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        淺談艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)

        2014-05-07 03:19:22朱煒
        船電技術(shù) 2014年12期
        關(guān)鍵詞:艦船系統(tǒng)發(fā)展

        朱煒

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        淺談艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)

        朱煒

        (海軍駐上海滬東中華造船(集團(tuán))有限公司軍事代表室,上海 200129)

        本文詳細(xì)闡述了艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的內(nèi)涵和特點,主要分析了以美、英兩國海軍為代表的國外海軍綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及其涉及到的推進(jìn)電動機(jī)、變流器等關(guān)鍵技術(shù),并提出了我國在發(fā)展綜合電力推進(jìn)技術(shù)過程中存在且需解決的一些問題。

        綜合電力推進(jìn) 電力推進(jìn)系統(tǒng) 推進(jìn)電動機(jī) 變流器

        0 引言

        艦船電力推進(jìn)已有了一百多年的歷史,傳統(tǒng)的電力推進(jìn)是一種由原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電,經(jīng)變頻器供電給推進(jìn)電動機(jī),從而驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)方式(如下圖1所示)。

        20世紀(jì)80年代以來,隨著電力電子器件以及變頻調(diào)速等技術(shù)的迅速發(fā)展,綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的概念應(yīng)運而生了。艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)(又稱綜合電力系統(tǒng))是指將電力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來,由共同的發(fā)電機(jī)組供電,實現(xiàn)能源綜合利用和統(tǒng)一管理,滿足所有負(fù)荷如推進(jìn)系統(tǒng)、日用負(fù)載、通信導(dǎo)航負(fù)載以及艦載武器需要的一種全電力系統(tǒng)。艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)由于其固有的優(yōu)勢已成為艦船動力系統(tǒng)發(fā)展的趨勢,同時也是海軍高新技術(shù)裝備發(fā)展的重要方向。

        圖1 典型的電力推進(jìn)示意圖

        (a:原動機(jī);b:發(fā)電機(jī);c:變壓器;d:變頻器;e:電動機(jī);f:推進(jìn)器)

        1 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)

        1.1 發(fā)展歷程

        艦船電力推進(jìn)的發(fā)展經(jīng)歷了從機(jī)械傳動到電力推進(jìn)再到綜合電力推進(jìn)的過程。

        1838年,俄國科學(xué)家雅柯賓首次用直流電機(jī)和蓄電池,應(yīng)用于1艘小船的動力試驗,形成“電力推進(jìn)”的概念。1860年,世界上第一艘以蓄電池為動力,電動機(jī)直接驅(qū)動的電力推進(jìn)潛水艇投入使用。1908年,美國建造的第一艘以直流電力推進(jìn)作為主動力的消防船,開創(chuàng)了艦船電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用的先河。進(jìn)入20世紀(jì),大部分潛水艇都采用電力推進(jìn)方式,常規(guī)潛水艇在水面航行時由柴油發(fā)電機(jī)組給蓄電池充電,并向電動機(jī)供電驅(qū)動航行;在水下由蓄電池供電,電動機(jī)驅(qū)動航行;核潛艇則采用原子能發(fā)電,電動機(jī)驅(qū)動的推進(jìn)方式。

        蘭利號(CV-1)是美國海軍第一艘由運煤船改裝的往復(fù)蒸汽機(jī)交流電力推進(jìn)航母,據(jù)統(tǒng)計,二戰(zhàn)期間僅美國就建造了300多艘柴油機(jī)-發(fā)電機(jī)-電動機(jī)驅(qū)動模式的戰(zhàn)艦和軍輔船;戰(zhàn)后,電力推進(jìn)因受裝置本身大而笨重、效率低、成本高及其他技術(shù)條件的限制,未能得到廣泛應(yīng)用。

        上世紀(jì)80 年代以來,艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用情況發(fā)生了根本性變化。一方面是各國對軍艦的作戰(zhàn)能力、舒適性和操縱性等的要求進(jìn)一步提高,另一方面,隨著電力電子器件、交流電機(jī)、變頻設(shè)備及其控制技術(shù)的快速發(fā)展,兆瓦級以上的各種交流電機(jī)調(diào)速變換器已獲得成功應(yīng)用。成本也大大減低,滿足各種需求的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)成為越來越經(jīng)濟(jì)的一種選擇,也成為一種必然的發(fā)展趨勢。

        進(jìn)入90年代后,美國提出并開始了新型艦船綜合電力系統(tǒng)(IPS)的研發(fā),英法兩國提出并開始了綜合全電力推進(jìn)(IFEP)的計劃,同期荷蘭也提出了全電力船(AES)的概念。

        1.2 相關(guān)概念

        艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)是在傳統(tǒng)機(jī)械式直接推進(jìn)的基礎(chǔ)上一步步發(fā)展起來的,這項技術(shù)的出現(xiàn),使得未來軍用艦船的發(fā)展將出現(xiàn)“革命性”的變化,由此也衍生出許多不同的概念[1]。

        綜合全電力推進(jìn)(Integrated Full Electric Propulsion,IFEP):該概念由英、法海軍提出,主要強(qiáng)調(diào)艦船推進(jìn)和日用負(fù)載由同一發(fā)電系統(tǒng)供電。

        綜合電力系統(tǒng)(Integrated Power System,IPS):該概念由美國海軍提出,主要強(qiáng)調(diào)由同一電源向推進(jìn)系統(tǒng)及全船所有其他電力負(fù)載供電,不必再配置單獨的發(fā)電設(shè)備。

        全電力艦(All Electric Ship,AES):該概念由荷蘭等北約國家海軍提出,主要強(qiáng)調(diào)除了推進(jìn)用電和日常用電外,充分使所有非電動的輔助機(jī)械以及武器裝備全部實現(xiàn)電氣化。

        電力戰(zhàn)艦(Electric Warship):強(qiáng)調(diào)在電力艦船的基礎(chǔ)上,采用大功率探測設(shè)備、激光及電磁炮等高能武器。

        從上述概念中不難發(fā)現(xiàn),其基本內(nèi)涵都是在強(qiáng)調(diào)“統(tǒng)一供電”的同時,綜合考慮系統(tǒng)集成、全壽命周期成本、標(biāo)準(zhǔn)化等問題,現(xiàn)階段僅能實現(xiàn)“推進(jìn)和日用負(fù)載由同一發(fā)電系統(tǒng)供電”和“變頻調(diào)速電力推進(jìn),距離實現(xiàn)“全電力艦船”還有一段時間,因此目前在概念上把這種技術(shù)統(tǒng)稱為“綜合電力推進(jìn)”也是較為合適的。

        1.3 系統(tǒng)組成及研究意義

        綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)主要包括發(fā)電模塊、區(qū)域配電模塊、電力變換模塊、能量管理模塊以及推進(jìn)等模塊,每個模塊都是高度集成的完整系統(tǒng),其典型結(jié)構(gòu)可用下圖2描述:

        圖2 綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖(Gi為發(fā)電機(jī))

        開展綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究的意義主要有:有利于優(yōu)化艦船總體設(shè)計;有利于簡化艦船動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu);有利于提高艦船的隱蔽性;為未來使用艦載高能武器系統(tǒng)提供電力保障;對未來艦船作戰(zhàn)方式產(chǎn)生重大影響。

        1.4 綜合電力推進(jìn)的優(yōu)勢

        與機(jī)械推進(jìn)方式相比,綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的優(yōu)勢主要有:

        1)經(jīng)濟(jì)性好

        自動化程度得以提高;布置的靈活性使得艦船的結(jié)構(gòu)得以優(yōu)化,也改善了艦船的生產(chǎn)效率,有利于模塊塊制造,降低了生產(chǎn)費用;航行時,只讓保持最小數(shù)量的原動機(jī)運行,減少了原動機(jī)的總運行時間,節(jié)省了維護(hù)費用和燃油總消耗。

        2)提高了艦船的戰(zhàn)斗力

        由于減少了原動機(jī)數(shù)量,特別是取消了大型傳動軸承和齒輪箱的使用,可騰出有效空間以裝載更多貨物或武器;能為未來的激光、電磁等高能武器提供足夠的電力;提升了艦船的操縱性,推進(jìn)器由電機(jī)控制,能在全速范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速,比起機(jī)械傳動能大大提高對指令的響應(yīng)速度;續(xù)航力得到提升,不僅降低了耗油量,同時節(jié)省的重量可裝載更多的燃油;突破了將發(fā)動機(jī)、推進(jìn)器、傳動軸系布置在一條直線上的傳統(tǒng)設(shè)計模式,用電纜完全取代機(jī)械連接,原動機(jī)可以布置在任何地方,使全艦系統(tǒng)和設(shè)備布置更加靈活,可降低艦船排水量;

        3)增強(qiáng)了艦船的生命力

        降低了噪聲,提高了隱蔽性,由于原動機(jī)可以布置在水線以上,從而可以降低水下輻射噪聲,且由于取消了傳動軸和齒輪箱,也大大降低了振動噪聲;操作人員可選擇最合適的發(fā)動機(jī)組合形式,確保每臺發(fā)動機(jī)都以最佳效率工作,避免了發(fā)動機(jī)的低負(fù)載運行;由于集中供電,且從發(fā)電機(jī)組到推進(jìn)電機(jī)等各個環(huán)節(jié)都有一定的冗余,某臺柴油機(jī)故障不會影響推進(jìn)器的工作,從而因此航速和續(xù)航力的明顯降低。通過合理布局和控制分配等保護(hù)保護(hù)手段,使得系統(tǒng)具有很強(qiáng)的抗故障能力,提高了艦船的生命力。

        2 國內(nèi)外綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

        2.1 國內(nèi)綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

        綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)由于前期投資較高,在民用運輸船市場應(yīng)用較少,但進(jìn)入21世紀(jì)以來我國民船電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展還是在工程船和公務(wù)船市場取得了長足進(jìn)步。2002年廣船國際為COSCO建造的18000t級半潛船“泰安口”是我國第一艘自行建造的海洋工程大型特種船舶,采用了兩套SSP吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng);2005年江南造船建造的“海監(jiān)83”是我國自行設(shè)計的采用緊湊型吊艙裝置的全電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶,隨后2006年投入試運行的煙大火車輪渡也采用電力推進(jìn)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(jìn)系統(tǒng)的火車滾裝船“中鐵渤海1號”順利交工。近幾年708所設(shè)計的半潛重載船、起重船、物探船多采用全電力推進(jìn)系統(tǒng),如“華海龍”、“海油278”、“海油720”等。但由于國內(nèi)船用設(shè)備的研發(fā)能力不足,民船電力推進(jìn)系統(tǒng)絕大多數(shù)都是由國外系統(tǒng)集成設(shè)計,綜合電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展仍處于一種被動跟進(jìn)狀態(tài)。可喜的是我國某大學(xué)的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)以通過樣機(jī)試驗,初步具有裝船能力。

        2.2 國外綜合電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

        美國海軍于1986年提出了“海上革命”計劃;并于1988年啟動了綜合電力推動(IED)項目;1990年后,美國海軍在IED的基礎(chǔ)上提出了綜合電力系統(tǒng)(IPS)的概念,明確提出其研究工作主要集中在發(fā)電、電力儲存和推進(jìn)技術(shù)等方面,圖3給出了中壓直流電力系統(tǒng)概念圖,其研究發(fā)展成果集中體現(xiàn)在以DDG-1000型驅(qū)逐艦為代表的艦船上。2007年,美國又提出了“新一代綜合電力系統(tǒng)(NGIPS)”發(fā)展路線,為所有海軍艦船提供一個結(jié)構(gòu)簡單、性能出眾的電力系統(tǒng),具體設(shè)計目標(biāo)主要有:為高能武器系統(tǒng)提供電力保障;減少原動機(jī)數(shù)量;提高原動機(jī)的效率;提高推進(jìn)器效率;提供系統(tǒng)總體布置的靈活性,提高艦船生命力;提高艦船的可生產(chǎn)性;提高艦船電力系統(tǒng)的供電品質(zhì)(Quality of Service)。

        英國國防部于1994年正式開始IFEP系統(tǒng)的應(yīng)用研究,1996年成立了電船計劃管理局,負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)發(fā)展和采購未來海軍水面艦船的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)。英國的發(fā)展戰(zhàn)略是堅持原動機(jī)全燃化,正在研制10~24MW的軸向磁通永磁電機(jī),已在綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)研發(fā)、應(yīng)用發(fā)明創(chuàng)造了四個第一:第一個在護(hù)衛(wèi)艦上采用部分電力推進(jìn);第一個在軍輔船上采用吊艙電力推進(jìn);第一個在試驗船上試驗綜合電力推進(jìn);第一個在現(xiàn)代驅(qū)逐艦上應(yīng)用電力推進(jìn),其綜合電力推進(jìn)的發(fā)展路線如下圖4所示。

        此外,荷蘭、德國、法國、俄羅斯等國海軍也都積極參與IPS、IFEP計劃中或獨自研發(fā)了類似的電力推進(jìn)系統(tǒng),事實上,無論是美國海軍的IPS,還是英國海軍的IFEP,或是荷蘭海軍的AES,都是強(qiáng)調(diào)以“電能”作為艦船動力系統(tǒng)的主要能量形態(tài),它們的名稱并不重要,關(guān)鍵在于其實質(zhì)性研究內(nèi)容如何能夠體現(xiàn)未來艦船在總體上發(fā)生的根本變化,而采用綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)則是未來艦船發(fā)展的核心。

        圖3 美國海軍艦船中壓直流電力系統(tǒng)概念圖

        圖4 英國綜合電力推進(jìn)發(fā)展路線圖

        2.3 國內(nèi)外的發(fā)展差距分析

        發(fā)達(dá)國家的艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)研究比我國早20多年,無論是在基礎(chǔ)理論還是在工程實踐中都積累了豐富的經(jīng)驗,差距主要表現(xiàn)在系統(tǒng)集成設(shè)計能力、關(guān)鍵產(chǎn)品設(shè)備存在代差以及試驗驗證能力嚴(yán)重缺乏等方面,其原因主要有:

        1)高端專業(yè)技術(shù)人員的匱乏,基礎(chǔ)研究還得不到足夠的重視,上層也缺乏發(fā)展思路和規(guī)劃研究,造成技術(shù)的發(fā)展緩慢;

        2)科研技術(shù)力量分散,成果無法應(yīng)用到實船,形成整體和全局上的弱勢;

        3)沒有統(tǒng)籌好基礎(chǔ)科研和相應(yīng)的環(huán)境建設(shè)。

        從作戰(zhàn)艦船宏觀發(fā)展進(jìn)程上看,綜合電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用當(dāng)前處于全面發(fā)展的階段,對應(yīng)其工程化實現(xiàn),我國需要大力解決的關(guān)鍵技術(shù)及設(shè)備主要有:

        圖5 推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動裝置

        1)系統(tǒng)集成設(shè)計技術(shù)

        綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域,是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用,艦船的作戰(zhàn)需求也對系統(tǒng)提供電能的要求不斷提高,高品質(zhì)和高功率密度是最關(guān)鍵的性能,因此需要對構(gòu)成系統(tǒng)的各個模塊及模塊之間的集成技術(shù)進(jìn)行研究,以達(dá)到系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計。

        2)系統(tǒng)主要設(shè)備及相關(guān)技術(shù)

        未來電力艦船對電力的需求日益增大,研究以提高功率密度為目標(biāo)的主要設(shè)備及技術(shù)也是必不可缺的,包括動力裝置,配電裝置,驅(qū)動裝置,控制裝置以及用于電磁探測、電磁武器和電磁彈射的大容量儲能裝置等。圖5、圖6、圖7分別給出了影響綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展的一些關(guān)鍵設(shè)備、技術(shù)分類。

        3)供、配電和電能管理技術(shù)

        優(yōu)質(zhì)的電能必須經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控才能高效安全地利用,集成化供電、環(huán)形電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、區(qū)域配電思想和智能化的電能管理是實現(xiàn)這一目標(biāo)的先進(jìn)技術(shù)途徑。

        4)艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)適裝性技術(shù)

        綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)也對艦船總體設(shè)計提出了新的要求,特別是中壓輸電技術(shù)、電磁兼容技術(shù)等艦船的適裝性問題,并提出了對艦船安全性、可靠性等的新的要求。

        圖6 推進(jìn)電機(jī)

        圖7 功率半導(dǎo)體管器件

        3 結(jié)語

        綜合電力推進(jìn)已成為21世紀(jì)艦艇提升戰(zhàn)斗力、操縱性、可靠性、維修性、保障性、安全性等問題的一個新的解決問題的方向,大力開展艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)研究,是我國海軍發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求。為此必須充分發(fā)揮研究院(所)、院校等多方面力量,加快綜合電力推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)(總體設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)控制與調(diào)速技術(shù)、大功率變頻技術(shù)、高壓大容量電力集成技術(shù)等)研究的步伐,通過必要的設(shè)備和技術(shù)引進(jìn),努力縮短與先進(jìn)水平的差距,實現(xiàn)我國艦船的跨越式發(fā)展。

        [1] 芮江, 由大偉. 艦船綜合電力推進(jìn)技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].艦船科學(xué)技術(shù), 2010, 32(4): 3-6.

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        [5] IL-Yop Chung, Wenxin Liu, Karl Schoder, David A.Cartes. Integration of a bi-directional DC-DC converter model into a real-time system simulation of a shipboard medium voltage DC system[J]. Electric Power Systems Research, 2011(81): 1051-1059.

        Introduction to the Ship Integrated Electric Propulsion Systems and Related Technologies

        Zhu Wei

        (Navy Representatives Office in Hudong-Zhonghua Shipbuilding Co.Ltd, Shanghai 200129, China)

        TM715

        A

        1003-4862(2014)12-0014-05

        2014-10-20

        朱煒(1979-),男,工程師。研究方向:船舶電氣。

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