船舶電力推進系統(tǒng)綜述報告

船舶電力推進系統(tǒng)綜述報告***-*****4017一、船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展船舶電力推進系統(tǒng)已有近百年歷史，但是由于受各種因素制約，發(fā)展緩慢，且大多數(shù)只應用在特種船舶上。從20世紀80年代起，供電系統(tǒng)、推進電機和微電子及信息技術的迅猛發(fā)展，使船舶電力推進裝置打破了長期徘徊局面，得到了大力的發(fā)展。電力推進系統(tǒng)基本由機械原動機（柴油機、燃氣輪機或核動力）構成，用以驅動交流發(fā)電機，發(fā)電機再為推進電動機提供動力。電動機可能是直流、交流同步電動機或交流感應電動機。同傳統(tǒng)的機械推進方式相比，采用電力推進系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟性、振動噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯優(yōu)點。船舶綜合全電力推進系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、監(jiān)控和電力管理，是現(xiàn)行船舶平臺的電力和動力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合；它不是電力推進加自動電站的簡單組合，而是從概念到方案、組成、配置、技術等均發(fā)生重大變化，給未來的船舶帶來一場革命。二、電力推進系統(tǒng)的組成船舶電力推進裝置一般由原動機p發(fā)電機p電動機p螺旋槳以及控制單元組成。原動機帶動發(fā)電機，發(fā)電機帶動推進電機，電機驅動螺旋槳，推動船舶航行。因螺旋槳所需功率很大，一般需要設置兩個單獨的電站：推進電機電站和輔機電站，分別給推進電機和輔機供電。目前的原動機一般使用高速或中高速的柴油機，推進裝置一般有直流電力推進和交流電力推進兩種。目前世界上使用電力推進的船舶，主要可分為兩類：一類是電力推進與其他發(fā)動機推進結合的混合推進；另一類是全電力推進，即使用一個電站供電給推進裝置和其他輔助裝置。三、船舶電力推進方式的優(yōu)缺點1.電力推進方式的優(yōu)點（1）操縱靈活，機動性能好，靠離碼頭時可不需拖輪協(xié)助，有更好的經(jīng)濟性；（2）電力推進裝置的操縱由駕駛臺直接控制，應付緊急狀態(tài)能力強，有利于提高安全。（3） 有很好的低速特性，恒功率特性，恒電流特性和陡轉特性；（4） 因省去了主機與螺旋槳之間的軸系以及舵，節(jié)省了大量的空間，可以增加船舶有效空間和有效載荷；（5） 可采用中高速的非反轉原動機，主機的選擇有很大的靈活性；（6）原動機和螺旋槳系柔性連接，使得螺旋槳的轉速不受原動機轉速的限制，彼此都可以工作在最佳狀態(tài)；（7） 噪聲小，震動小，廢氣NOx排放減少；（8） 若采用吊艙式電力推進系統(tǒng)，省去了長軸系，操舵裝置和舵，可不設舵機房，也省去了bowthrouster，減輕了設備的重量，增加了有效載荷。另外，模塊化設計原理使吊艙模塊可以在船舶建造完成時安裝，縮短了建造時間；不需要進塢就可以維修螺旋槳，吊艙裝置可以在水下安裝。2.電力推進方式存在的問題（1） 由于經(jīng)過兩次能量轉換，在電氣能量轉換中，若采用交-直-交變頻調速，還有兩次電能的能量轉換，使得電力推進比傳統(tǒng)推進效率降低。額定工況時，一般直接傳動為：98%，直流電力推進為：85%?90%，交流電機推進為：94%?95%；（2） 初期投資成本較高。例：中遠廣州公司*****t半潛船采用SSP吊艙式電力推進系統(tǒng)，比傳統(tǒng)推進采購費多300萬美元，有資料表明，采用全電力推進比機械推進所需初期費用貴25%左右；（3） 需要高技術的電氣工程師做維修保養(yǎng)工作。四、電力推進的國內外發(fā)展現(xiàn)狀1.國外的發(fā)展狀況世界上采用過電力推進的民船種類繁多，包括：運輸船、海洋開發(fā)用船、工程船、漁業(yè)船舶、拖帶船舶、港務船、農用船等等。近20年以來，船舶電力推進應用達到了空前的繁榮。世界上各大船用設備廠家如ABB、*****、ALSTOM、*****S等公司都已開發(fā)出成套的電力推進系列產品。其中尤以ABB開發(fā)的吊艙式電力推進器AZIPOD最為成功，并得到廣泛應用。AZIPOD是將馬達裝入一個流線型殼體內，螺旋槳置于殼體前段，操作十分方便，可以在很低轉速下運行，又可作為轉向裝置，推進效率高于常規(guī)螺旋槳。如大型旅游船Elation號上裝配有*****kwAZIPOD，其航速比裝有常規(guī)推進的姐妹船快0.5kn,推進效率高8%，回轉半徑減少30%，從全速前進到全速后退僅需20s。從1987年到2021年之間，ABB公司的交流電力推進的裝機總功率達到2318MW，僅吊艙推進總功率就達到826MW。從1980年起，ALSTOM的電力推進系統(tǒng)裝船多達110艘，總裝機超過***-*****kW，動力定位系統(tǒng)裝船已達160多艘，其與瑞典Kamewa公司聯(lián)合開發(fā)的Mermaid推進器，也稱“美人魚”推進器，在最近兩年內完成訂單近40套?！懊廊唆~”電力推進器功率范圍為5-25MW，該系統(tǒng)的獨特設計在于軸封甚至整個吊艙都可以在水下進行更換。2.國內的發(fā)展狀況與國外相比，我國在船舶電力推進應用方面起步較晚。近年來，通過國內船舶行業(yè)各部門的不懈努力，我國民用船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)取得了可喜的成績，目前已應用到海上石油工作船、科考船、貨運船、火車渡輪，以及其他專業(yè)性船舶等方面，舉例如下：2021年，上海愛德華造船有限公司為瑞典公司建造了的“帕勞思佩拉”化學品船，是我國第一次采用POD電力推進系統(tǒng)的船舶。2021年廣船國際為COSCO建造的*****T級半潛船“泰安口”，是中國第一艘自己建造的海洋工程大型特種船舶，采用兩套SSP吊艙電力推進系統(tǒng)，是同類船舶中目前最為先進的首制船。2021年投入試運行的煙大火車渡輪是我國首次自行設計、采用電力推進方式的船舶。同年10月，天津新港造船廠建造的我國首艘采用全電力推進系統(tǒng)的火車滾裝船“中鐵渤海一號”順利交工，該船總噸位達到*****T，這是我國自行設計、建造噸位最大的全電力推進船舶。其它還有912消磁船、浮式生產儲油輪、991水聲測量船、502TEU多用途集裝箱船等等。五.電力推進關鍵技術分析1.綜合電力系統(tǒng)總體技術研究由于綜合全電力系統(tǒng)的設計是當今先進的電力電子技術、交流調速技術、電機制造技術、永磁材料技術、計算機控制技術、原動機技術等的綜合運用，技術含量高。許多不同專業(yè)的各個設備的研制需要相互協(xié)調，功能相當且接口一致。為滿足系統(tǒng)和總體的需求，需要全面、綜合、系統(tǒng)、深入地開展研究，對各子系統(tǒng)提出要求，確保這一復雜工程有序、順利的開展。綜合電力系統(tǒng)各個模塊是否運行良好并相互協(xié)調以發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能，是事關整個系統(tǒng)優(yōu)劣和良好運行的關鍵。因此需要開展構成綜合電力系統(tǒng)的各個模塊，以及各模塊集成的技術研究，主要包括：發(fā)電模塊關鍵技術研究，包括原動機的選擇和新型原動機的研制，高功率、高能量密度的交流或直流發(fā)電機的研制，全船環(huán)形電網(wǎng)關鍵技術的研究等。配電模塊關鍵技術研究，主要包括區(qū)域配電模式研究等。電力變換模塊關鍵技術研究，主要包括大容量電能變換技術研究，中、高壓電網(wǎng)的安全性研究等。電力控制模塊關鍵技術研究，主要包括電力系統(tǒng)智能化綜合監(jiān)控與管理技術研究等。推進電機模塊關鍵技術研究，主要包括現(xiàn)有推進電機應用系統(tǒng)的研究，新型推進電機及其應用系統(tǒng)的可行性研究等。能量儲存模塊關鍵技術研究。開展新型儲能技術，如超導儲能技術、蓄電池儲能技術、飛輪儲能技術研究以及能量管理模式研究，可提高船舶電力系統(tǒng)的可靠性和供電品質。系統(tǒng)集成技術研究。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，因此應開展包括系統(tǒng)模塊化及綜合優(yōu)化技術、系統(tǒng)綜合智能監(jiān)控技術、系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術、系統(tǒng)保護技術、系統(tǒng)綜合智能管理等技術的研究。2.推進電機技術研究推進電機是綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分。永磁推進電動機機相比，具有體積小、重量輕、高比功率、效率高、噪聲低、易于實現(xiàn)集中遙控、可靠性高、可維護性好等優(yōu)點，是船舶推進電機的理想選擇，目前大部分船舶電力推進裝置都采用永磁同步電機。隨著高溫超導材料的發(fā)展，為超導電機的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。作為艦船推進用的高溫超導電機與普通感應電機相比具有極為突出的優(yōu)越性，主要有：提高功率密度，減小電機質量和體積，在整個功率范圍內都具有不變的高效率等。高溫超導電機很適合應用于吊艙式電力推進裝置。2021年7月，美國超導公司宣布世界上第一臺3.7MW，1800r/min高溫超導同步電機研制成功，其應用對象是海軍艦船和商業(yè)船舶。3.綜合電力系統(tǒng)適裝性技術研究綜合電力系統(tǒng)裝備船舶，不僅需要研究其與船舶總體的關系，還應考慮其與船上其它系統(tǒng)、設備的關系。主要需要開展以下方面的研究船舶的適裝性問題，并研究與此相關的對船舶安全性、可靠性等的影響，以及系統(tǒng)對船舶海洋環(huán)境的適裝性問題等，解決系統(tǒng)內部及與其它船用電子設備之間的電磁兼容性問題。六、推進電機技術研究現(xiàn)代艦船電力推進系統(tǒng)的基本組成一般來說，綜合電力推進系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)、推進電機和螺旋槳等幾個環(huán)節(jié)組成。艦船若采用綜合全電力系統(tǒng)，艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡的容量則將數(shù)倍的增加，這對供配電系統(tǒng)提出了更高的要求。本文主要從影響推進電機技術發(fā)展的幾個關鍵技術出發(fā)，分析目前國內外針對推進電機技術開展的研究工作、取得的進展和推進電機技術的主要發(fā)展趨勢?，F(xiàn)代艦船電力推進系統(tǒng)中推進電機需要考慮的幾項主要性能指標關于電力推進討論的一個關鍵因素就是推進電機的型式。從艦船用電力推進系統(tǒng)的應用角度出發(fā)，對推進電機技術關注的主要有以下幾個問題：（1）推進電機的功率等級、效率和轉矩密度；（2）推進電機的功率一體積密度；（3）推進電機的功率一重量密度；（4）推進電機的特征信號和抗沖擊性能；（5）推進電機的可靠性和使用維護性；（6）推進電機的研制風險和單位投入等。大型艦艇電力推進系統(tǒng)可能采用的推進電機主要包括五種類型：電勵磁同步電機、永磁電機（包括徑向磁通永磁電機、軸向磁通永磁電機、橫向磁通永磁電機）、先進感應電機、高溫超導電機和單極電機等。每種電機各有其優(yōu)勢和不足，在選擇推進電機種類時需要考慮多方面的因素，具體采用哪種電機合適，目前各國都仍處在論證研究階段，尚無定論。3.推進電機的特征信號和抗沖擊性能對艦船用推進電機來說，我們關心的主要有它通過電機安裝裝置傳給艦船的徑向震動信號和環(huán)向震動信號，通過螺旋槳傳輸?shù)呐ぞ卣饎有盘?。然而要準確預測特定推進電機的震動信號是很困難的。而且，這些信號還與所使用的控制方式、變流器的諧波成分、電機的相數(shù)和繞線方法等結構特征都有關系。一般來說，永磁電機的特征信號要小于電勵磁同步電機和感應電機，高溫超導電機則更佳。通常，徑向震蕩加速度可以作為最重要的抗沖擊性能。為計算不同電機的機械震蕩響應，需要估計螺旋槳、電機定子的靜態(tài)徑偏差。七、結束語艦船綜合電力推進系統(tǒng)是需求牽引和技術推動的產物，它涵蓋從IPS、IFEP及AES到電力戰(zhàn)艦的多種概念，代表一個不斷發(fā)展的新技術領域。綜合電力推進已成為21世紀船舶全面提升操縱性、可靠性、維修性、保障性、安全性等問題的關鍵，大力發(fā)展船舶綜合電力推進技術研究，是我國海洋大國發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求。為此必須充分發(fā)揮研究院、院校等多方面力量，加快綜合電力推進關鍵技術研究的步伐，通過必要的設備和技術引進，努力縮短與先進水平的差距，實現(xiàn)我國船舶的跨越式發(fā)展。大型艦艇電力推進系統(tǒng)可能采用的推進電機主要包括五種類型：電勵磁同步電機、永磁電機（包括徑向磁通永磁電機、軸向磁通永磁電機、橫向磁通永磁電機）、先進感應電機、高溫超導電機和單極電機等。每種電機各有其優(yōu)勢和不足，在選擇推進電機種類時需要考慮多方面的因素，具體采用哪種電機合適，目前各國都仍處在論證研究階段，尚無定論。3.推進電機的特征信號和抗沖擊性能對艦船用推進電機來說，我們關心的主要有它通過電機安裝裝置傳給艦船的徑向震動信號和環(huán)向震動信號，通過螺旋槳傳輸?shù)呐ぞ卣饎有盘枴Ｈ欢獪蚀_預測特定推進電機的震動信號是很困難的。而且，這些信號還與所使用的控制方式、變流器的諧波成分、電機的相數(shù)和繞線方法等結構特征都有關系。一般來說，永磁電機的特征信號要小于電勵磁同步電機和感應電機，高溫超導電機則更佳。通常，徑向震蕩加速度可以作為最重要的抗沖擊性能。為計算不同電機