船舶動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析

林輝

摘要：本文圍繞船舶動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析，首先以柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)及燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)兩個(gè)方面入手，分析船舶動(dòng)力系統(tǒng)的當(dāng)前應(yīng)用現(xiàn)狀。隨后，在此基礎(chǔ)之上，針對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析與展望，其涉及到廢氣處理系統(tǒng)、電力推進(jìn)系統(tǒng)、重油系統(tǒng)、LNG動(dòng)力系統(tǒng)、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)、以及混合動(dòng)力系統(tǒng)這六個(gè)方面的內(nèi)容，希望能夠進(jìn)一步促進(jìn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展與完善，值得引起業(yè)內(nèi)關(guān)注與借鑒。

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力系統(tǒng);現(xiàn)狀;發(fā)展趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：U664.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）22-0176-02

0? 引言

隨著船舶工業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代化船舶正呈現(xiàn)出快速化、大型化、以及自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)，動(dòng)力系統(tǒng)如何提升其可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，已受到業(yè)內(nèi)人士的高度關(guān)注。船舶動(dòng)力系統(tǒng)作為整船的核心部位，其運(yùn)行質(zhì)量不僅關(guān)系著船舶航行的動(dòng)力性，同時(shí)還與航行的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性水平存在密切的關(guān)聯(lián)。因此，對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)研究現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深入分析，有著非常積極的現(xiàn)實(shí)意義與價(jià)值。

1? 船舶動(dòng)力系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)柴油動(dòng)力系統(tǒng)

在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中，柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)具有非常突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，包括功率水平高、安全系數(shù)高等，基于這些優(yōu)勢(shì)，船舶動(dòng)力系統(tǒng)以柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)為首選方案，一般情況下，可以根據(jù)柴油機(jī)裝置的驅(qū)動(dòng)形式對(duì)其進(jìn)行分類，包括二沖程柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)以及四沖程柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)這兩類。上述兩類柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的最顯著區(qū)別體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速上。前者轉(zhuǎn)速偏低，在將其應(yīng)用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)的過(guò)程中，多經(jīng)直接驅(qū)動(dòng)螺旋槳的方式為船舶前進(jìn)提供動(dòng)力支持，同時(shí)，受轉(zhuǎn)速偏低這一特性的影響，使其在大規(guī)模傳播以及需遠(yuǎn)洋船舶中也有著極為突出的應(yīng)用價(jià)值。而與之對(duì)比，四沖程柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速偏高，主要原因是其經(jīng)過(guò)了齒輪箱的降速處理再應(yīng)用于螺旋槳驅(qū)動(dòng)過(guò)程當(dāng)中，因此對(duì)于小規(guī)模船舶工程動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)而言有良好的適應(yīng)性。當(dāng)前技術(shù)條件支持下，柴油動(dòng)力系統(tǒng)在我國(guó)船舶動(dòng)力系統(tǒng)研究領(lǐng)域中有著極為廣泛的應(yīng)用價(jià)值，柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)、操作人員技術(shù)要求高，進(jìn)一步凸顯了該系統(tǒng)的核心應(yīng)用價(jià)值。

1.2 燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)同樣在船舶動(dòng)力系統(tǒng)中有著非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值與性能優(yōu)勢(shì)。相較于前文中所推到的柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)而言，燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在整體質(zhì)量以及尺寸這兩個(gè)方面，并且其加速性能理想，能夠適用于高速客船的應(yīng)用需求。但燃汽輪機(jī)也有著非常明顯的缺點(diǎn)，其中最主要的缺點(diǎn)就是燃汽輪機(jī)不能實(shí)現(xiàn)燃油的充分燃燒。一般的燃汽輪機(jī)都需要使用更加清潔的蒸餾油，而且蒸餾油的價(jià)格昂貴，如果燃汽輪機(jī)不能做到燃油的充分燃燒，那么船舶的耗油量就會(huì)提升，船舶的運(yùn)行成本也會(huì)增加。基于這一原因，燃汽輪機(jī)也不能被大多數(shù)的船舶公司所應(yīng)用。但是，燃汽輪機(jī)的整體質(zhì)量比較小，重量輕，如果在船舶中裝備柴油機(jī)組合裝置，那么就可以充分發(fā)揮燃汽輪機(jī)的真正價(jià)值，也可以擴(kuò)大燃汽輪機(jī)的適用范圍。

2? 船舶動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 廢氣處理系統(tǒng)

隨著人類對(duì)環(huán)保的不斷重視，對(duì)船舶廢氣排放的要求也不斷提高。自2005年5月以來(lái)，MARPOL公約對(duì)船舶主機(jī)輔機(jī)的排放做出了嚴(yán)格地限量規(guī)定。公約要求減少例如二氧化碳、硫化物、氮化物的排放量。在MPEC第58次會(huì)議上，廢氣處理系統(tǒng)（脫硫設(shè)備等）被允許用來(lái)減少船上的硫化物排放。由于柴油機(jī)建造及燃油冶煉等原因目前正在正在建造或者服役船舶動(dòng)力系統(tǒng)當(dāng)中多數(shù)需要配套或者新增脫硫塔。按脫硫劑種類劃分，可分為以下五種方法：以CaCO3（石灰石）為基礎(chǔ)的鈣法，以MgO（氧化鎂）為基礎(chǔ)的鎂法，以NaSO3（亞硫酸鈉）為基礎(chǔ)的鈉法，以NH3（氨氣）為基礎(chǔ)的氨法，以有機(jī)堿為基礎(chǔ)的堿法。脫硫塔使用封閉的循環(huán)清潔水。這些水將會(huì)用一些堿性物質(zhì)的水進(jìn)行處理，例如燒堿中和劑。清洗水將會(huì)被重新循環(huán)利用，損失的部分用回添加新的淡水。少量的清洗水將會(huì)被送到污水處理廠處理后再被排放到大海中之前。這個(gè)系統(tǒng)也可以設(shè)計(jì)出一個(gè)儲(chǔ)存柜來(lái)實(shí)現(xiàn)真正的零排放。

2.2 重油系統(tǒng)

首先，船舶動(dòng)力系統(tǒng)可通過(guò)裝設(shè)燃油均質(zhì)機(jī)的方式為船舶提供良好的動(dòng)力支持。大量研究報(bào)道中顯示，對(duì)于燃油動(dòng)力系統(tǒng)而言，引入均質(zhì)既能夠達(dá)到乳化、同時(shí)降低黏度的效果，對(duì)于改善動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用燃油（尤其質(zhì)量水平較低燃油）燃燒性能有非常重要的意義。此舉可提升燃油燃燒過(guò)程中的清潔性以及經(jīng)濟(jì)性，符合船舶動(dòng)力系統(tǒng)節(jié)能降排污的發(fā)展趨勢(shì)。目前已有大量船舶動(dòng)力系統(tǒng)中通過(guò)裝設(shè)均燃油均質(zhì)機(jī)的方式，保證中速柴油機(jī)能夠使用質(zhì)量較低燃油同樣達(dá)到良好的動(dòng)力推進(jìn)效果;其次，船舶動(dòng)力系統(tǒng)可通過(guò)引入加壓循環(huán)系統(tǒng)以及伴管加熱技術(shù)的方式滿足船舶動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行需求。整套系統(tǒng)按照一投一備的基本原則裝設(shè)燃油加壓泵裝置以及循環(huán)泵裝置，以實(shí)現(xiàn)燃油動(dòng)力系統(tǒng)的增壓循環(huán)運(yùn)行。同時(shí)，引入伴管加熱技術(shù)對(duì)加壓循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在這一方案的實(shí)施下，即便出現(xiàn)船舶動(dòng)力系統(tǒng)短時(shí)間停車的情況，也無(wú)需進(jìn)行重油換輕油的操作;最后，船舶動(dòng)力系統(tǒng)可通過(guò)引入反沖洗精濾器裝置的方式，促進(jìn)燃油動(dòng)力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的實(shí)現(xiàn)。

2.3 電力推進(jìn)系統(tǒng)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心是指經(jīng)電動(dòng)機(jī)裝置提供扭矩作用，螺旋槳在機(jī)械傳動(dòng)裝置作用下實(shí)現(xiàn)扭矩作用力自向前推動(dòng)力的轉(zhuǎn)換。整套電力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成部件涉及到螺旋槳（主要承擔(dān)推進(jìn)器的作用）、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)、調(diào)節(jié)輔助控制裝置這幾個(gè)部分。中高速柴油機(jī)以及燃?xì)廨啓C(jī)是絕大部分船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要?jiǎng)恿?lái)源。從電源形式上進(jìn)行分類，如交流式電力推進(jìn)系統(tǒng)、直流式電力推進(jìn)系統(tǒng)以及交直流式電力推進(jìn)系統(tǒng)這三種類型。在船舶動(dòng)力系統(tǒng)實(shí)踐應(yīng)用的過(guò)程當(dāng)中，電力推進(jìn)系統(tǒng)體現(xiàn)出了極強(qiáng)的可操作性、舒適性、方便性、環(huán)保性以及經(jīng)濟(jì)性特點(diǎn)。自上世紀(jì)開始，船舶動(dòng)力系統(tǒng)就開始嘗試對(duì)電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，并逐步擴(kuò)大至軍事船舶、輪渡船舶以及海洋工程傳播領(lǐng)域中?，F(xiàn)階段，在中小規(guī)模船舶動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域中范圍廣泛，整體有著相當(dāng)積極的發(fā)展前景。

2.4 LNG動(dòng)力系統(tǒng)

在相同的能量功率輸出下，天然氣的二氧化碳排放只有石油二氧化碳排放量的71.34%，氮氧化物排放比石油減少了80%，硫氧化物排放比石油減少了100%，微小顆粒排放比石油減少了92%。選用天然氣作為船舶動(dòng)力可以大大提高船舶的環(huán)保性能。除了環(huán)保優(yōu)勢(shì)，價(jià)格上較傳統(tǒng)燃料便宜，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)較柴油機(jī)更加經(jīng)濟(jì)。此外，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)一般壽命為700000小時(shí)，大大超出船舶使用壽命。換言之，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的保值率。

2.5 燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)

燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的核心是指基于燃料電池裝置為船舶推進(jìn)提供主動(dòng)力或輔助動(dòng)力支持。期間所涉及到的燃料電池裝置是指基于電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)自電能轉(zhuǎn)換的裝置。燃料電池裝置的能量轉(zhuǎn)換率水平高，供電保證持續(xù)性，因此體現(xiàn)出了良好的節(jié)能環(huán)保特點(diǎn)，在船舶航運(yùn)系統(tǒng)乃至船舶動(dòng)力系統(tǒng)模塊中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。當(dāng)前技術(shù)條件支持下，船舶動(dòng)力系統(tǒng)中對(duì)燃料電池裝置技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入實(shí)踐化階段，憑借其高能效、無(wú)污染以及低噪音等一系列特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于中小規(guī)模游覽船舶、軍事傳播、LNG船舶、以及科學(xué)考察船舶動(dòng)力系統(tǒng)中。但隨著應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的不斷累積，燃料電池成本偏高、燃料供應(yīng)難度較大、技術(shù)成熟度不足等問(wèn)題開始凸現(xiàn)出來(lái)，在一定程度上限制了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣。

2.6 混合動(dòng)力系統(tǒng)

混合動(dòng)力系統(tǒng)是指應(yīng)用兩種及兩種以上能量源或儲(chǔ)能器面向船舶提供推進(jìn)作用力支持。目前技術(shù)條件支持下，我國(guó)針對(duì)混合動(dòng)力船舶技術(shù)的研究還不夠完善，但發(fā)展空間與潛力是非常巨大。具體可以分為以下幾種類型：首先是柴油機(jī)余熱混合式推進(jìn)系統(tǒng)。當(dāng)前技術(shù)條件支持下，柴油機(jī)裝置熱效率最佳維持區(qū)間為45.0～50.0%，此工況下柴油機(jī)所排除冷水熱量較少，廢氣中所帶有熱量比例在25.0～30.0%區(qū)間，對(duì)于功率較大的柴油機(jī)裝置而言，余熱空間是非常大的，應(yīng)用潛力廣闊，可以在加熱的同時(shí)應(yīng)用于淡水制造，將其作用于船舶動(dòng)力系統(tǒng)領(lǐng)域中有著相當(dāng)突出的價(jià)值;其次是太陽(yáng)能電力混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)。目前技術(shù)條件支持下，基于太陽(yáng)能電力混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)傳播多運(yùn)用太陽(yáng)能以及柴油作為能源，基于發(fā)電技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶的運(yùn)行與推進(jìn)。在實(shí)踐過(guò)程中，船體運(yùn)行所消耗電力可以通過(guò)計(jì)算得到，并支持船舶自身結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，在減少排放量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的合理節(jié)約;再次是基于超級(jí)電容混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)?；诔?jí)電容混合動(dòng)力的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般是指：混合供電電源、充電系統(tǒng)、駕駛操作系統(tǒng)等等系統(tǒng)的總稱。這個(gè)系統(tǒng)中的超級(jí)電容，與蓄電池相比，充電的速度是非?？斓模梢栽谳^短的時(shí)間內(nèi)完成大量的工作，最重要的是可以做到?jīng)]有污染，特別有利于可持續(xù)發(fā)展，噪音相對(duì)于來(lái)說(shuō)也是比較小的，可以在很大的程度上來(lái)提高船舶內(nèi)人員的舒適度。

3? 結(jié)束語(yǔ)

在船舶航行推進(jìn)過(guò)程當(dāng)中，動(dòng)力系統(tǒng)作為整船推進(jìn)的核心技術(shù)，當(dāng)前多數(shù)研究圍繞動(dòng)力系統(tǒng)性能開展。船舶動(dòng)力系統(tǒng)的主要構(gòu)成涉及到推進(jìn)器、主機(jī)以及軸系這三個(gè)部分。從成本方面來(lái)看，船舶動(dòng)力系統(tǒng)的建造成本占船舶設(shè)備總成本的1/3以上，其重要意義可見一斑。當(dāng)前，船舶動(dòng)力系統(tǒng)主要以柴油機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力系統(tǒng)這兩類為主，其運(yùn)行性能關(guān)系著全球貿(mào)易的運(yùn)輸效率與安全，因此有關(guān)其應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)的研究也成為了造船行業(yè)技術(shù)研究的核心內(nèi)容。上述分析中圍繞船舶動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀以及發(fā)展趨勢(shì)展開分析與探討，僅供業(yè)內(nèi)人士參考與關(guān)注。

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