電力推進(jìn)在自卸散貨船上的應(yīng)用探討

王正甲 張 琳 顧偉杰

（1.上海交通大學(xué)，上海200030；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前言

船舶電力推進(jìn)應(yīng)用至今已經(jīng)有一百多年的歷史。早在1911年和1918年，美國就先后建成了一艘往復(fù)式蒸汽機(jī)交流電力推進(jìn)航空母艦和一艘汽輪機(jī)交流電力推進(jìn)戰(zhàn)列艦“新墨西哥”號，總軸功率分別達(dá)到4 000 kW和22 000 kW［1］。與傳統(tǒng)的由柴油機(jī)直接帶動螺旋槳的推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)不僅可以提高船舶的機(jī)動性和操縱性，而且可以使機(jī)艙布置更靈活，增加船舶載重量等。因此，隨著電力電子技術(shù)、交流調(diào)速理論、微機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，目前已廣泛應(yīng)用于破冰船、挖泥船、勘探測量船、渡輪等，顯示出良好的應(yīng)用前景。

然而，電力推進(jìn)在運(yùn)輸船上的應(yīng)用還比較少，主要是因?yàn)椴捎秒娏ν七M(jìn)的初投資比較高，并且傳統(tǒng)觀念普遍認(rèn)為采用電力推進(jìn)方式時(shí)，因存在兩次能量轉(zhuǎn)換，其效率低于機(jī)械推進(jìn)方式［2］。本文在某采用傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)方式的自卸散貨船基礎(chǔ)上進(jìn)行研究探討，分析其采用電力推進(jìn)的優(yōu)劣性，希望通過該方式，將電力推進(jìn)方式推廣到更多的運(yùn)輸船上應(yīng)用。

1 船型簡介

該自卸散貨船為已建成并投入運(yùn)營的成熟船型，采用柴油機(jī)驅(qū)動定距螺旋槳的推進(jìn)方式，單機(jī)單槳，配備的主機(jī)為B&W6S60MC，主機(jī)額定功率為10 784 kW×94 r/min，常用功率為9 706 kW×90.8 r/min。由于船舶配有自卸裝置，該船的電站配置如表1。

表1 自卸散貨船電站配置表

電站在典型工況下的使用情況如表2。

由表2可知，電站配置的2臺1 300 kW發(fā)電機(jī)，僅在進(jìn)出港使用首側(cè)推時(shí)使用1臺，在裝卸貨時(shí)使用2臺，在航行過程中均處于備機(jī)狀態(tài)；而2臺625kW發(fā)電機(jī)，也僅僅在進(jìn)出港時(shí)會使用2臺，其他情況均只需使用1臺，設(shè)備的利用率處于較低水平。

表2 自卸散貨船機(jī)械推進(jìn)方式下的電力負(fù)荷表

2 電力推進(jìn)方案電站配置

在保持該船各項(xiàng)性能參數(shù)不變的前提下，采用電力推進(jìn)方案后，該船的電站配置可以做出調(diào)整，如表3所示。

表3 電力推進(jìn)自卸散貨船電站配置表

根據(jù)該船機(jī)械推進(jìn)方式下的電力負(fù)荷情況，可得出該船采用電力推進(jìn)后的電力負(fù)荷基本情況如表4所示。

3 可行性分析

采用電力推進(jìn)后，該船電站運(yùn)行的靈活性及冗余性大大提高。根據(jù)船級社要求，電力推進(jìn)船舶在1臺發(fā)電機(jī)組不工作時(shí)，剩余的機(jī)組應(yīng)能向所有重要設(shè)備和船舶常用設(shè)備供電，同時(shí)應(yīng)維持有效推進(jìn)，即應(yīng)保證船舶航速不小于7 kn或設(shè)計(jì)航速的一半，兩者中取大者［3］。該配置方案完全能滿足規(guī)范的要求。

配電設(shè)備為滿足安全性和冗余性的要求，主配電板可采用兩段6.6 kV主匯流排的設(shè)計(jì)。通過計(jì)算得知在該船電站、電力推進(jìn)、首側(cè)推、自卸設(shè)備均采用6.6 kV的動力設(shè)備時(shí)，各級匯流排的短路電流如表5所示。在目前的技術(shù)條件下，供應(yīng)商提供符合相應(yīng)要求的配電系統(tǒng)設(shè)備不存在技術(shù)難度。在具體實(shí)施時(shí)，也可根據(jù)設(shè)備重量、造價(jià)等因素綜合考慮后確定中壓系統(tǒng)的電壓等級。

表5 各級匯流排短路電流

對于推進(jìn)部分設(shè)備的選擇，可以采用單機(jī)單槳的方案（如圖1），也可采用雙機(jī)雙槳的方案（見圖2），均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。該船的推進(jìn)功率約為10 MW，目前國際上知名的ABB、西門子、瓦錫蘭等，均能提供相應(yīng)的設(shè)備。對于電力推進(jìn)船舶涉及到的諧波問題，也均有了很好的解決辦法，如采用多脈整流及準(zhǔn)多脈整流、脈寬調(diào)制技術(shù)、有源功率因數(shù)校正器等［4］。

國內(nèi)目前也有廠家已具備5 MW以下永磁電力推進(jìn)系統(tǒng)及20 MW以下交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的供貨能力。其電力推進(jìn)系統(tǒng)的型式稍有不同，如圖3所示。該系統(tǒng)采用十五相電機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)，十五相電機(jī)通過三個(gè)通道，經(jīng)三個(gè)五相變頻器驅(qū)動，系統(tǒng)的冗余性更高，且三個(gè)推進(jìn)變壓器一次側(cè)有10°的相角差，與三個(gè)五相變頻器組合起來相當(dāng)于提供了虛擬的36脈沖整流，更大程度的降低了電網(wǎng)側(cè)的諧波。

圖1 單槳船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成簡圖

圖2 雙槳船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成簡圖

圖3 國產(chǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成簡圖

4 經(jīng)濟(jì)性分析

通過前述的分析，可知采用機(jī)械推進(jìn)和電力推進(jìn)時(shí)，該自卸散貨船的總裝機(jī)功率如表6所示。

表6 自卸散貨船機(jī)械推進(jìn)及電力推進(jìn)時(shí)的裝機(jī)功率比較

由表6可知，若采用電力推進(jìn)，該船的總裝機(jī)功率可以減少2 534 kW（近17%），即使考慮電力推進(jìn)船舶的建造成本普遍比傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)的成本要高，從減少的裝機(jī)功率來看，電力推進(jìn)也不失為一種極具吸引力的方案。若考慮采用國產(chǎn)的電力推進(jìn)設(shè)備，如七一二所供應(yīng)的電力推進(jìn)設(shè)備，初投資成本可以進(jìn)一步減小。

另一方面，若采用電力推進(jìn)，電站運(yùn)行的靈活性提高，通過適當(dāng)?shù)耐肚性诰W(wǎng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量，可以保證動力系統(tǒng)較長時(shí)間運(yùn)行在高效率的狀態(tài)，從而提高船舶的燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)以及電力推進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)化等其他各方面的進(jìn)展，相信在不久的將來，電力推進(jìn)設(shè)備的制造和應(yīng)用成本會進(jìn)一步降低。電力推進(jìn)作為一種先進(jìn)的船舶推進(jìn)技術(shù)，也必然會在船舶建造領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。但不可否認(rèn)的是，目前來說，電力推進(jìn)在一般的常規(guī)運(yùn)輸船上的應(yīng)用還不具備很大的優(yōu)勢。本文以自卸散貨船著眼，探討在船舶電站功率較大且并非主要用于航行工況時(shí)考慮采用電力推進(jìn)的可能性，為電力推進(jìn)技術(shù)在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用提供一條探索途徑。

［1］李玉生.全電力推進(jìn)在艦船上的應(yīng)用及其展望［J］.船電技術(shù)，2005（2）：1-3.

［2］陳新毅，楊燁.船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展概述［J］.中國水運(yùn)，2008（8）：48-49.

［3］中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范，第五分冊［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］羅成漢，陳輝.電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)中的諧波［J］.船舶工程，2007（1）：69-72.