船舶電力推進綜合系統(tǒng)研究

陳　峰

(中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司, 上海 201206)

船舶電力推進綜合系統(tǒng)研究

陳峰

(中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司, 上海 201206)

摘要：分析了電力推進系統(tǒng)應(yīng)用于船舶的優(yōu)缺點。通過先進的變頻技術(shù)，設(shè)計了綜合船舶推進系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足多種情況下的航行要求，所有推進裝置及輔助設(shè)備都可以分開控制。利用直流升壓技術(shù)將電池組接入系統(tǒng)，使得船舶航行更加經(jīng)濟節(jié)能。

關(guān)鍵詞：電力推進；變頻驅(qū)動；經(jīng)濟節(jié)能

0引言

隨著社會的發(fā)展以及環(huán)境污染顯現(xiàn)出的嚴(yán)重后果，人們對環(huán)境問題越來越關(guān)注。傳統(tǒng)能源的過度消耗使得節(jié)約能源消耗或者提高能源利用率越來越重要。近一個世紀(jì)以來，船舶領(lǐng)域多采用常規(guī)動力。隨著電力推進技術(shù)的發(fā)展，電力推進船舶逐漸引起船舶領(lǐng)域設(shè)計以及使用人員的關(guān)注。但是，電力推進船舶建造初期投入大，使得其發(fā)展受到制約。電力推進與傳統(tǒng)柴油機推進相結(jié)合的船舶綜合推進模式通過變頻器能夠?qū)?fù)雜工況或者靠岸進行轉(zhuǎn)速的有效調(diào)整，從而使能量轉(zhuǎn)換更加合理，能源利用率更加高效，因此有必要對電力推進綜合系統(tǒng)進行研究，達到改善環(huán)境污染，提高能源利用率的目的。

1電力推進技術(shù)簡介

通過電動機作用于螺旋槳來推動船舶運動的裝置稱為船舶電力推進裝置。近年來，現(xiàn)代電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)以及大功率電機制造技術(shù)得到飛速發(fā)展，使得船舶電力推進技術(shù)具有更加廣闊的應(yīng)用空間。目前，船舶推進裝置的主要發(fā)展方向為現(xiàn)代電力推進技術(shù)與傳統(tǒng)柴油機推動相結(jié)合的新型船舶推進技術(shù)。

船舶電力推進裝置的基本組成部分為螺旋槳、發(fā)電機、原動機、電動機以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備等[1]。船舶電力推進裝置簡圖如圖1所示。

原動機一般由小型柴油機組組成，柴油機組轉(zhuǎn)動生成的機械能經(jīng)發(fā)電機G轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軅鬏數(shù)酱半娬居善浣y(tǒng)一調(diào)配。船舶電站中的一部分電能傳輸給推進電動機M，推動電動機將電能轉(zhuǎn)換為機械能帶動驅(qū)動軸轉(zhuǎn)動，傳動軸將機械能傳遞給螺旋槳J，推動船舶運動?？刂圃O(shè)備K可以是一般的機旁控制臺或其他控制設(shè)備。

Y：原動機；G：發(fā)電機；M：電動機；K：控制設(shè)備；

2當(dāng)前電力推進技術(shù)發(fā)展

2.1吊艙式電力推進系統(tǒng)

吊艙式推進器(也稱POD推進器)是吊艙式電力推進系統(tǒng)的主要組成部分。艙式電力推進系統(tǒng)的主要特點是將推進和操舵裝置集于一體。吊艙式推進器的推進電機放置于船艙外部，推進電機直接與螺旋槳相連，可以在360°平面內(nèi)水平轉(zhuǎn)動從而實現(xiàn)矢量推進。吊艙式推進器主要包括驅(qū)動電機、水平轉(zhuǎn)動機構(gòu)、螺旋槳和冷卻裝置等。螺旋槳與驅(qū)動電機直接連接，驅(qū)動電機多選擇永磁電機。

吊艙式推進器使得電力推進的優(yōu)越性得到了更充分的體現(xiàn)。吊艙式推進器的使用不僅增加了船舶設(shè)計、建造和使用的靈活性，而且使得船舶裝機功率減小，船舶運轉(zhuǎn)環(huán)境更加舒適。但是吊艙式推進器也具有局限性，比如吊艙與螺旋槳軸轂的密封困難，傳遞的最大功率等級低，維護保養(yǎng)復(fù)雜，故障發(fā)生率高以及較高的初次投入成本等。雙電機型吊艙式電力推進系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　雙電機型吊艙式電力推進系統(tǒng)

2.2超導(dǎo)電磁推進系統(tǒng)

超導(dǎo)電磁船是一種新型的現(xiàn)代船舶，設(shè)計時主要取消了傳統(tǒng)船舶的螺旋槳與舵裝置。超導(dǎo)電磁船的船型和普通船舶沒有任何差異，只是對其內(nèi)部構(gòu)造進行改造以符合使用要求。船舶行駛過程中，在超導(dǎo)線圈上通過強大的電流來使船舶周圍的海水產(chǎn)生超強磁場。當(dāng)海水產(chǎn)生強大磁場時，由于海水的導(dǎo)電特性，設(shè)置在海水中的電極形成通電回路使海水帶電。在強大的磁場下，帶電海水產(chǎn)生電磁力使海水運動。電磁力的反作用推動使船舶獲得前進的推力。1980年，美國率先完成了300 kW電磁推進船海上試驗，制造出2 250 kW的船舶樣機。1985年，日本成立 “超導(dǎo)電磁推進開發(fā)委員會”開發(fā)超導(dǎo)電磁推進船[2]。1992年，世界第1艘載人超導(dǎo)電磁推進船在日本試航成功，標(biāo)志著超導(dǎo)電磁推進技術(shù)進入實用階段。

3綜合電力推進系統(tǒng)研究分析

柴油機具有功率范圍廣、重量輕、經(jīng)濟性好、尺寸小、外加負(fù)荷變化迅速、附屬設(shè)備少等諸多優(yōu)點，使得近一個世紀(jì)以來成為主要船舶動力輸出。但隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展以及現(xiàn)代航運法規(guī)的制定，以柴油機為主要動力的船舶缺點也顯現(xiàn)出來，比如低速下燃燒不充分導(dǎo)致環(huán)境污染和經(jīng)濟性較差以及過載調(diào)速性能低，船舶工作環(huán)境因為主機的振動和噪聲變差，其排除的廢氣含有大量有害物質(zhì)(如NOX、SOX和CO2等)。

電力推進作為船舶推進動力，使得船舶航行效率和可靠性大大提高。電力推進采用先進的電力電子技術(shù)提高了整船自動化程度，降低了船舶運行的故障率，因此電力推進系統(tǒng)成為倍受大型船舶青睞的主推進系統(tǒng)。但電力推進也有其不足之處，如價格昂貴，系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，變頻器和變壓器等存在中間功率損耗。

綜合電力推進裝置可以發(fā)揮柴油機推進和電力推進2種動力推進方式的綜合優(yōu)勢，既能解決船舶工況復(fù)雜，對船舶推進功率和定位能力要求差異大的特點，又能提升船舶使用的經(jīng)濟性、機動性、可靠性以及定位能力。

3.1綜合電力推進系統(tǒng)介紹

綜合電力推進系統(tǒng)可以根據(jù)實際用電情況選擇運行發(fā)電機組合，這樣可以有效避免系統(tǒng)運行過程中自始至終均使用全部發(fā)電機并且使得船舶電力在一個最大的利用效率又能夠保證給用戶提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源，保證了船舶航行以及船員生活、工作所需。系統(tǒng)采用直流微電網(wǎng)配合變頻器、整流器，完成全船開放式多能源電力系統(tǒng)動態(tài)協(xié)調(diào)控制和保護技術(shù)，實現(xiàn)船用電源(交流)AC/(直流)DC、DC/DC、DC/AC的組合式轉(zhuǎn)換，能夠滿足不同環(huán)境下電能的生產(chǎn)及儲存，保證了船舶供電驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定性。開放式多能源直流母線供配電驅(qū)動系統(tǒng)電力，驅(qū)動電機易于調(diào)節(jié)，不用齒輪箱裝置，直接操縱螺旋槳。驅(qū)動電機不需要機械聯(lián)結(jié)，只需要電氣聯(lián)結(jié)，因此發(fā)電裝置可以安裝在船上任何地方，例如安裝在螺旋槳軸上方，這樣可以使機艙緊湊，空間得到合理應(yīng)用。綜合動力推進系統(tǒng)如圖3所示，圖中SG為軸帶發(fā)電機。

圖3　綜合電力推進系統(tǒng)圖

傳統(tǒng)的船舶推進系統(tǒng)由純柴或純電驅(qū)動。純柴動力在機艙布局、柴油機效率、節(jié)能減排及維護等多方面存在局限，而純電推進受制于成本及制造技術(shù)，雖有柴電混合推進，但其純電模式并非主要推進方式。本供配電系統(tǒng)采用先進的直流微網(wǎng)供配電系統(tǒng)，以蓄電池、超級電容、同步發(fā)電機作為主能源，可接入風(fēng)能、光伏以及岸電作為輔助能源，動力裝置采用電動機與柴油機共同或各自單獨驅(qū)動，解決了船舶低速時柴油機運行效率低、排放高的問題，甚至可以達到港內(nèi)零排放要求。系統(tǒng)采用國內(nèi)最新變流變頻技術(shù)，實現(xiàn)了能量的雙向轉(zhuǎn)換、柴電匹配無縫連接。無齒輪箱船舶電力推進綜合

系統(tǒng)的研發(fā)，符合當(dāng)前及未來先進推進技術(shù)發(fā)展趨勢，對實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、綠色和智能航行非常必要。

3.2BOOST升壓與直流升壓綜合方案

直流升壓屬于典型的DC/DC升壓類型。直流升壓就是將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值。其基本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電。本系統(tǒng)利用BOOST升壓配合DC/DC直流升壓組成混合動力可節(jié)約40%的燃料，系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4　變頻升壓原理圖

圖中，左邊為升壓變頻器，將母線電壓升高，更其他設(shè)備使用。右邊為充放電變頻器，控制電池組的充電和放電。設(shè)備運行變頻器消耗功率較小時，充放點變頻器將發(fā)電機組發(fā)出的電充入電池組；當(dāng)設(shè)備運行變頻器消耗較大時，由充放電變頻器控制電池組放電，和發(fā)電機一起給變頻器使用。電池組的使用，節(jié)約了成本，保證了電力使用的最優(yōu)化。

4結(jié)語

本文對于船舶綜合電力推進系統(tǒng)的電力系統(tǒng)和動力系統(tǒng)以及系統(tǒng)配置進行了分析。作為船舶主動力系統(tǒng)的綜合電力推進系統(tǒng)效率高、性能可靠、自動化程度高，定將成為現(xiàn)代大型船舶首選的主推進系統(tǒng)。對于船舶綜合電力推進系統(tǒng)，國外已有類似產(chǎn)品處于摸索階段,而國內(nèi)尚屬空白。新型綜合電力推進系統(tǒng)的使用能夠使得節(jié)能減排指標(biāo)不小于25%并且比同類系統(tǒng)成本降低30%，體積下降50%。隨著國產(chǎn)變頻技術(shù)的提高，國產(chǎn)變頻器已經(jīng)達到國際領(lǐng)先水平，打破了國外技術(shù)的壟斷，使得造船業(yè)中大量使用變頻器成為了現(xiàn)實，中國現(xiàn)代船舶綜合推進系統(tǒng)也將進入一個新的階段。該系統(tǒng)不僅在性能上優(yōu)于其他電力推進系統(tǒng)，而且在經(jīng)濟性能上也更加出色。

參考文獻：

[1]莫荔，林葉春. 船舶電力推進概述[J].科技視界，2012(28)：154-155.

[2]芮江，由大偉. 艦船綜合電力推進技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32(4)：3-6.

[3]張平，陳濤.艦船綜合全電力推進系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)研究[J].船電技術(shù)，2009(7)：73-74.

收稿日期：2016-03-26

作者簡介：陳峰(1975—)，男，工程師，輪機長，從事海工船舶輪機與電氣自動化管理與運營研究工作。

中圖分類號：U665.13

文獻標(biāo)志碼：A