船舶電力推進(jìn)技術(shù)概況

船舶電力推進(jìn)技術(shù)概況船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)代表著當(dāng)今船舶動(dòng)力的發(fā)展方向。傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)方式是利用原動(dòng)機(jī)直接推進(jìn)，而船舶電力推進(jìn)則由原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，經(jīng)變頻器把滿足要求的電流送到推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)螺旋槳的推進(jìn)方式。跟傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。電力推進(jìn)的特點(diǎn)以柴油機(jī)和汽輪機(jī)為主的傳統(tǒng)型船舶，發(fā)動(dòng)機(jī)占據(jù)空間過大、工作環(huán)境差、振動(dòng)大、噪聲高、油污多、廢氣排放影響空氣質(zhì)量。另外由于主機(jī)大而高，系統(tǒng)復(fù)雜，增加維護(hù)難度，加重維護(hù)工作量（輪機(jī)人員往往占船員的30%-45%）。[4]船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)后，提高了柴油機(jī)效率約10%-15%，節(jié)約了維修保養(yǎng)費(fèi)，顯著提高船體空間利用率，同時(shí)船型優(yōu)化，提供了安靜的推進(jìn)方式，并且通過柴油機(jī)在大于40%的負(fù)載勻速運(yùn)轉(zhuǎn)來減少了NOx和SOx的排放[4]。除此之外，電力推進(jìn)系統(tǒng)還將提高船舶的機(jī)動(dòng)性、可靠性和電站的可利用率。1.1電力推進(jìn)船相對(duì)于機(jī)械推進(jìn)船的主要優(yōu)勢(shì)在于：⑴機(jī)動(dòng)性能好。由于電動(dòng)機(jī)的控制性能優(yōu)于傳統(tǒng)的熱力機(jī)械，電力推進(jìn)船舶的機(jī)動(dòng)性能較好，還具有緊急停車時(shí)滑行距離短、小角度回轉(zhuǎn)和快速響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。⑵機(jī)艙小、布置靈活，可增加船舶的載貨載客能力。電力推進(jìn)系統(tǒng)減少了尾軸、舵、傳動(dòng)裝置以及熱力系統(tǒng)所需要的大量輔機(jī)，節(jié)省了艙容。⑶推進(jìn)效率高。由于吊艙式結(jié)構(gòu)省去了舵，所以與傳統(tǒng)的定距漿（特別是大功率船舶用雙槳時(shí)）相比推進(jìn)效率提高了6%-10%。最近ABB和韓國三星船廠曾對(duì)一萬箱的集裝箱船舶進(jìn)行了技術(shù)和經(jīng)濟(jì)論證，其結(jié)論是“對(duì)于電力推進(jìn)船而言，推進(jìn)效率與艙容的增加已抵消電力推擠裝置初投資的增加和二次換能損耗”。[5]⑷節(jié)能、環(huán)保。減少各種燃油、滑油的消耗；減少廢氣排放和震動(dòng)噪聲污染。⑸適合于特種船舶的應(yīng)用。如戰(zhàn)艦、移動(dòng)式平臺(tái)、破冰船等。這些船舶航行時(shí)一般不使用其他大功率的電力設(shè)備，若使用，則不航行，電站就獲得了很高的使用率。1.2同時(shí)電力推進(jìn)存在的缺點(diǎn)⑴經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，在電氣能量轉(zhuǎn)換中，若采用交-直-交變頻調(diào)速，還有兩次電能的能量轉(zhuǎn)換，使得電力推進(jìn)比傳統(tǒng)推進(jìn)效率低。額定工況時(shí)，一般直接傳動(dòng)為98%，直流電力推進(jìn)為85%?90%,交流電機(jī)推進(jìn)為94%?95%；⑵初期投資成本較高。例如中遠(yuǎn)廣州公司18000t半潛船采用SSP吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)推進(jìn)采購費(fèi)多300萬美元，有資料表明，采用全電力推進(jìn)比機(jī)械推進(jìn)所需初期費(fèi)用貴25%左右；[2]⑶需要高技術(shù)的電氣工程師做維修保養(yǎng)工作。電力推進(jìn)裝置結(jié)構(gòu)目前世界上使用電力推進(jìn)的船舶，主要分兩類：一類是電力推進(jìn)與其他發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)結(jié)合的混合推進(jìn)，例如英國23型護(hù)衛(wèi)艦；另一類是全電力推進(jìn)，即使用一個(gè)電站供電給推進(jìn)裝置和其他輔助裝置，例如美國DD21水面艦艇。[2]混合電力推進(jìn)的發(fā)電機(jī)是由其他源動(dòng)力提供能源，然后發(fā)電機(jī)供電能給電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)（或電動(dòng)機(jī)組）再帶動(dòng)船舶螺旋槳旋轉(zhuǎn)。例如英國海軍“諾福克”號(hào)護(hù)衛(wèi)艦的柴油發(fā)電機(jī)組和燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合裝置的布置方案。綜合電力系統(tǒng)也稱為集成（全）電力驅(qū)動(dòng)，是一種既為電力驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力，同時(shí)也為艦船日用用電系統(tǒng)提供電源的一種方式。全電力艦船指的是具有綜合電力系統(tǒng)的船舶，不僅螺旋槳，而且所有的傳動(dòng)裝置（如泵、絞車、閥門、舵，等等）都依靠電能工作，而不是采用機(jī)械的、氣動(dòng)的或液壓的能量。如圖1所示：原動(dòng)機(jī)Y帶動(dòng)發(fā)電機(jī)G，發(fā)電機(jī)G帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)M，電機(jī)M驅(qū)動(dòng)螺旋槳J，從而推動(dòng)船舶航行。因螺旋槳所需功率很大，一般需要設(shè)置兩個(gè)單獨(dú)的電站：推進(jìn)電機(jī)電站和輔機(jī)電站，分別給推進(jìn)電機(jī)和輔機(jī)供電。關(guān)鍵技術(shù)為實(shí)現(xiàn)船舶的電力推進(jìn)要解決一系列技術(shù)問題，其中比較關(guān)鍵的有如下幾點(diǎn)：：3.1電力系統(tǒng)總體技術(shù)研究綜合全電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)今各種先進(jìn)技術(shù)的綜合運(yùn)用，技術(shù)含量高。綜合電力系統(tǒng)各個(gè)模塊需要運(yùn)行良好并相互協(xié)調(diào)以發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能。各個(gè)模塊的研究主要包括：⑴發(fā)電模塊：包括原動(dòng)機(jī)的選擇和新型原動(dòng)機(jī)的研制，高功率、高能量密度的交流或直流發(fā)電機(jī)的研制，全船環(huán)形電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究等；⑵配電模塊，包括區(qū)域配電模式研究等；⑶電力變換模塊：包括大容量電能變換技術(shù)研究，中、高壓電網(wǎng)的安全性研究等；⑷電力控制模塊：包括電力系統(tǒng)智能化綜合監(jiān)控與管理技術(shù)研究等；⑸推進(jìn)電機(jī)模塊：包括現(xiàn)有推進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于系統(tǒng)研究，新型推進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用于系統(tǒng)的可行性研究等；⑹能量?jī)?chǔ)存模塊：為了提高電力系統(tǒng)的供電可靠性及供電品質(zhì)，保障船舶安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)電力總線為某一設(shè)備提供電功率時(shí)，為避免對(duì)其它電氣設(shè)備的影響，可使用中間儲(chǔ)能設(shè)備來維持總線的穩(wěn)定性。因此應(yīng)開展新型儲(chǔ)能技術(shù)，如超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)以及能量管理模式研究等；⑺系統(tǒng)集成技術(shù)：系統(tǒng)集成的核心在于系統(tǒng)的綜合優(yōu)化和系統(tǒng)的控制與管理，因此應(yīng)開展包括系統(tǒng)模塊化及綜合優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)綜合智能監(jiān)控技術(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)、系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)、系統(tǒng)綜合智能管理等技術(shù)的研究。3.2推進(jìn)電機(jī)技術(shù)研究推進(jìn)電機(jī)是綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分。美、英海軍目前采用感應(yīng)推進(jìn)電機(jī)，正在研制永磁電機(jī)，下一步將研制超導(dǎo)電機(jī)。電力推進(jìn)的一個(gè)主要研究?jī)?nèi)容是推進(jìn)電機(jī)交流化，其核心是電力變換器與交流推進(jìn)電機(jī)的技術(shù)組合。直流推進(jìn)電機(jī)已無法滿足日益增大的電力船舶對(duì)推進(jìn)電機(jī)單機(jī)容量的需求，各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展成熟，使得交流電力推進(jìn)系統(tǒng)取代直流電力推進(jìn)系統(tǒng)已是大勢(shì)所趨。永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)與傳統(tǒng)推進(jìn)電機(jī)相比，具有體積小、重量輕、高比功率、效率高、噪聲低、易于實(shí)現(xiàn)集中遙控、可靠性高、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)。3.3綜合電力系統(tǒng)適裝性技術(shù)研究綜合電力系統(tǒng)裝備船舶不僅需要研究其與船舶總體的關(guān)系，還應(yīng)考慮其與船上其它系統(tǒng)、設(shè)備的關(guān)系。需主要開展以下方面的研究：系統(tǒng)裝備于船舶的適裝性問題，并研究與此相關(guān)的對(duì)船舶安全性、可靠性影響及系統(tǒng)對(duì)船舶海洋環(huán)境的適裝性問題等；解決系統(tǒng)內(nèi)部及與其它船用電子設(shè)備之間的電磁兼容性問題，動(dòng)力是船舶的心臟。結(jié)語船舶電力推進(jìn)是現(xiàn)在世界船舶的研究熱點(diǎn)，也是今后船舶的發(fā)展方向。動(dòng)力不只是船舶的