船舶电力推进系统的发展.pdf

1、船舶电力 推进系 统的发展 陈家 金 X1, 王和 平 2 (1.山东海 事局, 山东 青岛 266002;2. 天津 海事 局,天津 300451) =关键 词电力推 进系 统; 超 导电磁 推进;推进电 机 =摘 要列举了 船舶 推进 系统 的 4 种电力 推进 系统, 介绍了 船舶 电力 推进 与传 统的柴 油机 推进 在经 济、 机动性 和安 全 性等方 面所 具有 的优 点, 分 析了船 舶电 力推 进系 统还 需在3 个方 面进 行深 入研 究。 第 29 卷 第4 期世界海运Vol.29,No.42006 年8 月 WorldShippingAug.2006 中图分类号:U664

2、.14 文献标识 码:B 文章编号:1006-7728(2006)04-0009-03 0 引言 船舶电力 推进系 统 已有近百 年历史, 但 是由于受 各种因 素 制约, 发展缓 慢, 且 大多数 只应用在 特种船 舶 上。从20 世纪80 年代起, 供电 系统、 推进电机 和微电 子 及信息技 术 的迅猛发 展, 使船舶 电力推进 装置打 破 了长期徘 徊局面, 得 到了大力 的发展 。 电力推进 系 统基本由 机械原 动 机( 柴油机 、 燃气 轮机或核动 力) 构成, 用以驱动 交流发 电 机, 发 电机再 为推进电 动机提 供 动力。 电动 机可能 是直流、 交 流同步 电动机或 交

3、流感 应 电动机。 同 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 置安全可 靠性等 方 面具有明 显优点 。 船舶综合 全电力 推 进系统包 括: 发电、 输电、 配电、 变电、拖 动、推 进 、储能、 监控和 电 力管理, 是现 行船舶 平台的电 力和动 力 两大系统 发 展的综合; 它 不是电 力推进加 自动电 站 的简单组 合, 而是从 概念到方 案、 组成 、 配置、 技 术等均发 生重大 变 化, 给 未来的 船带来 一场革命 。 1 船舶电力推进 装置的组 成 常用船舶 电力推 进 装置一般 由下述 几 部分组成:

4、原 动机、 发电机、 电 动机、 螺旋桨以 及控制调 节设备 。 其结构如图1 所示。 2 船舶电力推进 系统的方 案分类 2.1 永磁 电机技 术 现代永磁 电机采 用 稀土材料 励磁, 不仅 使电机尺 寸大大 减 小, 重 量减轻, 而且使之维 护方便, 运行 可靠, 效率提高。 与 同容量 的异步电 动机相 比, 永磁电机 效率提 高 了4% 13%, 功率因子 提高了5% 20%。由于 转子磁 场强度受 到当前 永 磁材料的 限制,10 30MW 额定 功率的永 磁电动 机 的设计仍 面临极 大 的困。 2.2 超导 电磁推 进 技术 超导电磁 推进技 术 是利用安 装在船 上 的超导

5、线 圈产生 的 磁场与通 过海水 的 电流之 间的作用, 产 生一个 沿着船的 纵轴方 向 的劳伦磁 力, 并由向 船尾运动 的海水 喷 射而获得 推力。美 国于1980 年完成了300kW 的 电磁推进 船海上 试验, 并 制造了2250kW 的样机 。日本于1985 年成立了 超导电磁 推进开发 委员会, 开始 从事超 导电磁推 进 船的开 发 工 作。 1992 年, 世界上 第一 艘载人超 导电磁 推 进船大和 一号在 日 本神户港 正式试 航 成功, 标志 着超导电 磁推进 技 术进入实 用阶段 。 2.3 潜艇 燃料电 池 电力推进 装置 潜艇燃料 电池电 力 推进装置 是以燃 料

6、 电池为潜 艇水下 航 行动力源 的推进 装 置。 燃料 电池是一 种能把 化 学能直接 转换成 电 能的能量 转换装 置, 电池本体 加上燃 料 、氧化剂 及 它们的贮 存器构 成 一个完整 的燃料 电 池系统。 其特点 是: 在能量转 换方式 上 与蓄电池 相 同, 都 是化学 能转换 成电能, 因此 具有安 静、效率 高的优 点; 在构成方 式上则 与 柴油发电 机组相似,即贮能部 分( 贮 存燃料 及氧化 剂的贮存 器) 与能转 换装置部 分相分 离, 因此具 有长时间 连续工 作 的能力( 只要 燃料和 氧化剂足 够), 而 不 像蓄电池 那样要 来 回充放电 。 各国曾主 要研究

7、过 两种潜艇 用燃料 电 池: 氢- 氧电池和 肼- 过氧化氢 电池 。 近 年来, 燃料电 池研究取 得了一 些 重大的技 术突破 。 例如: 潜艇上 液态氧 贮存器采 用新式 壳 体结构, 有些 国家研究 了用氢 化 物制取氢 的方法 等 。 2.4 吊舱 式电力 推 进系统 吊舱式电 力推进 系 统是当今 备受推 崇 的一种推 进方式 。 它是一种 全方位 转 动的装置, 电动机位 于吊舱 内, 直接驱动 螺旋桨 。 该系统的 操纵性 能 和推进效 率非常 好, 而且由于 不 需要轴系 、 舵 及助 推器, 节省了 大量的 空间, 减轻了 自身重 量, 降 低了噪 声和振 动, 机动性

8、能更佳, 安装 也更方 便。 在民用船 舶推广 电 力推进过 程中, 促进 了吊舱式 推进模 块 的发展 。 这是 一种 特殊的推 进模块, 尽管 它的体 积不大, 却能 够代替 完整的传 统轴系 。 吊舱式推 进的主 要 优点如下: 吊舱可以360 o 转动, 向 各个方 向发出 推力, 为舰船 提供了 更快、 更 安全的 机动 性能。 舰船可以 在各种 气 候和紧急 条件下 实 施机动, 大约 可减少20% 的反应时 间, 舰 船制动的 距 离更短。 节省燃 料, 极大减 少废气排 放。 降低了 振动和 噪 声。 维修工 作量小 。 推进装 置可在 舰 船建造后 期进行 安 装, 不 会与

9、其 他建造 工序发生 冲突。 可采用 对转螺 旋 桨等推进 技术, 改善 空泡性能 和提高 效 率。 因此, 吊舱式 电力推 进对舰船 技术的 发 展具有重 要意义, 它 将是未来 舰船的 主 要推进 方式之一 。 近 年来, 由于一些 大型船 舶 的需要, 吊舱 式电力 推进装置 的功率 已 经达到几 万 千瓦, 技术也 日趋成 熟。 3 电力推进系统 的优点 (1) 空 间配置 灵活。 大型船舶 的柴油 机 几乎是毫 无例外 安 装在船尾 的下部 空 间, 同 时需要 一根较 长的传 动轴系连 接螺旋 桨 。 而电 力推进 的电 动机通常 和螺旋 桨 靠得很近, 省 去了传 动轴系, 相应

10、 的节省了 空间; 发电 设备可以 根据全 船 的配置合 理安排, 不 受推进电 动机和 螺 旋桨的限 制。 可以 在机舱 整 个空间内 立体布 置, 既方便灵 活, 又充分 利用了机 舱舱容 。 如果从消 防 和安全性 方面考 虑, 还可以把 发电机 分 成几组( 如全 船共有6 台发电 机的情 况下, 可以3 台一组) 布置 在不同 的舱室中 。 (2) 节 省燃油, 提 高 经济性。 柴油机的 推进特 性 是: 转 速升高, 机 械 效率逐步 增加, 指示 油耗率先 是逐步 降 低, 但当 转速升高 到较高 转 速时, 由于机 械效率 增加很少, 有 效油耗 率会随转 速的升 高 而降低

11、 。 一 般情况, 柴油 机运行 于80% 90%标定转 速作为长 期运转 转 速, 即 所谓的 降速运 行。 当柴油 机处于低速低负荷或高速高负荷, 尤其是 低速负荷工况下,由于机械效率低, 燃油 效率高, 柴油机的 经济性 严 重降低 。 在电 力推 进系统中 只需根 据 船舶电量 的需求 量 来决定并 入电 网的发电 机台数, 当 船舶需求 电量降 低 时, 只 需解列 一台发 电柴油机 。 这 样就 可以使每 台 发电机组 都能工 作 在比较理 想的负 荷 下。 这 不仅对 柴油 机的良好 燃烧和 使 用重油有 好处, 而且可以 减少维 修 保养工作,降低备 件 费用。这 对于时 常

12、工作在低 负荷下 的 船舶更显 示 出其优越 性。 (3) 提 高了船 舶的操 纵性。 柴油机推进 的船舶操 纵通过改 变柴油机 转速以改 变船舶 速 度, 改变舵 角以改变航向 。 电力推进 的螺旋 桨 转速通过 驱动控 制 器改变推 进电机 转 速实现, 吊舱 单元在 动力定位 系 统的控制 下, 可以绕 竖直轴作360 o 的转动, 吊 舱单元 的方向 决定了螺 旋桨的 推 进方向, 船 舶倒航只 需让吊 舱 旋转180 o 即可 。 相 比而言, 螺旋 桨转速 的改变更 迅速, 船舶 转向过程 中 不但只由 装船力 矩 作用, 取消了 最大舵 角的限制, 船 舶的航 速与船舶 的航向

13、都 得到了更 好的控制, 船 舶的操 纵性能得 到提高 。 (4) 振动小,噪音 低。 省去了舵 和传动 轴 系, 机 械设备 的总重 量比同等 功率柴 油 主机的船 舶减少约30%, 相 应的节省 了船舶 的 舱容。这 些优点 对 于客船是 十分重 要 的, 对 大型豪 华客船 更是如此 。 这也是电 力推进 在 客船中获 得越来 越 大的市场 份额的 主 要原因。 (5) 提 高了船 舶的安 全性。 用柴油机 单机推 进 的船舶, 一旦 柴油主 机的重要 部件或 舵 机及传动 轴系出 现 故障, 往 往导致瘫 船。 而电 力推进使 用多台 原 动机, 个别机 组的故 障只对船 速造成 影

14、响, 不 会导致 瘫船。 同时应 该看 到, 目 前的电 力推进 船舶往往 采用两 套 以上推进 系统, 它们 在保证全 船 的总功率 的前提 下, 还可互为 备用。 其 次, 船 舶上可 以装备 风力发电 机, 利用外 界的阻力 为船舶服 务, 配备一 定数量的 可充电 蓄 电池作为 备用能 源 以提供不 时之需, 船 舶的可性 和安全性 将进一 步 提高。 4 普及电力推进 系统需要 研发的关键技术 电力推进 系统的 优 势明显, 是当 今船舶 动力发展 历程的 一 次飞跃; 但实 现起来 并非坦 途, 还 有大量 的关键 技术需要 解决。 (1) 全 船电力 系统总 体技术研 究。 由于

15、电力 推进系 统 的设计是 当今先 进 的电力电 子技术 、 交流调速 技术、 电 机制造技 术、永磁 材料技 术 、计算机 控制技 术 、原动机 技术等 的 综合运用, 技 术含量 高。许多 不 同专业的 各个设 备 的研制需 要相互 协 调, 功 能相当 且接口 一致。综 合电力 系 统各个模 块 是否运行良好并相互协调以发挥系统最佳效能, 是事关整个系统优劣和良好运行的关键。 需要开展 构成综 合 电力系统 的各个 模 块, 以 及各模 块集成 的技术研 究, 主要包 括: 发电模 块 关 键技术研 究, 包 括全船环 形电网 关 键技术的 研究; 配电 模块 关键 技术研 究, 主要包

16、括 区域配电 模式研 究 等; 电力变 换模块 关 键技术研 究, 主要包 括大容量 电能变 换 技术研究,中、 高压 电网的 安 全性研究 等; 电力控制模块 关键 技术研 究, 主 要包括 电力系 统智能化 综 合监控与 管理技 术 研究等; 能 量储存 模块 关 键技术研 究等 等。 在船 舶电力 推 进系统中, 电 力的产生 、维护 、 管理就成 为船舶 的 生命线, 船舶 综合电 力系统总 体技术 的 研究必须 取 得突破。 (2) 推 进电机 技术研 究。 推进电机 是电力 推 进系统的 重要组 成 部分。电 力推进 的 一个主要 研究内 容 就是推进 电机交流 化, 其核心 是电

17、力变 换器与 交 流推进电 机的技 术 组合。未 来电力 船 舶对推进 电 机单机容 量的需 求 日益增大, 直 流推进 电机因受 极限功 率 的限制, 已不 能满足 要求。随着 电力电子 技术、 现 代控制理 论技术 的 发展, 研发新 型高功 率的推进 电机技 术 也是刻不 容 缓。 (3) 船 舶电力 系统适 装性技术 研究。 电力推进 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 上其他 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 性等 的影响

18、, 以及 系统对 船舶海洋 环境的 适 装性问题 等; 解决系统 内部及 与 其他船用 电子设 备 之间的电 磁兼容 性 问题。 5 结束语 船舶电力 推进技 术 的兴起是 现代电 力 电子技术 进步的 必 然结果 。 尽管 目前 电力推进 需较高的初 投资, 维护管理难度 大, 但能通 过船舶营 运后节能 、增 加舱 容 和赢利 来 弥 补。 随着电力 电子器 件 的改进, 电机 控制技 术和谐波 抑制技 术 的发展, 推进 器和推 进电机技 术的成熟, 必 将进一 步降低电 力推进 的 初资。 可以预 见, 科 技的进步 必将为 电 力推进技 术 提供更加 广阔的 市 场, 也 将成为 船

19、舶推 进装置的 主要发 展 方向。我 国在船 舶 电力推进 系 统研究及 应用方 面 起步较晚, 但 在原动 机、发电 机、配 电 、变频调 速等关 键 技术方面 有 一定的工 业基础。 目前我国 在船用 大 功率永磁 电机、 高 压大容量 电力电 子 器件、 吊舱 推 进器等设 计与制 造 方面与发 达国家 还 有很大差 距。 我国 应进一步 加强相 关 技术的研究和 开发应用, 积 极参与 这一领域 的国际 竞 争, 力 争在市 场上占 有一席之 地。 参考 文献 1 AdnanesAK.Maritime electrical installations and diesel electr

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