陳　峰

(中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司, 上海 201206)

船舶電力推進(jìn)綜合系統(tǒng)研究

陳峰

(中石化海洋石油工程有限公司上海船舶分公司, 上海 201206)

摘要：分析了電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于船舶的優(yōu)缺點(diǎn)。通過先進(jìn)的變頻技術(shù)，設(shè)計(jì)了綜合船舶推進(jìn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以滿足多種情況下的航行要求，所有推進(jìn)裝置及輔助設(shè)備都可以分開控制。利用直流升壓技術(shù)將電池組接入系統(tǒng)，使得船舶航行更加經(jīng)濟(jì)節(jié)能。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)；變頻驅(qū)動(dòng)；經(jīng)濟(jì)節(jié)能

0引言

隨著社會(huì)的發(fā)展以及環(huán)境污染顯現(xiàn)出的嚴(yán)重后果，人們對(duì)環(huán)境問題越來越關(guān)注。傳統(tǒng)能源的過度消耗使得節(jié)約能源消耗或者提高能源利用率越來越重要。近一個(gè)世紀(jì)以來，船舶領(lǐng)域多采用常規(guī)動(dòng)力。隨著電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，電力推進(jìn)船舶逐漸引起船舶領(lǐng)域設(shè)計(jì)以及使用人員的關(guān)注。但是，電力推進(jìn)船舶建造初期投入大，使得其發(fā)展受到制約。電力推進(jìn)與傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)相結(jié)合的船舶綜合推進(jìn)模式通過變頻器能夠?qū)?fù)雜工況或者靠岸進(jìn)行轉(zhuǎn)速的有效調(diào)整，從而使能量轉(zhuǎn)換更加合理，能源利用率更加高效，因此有必要對(duì)電力推進(jìn)綜合系統(tǒng)進(jìn)行研究，達(dá)到改善環(huán)境污染，提高能源利用率的目的。

1電力推進(jìn)技術(shù)簡(jiǎn)介

通過電動(dòng)機(jī)作用于螺旋槳來推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)的裝置稱為船舶電力推進(jìn)裝置。近年來，現(xiàn)代電力電子技術(shù)、變頻技術(shù)以及大功率電機(jī)制造技術(shù)得到飛速發(fā)展，使得船舶電力推進(jìn)技術(shù)具有更加廣闊的應(yīng)用空間。目前，船舶推進(jìn)裝置的主要發(fā)展方向?yàn)楝F(xiàn)代電力推進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)柴油機(jī)推動(dòng)相結(jié)合的新型船舶推進(jìn)技術(shù)。

船舶電力推進(jìn)裝置的基本組成部分為螺旋槳、發(fā)電機(jī)、原動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備等[1]。船舶電力推進(jìn)裝置簡(jiǎn)圖如圖1所示。

原動(dòng)機(jī)一般由小型柴油機(jī)組組成，柴油機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)生成的機(jī)械能經(jīng)發(fā)電機(jī)G轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軅鬏數(shù)酱半娬居善浣y(tǒng)一調(diào)配。船舶電站中的一部分電能傳輸給推進(jìn)電動(dòng)機(jī)M，推動(dòng)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)軸將機(jī)械能傳遞給螺旋槳J，推動(dòng)船舶運(yùn)動(dòng)?？刂圃O(shè)備K可以是一般的機(jī)旁控制臺(tái)或其他控制設(shè)備。

Y：原動(dòng)機(jī)；G：發(fā)電機(jī)；M：電動(dòng)機(jī)；K：控制設(shè)備；

2當(dāng)前電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展

2.1吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)

吊艙式推進(jìn)器(也稱POD推進(jìn)器)是吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分。艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是將推進(jìn)和操舵裝置集于一體。吊艙式推進(jìn)器的推進(jìn)電機(jī)放置于船艙外部，推進(jìn)電機(jī)直接與螺旋槳相連，可以在360°平面內(nèi)水平轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)。吊艙式推進(jìn)器主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、水平轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺旋槳和冷卻裝置等。螺旋槳與驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)多選擇永磁電機(jī)。

吊艙式推進(jìn)器使得電力推進(jìn)的優(yōu)越性得到了更充分的體現(xiàn)。吊艙式推進(jìn)器的使用不僅增加了船舶設(shè)計(jì)、建造和使用的靈活性，而且使得船舶裝機(jī)功率減小，船舶運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境更加舒適。但是吊艙式推進(jìn)器也具有局限性，比如吊艙與螺旋槳軸轂的密封困難，傳遞的最大功率等級(jí)低，維護(hù)保養(yǎng)復(fù)雜，故障發(fā)生率高以及較高的初次投入成本等。雙電機(jī)型吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　雙電機(jī)型吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)

2.2超導(dǎo)電磁推進(jìn)系統(tǒng)

超導(dǎo)電磁船是一種新型的現(xiàn)代船舶，設(shè)計(jì)時(shí)主要取消了傳統(tǒng)船舶的螺旋槳與舵裝置。超導(dǎo)電磁船的船型和普通船舶沒有任何差異，只是對(duì)其內(nèi)部構(gòu)造進(jìn)行改造以符合使用要求。船舶行駛過程中，在超導(dǎo)線圈上通過強(qiáng)大的電流來使船舶周圍的海水產(chǎn)生超強(qiáng)磁場(chǎng)。當(dāng)海水產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)時(shí)，由于海水的導(dǎo)電特性，設(shè)置在海水中的電極形成通電回路使海水帶電。在強(qiáng)大的磁場(chǎng)下，帶電海水產(chǎn)生電磁力使海水運(yùn)動(dòng)。電磁力的反作用推動(dòng)使船舶獲得前進(jìn)的推力。1980年，美國(guó)率先完成了300 kW電磁推進(jìn)船海上試驗(yàn)，制造出2 250 kW的船舶樣機(jī)。1985年，日本成立 “超導(dǎo)電磁推進(jìn)開發(fā)委員會(huì)”開發(fā)超導(dǎo)電磁推進(jìn)船[2]。1992年，世界第1艘載人超導(dǎo)電磁推進(jìn)船在日本試航成功，標(biāo)志著超導(dǎo)電磁推進(jìn)技術(shù)進(jìn)入實(shí)用階段。

3綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)研究分析

柴油機(jī)具有功率范圍廣、重量輕、經(jīng)濟(jì)性好、尺寸小、外加負(fù)荷變化迅速、附屬設(shè)備少等諸多優(yōu)點(diǎn)，使得近一個(gè)世紀(jì)以來成為主要船舶動(dòng)力輸出。但隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及現(xiàn)代航運(yùn)法規(guī)的制定，以柴油機(jī)為主要?jiǎng)恿Φ拇叭秉c(diǎn)也顯現(xiàn)出來，比如低速下燃燒不充分導(dǎo)致環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)性較差以及過載調(diào)速性能低，船舶工作環(huán)境因?yàn)橹鳈C(jī)的振動(dòng)和噪聲變差，其排除的廢氣含有大量有害物質(zhì)(如NOX、SOX和CO2等)。

電力推進(jìn)作為船舶推進(jìn)動(dòng)力，使得船舶航行效率和可靠性大大提高。電力推進(jìn)采用先進(jìn)的電力電子技術(shù)提高了整船自動(dòng)化程度，降低了船舶運(yùn)行的故障率，因此電力推進(jìn)系統(tǒng)成為倍受大型船舶青睞的主推進(jìn)系統(tǒng)。但電力推進(jìn)也有其不足之處，如價(jià)格昂貴，系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，變頻器和變壓器等存在中間功率損耗。

綜合電力推進(jìn)裝置可以發(fā)揮柴油機(jī)推進(jìn)和電力推進(jìn)2種動(dòng)力推進(jìn)方式的綜合優(yōu)勢(shì)，既能解決船舶工況復(fù)雜，對(duì)船舶推進(jìn)功率和定位能力要求差異大的特點(diǎn)，又能提升船舶使用的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性、可靠性以及定位能力。

3.1綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)介紹

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際用電情況選擇運(yùn)行發(fā)電機(jī)組合，這樣可以有效避免系統(tǒng)運(yùn)行過程中自始至終均使用全部發(fā)電機(jī)并且使得船舶電力在一個(gè)最大的利用效率又能夠保證給用戶提供持續(xù)、穩(wěn)定、不間斷的電源，保證了船舶航行以及船員生活、工作所需。系統(tǒng)采用直流微電網(wǎng)配合變頻器、整流器，完成全船開放式多能源電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)控制和保護(hù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船用電源(交流)AC/(直流)DC、DC/DC、DC/AC的組合式轉(zhuǎn)換，能夠滿足不同環(huán)境下電能的生產(chǎn)及儲(chǔ)存，保證了船舶供電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。開放式多能源直流母線供配電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)易于調(diào)節(jié)，不用齒輪箱裝置，直接操縱螺旋槳。驅(qū)動(dòng)電機(jī)不需要機(jī)械聯(lián)結(jié)，只需要電氣聯(lián)結(jié)，因此發(fā)電裝置可以安裝在船上任何地方，例如安裝在螺旋槳軸上方，這樣可以使機(jī)艙緊湊，空間得到合理應(yīng)用。綜合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)如圖3所示，圖中SG為軸帶發(fā)電機(jī)。

圖3　綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)圖

傳統(tǒng)的船舶推進(jìn)系統(tǒng)由純柴或純電驅(qū)動(dòng)。純柴動(dòng)力在機(jī)艙布局、柴油機(jī)效率、節(jié)能減排及維護(hù)等多方面存在局限，而純電推進(jìn)受制于成本及制造技術(shù)，雖有柴電混合推進(jìn)，但其純電模式并非主要推進(jìn)方式。本供配電系統(tǒng)采用先進(jìn)的直流微網(wǎng)供配電系統(tǒng)，以蓄電池、超級(jí)電容、同步發(fā)電機(jī)作為主能源，可接入風(fēng)能、光伏以及岸電作為輔助能源，動(dòng)力裝置采用電動(dòng)機(jī)與柴油機(jī)共同或各自單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，解決了船舶低速時(shí)柴油機(jī)運(yùn)行效率低、排放高的問題，甚至可以達(dá)到港內(nèi)零排放要求。系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)最新變流變頻技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了能量的雙向轉(zhuǎn)換、柴電匹配無縫連接。無齒輪箱船舶電力推進(jìn)綜合

系統(tǒng)的研發(fā)，符合當(dāng)前及未來先進(jìn)推進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、綠色和智能航行非常必要。

3.2BOOST升壓與直流升壓綜合方案

直流升壓屬于典型的DC/DC升壓類型。直流升壓就是將電池提供的較低的直流電壓，提升到需要的電壓值。其基本的工作過程都是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖——脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值——脈沖整流獲得高壓直流電。本系統(tǒng)利用BOOST升壓配合DC/DC直流升壓組成混合動(dòng)力可節(jié)約40%的燃料，系統(tǒng)原理如圖4所示。

圖4　變頻升壓原理圖

圖中，左邊為升壓變頻器，將母線電壓升高，更其他設(shè)備使用。右邊為充放電變頻器，控制電池組的充電和放電。設(shè)備運(yùn)行變頻器消耗功率較小時(shí)，充放點(diǎn)變頻器將發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電充入電池組；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行變頻器消耗較大時(shí)，由充放電變頻器控制電池組放電，和發(fā)電機(jī)一起給變頻器使用。電池組的使用，節(jié)約了成本，保證了電力使用的最優(yōu)化。

4結(jié)語

本文對(duì)于船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的電力系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)以及系統(tǒng)配置進(jìn)行了分析。作為船舶主動(dòng)力系統(tǒng)的綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)效率高、性能可靠、自動(dòng)化程度高，定將成為現(xiàn)代大型船舶首選的主推進(jìn)系統(tǒng)。對(duì)于船舶綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)，國(guó)外已有類似產(chǎn)品處于摸索階段,而國(guó)內(nèi)尚屬空白。新型綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的使用能夠使得節(jié)能減排指標(biāo)不小于25%并且比同類系統(tǒng)成本降低30%，體積下降50%。隨著國(guó)產(chǎn)變頻技術(shù)的提高，國(guó)產(chǎn)變頻器已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，打破了國(guó)外技術(shù)的壟斷，使得造船業(yè)中大量使用變頻器成為了現(xiàn)實(shí)，中國(guó)現(xiàn)代船舶綜合推進(jìn)系統(tǒng)也將進(jìn)入一個(gè)新的階段。該系統(tǒng)不僅在性能上優(yōu)于其他電力推進(jìn)系統(tǒng)，而且在經(jīng)濟(jì)性能上也更加出色。

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收稿日期：2016-03-26

作者簡(jiǎn)介：陳峰(1975—)，男，工程師，輪機(jī)長(zhǎng)，從事海工船舶輪機(jī)與電氣自動(dòng)化管理與運(yùn)營(yíng)研究工作。

中圖分類號(hào)：U665.13

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A