電力推進(jìn)系統(tǒng).doc

電力推進(jìn)及其應(yīng)用前景淺析青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院 李永鵬提要：電力推進(jìn)就是利用推進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)的一種推進(jìn)方式。它先通過(guò)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了能量的非機(jī)械傳動(dòng)，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)的不足。同時(shí)通過(guò)改變投入工作的發(fā)電柴油機(jī)的數(shù)目，使柴油機(jī)始終處于最佳工作區(qū)，從而提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)，podded推進(jìn)器，azipod推進(jìn)器 引言： 傳統(tǒng)的推進(jìn)方式一直是利用柴油機(jī)帶動(dòng)螺旋槳推動(dòng)船舶前進(jìn)，但隨著人類(lèi)對(duì)地球環(huán)境保護(hù)的意識(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)，IMO對(duì)排放（尤其是對(duì)NOX、SOx的排放）提出了嚴(yán)格的要求，而石油資源的短缺、燃油價(jià)格的上漲進(jìn)一步限制了船舶營(yíng)運(yùn)者的利益，船舶制造商和船舶柴油機(jī)生產(chǎn)商也不得不采取措施改進(jìn)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以滿(mǎn)足營(yíng)運(yùn)者的要求。在應(yīng)用燃油乳化、直接噴水、排煙后處理等措施控制排放的同時(shí)，電力推進(jìn)作為一種新的推進(jìn)方式，因?yàn)樗己玫慕?jīng)濟(jì)性、操縱性、安全性以及環(huán)保性能，逐步代替柴油機(jī)推進(jìn)，應(yīng)用于大型的船舶上。正文：電力推進(jìn)就是利用推進(jìn)電機(jī)來(lái)帶動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)的一種推進(jìn)方式。它先通過(guò)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過(guò)電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)了能量的非機(jī)械傳動(dòng)，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)的不足。同時(shí)通過(guò)改變投入工作的發(fā)電柴油機(jī)的數(shù)目，使柴油機(jī)始終處于最佳工作區(qū)，從而提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。1. 電力推進(jìn)的構(gòu)成及其工作原理：一般來(lái)說(shuō)，船舶都有兩套系統(tǒng)：一套用來(lái)產(chǎn)生推進(jìn)動(dòng)力，一套用于船舶供電，傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)都是由主推進(jìn)動(dòng)力設(shè)備通過(guò)變速齒輪箱、軸系把能量傳遞給螺旋槳。構(gòu)成形式以雜貨船為例：由一臺(tái)大功率低速柴油機(jī)構(gòu)成主推進(jìn)動(dòng)力；另用三臺(tái)中速柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)供電，供應(yīng)日常生活用電及設(shè)備用電。主機(jī)只管推進(jìn)，發(fā)電付機(jī)只管供電，兩者基本上互不干涉：航行期間，一般為主機(jī)搭配一臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)工作，機(jī)動(dòng)航行時(shí)搭配兩臺(tái)；停泊期間，主機(jī)休息，由一臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)或兩臺(tái)柴油機(jī)工作。電力推進(jìn)就是利用推進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)螺旋槳工作，從而推動(dòng)船舶前進(jìn)。使用電力推進(jìn)以后，推進(jìn)動(dòng)力和日常生活、設(shè)備用電合并在一起，作為一個(gè)共用的電力供給、分配、利用系統(tǒng)，減少了傳統(tǒng)的低速主柴油機(jī)，增加了發(fā)電柴油機(jī)的數(shù)目以及做功能力，以保證船舶用電量要求，這種推進(jìn)型式稱(chēng)為diesel-electric propulsion（柴油機(jī)-電力推進(jìn)） 或full electric propulsion柴油發(fā)電機(jī)1柴油發(fā)電機(jī)2柴油發(fā)電機(jī)4柴油發(fā)電機(jī)3主配電盤(pán)換流器2換流器2換流器1換流器2生活、設(shè)備用電變壓器變壓器變壓器動(dòng)力定位系統(tǒng)動(dòng)力定位系統(tǒng)（全電力推進(jìn)）。典型的構(gòu)成形式如下圖所示：轉(zhuǎn)動(dòng)POD單元空冷器及冷風(fēng)扇單元推力軸承驅(qū)動(dòng)螺旋槳電機(jī)圖中：原動(dòng)力由四臺(tái)大型的發(fā)電柴油機(jī)構(gòu)成：或三臺(tái)主發(fā)電機(jī)附帶一臺(tái)小型發(fā)電機(jī)。所有的電源通過(guò)主配電盤(pán)分配給兩方面：一方面通過(guò)變壓器變?yōu)?80V供給日常生活用電及輔助設(shè)備（泵浦、控制系統(tǒng)等）用電，另一方面通過(guò)變壓器以及換流設(shè)備供電給推進(jìn)電機(jī)。推進(jìn)電機(jī)置于podded propeller（吊艙式推進(jìn)器）的吊艙內(nèi)（如右圖所時(shí)），推進(jìn)電機(jī)與螺旋槳位于同一中心線(xiàn)上，螺旋槳產(chǎn)生的推力通過(guò)推力軸承傳遞到整個(gè)吊艙單元，然后推動(dòng)整個(gè)船舶前進(jìn)。推進(jìn)電機(jī)功率大，可以是直流電機(jī)，也可以是交流電機(jī)，通過(guò)控制設(shè)備改變其轉(zhuǎn)速以符合船舶推進(jìn)的要求。它工作中放出的熱量通過(guò)冷風(fēng)單元強(qiáng)制冷卻。同時(shí)，整個(gè)吊艙單元形同一個(gè)舵設(shè)備一樣，可以通過(guò)上部的轉(zhuǎn)動(dòng)POD單元在水平方向上360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，提供船舶所需的推力方向。轉(zhuǎn)動(dòng)POD單元通過(guò)動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)船舶用電需求變化時(shí)，通過(guò)改變投入運(yùn)行的機(jī)器數(shù)目來(lái)提供所需供電量：在港內(nèi)，一臺(tái)港內(nèi)發(fā)電柴油機(jī)供電可以滿(mǎn)足要求；船舶低速運(yùn)行，推進(jìn)電機(jī)所需功率小時(shí)，可投入兩臺(tái)主發(fā)電柴油機(jī)工作供電；當(dāng)船舶處于頂風(fēng)頂流狀態(tài)，螺旋槳所需功率很大時(shí)，讓三臺(tái)主動(dòng)力帶動(dòng)發(fā)電機(jī)工作進(jìn)行供電。由此發(fā)電柴油機(jī)可始終工作在高效區(qū)，保證了良好的經(jīng)濟(jì)性。2. 電力推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：2.1.電力推進(jìn)的最大優(yōu)點(diǎn)是提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性：分析比較一下傳統(tǒng)的推進(jìn)型式：當(dāng)推進(jìn)所需功率降低的時(shí)候，通過(guò)減少主推機(jī)動(dòng)力的循環(huán)供油量，可以使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速符合要求，相反，當(dāng)外負(fù)荷增加時(shí)，就加大油門(mén)。于是，不可避免的會(huì)讓主推進(jìn)柴油機(jī)處于低速低負(fù)荷或高速高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。 根據(jù)推進(jìn)特性：轉(zhuǎn)速升高，機(jī)械效率將逐步增加，指示油耗率逐步降低。但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到較高轉(zhuǎn)速時(shí)，由于機(jī)械效率增加很少，有效油耗率會(huì)隨轉(zhuǎn)速地升高而降低。一般船舶在80%-90%標(biāo)定轉(zhuǎn)速時(shí)，有效油耗率達(dá)到最低值。在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中，為了節(jié)省燃油，實(shí)現(xiàn)最大的經(jīng)濟(jì)性，一般選用75%-80%標(biāo)定轉(zhuǎn)速作為長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的功率為40%-50%的標(biāo)定功率，即所謂的降速運(yùn)行。當(dāng)柴油機(jī)處于低速低負(fù)荷機(jī)或高速高負(fù)荷，尤其是低速低負(fù)荷工況下，由于機(jī)械效率低，燃油消耗率高，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重降低。同時(shí)，在低質(zhì)燃油的使用管理中，最容易出現(xiàn)故障的時(shí)間也在低速低負(fù)荷或高速大負(fù)荷工況下，噴射系統(tǒng)故障、噴射異常、霧化不良、結(jié)碳、爆燃、后燃、低溫腐蝕等，進(jìn)一步引起經(jīng)濟(jì)性的降低，柴油機(jī)的故障發(fā)生率也升高了。應(yīng)用了電力推進(jìn)，布置了多臺(tái)原動(dòng)力用于發(fā)電，結(jié)果就不一樣了，外負(fù)荷的增減變成了發(fā)電量的需求，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，按照負(fù)荷特性工作，燃油消耗率在標(biāo)定功率附近基本不變，處于最低。通過(guò)改變投入工作的原動(dòng)力的數(shù)量，就可以始終保證每臺(tái)原動(dòng)力均工作在這個(gè)高效區(qū)，使燃油的節(jié)省量達(dá)到最大，即實(shí)現(xiàn)了最大的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在一條優(yōu)化設(shè)置的船上，可以節(jié)省燃油消耗達(dá)到25%。從Carnival（狂歡節(jié)）游輪公司的Elation（興高采烈）號(hào)豪華游輪（該船應(yīng)用了ABB公司的Azipod 推進(jìn)器）統(tǒng)計(jì)資料顯示：每周節(jié)省燃油40噸，推進(jìn)效率比其他的船提高了8%，這些數(shù)據(jù)充分證明了這一點(diǎn)。2.2提高了推進(jìn)效率：從圖中可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的推進(jìn)型式相比，省去了傳動(dòng)軸系，減速齒輪箱也消失了，取而代之的是電線(xiàn)，電能的傳遞較之機(jī)械的傳遞，毋庸置疑，傳動(dòng)損失減少了。同時(shí)，傳統(tǒng)的舵由一個(gè)吊艙單元所取代，省去了傳動(dòng)軸系、舵、螺旋槳托架，整個(gè)水阻力相應(yīng)減少，結(jié)合船體形狀，對(duì)推進(jìn)器形狀、位置、角度進(jìn)一步優(yōu)化，提高了推進(jìn)效率。根據(jù)Kamewa和Alstom公司聯(lián)合推出的MermaidTM（美人魚(yú)）推進(jìn)器的實(shí)驗(yàn)結(jié)論：可以使推進(jìn)效率提高15%，船舶速度可以提高到30節(jié)2.3提高了船舶的操縱性傳統(tǒng)的船舶操縱原理是通過(guò)改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)改變船舶速度，通過(guò)改變舵角形成轉(zhuǎn)船力矩來(lái)改變航向。作為電力推進(jìn)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速通過(guò)控制推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制單元實(shí)現(xiàn)，吊艙單元在動(dòng)力定位系統(tǒng)的控制下，可以在水平方向上做360度的轉(zhuǎn)動(dòng)，吊艙單元的方向決定了螺旋槳的推進(jìn)方向，船舶倒航只需讓吊艙旋轉(zhuǎn)180度即可。相比而言，螺旋槳轉(zhuǎn)速的改變更迅速，船舶轉(zhuǎn)向過(guò)程中沒(méi)有了最大舵角的限制。船舶的航速與船舶的航向都得到了更好的控制，船舶的操縱性提高了。根據(jù)Elation號(hào)游輪的統(tǒng)計(jì)資料顯示：與相同大小的其他非電力推進(jìn)船相比，全速狀態(tài)下船舶回轉(zhuǎn)圈直徑減少了30%。2.4有利于船舶自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)：船舶自動(dòng)化的發(fā)展在于它的集成化、微型化、數(shù)字化等方面。吊艙單元作為舵與槳的結(jié)合，本身就是一個(gè)小小的“集成化”。電力推進(jìn)使整個(gè)船舶的操縱集中于兩方面：操縱吊艙的方向、控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，兩方面都直接與電相關(guān)連，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電源控制方面的微型化、自動(dòng)化就實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的微型化、自動(dòng)化。相比而言，機(jī)械上的連接變得微型化幾乎是不可能的，至少，減速齒輪箱不可能集成到手掌那么小，傳動(dòng)軸系不可能變得電線(xiàn)那么細(xì)。而且，還沒(méi)有把傳動(dòng)實(shí)踐上的滯后、機(jī)械磨損、故障率計(jì)算在內(nèi)。因此，機(jī)械傳動(dòng)難以滿(mǎn)足船舶自動(dòng)化的發(fā)展要求，只有電力推進(jìn)符合自動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)。2.5環(huán)保的要求：可充電電池電能儲(chǔ)備充電器驅(qū)動(dòng)螺旋槳電機(jī)交/直流轉(zhuǎn)換器380V生活/設(shè)備用電24V控制電源岸電供應(yīng)發(fā)電柴油機(jī)風(fēng)力發(fā)電交流電總線(xiàn)交/直流轉(zhuǎn)換器其他供應(yīng)關(guān)心并保護(hù)環(huán)境是全人類(lèi)不斷增長(zhǎng)的需要，越來(lái)越多的港口對(duì)過(guò)往船只的排放進(jìn)行了嚴(yán)格的強(qiáng)制性限制，環(huán)保型的船舶成為最終的追求目標(biāo)。對(duì)于電力推進(jìn)而言，由于柴油機(jī)始終在最佳工作區(qū)工作，燃油的燃燒產(chǎn)物得到了良好的控制，保證排放符合IMO的要求已非難事。同時(shí)，充分的利用天然資源，在船舶上裝設(shè)一些風(fēng)力發(fā)電設(shè)備（如右圖所示），保護(hù)環(huán)境的同時(shí)，節(jié)省了燃油消耗，為提高經(jīng)濟(jì)性提供了寬廣的空間。實(shí)際上，環(huán)保并不只包括IMO提出的的排放要求，噪聲的污染也算作環(huán)境保護(hù)一項(xiàng)內(nèi)容。推進(jìn)電機(jī)采用永久磁鐵電機(jī)或者感應(yīng)電機(jī)，大大降低船舶機(jī)器的噪聲，對(duì)于大型的豪華游輪和機(jī)器布置緊湊的戰(zhàn)艦尤為突出，電力推進(jìn)可以為旅客、工作人員提供一個(gè)安靜、舒適的環(huán)境。 2.6提高了船舶安全性、增加了可靠度船舶的安全性和可靠性主要取決于機(jī)器設(shè)備的可靠性，船舶良好的操縱性是船舶安全的重要保障。相對(duì)于傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)而言，電力推進(jìn)組成元件為電器元件，其故障的發(fā)生沒(méi)有明顯的故障率曲線(xiàn)，故障的發(fā)生率低。而且即使出現(xiàn)了，即插即用，更換起來(lái)非常方便。以前由于軸系傳動(dòng)出現(xiàn)的種種故障：如軸系變形、對(duì)種不良、軸承密封不良、軸承磨損、尾軸故障等等將永遠(yuǎn)消失。維修工作減少了，工作效率提高了。大風(fēng)大浪的海況下船舶最容易出現(xiàn)故障，如果像上圖所示那樣，裝備了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，充分利用外界的阻力為船舶服務(wù)，配備一定數(shù)量的可充電蓄電池作為備用能源以提供不時(shí)之需，那么，船舶的可靠性和安全性將進(jìn)一步得到提高。而這些，都是柴油機(jī)推進(jìn)船舶所不能實(shí)現(xiàn)的。2.7極大地節(jié)省了船舶空間省去了傳動(dòng)軸系、齒輪箱、舵、以及軸隧、尾軸等等設(shè)施，整個(gè)機(jī)艙的空間得到很大節(jié)省，同時(shí)，不再需要主推進(jìn)動(dòng)力在傳動(dòng)軸系上中心線(xiàn)的配合關(guān)系，提供電源的發(fā)電柴油機(jī)可以靈活的布置在船舶的最佳位置上，優(yōu)化了船舶的空間。3. 電力推進(jìn)的不足之處：3.1能量的兩次轉(zhuǎn)換降低了效率電力推進(jìn)在節(jié)省了傳動(dòng)損失的同時(shí)，因?yàn)榻?jīng)歷了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化、然后又由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的兩次能量轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中效率損失了約8%，較之機(jī)械傳動(dòng)2%的損失，整體效率下降。但由于柴油機(jī)始終運(yùn)行于高效區(qū)，加上推進(jìn)效率的增加，最終的經(jīng)濟(jì)性仍然要好。3.2增加了船舶成本如果要充分發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)省燃油的特點(diǎn)，就需要裝備大量的原動(dòng)力設(shè)備以保證在最大用電量時(shí)，每臺(tái)機(jī)器分擔(dān)的負(fù)荷都能使機(jī)器處于高效工作區(qū)。這勢(shì)必會(huì)造成船舶成本的增加。比如按傳統(tǒng)的推進(jìn)形式某游輪動(dòng)力構(gòu)成為：四臺(tái)瓦錫蘭-蘇爾壽12ZAV40S以及兩臺(tái)瓦錫蘭-蘇爾壽8ZAL40S柴油機(jī)，而采用電力推進(jìn)的其構(gòu)成為：六臺(tái)瓦錫蘭12V38中速柴油機(jī)（運(yùn)行于600rpm，單機(jī)功率為7920KW）。可以看出，其造價(jià)明顯增加。不過(guò)，一般的豪華游輪的購(gòu)置商都愿意花這一筆錢(qián)，以贏取更多的燃油節(jié)省費(fèi)用。電力推進(jìn)的應(yīng)用：電力推進(jìn)作為一種全新的推進(jìn)方式，比之傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)方式，節(jié)省了大量的燃油消耗，為營(yíng)運(yùn)商創(chuàng)造了豐厚的利潤(rùn)；同時(shí)其操縱性的提高，故障的減少，為船舶安全性提供更大的保障；加上它的環(huán)保性能，使其成為現(xiàn)代船舶發(fā)展一個(gè)重要方向。1. 電力推進(jìn)在商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用逐步發(fā)展起來(lái)的podded propeller（吊艙式推進(jìn)器），為電力推進(jìn)提供了有利的技術(shù)支持。主要的三種吊艙式推進(jìn)器生產(chǎn)商是：ABB公司的Azipod 推進(jìn)器，Kamewa和Alstom公司聯(lián)合推出的MermaidTM（美人魚(yú)）推進(jìn)器，以及STN ATLAS和John Crane-Lips共同開(kāi)發(fā)的DOLPHIN（海豚）推進(jìn)器。世界上大型的游輪公司如前面提到的Carnival（狂歡節(jié)）游輪公司（Carnival Cruiser Line，簡(jiǎn)稱(chēng)CCL）有三條情緒類(lèi)的游輪應(yīng)用了ABB公司的Azipod 推系統(tǒng)，包括Elation號(hào)，另外三條正在制造之中。它還訂了五條新的游輪用于荷蘭-美國(guó)航線(xiàn)，都是用電力推進(jìn)方式。除了大型的游輪以外，電力推進(jìn)還用于大型原油船、集裝箱船、液化氣船。芬蘭的Fortum oil&gas公司有兩條油輪在韓國(guó)建造，每條油輪都裝有16MW的Azipod 推進(jìn)器，通過(guò)三項(xiàng)變頻推進(jìn)系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。船舶的尾部設(shè)計(jì)成具有破冰功能，Azipod 推進(jìn)系統(tǒng)倒航時(shí)，可以在冰與船體之間生成一層潤(rùn)滑水流，這樣船舶在1米厚的冰區(qū)航行時(shí)，速度仍可以達(dá)到三節(jié)。集裝箱船、液化氣船與原油船的推進(jìn)要求基本相似，因此，電力推進(jìn)將逐步應(yīng)用于這類(lèi)船舶。2. 電力推進(jìn)開(kāi)始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域自從1902年John P Holland對(duì)一個(gè)英國(guó)皇家海軍潛艇原型作了第一個(gè)技術(shù)試驗(yàn)后，人們?cè)陔娏ν七M(jìn)方面開(kāi)始取得了很大的進(jìn)展。在上一個(gè)世紀(jì)，電力推進(jìn)一直局限在商業(yè)領(lǐng)域里發(fā)展，典型地如破冰船、科學(xué)考察船、客船。但自從20世紀(jì)80年代電子能源控制系統(tǒng)的精細(xì)化以及podded propeller的發(fā)展使電力推進(jìn)應(yīng)用于船舶的類(lèi)型更為廣泛，開(kāi)始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。有資料表明：各國(guó)都在致力于整體式全電力推進(jìn)（integrated full electric propulsion