王正甲 張 琳 顧偉杰

（1.上海交通大學(xué)，上海200030；2.上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前言

船舶電力推進(jìn)應(yīng)用至今已經(jīng)有一百多年的歷史。早在1911年和1918年，美國就先后建成了一艘往復(fù)式蒸汽機(jī)交流電力推進(jìn)航空母艦和一艘汽輪機(jī)交流電力推進(jìn)戰(zhàn)列艦“新墨西哥”號，總軸功率分別達(dá)到4 000 kW和22 000 kW［1］。與傳統(tǒng)的由柴油機(jī)直接帶動螺旋槳的推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)不僅可以提高船舶的機(jī)動性和操縱性，而且可以使機(jī)艙布置更靈活，增加船舶載重量等。因此，隨著電力電子技術(shù)、交流調(diào)速理論、微機(jī)控制技術(shù)和電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大，目前已廣泛應(yīng)用于破冰船、挖泥船、勘探測量船、渡輪等，顯示出良好的應(yīng)用前景。

然而，電力推進(jìn)在運輸船上的應(yīng)用還比較少，主要是因為采用電力推進(jìn)的初投資比較高，并且傳統(tǒng)觀念普遍認(rèn)為采用電力推進(jìn)方式時，因存在兩次能量轉(zhuǎn)換，其效率低于機(jī)械推進(jìn)方式［2］。本文在某采用傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)方式的自卸散貨船基礎(chǔ)上進(jìn)行研究探討，分析其采用電力推進(jìn)的優(yōu)劣性，希望通過該方式，將電力推進(jìn)方式推廣到更多的運輸船上應(yīng)用。

1 船型簡介

該自卸散貨船為已建成并投入運營的成熟船型，采用柴油機(jī)驅(qū)動定距螺旋槳的推進(jìn)方式，單機(jī)單槳，配備的主機(jī)為B&W6S60MC，主機(jī)額定功率為10 784 kW×94 r/min，常用功率為9 706 kW×90.8 r/min。由于船舶配有自卸裝置，該船的電站配置如表1。

表1 自卸散貨船電站配置表

電站在典型工況下的使用情況如表2。

由表2可知，電站配置的2臺1 300 kW發(fā)電機(jī)，僅在進(jìn)出港使用首側(cè)推時使用1臺，在裝卸貨時使用2臺，在航行過程中均處于備機(jī)狀態(tài)；而2臺625kW發(fā)電機(jī)，也僅僅在進(jìn)出港時會使用2臺，其他情況均只需使用1臺，設(shè)備的利用率處于較低水平。

表2 自卸散貨船機(jī)械推進(jìn)方式下的電力負(fù)荷表

2 電力推進(jìn)方案電站配置

在保持該船各項性能參數(shù)不變的前提下，采用電力推進(jìn)方案后，該船的電站配置可以做出調(diào)整，如表3所示。

表3 電力推進(jìn)自卸散貨船電站配置表

根據(jù)該船機(jī)械推進(jìn)方式下的電力負(fù)荷情況，可得出該船采用電力推進(jìn)后的電力負(fù)荷基本情況如表4所示。

3 可行性分析

采用電力推進(jìn)后，該船電站運行的靈活性及冗余性大大提高。根據(jù)船級社要求，電力推進(jìn)船舶在1臺發(fā)電機(jī)組不工作時，剩余的機(jī)組應(yīng)能向所有重要設(shè)備和船舶常用設(shè)備供電，同時應(yīng)維持有效推進(jìn)，即應(yīng)保證船舶航速不小于7 kn或設(shè)計航速的一半，兩者中取大者［3］。該配置方案完全能滿足規(guī)范的要求。

配電設(shè)備為滿足安全性和冗余性的要求，主配電板可采用兩段6.6 kV主匯流排的設(shè)計。通過計算得知在該船電站、電力推進(jìn)、首側(cè)推、自卸設(shè)備均采用6.6 kV的動力設(shè)備時，各級匯流排的短路電流如表5所示。在目前的技術(shù)條件下，供應(yīng)商提供符合相應(yīng)要求的配電系統(tǒng)設(shè)備不存在技術(shù)難度。在具體實施時，也可根據(jù)設(shè)備重量、造價等因素綜合考慮后確定中壓系統(tǒng)的電壓等級。

表5 各級匯流排短路電流

對于推進(jìn)部分設(shè)備的選擇，可以采用單機(jī)單槳的方案（如圖1），也可采用雙機(jī)雙槳的方案（見圖2），均能滿足相關(guān)規(guī)范的要求。該船的推進(jìn)功率約為10 MW，目前國際上知名的ABB、西門子、瓦錫蘭等，均能提供相應(yīng)的設(shè)備。對于電力推進(jìn)船舶涉及到的諧波問題，也均有了很好的解決辦法，如采用多脈整流及準(zhǔn)多脈整流、脈寬調(diào)制技術(shù)、有源功率因數(shù)校正器等［4］。

國內(nèi)目前也有廠家已具備5 MW以下永磁電力推進(jìn)系統(tǒng)及20 MW以下交流電力推進(jìn)系統(tǒng)的供貨能力。其電力推進(jìn)系統(tǒng)的型式稍有不同，如圖3所示。該系統(tǒng)采用十五相電機(jī)作為推進(jìn)電機(jī)，十五相電機(jī)通過三個通道，經(jīng)三個五相變頻器驅(qū)動，系統(tǒng)的冗余性更高，且三個推進(jìn)變壓器一次側(cè)有10°的相角差，與三個五相變頻器組合起來相當(dāng)于提供了虛擬的36脈沖整流，更大程度的降低了電網(wǎng)側(cè)的諧波。

圖1 單槳船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成簡圖

圖2 雙槳船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成簡圖

圖3 國產(chǎn)電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成簡圖

4 經(jīng)濟(jì)性分析

通過前述的分析，可知采用機(jī)械推進(jìn)和電力推進(jìn)時，該自卸散貨船的總裝機(jī)功率如表6所示。

表6 自卸散貨船機(jī)械推進(jìn)及電力推進(jìn)時的裝機(jī)功率比較

由表6可知，若采用電力推進(jìn)，該船的總裝機(jī)功率可以減少2 534 kW（近17%），即使考慮電力推進(jìn)船舶的建造成本普遍比傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)的成本要高，從減少的裝機(jī)功率來看，電力推進(jìn)也不失為一種極具吸引力的方案。若考慮采用國產(chǎn)的電力推進(jìn)設(shè)備，如七一二所供應(yīng)的電力推進(jìn)設(shè)備，初投資成本可以進(jìn)一步減小。

另一方面，若采用電力推進(jìn)，電站運行的靈活性提高，通過適當(dāng)?shù)耐肚性诰W(wǎng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量，可以保證動力系統(tǒng)較長時間運行在高效率的狀態(tài)，從而提高船舶的燃油經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)語

隨著電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)以及電力推進(jìn)設(shè)備國產(chǎn)化等其他各方面的進(jìn)展，相信在不久的將來，電力推進(jìn)設(shè)備的制造和應(yīng)用成本會進(jìn)一步降低。電力推進(jìn)作為一種先進(jìn)的船舶推進(jìn)技術(shù)，也必然會在船舶建造領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。但不可否認(rèn)的是，目前來說，電力推進(jìn)在一般的常規(guī)運輸船上的應(yīng)用還不具備很大的優(yōu)勢。本文以自卸散貨船著眼，探討在船舶電站功率較大且并非主要用于航行工況時考慮采用電力推進(jìn)的可能性，為電力推進(jìn)技術(shù)在船舶建造領(lǐng)域的應(yīng)用提供一條探索途徑。

［1］李玉生.全電力推進(jìn)在艦船上的應(yīng)用及其展望［J］.船電技術(shù)，2005（2）：1-3.

［2］陳新毅，楊燁.船舶電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展概述［J］.中國水運，2008（8）：48-49.

［3］中國船級社.鋼制海船入級規(guī)范，第五分冊［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］羅成漢，陳輝.電力推進(jìn)船舶電力系統(tǒng)中的諧波［J］.船舶工程，2007（1）：69-72.