沈榮瀛等以3組撓性彈簧鋼板支撐的3個軸承座分別模擬尾軸承、中間軸承和推力軸承，設計、制作了軸系試驗模型,進行了軸系固有頻率測試和沖擊試驗研究，得到了一些有意義的結果。施建榮運用動力學分析方法，得到了同步發(fā)電機組固定螺栓、滾珠軸承、換向器、轉軸等沖擊危險區(qū)域的沖擊動力學特性，總結了抗沖擊動力學分析方法的優(yōu)點和局限性；石菲對某艦船發(fā)動機排氣消聲器進行了各種沖擊環(huán)境下的沖擊響應仿真計算，校核其抗沖擊強度；林騰蛟等應用I2DEAS軟件計算了空壓機系統(tǒng)的固有特性、約束模態(tài)和沖擊動態(tài)響應，給出各自由度方向加速度沖擊載荷作用時系統(tǒng)的振動響應及動態(tài)應力，為確定船用空壓機的抗沖擊能力及減振裝置的合理設計提供了理論依據(jù)[6-9]。

1.2.3 技術途徑及要求

我國海軍艦艇設備的抗沖擊研究處于起步階段，沖擊試驗設備有限，經(jīng)費有限，不可能像美國那樣開展大量的沖擊試驗。因此，學習西歐海軍經(jīng)驗，利用仿真計算結合少量的試驗研究方法進行艦用設備的抗沖擊研究適合我國國情和軍情[10-11]。文獻[12]開發(fā)了1套針對復雜結構艦船電力系統(tǒng)的特點的仿真計算軟件。仿真平臺的單線圖如圖2所示。通過類似的仿真軟件進行模擬理論計算再結合適度的抗沖擊試驗，通過試驗和理論模擬的不斷疊代改進和優(yōu)化，可以花少量的研究經(jīng)費走出一條中國特色的電力推進系統(tǒng)燃氣輪機抗沖擊技術研究之路。

圖2 艦船電力仿真平臺單線圖

1.3 大功率負載變化對燃氣輪機影響技術

1.3.1 概述

綜合電力推進艦船能源需求大致由以下三個方面構成。

（1）推進系統(tǒng)所需的軸功率；

（2）艦上日用電系統(tǒng)（包括武器系統(tǒng)一外的所有電力、電子設備所需功率）；

（3）艦載武器系統(tǒng)所需功率。

目前艦船上攜帶燃料的80%直接用于艦船機械推進，只有20%能量用于發(fā)電、提供武器、輔機、生活等所需的電能。但近年來，武器系統(tǒng)的能源要求變化很大，目前國外正在研究的艦載武器系統(tǒng)，如激光武器、粒子束武器、微波武器、電磁炮、高能炮以及新近出現(xiàn)的探測系統(tǒng)，如脈沖聲納和寬帶雷達，均需要相當大的脈沖電能，其峰值功率可達幾十乃至幾百MW，所需的脈沖功率系統(tǒng)目前一般設計為基于電容器充電電路方式[13-15]。由于脈沖負荷瞬時功率很大，它的使用必將對整個艦船綜合電力系統(tǒng)的性能帶來較大的沖擊，影響供電質量[16]。因此，研究大功率負載變化對燃氣輪機的影響對穩(wěn)定整個電力系統(tǒng)顯得十分必要,可以從3個方面著手：

（1）通過飛輪儲能等形式緩沖由于大功率負載變化對燃氣輪機的沖擊影響。

（2）對采用何種負載模型、不同種負載模型的比例等因素進行進一步的研究。因為這種投入或者切除大容量負載對系統(tǒng)的影響,不僅依賴負載容量的大小,同時也受到負載性質和掛網(wǎng)形式的影響。

（3）對作為電力系統(tǒng)原動機的燃氣輪機自身加、減載特性進行研究，以使得其加、減載性能適應大負載的突變。

1.3.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

英國Alan等人根據(jù)負載功率調節(jié)儲能電機的有功功率，大大減少了20kHz高頻交流配電網(wǎng)的電壓波動；美國B K Johnson教授等人已將飛輪儲能裝置通過變壓器串聯(lián)在交流電網(wǎng)中，起到了動態(tài)電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）的作用；而Surya Santoso等人采用儲能發(fā)電機為脈沖負載供電，將脈沖負載與艦船電力系統(tǒng)電氣隔離，消除了脈沖負載對電力系統(tǒng)的不利影響。

美國海軍就未來艦隊各種艦型的推進功率和日用功率需求進行了研究（見表1[17]），其目的也是為了方便就電力推進中負載模型及分配比例進一步的研究。

表1 美國海軍未來艦隊各種艦型功率需求

目前國內現(xiàn)有機械儲能、電磁儲能、電化學儲能技術，但是尤以飛輪儲能技術研究比較廣泛，海軍工程大學電力技術國防科技重點試驗室已經(jīng)對飛輪儲能抑制艦船電力系統(tǒng)直流母線電壓波動進行了較深入的研究[18]。

1.3.3 技術途徑及要求

為了穩(wěn)定整個艦船電力系統(tǒng)，儲能是1種比較經(jīng)濟、簡單實用的方式。在起用大容量的用電設備時，儲能裝置可以為艦船電力系統(tǒng)提供一定的功率儲備，將存儲的動能轉化為電能釋放到直流電網(wǎng)中去。在突卸大容量用電設備時，儲能裝置從電網(wǎng)吸收能量，轉化為飛輪的動能。

飛輪儲能裝置應用于艦船綜合電力系統(tǒng)中，為減少直流母線的電壓波動，需要有3種工作模式：啟動、保持、調節(jié)。啟動模式，電機由靜止拖動飛輪加速，直到飛輪達到額定設計的轉速為止，電機工作在儲能狀態(tài)；保持模式時，飛輪轉速保持不變，存儲額定設計的能量持續(xù)運行，電機工作在保持狀態(tài)；當電網(wǎng)功率流動不平衡以致電壓波動較大時，儲能電機由保持模式進入調節(jié)模式，通過快速控制感應電機的功率，從而控制飛輪與電網(wǎng)間能量的流動，調節(jié)母線電壓。啟動模式和保持模式通過對電機轉速控制的方式實現(xiàn)，而調節(jié)模式通過控制電機功率的方式來實現(xiàn)[18]。

文獻[18]設計了一種飛輪儲能控制系統(tǒng)，其轉速控制系統(tǒng)如圖3所示。從圖中可見，轉速控制器的觀測量為飛輪轉速，輸出量為轉矩指令Te，采用PI控制。

艦船直流電網(wǎng)輸送的功率為：

圖3 儲能電機轉速控制系統(tǒng)

電網(wǎng)間的功率平衡關系為：

式中：Pn為直流電網(wǎng)輸送功率；PF為儲能電機的功率；PLA為負載功率；PLS為系統(tǒng)總損耗。

直流母線電壓U會隨著系統(tǒng)功率流動的變化而波動。通過控制儲能電機的功率PF，實現(xiàn)艦船電網(wǎng)與飛輪儲能裝置間功率的雙向流動，可以補償發(fā)電和用電功率之間的不平衡，增大系統(tǒng)阻尼，從而抑制系統(tǒng)電壓的波動。儲能電機的功率控制系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 儲能電機的功率控制系統(tǒng)

1.4 發(fā)電綜合控制技術

1.4.1 概述

目前，燃氣輪機作為艦船動力推進裝置，負載是螺旋槳，采用等功率運行方式，主要是通過油門控制器控制燃油流量，保持燃機輸出功率穩(wěn)定。而當燃氣輪機作為原動機用于電力推進系統(tǒng)時，負載是發(fā)電機組，采用定轉速運行方式。隨著電負荷的變化，轉速會偏離額定值，控制系統(tǒng)可以直接根據(jù)轉速變化來進行調節(jié)，使機組轉速保持基本不變。特別在發(fā)電機突然甩負荷的情況發(fā)生時,如果不采取措施降低動力渦輪轉速，燃機必然會超速保護停機[19]。但是機組控制系統(tǒng)響應速度越快，機組的運行瞬間峰值負荷就越大。這種矛盾在大電網(wǎng)中工作的發(fā)電機組不是很突出，因為，局部甩負荷時，頻率下降很少,分擔到每臺機組負荷也很少。但是在艦船電力推進系統(tǒng)中，電網(wǎng)是孤網(wǎng)運行，當某臺機組甩負荷時就要由運行的幾臺機組全部接過來，如果機組特性差別較大，響應速度較快的機組就會在瞬間接到比其它機組更多的負荷，然后再逐漸卸下來，對這臺機組的運行安全性就有很大的影響。因此，須制定采用高速數(shù)字燃油控制器等一系列技術，并對高速數(shù)字燃油控制器與突變負荷的控制策略進行研究，并結合燃機數(shù)學模型仿真計算進行驗證。

1.4.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀

以GE公司推出的SPEED-TRONIC MARKV為代表的電力推進燃機控制系統(tǒng)，除了能夠用于啟、停機自動控制的繼電器自動程序控制，還能實現(xiàn)諸如發(fā)電機勵磁機及涉及燃機運行的所有主、輔助設備的控制，對負載的甩負荷功能有廣泛的適應性。目前已經(jīng)獲得應用[20]。

中船重工703所針對GT25000型燃氣輪機進行了數(shù)字燃油控制器和突變負荷控制程序進行了比較深入的研究，并進行了模擬試驗，但是模擬試驗與真實的發(fā)電燃氣輪機狀態(tài)之間還存在較長的路要走。大連海事大學也對電力推進系統(tǒng)的控制技術進行了研究，并且結合中鐵渤海1號船，實現(xiàn)了艦船電力推進系統(tǒng)的動態(tài)過程仿真和優(yōu)化。

1.4.3 技術途徑及要求

通過模擬試驗得到和燃機實際運行規(guī)律相符合的燃機試驗曲線，建立能滿足燃油系統(tǒng)功能要求和精度要求的數(shù)字燃油控制器控制程序；通過設計能夠符合適應突變負荷的控制程序實現(xiàn)燃氣輪機發(fā)電機組突甩負荷轉速的平穩(wěn)過渡。

艦船燃氣輪機發(fā)電機組一般采用等轉速模式，在出現(xiàn)突然甩負荷情況時，機組是不允許停機的，要求燃氣輪機回到慢車工況備用?？梢酝ㄟ^1種數(shù)字化燃油控制系統(tǒng)適應艦船燃機的這種要求。在控制系統(tǒng)內加入微分環(huán)節(jié)，根據(jù)轉速的變化率快速關小油門，迅速減少進入燃燒室的燃料流量。同時引入發(fā)電機出口斷路器狀態(tài)信號，及時判斷機組甩負荷便于迅速地做出反應。當燃氣輪機發(fā)電機組突變負荷發(fā)生時，應在控制主程序中迅速建立突變負荷標志位,調用突變負荷子程序。在突變負荷子程序初始化后首先應對燃氣輪機甩負荷前的工況進行判斷。當燃氣輪機發(fā)電機組帶負荷工況下突然甩負荷時，控制燃油控制器快速切換油門開度至慢車工況，保持燃氣輪機動力渦輪轉速穩(wěn)定，[21]如圖5所示。通過實現(xiàn)這樣1種控制程序，既能保證功率輸出的穩(wěn)定，也能保證孤網(wǎng)運行的艦船燃機轉速的穩(wěn)定，從而確保燃機機組的運行安全。

圖5 燃氣輪機突變負荷控制程序

2 結束語

燃氣輪機作為原動機的艦船綜合電力推進，是未來軍用艦船動力系統(tǒng)的發(fā)展方向，其中系統(tǒng)集成技術，抗沖擊技術、大功率負載變化對燃氣輪機影響技術、發(fā)電綜合控制技術是燃氣輪機應用于艦船綜合電力系統(tǒng)的關鍵所在。目前我國這方面的技術儲備不足，制約了綜合電力技術的應用，因此在大力發(fā)展船用燃氣輪機的同時對相關關鍵技術進行研究和試驗，能夠減少裝備的應用時間，加速部隊現(xiàn)代化的步伐。

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Key Technology of Gas Turbine Used for Integrated Electric Power Propulsion System on Shipboard

ZHOU Rui1，LIU Bo2，ZHOU An-yu3
（1.Military Representative Office of Naval Equipment Department in Shenyang,Shenyang 110011,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;3.College of Energy Science and
Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

Because of great advantage of integrated power propulsion system on shipboard,it has become developing direction of future ship,especially in warship.As the prime mover of integrated power propulsion system,gas turbine must run safely,reliably and efficiently.The correlative integrated technology of system were researched to guarantee high efficiency and redundance.The solutions of the great impact and larger power load changing were presented.The integrated control technology of electricity generation were investigated.The four key technologies were analyzed including the integrated system,impact resistance,the effects of larger power load change on gas turbine and power generation control.The development status and approach were at home and abroad overviewed also.

gas turbine；integrated electric propulsion；warship

周瑞(1980)，男，工程師，本科，從事燃氣輪機可靠性研究與質量管理工作。

2013-04-22