陳林濤 李長(zhǎng)雙

摘要：本文主要對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展、分類和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并結(jié)合大型LNG船提出了建設(shè)性的技術(shù)方案，形成了初始電力推進(jìn)系統(tǒng)的配置方案。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)系統(tǒng);系統(tǒng)介紹;配置方案

隨著人類環(huán)保意識(shí)的進(jìn)一步加強(qiáng)，國(guó)際公約、環(huán)保法規(guī)日趨嚴(yán)格，船舶采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可以顯著減少對(duì)燃油依賴、改善工作環(huán)境、實(shí)現(xiàn)廢氣低排放，電力推進(jìn)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的集成系統(tǒng)，涉及技術(shù)多、科技含量高，因此研究電力推進(jìn)系統(tǒng)是十分必要的。

1船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展

船舶電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個(gè)過(guò)程：十九世紀(jì)，首艘電動(dòng)試驗(yàn)船誕生，但當(dāng)時(shí)技術(shù)障礙多，未得到很好的應(yīng)用;二戰(zhàn)期間，受益于各種關(guān)鍵技術(shù)的突破，電力推進(jìn)技術(shù)逐漸應(yīng)用于軍艦、破冰船、挖泥船等特種船舶，但主要采用直流電技術(shù)，在功率和轉(zhuǎn)速等問(wèn)題上存在技術(shù)難題，應(yīng)用范圍較窄;自1980年以來(lái)，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)得到突破，極大促進(jìn)了船舶電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展?，F(xiàn)階段電力推進(jìn)技術(shù)已應(yīng)用于大型豪華郵輪、極地科考船、海工船、穿梭油輪、LNG和潛艇等各類船舶，電力推進(jìn)技術(shù)發(fā)展達(dá)到新的高峰。

2船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)組成

船舶電力推進(jìn)通常包括主發(fā)電機(jī)組、配電裝置和推進(jìn)裝置（含電機(jī)、螺旋槳和控制系統(tǒng)），是利用推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推進(jìn)船舶前進(jìn)的一種推進(jìn)方式。它通過(guò)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)能量的非機(jī)械傳動(dòng)，把傳統(tǒng)船舶的柴油機(jī)推進(jìn)與發(fā)電機(jī)供電合二為一。

3船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的分類和特點(diǎn)

3.1船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的分類

1）電力推進(jìn)裝置與其他原動(dòng)機(jī)和推進(jìn)裝置相結(jié)合的混合推進(jìn)系統(tǒng)。典型船型為穿梭油輪，其主推進(jìn)系統(tǒng)為柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，依靠首部裝載系統(tǒng)進(jìn)行作業(yè)（電力推進(jìn)器作為動(dòng)力定位系統(tǒng)的一個(gè)組成部分）。

2）全電力推進(jìn)系統(tǒng)。根據(jù)推進(jìn)器的不同，主要有常規(guī)推進(jìn)器和吊艙式推進(jìn)器兩種形式。常規(guī)推進(jìn)器即軸系螺旋槳推進(jìn)。吊艙式推進(jìn)系統(tǒng)將變速推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳直接相連，無(wú)需機(jī)械傳動(dòng)，浸沒(méi)在水中，可360°旋轉(zhuǎn)，船尾無(wú)舵，提高了螺旋槳效率及操縱性，航行更加安靜。

3.2船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

1）動(dòng)力裝置占用空間小，載貨空間增大。電力推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)靠近螺旋槳，無(wú)需使用傳動(dòng)軸，可以節(jié)約很多空間。

2）降低燃油消耗，系統(tǒng)冗余度和安全系數(shù)高。電力推進(jìn)系統(tǒng)配置一定數(shù)量發(fā)電機(jī)組，如果船舶用電需求低，可僅投入一臺(tái)機(jī)器;若用電需求較大，可并聯(lián)運(yùn)行多臺(tái)發(fā)電機(jī)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)都處于理想負(fù)荷工作狀態(tài)，且多臺(tái)發(fā)電機(jī)互為備用，即使個(gè)別機(jī)組出現(xiàn)故障，也不會(huì)影響船舶航行。

3）操縱性強(qiáng)。電力推進(jìn)系統(tǒng)中船速依靠推進(jìn)控制器來(lái)調(diào)整（控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速），吊艙單元可以實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，改變螺旋槳速度和舵角，船舶控制更容易。

4）振動(dòng)幅度小、噪聲低。船舶使用電力推進(jìn)系統(tǒng)，沒(méi)有了舵和傳動(dòng)軸，船舶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)噪聲和振動(dòng)小。

5）建造成本較高。配置電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶，建造成本提升15～20%左右。

6）能量轉(zhuǎn)換損耗。經(jīng)過(guò)機(jī)械能到電能，電能再到機(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換，加大了船舶滿載時(shí)的傳輸損耗（約8%）。但發(fā)電機(jī)始終運(yùn)行于理想狀態(tài)，且在低速、低負(fù)荷工況燃油消耗率低，總體效率仍高于傳統(tǒng)推進(jìn)方式。

4船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用研究

目前電力推進(jìn)技術(shù)已應(yīng)用于各類船舶，某大型船廠一直致力研討并力求建造大型LNG船舶，故本次重點(diǎn)研討大型LNG船的電力推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)配置。

4.1大型LNG船型主要特點(diǎn)

1）載重噸小。LNG船因運(yùn)載的貨品密度?。s為0.43～0.47t/m3），較主流船型的載重噸要小得多。

2）淺吃水。大型LNG船型深保持在26～27m之間，吃水維持在12m左右。寬度吃水比B/T隨著艙容的增大而增大（接近4.5），屬于典型的淺吃水肥大型船舶。

3）動(dòng)力裝置多元化。LNG船可以使用的動(dòng)力裝置有：（1）蒸汽輪機(jī);（2）雙燃料柴油機(jī)搭配電力推進(jìn)（或全電力推進(jìn)）;（3）低速柴油機(jī)搭配再液化裝置。

4.2大型LNG船型電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備選型

因?qū)I(yè)知識(shí)的限制，本次主要針對(duì)電氣方面關(guān)注問(wèn)題提出相關(guān)解決方案。對(duì)于非電氣問(wèn)題，本論文未進(jìn)行深入研究。

1）選擇動(dòng)力裝置。通過(guò)比較以及借鑒多條LNG船的配置，確認(rèn)雙燃料柴油機(jī)搭配電力推進(jìn)系統(tǒng)，在提高效率、減少總裝機(jī)重量、降低燃料消耗和提高操縱性等幾方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。具體實(shí)船上柴油機(jī)組的型號(hào)/數(shù)量決定，需根據(jù)各工況下電網(wǎng)負(fù)荷需求來(lái)選定機(jī)型（MAN、瓦錫蘭和MAK等廠家均可提供合適機(jī)型）。

2）選擇電網(wǎng)電壓等級(jí)。推進(jìn)系統(tǒng)中根據(jù)不同的發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量，選擇不同電壓級(jí)別的發(fā)電機(jī)和配電設(shè)備，發(fā)電機(jī)總裝機(jī)容量超過(guò)20 MW 時(shí)，推薦使用11 kV電壓系統(tǒng)。大型LNG船的總裝機(jī)容量在22 MW-30MW之間，選擇11KV電壓系統(tǒng)（也可以選擇6.6KV）。

3）選擇推進(jìn)器裝置。LNG船上一般使用軸系螺旋槳推進(jìn)，即利用變速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)來(lái)源（變頻起動(dòng)），將電機(jī)連接到槳軸上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單和穩(wěn)定。可選擇額定功率為12MW的同步電機(jī)2臺(tái)（如ABB的AMZ系列，功率可定制，電壓AC3.3KV，0～80RP可調(diào)，水冷）。

4）選擇變壓器。電網(wǎng)電壓為KV級(jí)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)電壓和低壓設(shè)備需要設(shè)置合適的變壓器，若將驅(qū)動(dòng)馬達(dá)直接掛在電網(wǎng)上，起動(dòng)時(shí)電流太大，電網(wǎng)容易崩潰。其中驅(qū)動(dòng)變壓器參考驅(qū)動(dòng)馬達(dá)側(cè)電壓，變壓器采用11KV/2x1850V 8000KVA 4臺(tái)（每?jī)山M給單臺(tái)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)使用，PF=0.85）;低壓設(shè)備采用兩組11KV/450V 1000KVA的通用變壓器（分別掛在1號(hào)和2號(hào)母排上）。壓載泵等大功率馬達(dá)直接接入11KV電網(wǎng)上。

5）選擇變頻器。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)功率大（MW級(jí)），考慮經(jīng)濟(jì)性，電壓等級(jí)相比電網(wǎng)11KV電壓低一些，且需要通過(guò)調(diào)整頻率來(lái)調(diào)整轉(zhuǎn)速，因此需要設(shè)置電機(jī)變頻器，電力推進(jìn)系統(tǒng)中電壓源型變頻器是最常用的，具有靈活、性能良好等優(yōu)勢(shì)。

6）電網(wǎng)諧波抑制一般來(lái)說(shuō)，變頻器是電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的主要來(lái)源。在設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)電網(wǎng)中存在諧波的可能性進(jìn)行分析，并結(jié)合設(shè)備型號(hào)和參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的模擬仿真計(jì)算，若總諧波THD超過(guò)規(guī)范允許值8%，則需在變頻器中增配12或24脈沖系統(tǒng)，或設(shè)置濾波器，確保電壓波形盡可能接近正弦曲線，保證用電安全。

5結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展、系統(tǒng)分類和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹，結(jié)合LNG船提出了建設(shè)性的技術(shù)解決方案，形成了初始電力推進(jìn)系統(tǒng)的配置方案。由于目前LNG船技術(shù)以及專業(yè)知識(shí)限制，本次僅對(duì)電氣部分問(wèn)題進(jìn)行了的研究，但對(duì)于型線設(shè)計(jì)、總布置設(shè)計(jì)、船舶穩(wěn)性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、螺旋槳設(shè)計(jì)等并未涉及，后續(xù)再進(jìn)行深入探討和研究。

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收稿日期：2021-

作者簡(jiǎn)介：陳林濤（1986—），男，本科，中級(jí)工程師 ?大連中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司

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