船舶動(dòng)力裝置發(fā)展趨勢(shì)分析

丁浩煒 王宏波 華麗嫻

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)于船舶的動(dòng)力要求越來(lái)越高。船舶動(dòng)力裝置作為船舶的心臟，其性能與質(zhì)量直接影響著船舶的推進(jìn)性能與質(zhì)量。本文基于效率、安全性和環(huán)保性，對(duì)船舶動(dòng)力裝置的歷史、現(xiàn)狀進(jìn)行論述，并對(duì)船舶動(dòng)力裝置在新能源以及智能化方面的發(fā)展前景進(jìn)行展望。

Abstract： As an important body of world shipping and all kinds of offshore operations and operations， with the development of economy and technology， ships also have higher and higher requirements for various properties of ships. As the heart of ships， the performance and quality of power drive devices directly affect the propulsion performance and quality of ships. With the continuous development of technology， the ship power plant is constantly updated. This paper mainly introduces the history and future development of ship power drive device.

關(guān)鍵詞：船舶動(dòng)力裝置;發(fā)展趨勢(shì);能源

Key words： ship power plant;development trend;energy

中圖分類號(hào)：U662.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）16-0206-03

0? 引言

為了滿足船舶作業(yè)需要以及其安全性能，人們?cè)诓煌臍v史時(shí)期都會(huì)使用不同的動(dòng)力進(jìn)行推進(jìn)。經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的時(shí)代發(fā)展，船舶動(dòng)力最初由使用人力、風(fēng)力驅(qū)動(dòng)發(fā)展到使用機(jī)械動(dòng)力后再進(jìn)行齒輪驅(qū)動(dòng)，經(jīng)歷了大型蒸汽混合動(dòng)力、內(nèi)燃混合動(dòng)力、燃?xì)饣旌蟿?dòng)力、以及新型混合燃?xì)鈩?dòng)力等當(dāng)今具有重大時(shí)代性和代表性的各種動(dòng)力。

1? 船舶動(dòng)力裝置發(fā)展歷史

1.1 蒸汽輪機(jī)動(dòng)力裝置

自十九世紀(jì)，蒸汽時(shí)代的到來(lái)，利用蒸汽機(jī)作為船舶新動(dòng)力，交通運(yùn)輸領(lǐng)域的一大進(jìn)步。蒸汽機(jī)和輪船動(dòng)力取代了工業(yè)帆船，機(jī)器動(dòng)力取代了工業(yè)人力和船用風(fēng)力，宣布了船舶動(dòng)力學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的的時(shí)代。復(fù)式渦輪蒸汽機(jī)和復(fù)式蒸汽輪機(jī)分別是蒸汽機(jī)主要的兩種傳動(dòng)類型，由于復(fù)式蒸汽機(jī)的最大功重效率比和傳動(dòng)效率比都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于復(fù)式渦輪蒸汽機(jī)，所以復(fù)式渦輪蒸汽機(jī)已經(jīng)被復(fù)式蒸汽所取代[1]。

1807年，美國(guó)學(xué)者富爾頓建成了第一艘完全采用麥克明倫動(dòng)力推進(jìn)的新式蒸汽機(jī)船“克萊蒙脫號(hào)”;1897年，查爾斯帕森斯建造了蒸汽輪船“透平尼亞號(hào)”，航速竟然達(dá)到了34.5節(jié)，這表明蒸汽輪機(jī)的工作效率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)往復(fù)式蒸汽機(jī)。蒸汽輪機(jī)主要由冷凝器、鍋爐、汽輪機(jī)組成，燃料在鍋爐中燃燒，鍋爐中的水變成水蒸氣從而推動(dòng)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。蒸汽輪機(jī)具有工作平穩(wěn)、可靠性高、熱效率低、油耗高、單機(jī)功率大、經(jīng)濟(jì)性差等特點(diǎn)。

1.2 柴油機(jī)動(dòng)力裝置

1897年，德國(guó)狄塞爾制造廠推出了當(dāng)今世界上第一臺(tái)使用壓縮機(jī)點(diǎn)火的柴油內(nèi)燃機(jī)——“狄塞爾”內(nèi)燃機(jī)，從而徹底翻開了我國(guó)柴油機(jī)工業(yè)發(fā)展的歷史新篇章。柴油機(jī)上的動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制裝置是一種利用大型柴油為主要燃料的大型內(nèi)燃機(jī)，以其工作運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)可靠、熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊和傳動(dòng)功率大等諸多優(yōu)點(diǎn)等而著稱，在其迅速發(fā)展的一百多年來(lái)，經(jīng)久不衰。在上世紀(jì)60年代，就已經(jīng)開始研究利用新型柴油機(jī)技術(shù)取代傳統(tǒng)蒸汽輪機(jī)，成為當(dāng)時(shí)世界上最主流的大型船舶柴油動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制裝置，到目前，應(yīng)用最普遍的仍然為通用柴油機(jī)上的動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制裝置。

柴油機(jī)傳動(dòng)可以分為四沖程和兩沖程，四沖程轉(zhuǎn)速高，一般應(yīng)用于軍艦，小型運(yùn)輸船上，兩沖程則運(yùn)用于大中型遠(yuǎn)洋運(yùn)輸船舶上[2]。

1.3 燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置

燃?xì)廨啓C(jī)是以空氣為介質(zhì)，通過(guò)燃燒，將空氣升溫加壓，推動(dòng)壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)當(dāng)前主要在客輪、軍用艦船和快速渡輪中使用燃?xì)廨啓C(jī)[3]。在上世紀(jì)60年代，燃?xì)廨啓C(jī)就開始廣泛應(yīng)用于船舶動(dòng)力和發(fā)電領(lǐng)域，相較于前文中所提到的柴油機(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。但其成本高，對(duì)制造材料和工藝要求高，并且油耗高。

2? 船舶動(dòng)力裝置現(xiàn)狀

現(xiàn)代大型船舶柴油機(jī)推進(jìn)裝置熱效率最高一般只有45%～50%，燃料燃燒產(chǎn)生接近一半的熱量未被利用，這些熱量以各種形式排向大氣，這不僅是能量的浪費(fèi)，更是對(duì)環(huán)境的污染[4]。隨著世界船舶工業(yè)的不斷進(jìn)步、科技的不斷發(fā)展創(chuàng)新，船舶動(dòng)力裝置的主流逐漸向節(jié)能環(huán)保能源以及混合裝置發(fā)展。

2.1 核動(dòng)力裝置

核動(dòng)力裝置是以核反應(yīng)堆來(lái)產(chǎn)生蒸汽，將原子核裂變能作為推進(jìn)動(dòng)力，裝置不斷地冷卻并粘附產(chǎn)生的巨大能量，然后將能量傳遞下去，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)動(dòng)力裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)。首先核燃料具有較高的能量密度，會(huì)使船舶具有更高的續(xù)航力。其次基于核動(dòng)力功率大，耗費(fèi)燃料少的特點(diǎn)，使得核動(dòng)力裝置在核燃料的供應(yīng)、運(yùn)輸和裝載量等方面具有優(yōu)勢(shì)。核動(dòng)力裝置與上述的三種動(dòng)力裝置相比較，其最大的優(yōu)點(diǎn)就是十分環(huán)保，隨著社會(huì)的發(fā)展和綠色生活的興起，環(huán)保的核動(dòng)力裝置將會(huì)有巨大的發(fā)展?jié)摿Αｈb于其在船舶推進(jìn)的應(yīng)用中體現(xiàn)出功率大、耗費(fèi)少、穩(wěn)定性、易控性以及環(huán)保性等特點(diǎn)，所以核動(dòng)力是符合現(xiàn)代船舶發(fā)展的理想動(dòng)力?，F(xiàn)階段，全世界廣泛采用核動(dòng)力裝置，核動(dòng)力裝置的應(yīng)用逐步擴(kuò)大至大功率船舶、大噸位船舶以及潛艇領(lǐng)域中，整體有著相當(dāng)積極的發(fā)展前景[5]。不過(guò)核動(dòng)力裝置技術(shù)要求高，維護(hù)和保養(yǎng)成本高以及核燃料的反射性污染是我們?cè)谑褂脮r(shí)需要考慮的問(wèn)題。

2.2 燃料電池動(dòng)力裝置

燃料電池（FC）是將化學(xué)燃料直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置，燃料電池在船舶中的應(yīng)用主要是指利用電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)化學(xué)物質(zhì)自電能轉(zhuǎn)換。1992年，荷蘭就明確規(guī)定了使用熔融后的碳酸燃料電池系統(tǒng)作為今后20年的船舶推進(jìn)動(dòng)力裝置設(shè)計(jì)方案[6]。而目前的燃料電池大多數(shù)是使用氫氣作為主要燃料，其工作原理主要是將氫氣正極運(yùn)送電子到電池負(fù)極，經(jīng)過(guò)催化劑作用，氫原子的兩個(gè)正極電子就會(huì)分離，被正極電流吸引，電子經(jīng)過(guò)外部整流電路時(shí)產(chǎn)生電流。此燃料電池轉(zhuǎn)換效率高，因?yàn)檠鯕饪梢詮目諝庵蝎@得，不用提供，只要不斷給負(fù)極提供氫，就可以保持持續(xù)供電。

燃料氫化電池產(chǎn)品具有良好的品質(zhì)：節(jié)能環(huán)保、壽命長(zhǎng)、易于操作、高能效、低噪音等性能特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于中小型水上游覽使用船舶、軍事使用船舶、LNG船舶、以及科學(xué)考察船舶動(dòng)力系統(tǒng)中。但是燃料電池仍然存在著制造成本高、燃料電池的供給難度系數(shù)相對(duì)較大、儲(chǔ)氫和脫硫技術(shù)成熟程度不夠等一些問(wèn)題，在一定程度上限制了其動(dòng)力裝置的廣泛應(yīng)用。

2.3 混合動(dòng)力裝置

隨著船舶動(dòng)力裝置技術(shù)的不斷發(fā)展，新型混合動(dòng)力裝置成為當(dāng)前熱門的船舶動(dòng)力裝置?；旌鲜酱皠?dòng)力系統(tǒng)是一種泛指同時(shí)應(yīng)用兩種及兩種以上的動(dòng)力能量綜合資源或動(dòng)力存儲(chǔ)設(shè)備，為大型船舶航行提供動(dòng)力推動(dòng)和作用力的綜合支撐。它于20世紀(jì)70年代從傳統(tǒng)軸帶式柴油發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上逐漸開始發(fā)展。新型現(xiàn)代混合動(dòng)力裝置是通過(guò)傳動(dòng)耦合柴油機(jī)（氣體機(jī)）與電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)，或者具有一種以上電力來(lái)源（如柴油機(jī)發(fā)電、氣體機(jī)發(fā)電、燃料電池、太陽(yáng)能、風(fēng)能、鋰電池、超級(jí)電容等）的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)[7]。混合動(dòng)力裝置在目前技術(shù)條件支持下，發(fā)展空間與潛力是非常巨大。但是針對(duì)混合動(dòng)力系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究還不夠完善，如變頻器的應(yīng)用、機(jī)槳匹配特性、安全保護(hù)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)等。

3? 船舶動(dòng)力裝置發(fā)展趨勢(shì)

在遭遇資源與環(huán)境污染雙重危機(jī)的今天，隨著科學(xué)技術(shù)的更新與發(fā)展，如何促使船舶實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排這個(gè)問(wèn)題迫在眉睫。減少對(duì)海洋的污染、降低船舶在海上航行中的成本和緩解對(duì)不可再生能源的影響，這些問(wèn)題目前正被作為船舶開發(fā)與研究的課題重點(diǎn)，以下介紹兩種較為有發(fā)展前景的船舶動(dòng)力裝置。

3.1 鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)

磷酸鐵鋰具有良好的電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，其具有高安全性和長(zhǎng)循環(huán)壽命的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合船舶對(duì)安全性要求高、對(duì)空間重量要求相對(duì)溫和的實(shí)際應(yīng)用特點(diǎn)，磷酸鐵鋰電池在未來(lái)將成為船舶動(dòng)力的主流選擇。而三元鋰電池具有高能量密度和高電壓等特點(diǎn)，可滿足有高能量密度需求的船舶。鋰電池在船上的應(yīng)用將是混合動(dòng)力系統(tǒng)和純電池動(dòng)力系統(tǒng)并行發(fā)展的局面?；旌蟿?dòng)力方面，基于內(nèi)燃機(jī)的混合動(dòng)力系統(tǒng)將向基于燃料電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)發(fā)展;純電池動(dòng)力方面，將從以磷酸鐵鋰電池為主向磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池及其他新型電池并存的格局發(fā)展[8]，具有綜合性能和成本雙重優(yōu)勢(shì)的多元材料逐漸被學(xué)者關(guān)注，逐步超越磷酸鐵鋰和錳酸鋰成為主流的技術(shù)路線，其在未來(lái)具有應(yīng)用于船舶動(dòng)力發(fā)展的潛能。但是動(dòng)力鋰電池在船舶上的應(yīng)用仍然缺乏普遍性，全電池動(dòng)力船舶大多尚屬試驗(yàn)性應(yīng)用，相關(guān)船舶規(guī)范也處于不斷推出并完善的階段[9]。但隨著航運(yùn)業(yè)節(jié)能及環(huán)保要求的提高，鋰電池動(dòng)力船舶將會(huì)有廣闊的發(fā)展前景。

3.2 鈉離子電池動(dòng)力系統(tǒng)

由于鋰源的有限以及其不斷上漲的價(jià)格，限制了未來(lái)鋰電池動(dòng)力系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用在船舶動(dòng)力裝置中。從降低材料的成本和考慮可用金屬儲(chǔ)量的角度來(lái)看，為了實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，發(fā)展新型的可替代鋰電池的動(dòng)力系統(tǒng)迫在眉睫。

鈉離子電池（Sodium-ion battery），是一種二次電池（充電電池），主要依靠鈉離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作，與鋰離子電池工作原理相似。鈉離子電池使用的電極材料主要是鈉鹽，相較于鋰鹽而言儲(chǔ)量更豐富，價(jià)格更低廉。而且由于鈉離子比鋰離子更大，所以當(dāng)對(duì)重量和能量密度要求不高時(shí)，鈉離子電池是一種劃算的替代品。因此，發(fā)展鈉離子電池來(lái)替代鋰電是非常合理并具有可行性的方案。不過(guò)現(xiàn)有鈉離子電池的最大缺點(diǎn)是，要太長(zhǎng)時(shí)間充電和放電。放電慢供應(yīng)不了高功率的應(yīng)用。一般，充/放電率和容量之間有個(gè)權(quán)衡，企圖增加充/放電率，會(huì)引起容量嚴(yán)重下降。

上海交通大學(xué)馬紫峰教授研究小組從工業(yè)化應(yīng)用角度出發(fā)，采用氧化石墨烯對(duì)[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2電極進(jìn)行修飾改性，制備了無(wú)粘結(jié)劑的高電導(dǎo)特性的柔性電極，在0.1C至10C充放循環(huán)條件下，獲得良好的容量和循環(huán)性能。在國(guó)際上首次將該材料與硬碳負(fù)極材料制備了儲(chǔ)能型鈉離子電池的原型電池，其能量密度達(dá)到了81.72Wh/kg，是鉛酸電池的2倍，為儲(chǔ)能型鈉離子電池工業(yè)化奠定良好的技術(shù)基礎(chǔ)。

隨著動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，人們對(duì)二次電池的要求也從小型電子設(shè)備向高能量密度，大功率的需求邁進(jìn)。相信在未來(lái)，發(fā)展成熟的鈉離子電池動(dòng)力系統(tǒng)將會(huì)在船舶中得到普遍應(yīng)用。

3.3 LNG動(dòng)力系統(tǒng)

伴隨著現(xiàn)代社會(huì)人們環(huán)保意識(shí)的不斷提高和增強(qiáng)，對(duì)于我國(guó)船用動(dòng)力系統(tǒng)廢氣排放量的限制也日益嚴(yán)格，學(xué)者們?cè)趯?duì)船舶動(dòng)力設(shè)備的研究上不斷地深入研究，尋求新理念和技術(shù)方面的突破，船舶動(dòng)力設(shè)備相關(guān)理論的探討將液化天然氣（LNG）作為了新理念和技術(shù)的關(guān)鍵。在2003年， sodf雙燃料渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)被瓦錫蘭集團(tuán)公司引入，之后，又有越來(lái)更多的全球性和國(guó)際知名發(fā)動(dòng)機(jī)造船廠商，例如卡特彼勒公司、曼公司等紛紛參與了進(jìn)入雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工程中，并且已經(jīng)取得了一定的實(shí)踐和成績(jī)。目前，利用少量的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在船舶動(dòng)力裝置中[10]。此外，選用天然氣為主要驅(qū)動(dòng)載體，將會(huì)大大提高船舶的環(huán)保性能。此外，價(jià)格上也比傳統(tǒng)的燃料便宜，天然氣引擎和柴油機(jī)相比，更加安全和經(jīng)濟(jì)，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)具有很高的保值率，在今后必定會(huì)得到更高的突破。但是由于LNG動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)、審驗(yàn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足，加之各設(shè)備廠家獨(dú)立生產(chǎn)供貨，導(dǎo)致在建造或改造LNG燃料動(dòng)力船舶過(guò)程中存在問(wèn)題，限制了船舶應(yīng)用LNG技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

4? 總結(jié)

船舶動(dòng)力裝置在船舶建造中占著較大比重，其建造與設(shè)計(jì)關(guān)系著船舶的航行、安全、經(jīng)濟(jì)性能。船舶動(dòng)力裝置的研究發(fā)展是推動(dòng)船舶的發(fā)展的重要因素之一，是船舶建造的核心內(nèi)容，在未來(lái)的發(fā)展，相信船舶動(dòng)力裝置在新能源利用以及智能化方面會(huì)大放異彩。

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