船舶电力推进技术概况

船舶电力推进技术概况船舶电力推进系统代表着当今船舶动力的发展方向。传统的船舶推进方式是利用原动机直接推进，而船舶电力推进则由原动机带动发电机发电，经变频器把满足要求的电流送到推进电动机，从而驱动螺旋桨的推进方式。跟传统的机械推进方式相比，采用电力推进系统的船舶在经济性、振动噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显优点。电力推进的特点以柴油机和汽轮机为主的传统型船舶，发动机占据空间过大、工作环境差、振动大、噪声高、油污多、废气排放影响空气质量。另外由于主机大而高，系统复杂，增加维护难度，加重维护工作量（轮机人员往往占船员的30%-45%）。[4]船舶采用电力推进系统后，提高了柴油机效率约10%-15%，节约了维修保养费，显著提高船体空间利用率，同时船型优化，提供了安静的推进方式，并且通过柴油机在大于40%的负载匀速运转来减少了NOx和SOx的排放[4]。除此之外，电力推进系统还将提高船舶的机动性、可靠性和电站的可利用率。1.1电力推进船相对于机械推进船的主要优势在于：⑴机动性能好。由于电动机的控制性能优于传统的热力机械，电力推进船舶的机动性能较好，还具有紧急停车时滑行距离短、小角度回转和快速响应等优点。⑵机舱小、布置灵活，可增加船舶的载货载客能力。电力推进系统减少了尾轴、舵、传动装置以及热力系统所需要的大量辅机，节省了舱容。⑶推进效率高。由于吊舱式结构省去了舵，所以与传统的定距浆（特别是大功率船舶用双桨时）相比推进效率提高了6%-10%。最近ABB和韩国三星船厂曾对一万箱的集装箱船舶进行了技术和经济论证，其结论是“对于电力推进船而言，推进效率与舱容的增加已抵消电力推挤装置初投资的增加和二次换能损耗”。[5]⑷节能、环保。减少各种燃油、滑油的消耗；减少废气排放和震动噪声污染。⑸适合于特种船舶的应用。如战舰、移动式平台、破冰船等。这些船舶航行时一般不使用其他大功率的电力设备，若使用，则不航行，电站就获得了很高的使用率。1.2同时电力推进存在的缺点⑴经过两次能量转换，在电气能量转换中，若采用交-直-交变频调速，还有两次电能的能量转换，使得电力推进比传统推进效率低。额定工况时，一般直接传动为98%，直流电力推进为85%〜90%,交流电机推进为94%〜95%；⑵初期投资成本较高。例如中远广州公司18000t半潜船采用SSP吊舱式电力推进系统，比传统推进采购费多300万美元，有资料表明，采用全电力推进比机械推进所需初期费用贵25%左右；[2]⑶需要高技术的电气工程师做维修保养工作。电力推进装置结构目前世界上使用电力推进的船舶，主要分两类：一类是电力推进与其他发动机推进结合的混合推进，例如英国23型护卫舰；另一类是全电力推进，即使用一个电站供电给推进装置和其他辅助装置，例如美国DD21水面舰艇。[2]混合电力推进的发电机是由其他源动力提供能源，然后发电机供电能给电动机，电动机（或电动机组）再带动船舶螺旋桨旋转。例如英国海军“诺福克”号护卫舰的柴油发电机组和燃气轮机联合装置的布置方案。综合电力系统也称为集成（全）电力驱动，是一种既为电力驱动提供动力，同时也为舰船日用用电系统提供电源的一种方式。全电力舰船指的是具有综合电力系统的船舶，不仅螺旋桨，而且所有的传动装置（如泵、绞车、阀门、舵，等等）都依靠电能工作，而不是采用机械的、气动的或液压的能量。如图1所示：原动机Y带动发电机G，发电机G带动推进电机M，电机M驱动螺旋桨J，从而推动船舶航行。因螺旋桨所需功率很大，一般需要设置两个单独的电站：推进电机电站和辅机电站，分别给推进电机和辅机供电。关键技术为实现船舶的电力推进要解决一系列技术问题，其中比较关键的有如下几点：：3.1电力系统总体技术研究综合全电力系统的设计是当今各种先进技术的综合运用，技术含量高。综合电力系统各个模块需要运行良好并相互协调以发挥系统最佳效能。各个模块的研究主要包括：⑴发电模块：包括原动机的选择和新型原动机的研制，高功率、高能量密度的交流或直流发电机的研制，全船环形电网关键技术的研究等；⑵配电模块，包括区域配电模式研究等；⑶电力变换模块：包括大容量电能变换技术研究，中、高压电网的安全性研究等；⑷电力控制模块：包括电力系统智能化综合监控与管理技术研究等；⑸推进电机模块：包括现有推进电机应用于系统研究，新型推进电机及其应用于系统的可行性研究等；⑹能量储存模块：为了提高电力系统的供电可靠性及供电品质，保障船舶安全稳定运行。当电力总线为某一设备提供电功率时，为避免对其它电气设备的影响，可使用中间储能设备来维持总线的稳定性。因此应开展新型储能技术，如超导储能技术、蓄电池储能技术、飞轮储能技术以及能量管理模式研究等；⑺系统集成技术：系统集成的核心在于系统的综合优化和系统的控制与管理，因此应开展包括系统模块化及综合优化技术、系统综合智能监控技术、系统稳定控制技术、系统保护技术、系统综合智能管理等技术的研究。3.2推进电机技术研究推进电机是综合电力系统的重要组成部分。美、英海军目前采用感应推进电机，正在研制永磁电机，下一步将研制超导电机。电力推进的一个主要研究内容是推进电机交流化，其核心是电力变换器与交流推进电机的技术组合。直流推进电机已无法满足日益增大的电力船舶对推进电机单机容量的需求，各项技术的发展成熟，使得交流电力推进系统取代直流电力推进系统已是大势所趋。永磁推进电动机与传统推进电机相比，具有体积小、重量轻、高比功率、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维护性好等优点。3.3综合电力系统适装性技术研究综合电力系统装备船舶不仅需要研究其与船舶总体的关系，还应考虑其与船上其它系统、设备的关系。需主要开展以下方面的研究：系统装备于船舶的适装性问题，并研究与此相关的对船舶安全性、可靠性影响及系统对船舶海洋环境的适装性问题等；解决系统内部及与其它船用电子设备之间的电磁兼容性问题，动力是船舶的心脏。结语船舶电力推进是现在世界船舶的研究热点，也是今后船舶的发展方向。动力不只是船舶的