付如愿，鄭 暉，高海波

(1.南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

付如愿1，鄭 暉1，高海波2

(1.南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430063)

分析了內(nèi)河航運(yùn)的特點(diǎn)和電力推進(jìn)技術(shù)適用于內(nèi)河船舶的原因，介紹了電力推進(jìn)應(yīng)用于小型內(nèi)河船舶上需要解決的關(guān)鍵技術(shù)和成功應(yīng)用案例，并對其國產(chǎn)化現(xiàn)狀做出分析，指出LNG發(fā)動機(jī)匹配電力推進(jìn)方式和純電動船會是未來小型內(nèi)河船舶的發(fā)展方向。

內(nèi)河運(yùn)輸；電力推進(jìn)船；液化天然氣

0 引言

內(nèi)河航運(yùn)擁有以下特點(diǎn)：航道深淺不一且寬窄各異，時常伴有淺灘和彎道；航道通行能力隨季節(jié)變化，豐水期和枯水期迥異；繁忙航段需要過往船只相互避讓；不同的航段水流速度差異很大；順?biāo)湍嫠叫袝r動力裝置的功率需求不同；離靠碼頭頻繁，工況多變。基于以上特點(diǎn)，內(nèi)河船舶應(yīng)該滿足以下要求：靈便的轉(zhuǎn)彎性能；較小的轉(zhuǎn)彎半徑；平滑的變速能力；逆水航行時應(yīng)有充裕的沖灘動力；順?biāo)叫袝r能穩(wěn)定地輸出動力，保持船速平穩(wěn)[1]。要滿足以上復(fù)雜的航運(yùn)環(huán)境及多種功能要求，同時又要求原動機(jī)始終有較高的運(yùn)行效率，節(jié)約燃料，降低排放，電力推進(jìn)無疑是目前最佳的成熟推進(jìn)方式。

國內(nèi)的內(nèi)河小型機(jī)動船舶，多數(shù)船長為5～20 m，總裝機(jī)容量一般在2 000 kW以下，推進(jìn)功率一般在1 500 kW以下，95%以上采用柴油機(jī)匹配齒輪箱驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)方式[2]。因而，內(nèi)河小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，方興未艾。

電力推進(jìn)一般采用柴油機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)，恒速運(yùn)行，工況平穩(wěn)，燃燒充分，廢氣排放少，變頻電動機(jī)驅(qū)動螺旋槳調(diào)速方便，賦予船舶良好的操縱性。電力推進(jìn)船舶是目前獲得航運(yùn)界認(rèn)可的新型綠色船舶。

為了更好地推廣電力推進(jìn)系統(tǒng)，本文介紹了小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，分析了該推進(jìn)系統(tǒng)國產(chǎn)化現(xiàn)狀，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

1 小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

與柴油機(jī)匹配齒輪箱驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)方式不同，小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要集中在電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、能量管理策略、智能操控技術(shù)、諧波抑制技術(shù)等方面。

1.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)

以船型及船體參數(shù)為約束條件，進(jìn)行推進(jìn)電動機(jī)與螺旋槳的功率匹配、不同航行工況下的運(yùn)行參數(shù)匹配以及變頻器與推進(jìn)電機(jī)的匹配。通過綜合計算，實現(xiàn)推進(jìn)電機(jī)、變頻器、螺旋槳的結(jié)構(gòu)匹配優(yōu)化，在推進(jìn)電機(jī)擁有較寬調(diào)速范圍的同時，減少低速工況下的輸出轉(zhuǎn)矩波動，保證推進(jìn)系統(tǒng)有較強(qiáng)的過載能力。

1.2 能量管理策略

除了一般船舶電站應(yīng)有的發(fā)電機(jī)組啟動、停車、合閘并車、頻率與有功功率分配控制、電壓與無功功率分配控制、負(fù)荷轉(zhuǎn)移控制等功能以外，電力推進(jìn)船舶還應(yīng)該有電站動態(tài)管理功能。能量管理策略能根據(jù)航行工況實現(xiàn)在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組的數(shù)量控制，實時監(jiān)控電力推進(jìn)系統(tǒng)和電網(wǎng)其他負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)一調(diào)配推進(jìn)系統(tǒng)用電和其他負(fù)荷用電，使得原動機(jī)的負(fù)荷率始終保持在較高水平，從而實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1.3 智能操控技術(shù)

基于現(xiàn)場總線的一體化嵌入式控制系統(tǒng)，可以在駕駛臺遙控推進(jìn)系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的啟動、停車、倒車、緊急制動、速度調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、故障報警等功能；可實時監(jiān)測推進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)并可對控制系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和修改。

1.4 諧波抑制技術(shù)

變頻裝置在工作過程中會產(chǎn)生大量諧波，導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓和電流波形畸變，降低電能品質(zhì)，給設(shè)備帶來功率損耗和各種危害，并影響電力推進(jìn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。中國船級社規(guī)定船舶饋電母排的電壓THD(總諧波畸變率)不能超過5%，動力電網(wǎng)的電壓THD值不能超過8%。如何選用性價比較高的諧波抑制方案，一直是電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用中的難點(diǎn)。基于成本考慮，目前中小船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)中多采用加裝無源濾波器的方法進(jìn)行濾波，主要抑制5次、7次諧波，保證電網(wǎng)品質(zhì)。

經(jīng)過國內(nèi)科研工作者的不懈努力，以上小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)難題已經(jīng)得到攻克，1個典型的范例是上海海事大學(xué)的西部交通建設(shè)科技項目“內(nèi)河小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研制”示范船“滇游1號”。該船為200客位的游船，雙機(jī)雙槳，設(shè)置2臺120 kW的柴油發(fā)電機(jī)組、2臺90 kW的變頻推進(jìn)電機(jī)。根據(jù)上海海事大學(xué)和云南省航務(wù)管理局發(fā)布的“內(nèi)河小型船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研制研究報告”，運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，雖然初投資比柴油機(jī)直接推進(jìn)方式高20%，但裝機(jī)總?cè)萘肯陆?.4%～24%，油耗下降10%，廢氣排放和諧波水平達(dá)標(biāo)，客艙的噪聲水平低于65 dB。

2 小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)國產(chǎn)化現(xiàn)狀

此前電力推進(jìn)未能成為我國小型內(nèi)河船舶的主流推進(jìn)方式，主要原因在于技術(shù)不夠成熟和價格高昂。SIEMENS、ABB、ALSTOM等企業(yè)雖然能夠提供技術(shù)成熟的電力推進(jìn)解決方案，但存在設(shè)備價格高、交付周期長、售后服務(wù)不便等諸多不利因素，令多數(shù)船東望而生畏。

目前電力推進(jìn)系統(tǒng)的國產(chǎn)化已經(jīng)有了可喜的進(jìn)步，無論主要的電力電子器件，還是移相變壓器、變頻器、推進(jìn)電機(jī)、濾波器，國內(nèi)廠家都可以研制生產(chǎn)。第3代電力電子器件IGBT及其應(yīng)用產(chǎn)品已實現(xiàn)國產(chǎn)化。2014年國內(nèi)首條203.2 mm(8 in)IGBT芯片生產(chǎn)線在中國南車株洲研究所正式下線投產(chǎn)，性能達(dá)到世界先進(jìn)水平。不同功率等級的國產(chǎn)移相變壓器、變頻器和變頻電機(jī)已在多型船的主推和側(cè)推裝置上應(yīng)用，性能穩(wěn)定可靠，維護(hù)保養(yǎng)方便，性價比明顯超過進(jìn)口設(shè)備，已開始有船東嘗試選用國產(chǎn)成套電力推進(jìn)裝置。

在與國外知名電力推進(jìn)系統(tǒng)集成商和設(shè)備供應(yīng)商的合作中，國內(nèi)的研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商也逐漸積累了豐富的設(shè)計和建造經(jīng)驗。推進(jìn)功率已經(jīng)覆蓋功率等級10 MW以下的各種電力推進(jìn)系統(tǒng)；電壓等級包括低壓690 V及中壓6 600 V。國內(nèi)自主設(shè)計集成及建造小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已不存在任何技術(shù)瓶頸。

3 小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

內(nèi)河船舶使用清潔燃料是實現(xiàn)綠色航運(yùn)的有效途徑?，F(xiàn)階段對船舶發(fā)動機(jī)而言，液化天然氣(LNG)是柴油的理想替代燃料。國家于2014年4月15日出臺了《內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化補(bǔ)貼資金管理辦法》，對于符合條件的新建LNG動力示范船給予資金補(bǔ)貼。可以預(yù)見，在國家政策引導(dǎo)下，內(nèi)河船舶采用LNG作為燃料將成為未來的發(fā)展趨勢。采用LNG發(fā)動機(jī)發(fā)電，并匹配電力推進(jìn)技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)之一，也是小型內(nèi)河船舶電力推進(jìn)技術(shù)的1個發(fā)展趨勢。

LNG發(fā)動機(jī)低速段功率曲線變化大，但用于驅(qū)動發(fā)電機(jī)則可以充分發(fā)揮其高速段功率曲線變化平緩的優(yōu)點(diǎn)，還可以把電力推進(jìn)和清潔燃料的優(yōu)勢結(jié)合起來。雖然初投資稍大，但燃油消耗和維護(hù)費(fèi)用減少，全壽命周期成本得以降低。目前該方式推廣應(yīng)用的主要問題在于LNG燃料的加注體系還不完善，待形成規(guī)?；螅趪艺叩拇罅χС窒?，LNG發(fā)動機(jī)匹配電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)該會成為小型內(nèi)河船舶的主流推進(jìn)方案。

另一種值得關(guān)注的新船型是純電動船。此前受限于儲能設(shè)備的容量和輸出功率，純電動推進(jìn)的船舶建造很少，一般僅為小型的旅游客船、公務(wù)艇和運(yùn)輸船。鋰聚合物蓄電池、超級電容是近年來涌現(xiàn)出來的新型儲能器件，儲能容量、使用壽命等達(dá)到了實船應(yīng)用水平。上海瑞華(集團(tuán))有限公司2014年承擔(dān)了浙江省交通廳“千噸級以下內(nèi)河船舶應(yīng)用技術(shù)研究”項目，采用超級電容匹配鋰聚合物蓄電池為電力推進(jìn)系統(tǒng)的動力源，截至2015年7月，完成了內(nèi)河貨船、游艇、海事巡邏艇各1艘的動力系統(tǒng)改裝，運(yùn)行效果良好。以鋰聚合物蓄電池為主、超級電容為輔的供電模式，當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)有瞬間強(qiáng)勁功率需求時，由超級電容供給能量；當(dāng)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的功率輸出時，則由動力鋰電池供給；當(dāng)系統(tǒng)有能量回饋(緊急制動或反轉(zhuǎn))時，超級電容負(fù)責(zé)吸收瞬間回饋能量。由于使用的是超級電容和鋰聚合物蓄電池儲存的岸電，運(yùn)行時不消耗燃料，沒有污染，因此純電動船是名副其實的“綠色船舶”。純電動船為內(nèi)河水域的防污染提供了新的思路及解決方案。

4 結(jié)語

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)被證明適用于小型內(nèi)河及湖泊營運(yùn)船舶，在不損害動力性能的情況下實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，有助于實現(xiàn)內(nèi)河水域的健康可持續(xù)發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著電力推進(jìn)技術(shù)的日益成熟和設(shè)備的國產(chǎn)化、精細(xì)化、系列化，電力推進(jìn)系統(tǒng)的形式也會多樣化，適應(yīng)的船型也會更豐富，并且隨著價格的逐年下降，在我國內(nèi)河小型船舶上的應(yīng)用將更加廣泛。

[1] 胡建炬.交流電力推進(jìn)系統(tǒng)在內(nèi)河船舶上的應(yīng)用前景[C]//中國造船工程學(xué)會.第十二屆全國內(nèi)河船舶與航運(yùn)學(xué)術(shù)會議.北京：中國造船學(xué)會，2012.

[2] 喻小力.小型船舶電力推進(jìn)國產(chǎn)化的發(fā)展與應(yīng)用[J].廣東造船，2012，30(6):70-72.

2016-06-07

國家自然科學(xué)基金項目(51579200)

付如愿(1983—)，男，工程師，從事船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用研究工作；鄭暉(1985—)，男，工程師，從事船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)變頻產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用研究工作；高海波(1975—)，男，博士，副教授，從事船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真研究。

U664.14

A