摘? 要：該文概要介紹船舶電站及其對(duì)發(fā)電用原動(dòng)機(jī)的技術(shù)要求，相應(yīng)闡述汽輪機(jī)、柴油機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)等幾類熱力發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)幾類發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)其在船舶電站發(fā)電原動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用前景及選型進(jìn)行分析。柴油機(jī)工作效率高，無(wú)需鍋爐和冷凝器等設(shè)備，在船舶電站領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。無(wú)論哪一種船舶，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組都用柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定且功率較高，但由于輔助設(shè)備較多，致使工作可靠性較低，因此，為實(shí)現(xiàn)快速備航和提高生命力，也需要安裝柴油發(fā)電機(jī)組作為備用機(jī)組。燃?xì)廨啓C(jī)具備尺寸小、重量輕的優(yōu)勢(shì)，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等原因，目前除少量軍用艦船外，少有民用船舶采用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組，但考慮到其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，仍有一定的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：柴油機(jī)；汽輪機(jī)；燃?xì)廨啓C(jī)；內(nèi)燃機(jī)；原動(dòng)機(jī)；船舶電站；電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U665.12? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2024）10-0087-06

Abstract： This paper briefly introduces the marine power station and its technical requirements for prime mover for power generation， and accordingly expounds the technical characteristics of several kinds of thermal engines such as steam turbine， diesel engine and gas turbine， with emphasis on the comparison of the technical characteristics of several kinds of engines. its application prospect and type selection in the field of power generation prime mover in marine power station are analyzed. Diesel engine has high working efficiency and does not need equipment such as boilers and condensers， so it is widely used in the field of marine power stations. No matter what kind of ship， the emergency generator set uses diesel engine as the prime mover. The steam turbine generator set operates stably and has a high power， but due to the large number of auxiliary equipment， its working reliability is low. Therefore， in order to achieve rapid standby and improve vitality， it is also necessary to install a diesel generator set as a backup unit. Gas turbines have the advantages of small size and light weight. Due to technical and economic reasons， except for a small number of military ships， gas turbine generator sets are rarely used in civil ships， but considering its technical advantages， there are still certain development prospects.

Keywords： diesel engine; steam turbine; gas turbine; internal combustion engine; prime mover; marine power station; power system

現(xiàn)代船舶設(shè)備已實(shí)現(xiàn)了高度電氣化。船上的甲板機(jī)械、為主推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)（又稱“主機(jī)”）服務(wù)的附屬設(shè)備、艙室輔機(jī)、空調(diào)系統(tǒng)與生活設(shè)施、船舶的觀通導(dǎo)航和船內(nèi)照明裝置等設(shè)備都離不開電，可見船上供電的重要性。

1? 船舶電站及發(fā)電原動(dòng)機(jī)選型要求

1.1? 船舶電站的概念與分類

船舶電站的作用是為船舶提供所需的電能，并分配給各用電設(shè)備[1]。船舶電站按用途可以分成主電站和應(yīng)急電站[2]。主電站可確保船舶在正常情況下供電，通常包括若干臺(tái)發(fā)電機(jī)組。

根據(jù)用途的不同，可將主電站的相關(guān)機(jī)組分為主發(fā)電機(jī)組、備用發(fā)電機(jī)組和停泊發(fā)電機(jī)組。主發(fā)電機(jī)組是平常用于發(fā)電的機(jī)組。備用發(fā)電機(jī)組是當(dāng)某臺(tái)主發(fā)電機(jī)組故障時(shí)，用于替換主發(fā)電機(jī)組的其他機(jī)組。停泊發(fā)電機(jī)組則用于滿足船舶停泊時(shí)的發(fā)電需求（部分船舶則并未專設(shè)此類機(jī)組）。

應(yīng)急電站則是當(dāng)主電站無(wú)法正常工作時(shí)，作應(yīng)急使用的電站，通常包括一臺(tái)發(fā)電機(jī)組。該機(jī)組平時(shí)需定期維護(hù)，以便隨時(shí)維持可用狀態(tài)，其容量應(yīng)滿足相關(guān)技術(shù)要求。

從供電的發(fā)電機(jī)組、輸配電的供電網(wǎng)絡(luò)到各用電設(shè)備均構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一整體。在船舶正常運(yùn)行時(shí)，主發(fā)電機(jī)組向各用電設(shè)備供電；而在應(yīng)急狀態(tài)下，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組需能自動(dòng)啟動(dòng)，通過應(yīng)急配電板向相關(guān)用電設(shè)備供電。當(dāng)船舶處于停泊狀態(tài)時(shí)，通常由停泊發(fā)電機(jī)組向停泊時(shí)尚需工作的電氣設(shè)備供電。另外，也常常可通過岸電箱接通岸電，而不必使用停泊發(fā)電機(jī)組。

1.2? 船舶電站的電制

船舶電站有直流和交流2種，所以船用發(fā)電機(jī)組按電制分類有直流發(fā)電機(jī)組和交流發(fā)電機(jī)組2種。通常因交流電制具有較顯著的優(yōu)越性，所以，國(guó)內(nèi)外一些船舶如油船、客船、貨船等都優(yōu)先采用交流電制，僅在一些特殊船舶和小型內(nèi)河船舶如漁船等采用直流電制[3]。不少小型內(nèi)河船舶上需要能對(duì)蓄電池組進(jìn)行直接充電，故電氣設(shè)備仍以直流為主。近年來(lái)，在一些大型集裝箱船、工程船和采用電力推進(jìn)的船舶上出現(xiàn)了中壓和高壓的交流船舶電站。

1.3? 船舶主電站的功率確定

主電站設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足的要求是，能滿足船舶在任何正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的電力需求，并且在技術(shù)上符合造船規(guī)范。由于船舶上用電設(shè)備眾多，且用途各不相同，通常不會(huì)全部同時(shí)投入運(yùn)作。而電站負(fù)荷則會(huì)隨著船舶工況的不同而隨時(shí)變化，如果按全部用電設(shè)備的總額定功率來(lái)選用發(fā)電機(jī)組，則會(huì)造成功率浪費(fèi)。但如果將額定功率數(shù)值選得太小，則無(wú)法滿足多種情況下需要，影響船舶航行安全。因此，必須準(zhǔn)確合理地確定電站功率，使主發(fā)電機(jī)組能在所有情況下既有一定的功率儲(chǔ)備，又能確保全船的經(jīng)濟(jì)航行。確定電站功率即確定電站負(fù)荷，常用三類負(fù)荷法，其基本步驟如下。

1）統(tǒng)計(jì)全船所有用電設(shè)備的數(shù)量及其電功率，即算出總負(fù)荷。

2）由于在不同運(yùn)行狀態(tài)下，船舶電站的負(fù)荷也有所不同，通?？蓪⒋肮ぷ鳡顟B(tài)分為航行、機(jī)動(dòng)、裝卸作業(yè)及停泊4種。

3）將各種用電設(shè)備按不同工況分為3類：第一類負(fù)荷為連續(xù)使用的負(fù)荷，如舵機(jī)、主海水冷卻泵、主機(jī)滑油循環(huán)泵等；第二類負(fù)荷為短時(shí)或重復(fù)短時(shí)使用的負(fù)荷，如主空氣壓縮機(jī)、鍋爐給水泵等；第三類負(fù)荷為偶然短時(shí)使用或按操作規(guī)程可以在用電高峰時(shí)不用的負(fù)荷，如主機(jī)盤車機(jī)、吊艇機(jī)、電焊機(jī)等。

4）按設(shè)備使用特點(diǎn)分類，計(jì)算每項(xiàng)設(shè)備的實(shí)際使用功率和實(shí)際使用時(shí)間。通過上述計(jì)算可算出船舶在各種狀態(tài)下的用電總量，其中用電最多狀態(tài)的用電總量就是電站主發(fā)電機(jī)組的總?cè)萘?，相?yīng)也可確定主發(fā)電原動(dòng)機(jī)的最小總功率。

1.4? 發(fā)電原動(dòng)機(jī)的選型要求

船用發(fā)電原動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足以下要求：①工作可靠、壽命長(zhǎng)；②具有良好的變負(fù)荷工作性能；③操作簡(jiǎn)單，啟動(dòng)方便；④具有較低的燃油消耗率；⑤機(jī)組體積小，重量輕；⑥具有良好的安全性；⑦工作噪聲低，必要時(shí)應(yīng)配備消音設(shè)施；⑧具有良好的遙控和自動(dòng)化性能。

發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)可分為汽輪機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等幾類。如上文所述，用于發(fā)電的原動(dòng)機(jī)應(yīng)具有良好的性能指標(biāo)，包括較低的油耗、較高的效率，并能和主機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)作。發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量確定后，可按配套產(chǎn)品目錄選出滿足以上要求的原動(dòng)機(jī)，其容量應(yīng)滿足發(fā)電機(jī)的效率和過載能力等方面的要求。

2? 船用發(fā)電原動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)研究

除有專門要求的船舶外，一般船舶都采用交流電站，發(fā)電原動(dòng)機(jī)主要有汽輪機(jī)、柴油機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等幾類。

2.1? 發(fā)電用汽輪機(jī)

汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠，控制方便，高速性能好，運(yùn)行噪聲低。在以汽輪機(jī)為動(dòng)力的船舶上，利用主鍋爐作為汽輪發(fā)電機(jī)組的主供汽源，可以簡(jiǎn)化機(jī)組的配套設(shè)備，以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[4]。

汽輪機(jī)的單機(jī)容量受汽輪機(jī)低壓部分的末級(jí)排汽尺寸（平均直徑和葉片長(zhǎng)度）影響。末級(jí)葉片長(zhǎng)度的制造工藝水平，往往限制了汽輪機(jī)的功率增加。通常在某一種末級(jí)葉片長(zhǎng)度的情況下，單排汽口的汽輪機(jī)往往有一個(gè)最大極限容量。因此，要擴(kuò)大機(jī)組的單機(jī)容量，一般都要增加排汽口數(shù)目，采取分流方式。

2.2? 發(fā)電用柴油機(jī)

2.2.1? 發(fā)電用柴油機(jī)的選用要點(diǎn)

柴油機(jī)是目前船舶上應(yīng)用最廣泛的一種發(fā)電原動(dòng)機(jī)。通常將轉(zhuǎn)速為1 000 r/min以上的柴油機(jī)稱為高速柴油機(jī)，將轉(zhuǎn)速為300～1 000 r/min的柴油機(jī)稱為中速柴油機(jī)，轉(zhuǎn)速低于300 r/min的柴油機(jī)為低速柴油機(jī)，但該類機(jī)組很少用作發(fā)電原動(dòng)機(jī)，多用作于主機(jī)。

選擇柴油機(jī)作發(fā)電原動(dòng)機(jī)時(shí)應(yīng)注意以下3點(diǎn)：①各種廠家生產(chǎn)的柴油機(jī)性能有很大的差異，應(yīng)選那些經(jīng)實(shí)踐證明質(zhì)量能保證船舶使用要求的產(chǎn)品作發(fā)電原動(dòng)機(jī)。②軍用艦船或?qū)Πl(fā)電機(jī)組尺寸有著較高緊湊性要求的船舶可選用轉(zhuǎn)速較高的柴油機(jī)。③柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率應(yīng)能實(shí)現(xiàn)合理匹配。柴油機(jī)功率選得過小，會(huì)減小機(jī)組的過載能力，而且柴油機(jī)長(zhǎng)期過負(fù)荷工作會(huì)使燃燒惡化，熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷增加，使用壽命下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能差。反之，若將柴油機(jī)功率選得過大，會(huì)使機(jī)組長(zhǎng)期低負(fù)荷運(yùn)行，燃油消耗率過高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差，而且會(huì)引起氣缸積炭，增大磨損，同樣導(dǎo)致機(jī)組壽命的縮短。

2.2.2? 發(fā)電用柴油機(jī)與發(fā)電用汽輪機(jī)的對(duì)比

與汽輪機(jī)相比，柴油機(jī)具有如下特點(diǎn)：①啟動(dòng)和甩負(fù)荷時(shí)間短，只需幾分鐘到十幾分鐘；②設(shè)備簡(jiǎn)單，占地面積較?。虎蹮o(wú)需大量的冷卻水；④效率較高。

但由于柴油機(jī)的通常轉(zhuǎn)速低于汽輪機(jī)，因此只能在低速場(chǎng)合下使用。其次，柴油機(jī)由于扭矩輸出并不均勻，慣性力矩較大，為了均衡旋轉(zhuǎn)，會(huì)在柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)之間裝有飛輪。柴油發(fā)電與送電系統(tǒng)并列時(shí)，應(yīng)注意由于旋轉(zhuǎn)不均衡而不易同步。

就目前而言，柴油機(jī)具有重量輕、小型、可靠性高、啟動(dòng)性能好及熱效率高等優(yōu)點(diǎn)，但單機(jī)容量不易增大，多用于孤島上的電廠或工廠電源。此外，還用作汽輪機(jī)發(fā)電廠中的緊急備用電源。

2.2.3? 發(fā)電用柴油機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇原則

如上文所述，由于多采用交流電，為滿足相關(guān)發(fā)電需求，柴油機(jī)的額定轉(zhuǎn)速選擇受到較大的限制，其與機(jī)組額定頻率、發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)有關(guān)。個(gè)別情況下，若轉(zhuǎn)速不能滿足要求，可在柴油機(jī)的功率輸出端配置增速或減速齒輪箱，將柴油機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到所需額定轉(zhuǎn)速后與發(fā)電機(jī)成套，由于多了一個(gè)環(huán)節(jié)，機(jī)組的可靠性有所降低。在柴油機(jī)選型時(shí)還應(yīng)考慮其調(diào)速性能指標(biāo)、并聯(lián)運(yùn)行指標(biāo)和抗沖擊性能指標(biāo)等滿足技術(shù)規(guī)格書的要求。

2.2.4? 發(fā)電用柴油機(jī)的自動(dòng)控制

均以柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)時(shí)，主發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制原理與應(yīng)急發(fā)電機(jī)大致相似，所不同的是，應(yīng)急發(fā)電機(jī)組處于應(yīng)急的備用狀態(tài)，只要環(huán)境條件許可就必須啟動(dòng)。主發(fā)電機(jī)處于正常的備用狀態(tài)，除了滿足正常的交換機(jī)組的自動(dòng)控制，還要滿足在異常情況下的交換機(jī)組的自動(dòng)控制。啟動(dòng)/停機(jī)運(yùn)行要考慮到對(duì)機(jī)械壽命的影響。在備用狀態(tài)所采取的措施是，需采用冷卻水（淡水）的預(yù)加熱和轉(zhuǎn)動(dòng)部位的預(yù)潤(rùn)滑。

冷卻水預(yù)加熱是機(jī)組啟動(dòng)直接加速到額定轉(zhuǎn)速所必須采取的措施。在進(jìn)行調(diào)試或運(yùn)行時(shí)，需要知道柴油機(jī)是否處于預(yù)熱狀態(tài)，決定是否可以啟動(dòng)運(yùn)行。

柴油機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行之前，應(yīng)先啟動(dòng)預(yù)潤(rùn)滑油泵，向各轉(zhuǎn)動(dòng)部位注入潤(rùn)滑油，約2～3 min后才啟動(dòng)柴油機(jī)，待機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)后，機(jī)帶滑油泵工作，關(guān)閉預(yù)潤(rùn)滑油泵。

2.2.5? 發(fā)電用柴油機(jī)的使用

柴油機(jī)作為一類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的原動(dòng)機(jī)，其使用情況對(duì)整個(gè)柴油發(fā)電機(jī)組的安全可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有重要意義。各類型號(hào)的柴油機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能不盡相同，應(yīng)按設(shè)備制造廠的要求進(jìn)行操作，下面簡(jiǎn)單介紹一些使用中的主要問題。

1）保證良好的潤(rùn)滑。實(shí)踐證明，保持潤(rùn)滑油的清潔，提高潤(rùn)滑效果，對(duì)柴油機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有很大影響。所以在日常運(yùn)行中，要經(jīng)常清洗潤(rùn)滑油過濾器，部分會(huì)采用在潤(rùn)滑油中加二硫化鉬的辦法提高潤(rùn)滑效果，使?jié)櫥椭械奶繙p少結(jié)渣，從而減輕了柴油機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分磨損，延長(zhǎng)使用壽命。

2）增壓器的運(yùn)行。增壓器在運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格遵循制造廠的有關(guān)規(guī)定，轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過額定的最高轉(zhuǎn)速，渦輪機(jī)的入口氣溫不得超過允許的最高溫度。除了緊急情況柴油機(jī)不應(yīng)在帶負(fù)荷時(shí)停機(jī)。

在運(yùn)行過程中，還要經(jīng)常檢查柴油機(jī)氣缸的進(jìn)氣壓力和排氣壓力、軸承溫度、冷卻水溫度和壓力，注意傾聽和觀察增壓器的運(yùn)行是否平穩(wěn)，特別是增壓器的渦輪和壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子，不能有偏心或其他不平衡現(xiàn)象，以免引起過大的振動(dòng)。

加強(qiáng)巡回檢查。為保證機(jī)組的安全運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格遵守各項(xiàng)安全操作規(guī)程，加強(qiáng)對(duì)機(jī)組的巡回檢查工作。

2.2.6? 基于軍用艦船發(fā)電柴油機(jī)的隱身性要求

柴油發(fā)電機(jī)組是軍用艦船中一個(gè)寬頻帶、高強(qiáng)度的振動(dòng)與噪聲激勵(lì)源，其通過基座和管路傳遞到船體機(jī)座的中、高頻振動(dòng)（即結(jié)構(gòu)噪聲），會(huì)引起水下輻射噪聲，影響全艦的隱蔽性。而其輻射出的空氣噪聲，將引起船員疲勞及誤操作等情況，影響艦船的正常使用功能。為了減少空氣動(dòng)力噪聲和結(jié)構(gòu)噪聲，發(fā)電機(jī)組應(yīng)盡可能安裝隔聲罩和采取隔振措施。

2.3? 發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)

2.3.1? 燃?xì)廨啓C(jī)及其工作循環(huán)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種熱力渦輪機(jī)械，通常由壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪三大部件組成。渦輪所輸出功率的2/3用于驅(qū)動(dòng)壓氣機(jī)，其余功率則通過轉(zhuǎn)軸輸出帶動(dòng)外負(fù)荷。按燃燒加熱的方式，燃?xì)廨啓C(jī)的循環(huán)可分為定壓加熱循環(huán)和定容加熱循環(huán)兩大類。但定容加熱循環(huán)由于定容燃燒只能間斷地進(jìn)行，這給結(jié)構(gòu)、運(yùn)行帶來(lái)了許多困難，所以，近代燃?xì)廨啓C(jī)一般都采取定壓燃燒加熱循環(huán)。

燃?xì)廨啓C(jī)可以按照開式循環(huán)和閉式循環(huán)工作。開式循環(huán)是指循環(huán)并非處于封閉狀態(tài)，渦輪出來(lái)的熾熱廢氣直接排入大氣中，并通過壓氣機(jī)內(nèi)吸入其他新鮮的冷空氣。在閉式循環(huán)中，燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)是空氣（或其他氣體工質(zhì)）[5]。工質(zhì)周而復(fù)始在裝置內(nèi)經(jīng)過壓縮、加熱、冷卻，重新壓縮，加熱等過程而重復(fù)循環(huán)，完成軸功率的對(duì)外輸出。

2.3.2? 發(fā)電用燃?xì)廨啓C(jī)的技術(shù)特點(diǎn)

①啟動(dòng)快，自動(dòng)化程度高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班運(yùn)行；②冷卻水耗量少；③組裝程度高，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，輔助設(shè)施量少，建設(shè)周期短；④排氣溫度水平及含氧量均較高，易于實(shí)現(xiàn)熱量回收，并能與汽輪機(jī)組成燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)；⑤用于熱電聯(lián)產(chǎn)時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的電、熱功率比可高達(dá)汽輪機(jī)的3.5倍；⑥比重量小，體積小，機(jī)動(dòng)性好；⑦運(yùn)行性能受大氣參數(shù)的影響，大氣壓力的高低對(duì)機(jī)組功率有明顯影響，大氣溫度的變化則對(duì)機(jī)組功率和效率都有明顯的影響；⑧單軸燃?xì)廨啓C(jī)變工況運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性差；⑨與汽輪機(jī)組相比，對(duì)燃料要求較高，但要求比柴油機(jī)低，原則上適用于液態(tài)及氣態(tài)燃料，但用固態(tài)燃料近來(lái)也有所開發(fā)；⑩需要啟動(dòng)設(shè)施，燃?xì)廨啓C(jī)可采用蓄電池組、直流電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)作啟動(dòng)動(dòng)力源，啟動(dòng)功率為主機(jī)的2%～5%，啟動(dòng)后還可實(shí)現(xiàn)調(diào)相運(yùn)行。

2.3.3? 燃?xì)廨啓C(jī)與柴油機(jī)及汽輪機(jī)的對(duì)比

在燃?xì)廨啓C(jī)中，空氣不斷地流過壓氣機(jī)，與噴油泵噴入的油在燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒，燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)膨脹做功?？梢姡c柴油機(jī)一樣，燃?xì)廨啓C(jī)也是以燃料燃燒產(chǎn)生的高溫燃?xì)鉃楣べ|(zhì)。在柴油機(jī)內(nèi)部能量的轉(zhuǎn)換過程中，高溫工質(zhì)在氣缸內(nèi)直接膨脹，推動(dòng)活塞而做功，但由于受氣缸長(zhǎng)度的限制只能膨脹到一定程度。但同時(shí)，即使氣缸自身足夠長(zhǎng)，工質(zhì)膨脹后期的壓力較小，所做的功同樣也會(huì)較少。由于柴油機(jī)放熱時(shí)近于定容排熱，從能量利用觀點(diǎn)看并不經(jīng)濟(jì)，這是由于柴油機(jī)的所有過程全在同一個(gè)設(shè)備（氣缸）的空間中進(jìn)行。而對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)而言，其能量轉(zhuǎn)換過程與汽輪機(jī)相同，高溫工質(zhì)的熱能先轉(zhuǎn)換成動(dòng)能再對(duì)外做功，并且工質(zhì)會(huì)一直膨脹至大氣環(huán)境壓力，在定壓條件下向大氣排熱。由于燃?xì)廨啓C(jī)熱力循環(huán)的各個(gè)過程分別在獨(dú)立的設(shè)備中進(jìn)行，某一個(gè)設(shè)備中只進(jìn)行一個(gè)過程（例如，在壓氣機(jī)內(nèi)進(jìn)行壓縮；在燃燒室內(nèi)進(jìn)行燃燒；在渦輪內(nèi)膨脹做功等），這就使各過程的進(jìn)行更為充分，更有利于過程的組織與安排。

除了工質(zhì)不同，燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理大致與汽輪機(jī)相類似，二者的差別首先在于工質(zhì)的不同。汽輪機(jī)的工質(zhì)是水蒸汽，而燃?xì)廨啓C(jī)的工質(zhì)則是自燃燒室中燃燒液體或氣體燃料所獲得的燃?xì)?。此外，燃?xì)廨啓C(jī)自身可被視為一類完整的動(dòng)力設(shè)備，而汽輪機(jī)必須與蒸汽鍋爐、給水泵等輔助設(shè)備相結(jié)合，共同組成完整的動(dòng)力系統(tǒng)。

由此可知，燃?xì)廨啓C(jī)兼?zhèn)洳裼蜋C(jī)的“內(nèi)部燃燒”和汽輪機(jī)的“旋轉(zhuǎn)”2項(xiàng)特點(diǎn)，因此可制成高速大功率機(jī)組，具有裝置總體積較小，比功率較大，啟停和增減負(fù)荷速度較快，所需冷卻水又較少等優(yōu)點(diǎn)。總體而言，其與柴油機(jī)與汽輪機(jī)的對(duì)比見表1。

表1? 燃?xì)廨啓C(jī)相比于汽輪機(jī)與柴油機(jī)的優(yōu)勢(shì)

然而，因受金屬材料（噴管、葉片）耐高溫的限制，采用簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)，其熱效率明顯低于柴油機(jī)。如果采取回?zé)岬却胧?，雖能提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，卻又增加了設(shè)備，提升了機(jī)組重量、尺寸及相應(yīng)的成本，抵消了前述的一些優(yōu)點(diǎn)[6]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬耐溫性正在不斷提高，葉片的冷卻技術(shù)也在不斷改進(jìn)，且使用固體燃料也已獲得相當(dāng)?shù)脑囼?yàn)效果，還可與核能反應(yīng)堆相配合，因此除了發(fā)電領(lǐng)域，燃?xì)廨啓C(jī)可在許多領(lǐng)域與柴油機(jī)或汽輪機(jī)開展競(jìng)爭(zhēng)，有著廣闊的發(fā)展前景[7]。

2.4? 廢氣渦輪發(fā)電

利用主柴油的廢氣余熱來(lái)推動(dòng)廢氣渦輪發(fā)電，可以提高機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，并降低油耗[8]。但以主機(jī)廢氣的有效利用來(lái)解決船舶航行所需發(fā)電量，取決于從廢氣中能獲得的電能與航行中所需電能的平衡。由于主機(jī)效率不斷提高，可利用的排氣廢熱下降，再加上存在機(jī)組所占空間較大、初始成本較高等問題，廢氣渦輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)用并不廣泛。

3? 船舶電站發(fā)電原動(dòng)機(jī)技術(shù)特點(diǎn)歸納及選型研究

如上文所述船舶發(fā)電機(jī)用的原動(dòng)機(jī)型式，主要有柴油機(jī)、汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等幾類。

柴油機(jī)工作效率高，可以隨時(shí)啟動(dòng)，無(wú)需配備鍋爐和冷凝器等設(shè)備，工作獨(dú)立性強(qiáng)。當(dāng)柴油機(jī)為原動(dòng)機(jī)時(shí)，為了使用和維修的便利性，對(duì)機(jī)組的容量有不同要求，為滿足上述要求，盡可能選用機(jī)型系列相同，但氣缸數(shù)不同的其他柴油機(jī)來(lái)滿足對(duì)發(fā)電機(jī)組功率的要求。

柴油發(fā)電機(jī)組不僅廣泛用于柴油機(jī)船上。無(wú)論哪一種船舶上，應(yīng)急發(fā)電站都會(huì)優(yōu)先采用柴油機(jī)作為發(fā)電原動(dòng)機(jī)。就目前而言，船用柴油發(fā)電機(jī)組已在國(guó)內(nèi)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，部分代表機(jī)型如圖1和圖2所示。

圖1? 由廣西玉柴船電動(dòng)力有限公司推出的YC16VC型

船用發(fā)電機(jī)組[9]

汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速均勻，調(diào)速特性好，蒸汽利用率高，通常在以汽輪機(jī)為主機(jī)的船舶上，除了采用汽輪發(fā)電機(jī)組之外，為了快速備航和提高生命力，也會(huì)配備柴油發(fā)電機(jī)組。

圖2? 由廣西玉柴船電動(dòng)力有限公司推出的YC6C型

船用應(yīng)急發(fā)電輔機(jī)[10]

燃?xì)廨啓C(jī)無(wú)需鍋爐設(shè)備，和柴油機(jī)一樣可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。其與前2類原動(dòng)機(jī)相比，具有體積小、質(zhì)量輕、啟動(dòng)快、無(wú)需大量冷卻水、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用較低等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是也存在葉片材料用的合金鋼成本高昂、工作可靠性較差、壽命短等問題。另外，由于燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)空氣流量較大，致使機(jī)組進(jìn)、排氣管道尺寸較大，艙內(nèi)布置較為困難，限制了其在船舶發(fā)電原動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用。綜上所述，幾類主機(jī)各自的技術(shù)特點(diǎn)定性對(duì)比見表2。

在幾類原動(dòng)機(jī)中，由于柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)性較好，所以廣泛將其用作于發(fā)電原動(dòng)機(jī)。柴油機(jī)具備易于啟動(dòng)，對(duì)其他設(shè)備依賴性低等特點(diǎn)。目前，在大型船舶上多采用中速機(jī)來(lái)作為發(fā)電機(jī)組，并認(rèn)為該類機(jī)組有著較好前景。因?yàn)榕c低速柴油機(jī)相比，中速柴油機(jī)重量輕，體積小，啟動(dòng)性較好；而與高速柴油機(jī)相比，中速柴油機(jī)更為可靠、耐用，大修期更長(zhǎng)，燃油消耗率也較低。特別是現(xiàn)代中速機(jī)已可燃用與主機(jī)相同規(guī)格的燃油，所以主、副柴油機(jī)及鍋爐應(yīng)用同樣燃料的“單一燃料船舶”越來(lái)越多。而使用中速柴油機(jī)時(shí)應(yīng)注意其過載能力較為有限，通常不超過額定功率的10%。

但在噸位較小或?qū)C(jī)艙容積要求比較嚴(yán)格的船上，以高速柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)也較常見，這是由于高速柴油機(jī)有較小的體積和較輕的重量，在機(jī)艙中容易布置。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，高速柴油機(jī)的尺寸和重量越來(lái)越小，燃油消耗率在持續(xù)降低，振動(dòng)和噪聲在持續(xù)優(yōu)化，壽命在不斷延長(zhǎng)，再加上相關(guān)修理工作易于在機(jī)艙內(nèi)開展，為此有著較多優(yōu)勢(shì)。而部分船型甚至可以采取整機(jī)調(diào)換的修理方法，即將在工廠內(nèi)修好的柴油機(jī)與船上待修的柴油機(jī)進(jìn)行整機(jī)調(diào)換。由此可以減少船舶因修理而停航的時(shí)間，進(jìn)而增加船的運(yùn)轉(zhuǎn)能力。

汽輪機(jī)具有功率大及運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，隨著動(dòng)力裝置余熱利用的發(fā)展和深化，余熱汽輪發(fā)電機(jī)組在船舶領(lǐng)域已進(jìn)入實(shí)用階段[11]，其能量的梯級(jí)利用方案更具優(yōu)越性。

單機(jī)容量較大的汽輪發(fā)電機(jī)組，單位功率的設(shè)備投資費(fèi)用較低，運(yùn)行時(shí)的熱效率較高，發(fā)電成本也比較低。在設(shè)計(jì)船用汽輪發(fā)電機(jī)組時(shí)，也需要注意主鍋爐不能供汽時(shí)的供電問題，如主鍋爐沒有點(diǎn)燃或破損等情況。因此，在以汽輪機(jī)為主機(jī)的船舶上，除安裝汽輪發(fā)電機(jī)組作為主發(fā)電機(jī)組之外，為了快速備航和提高生命力，還應(yīng)配備一定數(shù)量的柴油機(jī)或其他動(dòng)力的輔助發(fā)電機(jī)和應(yīng)急發(fā)電機(jī)，以使各種工況的供電都能得到保證。

如上文所述，燃?xì)廨啓C(jī)具有重量輕、體積小，啟動(dòng)快，運(yùn)行維護(hù)方便，便于集中控制，少用水甚至不用水，并可燃燒多種燃料和廉價(jià)等諸多優(yōu)點(diǎn)，為此在船舶推進(jìn)領(lǐng)域有著廣闊的前途。與用于坦克和機(jī)車領(lǐng)域的燃?xì)廨啓C(jī)不同，船用燃?xì)廨啓C(jī)在外形尺寸方面受到限制較小，可持續(xù)提升其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性指標(biāo)。除用于推進(jìn)主機(jī)之外，燃?xì)廨啓C(jī)對(duì)船舶電站同樣有一定技術(shù)吸引力[12]。近年來(lái)已有不少船舶采用燃?xì)廨啓C(jī)作發(fā)電原動(dòng)機(jī)，并配備了高度自動(dòng)化的控制設(shè)備，能在各種工況下可靠工作[13-14]。

燃?xì)廨啓C(jī)的其中一項(xiàng)重要缺點(diǎn)在于燃油消耗率較高，尤其在電網(wǎng)處于變負(fù)荷或低負(fù)荷工況時(shí)，其燃油消耗率顯著高于其他類型的機(jī)組。為了解決這一問題，部分船舶將發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)排出的廢氣引到專用鍋爐，加入燃料以進(jìn)行混燒，然后利用高溫燃?xì)鈦?lái)產(chǎn)生高溫蒸汽，以回收能量。燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)與專用鍋爐項(xiàng)組合，可以使整個(gè)能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率高達(dá)70%。

此外，燃?xì)廨啓C(jī)的另一項(xiàng)重要缺點(diǎn)是噪聲較大，通常需安裝在防沖擊和消音的機(jī)架上，并需設(shè)置隔音罩。就目前而言，控制柴油機(jī)排氣噪聲的有效方法是安裝合適的消聲器。燃?xì)廨啓C(jī)則有所不同，其進(jìn)氣噪聲較高，并且為高頻性噪聲。排氣噪聲相對(duì)較低，對(duì)人產(chǎn)生影響較小，但由于排氣噪聲頻帶較寬，傳播距離更遠(yuǎn)，對(duì)周邊環(huán)境會(huì)造成一定的干擾。所以，在發(fā)電過程中，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的噪聲進(jìn)行治理顯得格外突出和重要。鑒于燃?xì)廨啓C(jī)組噪聲源多、發(fā)聲部件多，為此必須采取隔聲罩（消除機(jī)械性噪聲）、采用機(jī)座隔振（減弱固體噪聲），以及在進(jìn)、排氣口分別裝設(shè)消聲器等一系列控制措施。

4? 結(jié)論

綜合上文所述，船用發(fā)電機(jī)組按原動(dòng)機(jī)的種類分，主要有柴油發(fā)電機(jī)組和汽輪發(fā)電機(jī)組，在軍用艦船上也會(huì)采用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組。

柴油發(fā)電機(jī)組工作效率高，啟動(dòng)、停車、操縱使用方便，調(diào)速特性均勻，維護(hù)保養(yǎng)工作也較為簡(jiǎn)易，而且附屬設(shè)備數(shù)量較少，因此是船舶上應(yīng)用最廣泛的發(fā)電機(jī)組，不僅用在以柴油機(jī)為主機(jī)的船舶上，而且也會(huì)用在以其他類型主機(jī)為動(dòng)力來(lái)源的船舶上。

汽輪發(fā)電機(jī)組也是船舶上一類常用的發(fā)電機(jī)組。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速均勻，調(diào)速特性好，蒸汽利用率高，由于轉(zhuǎn)速較高，多通過減速齒輪箱與發(fā)動(dòng)機(jī)相配合。但汽輪機(jī)需要設(shè)置包括鍋爐、冷凝器在內(nèi)的附屬設(shè)備，其運(yùn)行及維護(hù)方面技術(shù)要求較高。

燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組具有體積小、質(zhì)量輕、功率大、機(jī)動(dòng)性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，其現(xiàn)階段的重要缺點(diǎn)在于燃油經(jīng)濟(jì)性較差，特別是在部分負(fù)荷工況下。但即便如此，燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組作為軍用艦船的主機(jī)已得到了長(zhǎng)足發(fā)展，但燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組除了在軍用艦船領(lǐng)域被用作于主機(jī)，在一般民用船舶中尚未被作為主機(jī)或發(fā)電原動(dòng)機(jī)而被推廣使用，但考慮到其技術(shù)特點(diǎn)，仍有著較好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陸國(guó)華.船舶電站管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析[J].船舶物資與市場(chǎng)，2020（7）：77-78.

[2] 史先法.淺談船舶電站和船上電氣設(shè)備的節(jié)能減排方法[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（24）：87-88.

[3] 伍賽特.內(nèi)河船舶用柴油機(jī)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)研究[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2020，33（6）：85-87.

[4] 伍賽特.船用汽輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)研究[J].傳動(dòng)技術(shù)，2022，36（1）：41-48.

[5] 伍賽特.閉式循環(huán)氦氣輪機(jī)技術(shù)特點(diǎn)研究及應(yīng)用前景展望[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2023，13（15）：10-16，21.

[6] 伍賽特.艦用燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置現(xiàn)存主要問題及技術(shù)發(fā)展研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2021，36（2）：255-258，272.

[7] 伍賽特.燃?xì)廨啓C(jī)現(xiàn)階段應(yīng)用與未來(lái)發(fā)展研究[J].機(jī)械管理開發(fā)，2023，38（1）：60-61，65.

[8] 許曉彥，李杰仁，夏永明.船舶電站聯(lián)合發(fā)電運(yùn)行研究[J].上海造船，2002（2）：29-31，2.

[9] 廣西玉柴船電動(dòng)力有限公司.YC16VC船用發(fā)電輔機(jī)[EB/OL].http：//www.yuchaicd.com/product/pro-detail-109.htm.

[10] 廣西玉柴船電動(dòng)力有限公司.YC6C船用應(yīng)急發(fā)電輔機(jī)[EB/OL].http：//www.yuchaicd.com/product/pro-detail-300.htm.

[11] 何陽(yáng).船舶動(dòng)力系統(tǒng)余熱蒸汽發(fā)電單元匹配研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2018.

[12] 李楊.船用發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)的仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[13] 呂文超，畢大強(qiáng)，呂飛鵬.船用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究[J].船電技術(shù)，2014，34（8）：13-17.

[14] 白靜.大型船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)整體建模與仿真[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2017，39（16）：46-48.