徐正強(qiáng) 陳曦春 朱華（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200090）

船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用分析

徐正強(qiáng) 陳曦春 朱華
（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200090）

船舶動(dòng)力裝置是為保證船舶正常營(yíng)運(yùn)而設(shè)置的動(dòng)力設(shè)備，是各種能量的產(chǎn)生、傳遞、消耗的全部機(jī)械、設(shè)備，它是船舶的一個(gè)重要組成部分。船舶動(dòng)力裝置包括三個(gè)主要部分：主動(dòng)力裝置、輔助動(dòng)力裝置、其他輔機(jī)和設(shè)備。文中筆者簡(jiǎn)單介紹了船舶動(dòng)力裝置的簡(jiǎn)要發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)論述了船舶動(dòng)力裝置的應(yīng)用及發(fā)展前景。

船舶動(dòng)力裝置 主動(dòng)力裝置 電力推進(jìn)系統(tǒng) 混合動(dòng)力系統(tǒng)

1 船舶動(dòng)力裝置發(fā)展趨勢(shì)簡(jiǎn)介

在船舶的正常營(yíng)運(yùn)中船舶動(dòng)力裝置為其提供動(dòng)力及能量，是船舶的重要設(shè)備之一。一般情況下，船舶動(dòng)力裝置包括主動(dòng)力裝置、輔助動(dòng)力裝置等。在技術(shù)日新月異的今天，船舶的動(dòng)力裝置歷經(jīng)蒸汽、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)庖约盎旌蟿?dòng)力裝置的發(fā)展。新時(shí)期船舶動(dòng)力裝置的技術(shù)研發(fā)尤為重要，隨著船舶設(shè)備不斷革新，制造領(lǐng)域的不斷發(fā)展，現(xiàn)在使用范圍比較廣泛的有綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)、船舶燃?xì)廨啓C(jī)以及混合動(dòng)力系統(tǒng)等，目下裝載了特種推進(jìn)裝置的船舶也應(yīng)運(yùn)而生。

人類(lèi)對(duì)自然能源的利用的同時(shí)也促進(jìn)了船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展。早在19世紀(jì)煤就作為船舶動(dòng)力的主要燃料，進(jìn)入20世紀(jì)后石油的大規(guī)模開(kāi)采替代了煤的使用。隨著二戰(zhàn)結(jié)束后，各國(guó)著眼于經(jīng)濟(jì)發(fā)展，以至于在70年代發(fā)生石油危機(jī)，加上不斷遭到污染的環(huán)境，人類(lèi)的目光從石油燃料轉(zhuǎn)向非石油燃料上。由此生物燃料應(yīng)運(yùn)而生，然而生物燃料的主要成分是碳，在生物燃料使用時(shí)所釋放的CO2仍會(huì)污染環(huán)境。各種清潔能源也被提及出來(lái)，如天然氣、氫氣等。天然氣作燃料時(shí)對(duì)環(huán)境的污染較小，氫氣作為最理想的能源逐步被人們所利用，得到全世界的認(rèn)可。氫氣作為燃料在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，作為船舶動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用也指日可待。再者核能的使用已經(jīng)用于軍用艦船，文中不涉及。伴隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)船舶動(dòng)力系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，這也激勵(lì)著我們船舶人不斷的探索。

2 船舶動(dòng)力裝置的應(yīng)用

2.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

圖1 三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

隨著船舶動(dòng)力的發(fā)展電力推進(jìn)系統(tǒng)作為一種新的技術(shù)得到推廣，并成為世界范圍的研究熱點(diǎn)。其優(yōu)勢(shì)主要有以下幾點(diǎn)，一是該系統(tǒng)中所使用的全電纜連接法使船舶動(dòng)力的輸出設(shè)備在布置設(shè)計(jì)中更加靈活方便；二是該系統(tǒng)的推廣使得安全系數(shù)得到提高，它所采用的備用電路方法可以提前預(yù)防動(dòng)力系統(tǒng)在運(yùn)行中出現(xiàn)的電路故障；三是該系統(tǒng)的使用使得電能化比較集中，主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇更加多樣化，在減少了輔助動(dòng)力設(shè)備使用的同時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)方案、安裝布置要求、能源消耗、系統(tǒng)維護(hù)、經(jīng)濟(jì)性等不同的指標(biāo)選擇主推進(jìn)電動(dòng)機(jī)。電力推進(jìn)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足不同類(lèi)型船舶的動(dòng)力推進(jìn)要求，但該系統(tǒng)在安裝時(shí)有著特殊要求，尤其是在安裝條件跟安裝環(huán)境中，所以一般只會(huì)在要求船舶動(dòng)力系統(tǒng)具有高度機(jī)動(dòng)性能、特殊工作性能、大容量輔助機(jī)械等條件下才有應(yīng)用。其代表船舶類(lèi)型有：消防船、破冰船、渡輪、工程船、潛艇等。

2.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)在船舶中的應(yīng)用

混合動(dòng)力裝置的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是管理者可以通過(guò)將輔助內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)置成恒定速率運(yùn)行的狀態(tài)來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)給電網(wǎng)輸送能量，從而帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此時(shí)采用智能控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)動(dòng)力裝置進(jìn)行管理，那么混合動(dòng)力系統(tǒng)中就可以只運(yùn)轉(zhuǎn)船舶運(yùn)營(yíng)所必需的柴油動(dòng)力發(fā)電機(jī)，而電力驅(qū)動(dòng)模塊可以依據(jù)船舶不同的發(fā)動(dòng)速度對(duì)發(fā)電、配電、能源消耗等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高能源利用效率。目前混合動(dòng)力裝置具體可以分為：柴油機(jī)余熱混合式推進(jìn)系統(tǒng)、太陽(yáng)能電力混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、基于超級(jí)電容混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作的聯(lián)合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)等。

對(duì)于單純的使用柴油機(jī)作為動(dòng)力裝置的船舶而言，柴油機(jī)的動(dòng)力效率非常低，能耗巨大，還有煙霧、柴油廢氣等污染的問(wèn)題。在這種背景下，柴油機(jī)余熱混合式動(dòng)力裝置具有低能耗和節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，得到現(xiàn)代航運(yùn)界的普遍關(guān)注。目前，也逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)，隨著現(xiàn)代造船科技的不斷創(chuàng)新、進(jìn)步和發(fā)展，以及該項(xiàng)技術(shù)日趨成熟，具有較高的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)節(jié)能性、綠色環(huán)保性等優(yōu)點(diǎn)，在造船界和航運(yùn)市場(chǎng)廣泛受到青睞，特別在民用商船航運(yùn)市場(chǎng)中具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

柴油機(jī)余熱混合式推進(jìn)系統(tǒng)原理①組成：混合式推進(jìn)裝置主要由主機(jī)、軸帶發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)、廢氣鍋爐、動(dòng)力透平/蒸汽透平發(fā)電機(jī)、電站管理系統(tǒng)（PMS）、主機(jī)離合器等組成。②排氣熱能的回收：動(dòng)力、熱媒、冷媒三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)（下簡(jiǎn)稱(chēng)三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)）。該技術(shù)是利用船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)動(dòng)力和電能時(shí)柴油機(jī)的廢熱生產(chǎn)蒸汽（或其它熱媒介質(zhì)）和空調(diào)用冷媒水，從而達(dá)到跟有效地利用資源、節(jié)省燃料消耗的目的。三聯(lián)產(chǎn)的基本形式如圖1所示。燃油在柴油機(jī)內(nèi)釋放的能量一部分轉(zhuǎn)變成機(jī)械能從主軸上輸出，變成船舶所需的推力和電力；一部分轉(zhuǎn)變?yōu)闊煔獾膬?nèi)能，經(jīng)廢氣鍋爐生產(chǎn)飽和水蒸氣。該蒸汽除少數(shù)用于全船生活外，絕大多數(shù)用作溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的熱源，生產(chǎn)7℃的空調(diào)用冷媒水；還有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳈C(jī)冷卻介質(zhì)的熱能，視需求可用于全船加熱和單效溴化鋰吸收式冷水機(jī)組。

2.3 船舶燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的應(yīng)用

近些年來(lái)，船舶燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步，燃?xì)廨啓C(jī)的效率以及性能都得到了很大程度的提升。隨著簡(jiǎn)單循環(huán)技術(shù)更新、中間冷卻回?zé)釓?fù)雜循環(huán)技術(shù)不斷完善、先進(jìn)的余熱利用式燃蒸聯(lián)合循環(huán)技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)等都使燃?xì)廨啓C(jī)的發(fā)展和應(yīng)用提升到了一個(gè)新的水平。燃?xì)廨啓C(jī)具有動(dòng)力性能良好、功率大、利用效率高、自動(dòng)化控制相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為大型、中型等水面艦艇以及船舶的主要選擇，在各個(gè)國(guó)家的軍事領(lǐng)域中，燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置在新型護(hù)衛(wèi)艦、遠(yuǎn)洋驅(qū)逐艦、高性能巡洋艦以及大型的航空母艦等不同類(lèi)型的軍用船舶中有非常廣泛的應(yīng)用。

3 船舶動(dòng)力裝置的發(fā)展前景探討

3.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在2.1電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用中已有介紹，其優(yōu)勢(shì)存在的前提下也有某些不足，比如在運(yùn)行中存在一定的能量損失，再有可能會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本。其一在電力推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)2次的能量轉(zhuǎn)換，這也就是能量損失所在；其二船舶在運(yùn)行時(shí)在電力推進(jìn)系統(tǒng)需要大量的原動(dòng)力裝置來(lái)保障其高效工作，這也增加了部分經(jīng)濟(jì)成本。如果順利解決這些問(wèn)題的話，電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用會(huì)更加廣闊。在以后的發(fā)展中，電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)所在，優(yōu)化布置提供能源利用率。加大交流變頻技術(shù)的應(yīng)用、在有效結(jié)合電力系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)的前提下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的一體化供電也是未來(lái)主要的研究趨勢(shì)。

3.2 混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

目前，對(duì)“混合動(dòng)力電動(dòng)船舶”的定義指具有兩種以上儲(chǔ)能器、能量源或能量轉(zhuǎn)換器作為動(dòng)力源，其中至少有一種可以提供電能作為航行動(dòng)力的船舶。雖然，國(guó)際上許多關(guān)于船舶動(dòng)力、設(shè)計(jì)等方面的科研院所正處于研發(fā)、探索和論證階段，在實(shí)際推廣應(yīng)用方面還存在著一定的局限性和較多的技術(shù)難題需要解決。但是，該項(xiàng)技術(shù)也取得了試驗(yàn)航行成功的實(shí)例，如德國(guó)建造的以燃料電池和柴-電混合動(dòng)力系統(tǒng)為主的潛艇，已于2003年4月在德國(guó)基爾港試航成功；2010年，意大利和斯洛文尼亞聯(lián)合成功研制了GREE NIINE 33混合動(dòng)力游艇等案例。國(guó)內(nèi)在混合動(dòng)力船舶領(lǐng)域的研制和技術(shù)起步相對(duì)較晚，目前所知，只有曾在2010年上海世博會(huì)上亮相的“尚德國(guó)盛”號(hào)游輪，從公布的性能和參數(shù)等信息資料中可知，該游輪采用了太陽(yáng)能和柴油機(jī)組合動(dòng)力，時(shí)速約15Km，節(jié)省電能和減排可達(dá)到30%以上?；旌蟿?dòng)力系統(tǒng)具有技術(shù)可靠性，節(jié)約能源消耗和經(jīng)濟(jì)成本的良好優(yōu)勢(shì)，應(yīng)當(dāng)大力推動(dòng)新能源的混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，以確保船舶動(dòng)力供給和能源平衡的前提下，實(shí)現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。

3.3 特種推進(jìn)裝置應(yīng)用及發(fā)展

隨著世界經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在某些領(lǐng)域出現(xiàn)需要特殊船舶的需求，利用這種特殊船舶來(lái)解決一些技術(shù)難題。這就需要將特種推進(jìn)裝置利用在船舶的動(dòng)力系統(tǒng)中，提高船舶的各項(xiàng)性能指標(biāo)，比如：遠(yuǎn)洋勘探船、海洋工程船等。例如：一些超大型船舶采用動(dòng)力裝置加可調(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，同時(shí)也使動(dòng)力系統(tǒng)的可操作性大大提高。特種推進(jìn)裝置的發(fā)展方向不僅僅是提高動(dòng)力系統(tǒng)的性能指標(biāo)，還要通過(guò)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)促進(jìn)達(dá)到動(dòng)力裝置一體化的發(fā)展目標(biāo)。

綜上所述，船舶推進(jìn)技術(shù)以及船舶動(dòng)力裝置是現(xiàn)代船舶運(yùn)行的核心與關(guān)鍵，其重要的技術(shù)指標(biāo)是安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及節(jié)能性等。船舶動(dòng)力裝置的性能是影響船舶運(yùn)行性能與整體功能的決定性因素。將幾種動(dòng)力裝置結(jié)合在一起即混合動(dòng)力裝置，可靠性高，經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)，具有良好的應(yīng)用前景。大功率可調(diào)槳、大功率噴水推進(jìn)等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得船舶動(dòng)力裝置朝著大功率、系統(tǒng)化、多樣化、高安全性以及節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。

［1］陳重萬(wàn).船舶動(dòng)力裝置發(fā)展的新趨勢(shì)［J］.電子世界，2013（18）.

［2］徐匯濤.船舶動(dòng)力裝置發(fā)展研究.機(jī)電技術(shù)，2015（2）2015（2）.