船舶電力推進系統(tǒng)綜述報告

1、精品文檔船舶電力推進系統(tǒng)綜述報告張文超201221024017一、船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展船舶電力推進系統(tǒng)已有近百年歷史，但是由于受各種因素制約，發(fā)展緩慢，且大多數(shù)只應(yīng)用在特種船舶上。從 20 世紀 80年代起， 供電系統(tǒng)、推進電機和微電子及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使船舶電力推進裝置打破了長期徘徊局面，得到了大力的發(fā)展。電力推進系統(tǒng)基本由機械原動機（ 柴油機、 燃氣輪機或核動力） 構(gòu)成，用以驅(qū)動交流發(fā)電機，發(fā)電機再為推進電動機提供動力。電動機可能是直流、交流同步電動機或交流感應(yīng)電動機。同傳統(tǒng)的機械推進方式相比，采用電力推進系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟性、振動噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯優(yōu)點。船

2、舶綜合全電力推進系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動、推進、儲能、 監(jiān)控和電力管理，是現(xiàn)行船舶平臺的電力和動力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合；它不是電力推進加自動電站的簡單組合，而是從概念到方案、組成、配置、技術(shù)等均發(fā)生重大變化，給未來的船舶帶來一場革命。二、電力推進系統(tǒng)的組成船舶電力推進裝置一般由原動機、發(fā)電機、電動機、螺旋槳以及控制單元組成。原動機帶動發(fā)電機，發(fā)電機帶動推進電機，電機驅(qū)動螺旋槳，推動船舶航行。因螺旋槳所需功率很大，一般需要設(shè)置兩個單獨的電站：推進電機電站和輔機電站， 分別給推進電機和輔機供電。目前的原動機一般使用高速或中高速的柴油機，推進裝置一般有直流電力推進和交流電力推進兩種。目前

3、世界上使用電力推進的船舶，主要可分為兩類：一類是電力推進與其他發(fā)動機推進結(jié)合的混合推進；另一類是全電力推進，即使用一個電站供電給推進裝置和其他輔助裝置。三、船舶電力推進方式的優(yōu)缺點1電力推進方式的優(yōu)點（ 1） 操縱靈活，機動性能好，靠離碼頭時可不需拖輪協(xié)助，有更好的經(jīng)濟性；（ 2）電力推進裝置的操縱由駕駛臺直接控制，應(yīng)付緊急狀態(tài)能力強，有利于提圖安全。(3)有很好的低速特性，包功率特性，恒電流特性和陡轉(zhuǎn)特性；(4)因省去了主機與螺旋槳之間的軸系以及舵，節(jié)省了大量的空間，可以 增加船舶有效空間和有效載荷；(5)可采用中高速的非反轉(zhuǎn)原動機，主機的選擇有很大的靈活性；(6)原動機和螺旋槳系柔性連接，

4、使得螺旋槳的轉(zhuǎn)速不受原動機轉(zhuǎn)速的限 制，彼此都可以工作在最佳狀態(tài)；(7)噪聲小，震動小，廢氣 NO排放減少；(8)若采用吊艙式電力推進系統(tǒng)，省去了長軸系，操舵裝置和舵，可不設(shè) 舵機房，也省去了 bowthrouster ,減輕了設(shè)備的重量，增加了有效載荷。另外， 模塊化設(shè)計原理使吊艙模塊可以在船舶建造完成時安裝，縮短了建造時間；不需要進塢就可以維修螺旋槳，吊艙裝置可以在水下安裝。2.電力推進方式存在的問題(1)由于經(jīng)過兩次能量轉(zhuǎn)換，在電氣能量轉(zhuǎn)換中，若采用交 -直-交變頻調(diào) 速，還有兩次電能的能量轉(zhuǎn)換，使得電力推進比傳統(tǒng)推進效率降低。額定工況時， 一般直接傳動為：98%直流電力推進為：85%-

5、 90%交流電機推進為：94%- 95%(2)初期投資成本較高。例：中遠廣州公司 18000t半潛船采用SSP吊艙 式電力推進系統(tǒng)，比傳統(tǒng)推進采購費多300萬美元，有資料表明，采用全電力推 進比機械推進所需初期費用貴25位右；(3)需要高技術(shù)的電氣工程師做維修保養(yǎng)工作。四、電力推進的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1 .國外的發(fā)展狀況世界上采用過電力推進的民船種類繁多，包括：運輸船、海洋開發(fā)用船、工 程船、漁業(yè)船舶、拖帶船舶、港務(wù)船、農(nóng)用船等等。近20年以來，船舶電力推進應(yīng)用達到了空前的繁榮。世界上各大船用設(shè) 備廠家如ABB SIEMENS ALSTOMSTNATLA等公司都已開發(fā)出成套的電力推進 系列產(chǎn)品。其

6、中尤以ABB開發(fā)的吊艙式電力推進器 AZIPODR為成功，并得到廣 泛應(yīng)用。AZIPOD是將馬達裝入一個流線型殼體內(nèi)，螺旋槳置于殼體前段，操作十分 方便，可以在很低轉(zhuǎn)速下運行，又可作為轉(zhuǎn)向裝置，推進效率高于常規(guī)螺旋槳。如大型旅游船Hation號上裝配有14000kwAZIPOD其航速比裝有常規(guī)推進的姐 妹船快0.5kn,推進效率高8%回轉(zhuǎn)半徑減少30%從全速前進到全速后退僅需 20s。從1987年到2003年之間，AB腔司的交流電力推進的裝機總功率達到 2318MWV僅吊艙推進總功率就達到 826MW從1980年起，ALSTOMJ電力推進系統(tǒng)裝船多達110艘，總裝機超過 1500000kW動力

7、定位系統(tǒng)裝船已達160多艘，其與瑞典Kamew公司聯(lián)合開發(fā)的 Mermaid推進器，也稱“美人魚”推進器，在最近兩年內(nèi)完成訂單近 40套?！懊?人魚”電力推進器功率范圍為5-25MW該系統(tǒng)的獨特設(shè)計在于軸封甚至整個吊 艙都可以在水下進行更換。2 .國內(nèi)的發(fā)展狀況與國外相比，我國在船舶電力推進應(yīng)用方面起步較晚。近年來，通過國內(nèi)船舶行業(yè)各部門的不懈努力，我國民用船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)取得了可喜的 成績，目前已應(yīng)用到海上石油工作船、科考船、貨運船、火車渡輪，以及其他專 業(yè)性船舶等方面，舉例如下：2000年，上海愛德華造船有限公司為瑞典公司建造了的“帕勞思佩拉” 化學品船，是我國第一次采用PODf

8、e力推進系統(tǒng)的船舶。2002年廣船國際為COSCO 建造的18000T級半潛船“泰安口”，是中國第一艘自己建造的海洋工程大型特 種船舶，采用兩套SSP吊艙電力推進系統(tǒng)，是同類船舶中目前最為先進的首制船。 2006年投入試運行的煙大火車渡輪是我國首次自行設(shè)計、采用電力推進方式的 船舶。同年10月，天津新港造船廠建造的我國首艘采用全電力推進系統(tǒng)的火車 滾裝船“中鐵渤海一號”順利交工，該船總噸位達到25000T,這是我國自行設(shè)計、建造噸位最大的全電力推進船舶。其它還有912消磁船、浮式生產(chǎn)儲油輪、991水聲測量船、502TEU用途 集裝箱船等等。五.電力推進關(guān)鍵技術(shù)分析1 .綜合電力系統(tǒng)總體技術(shù)研究

9、由于綜合全電力系統(tǒng)的設(shè)計是當今先進的電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技 術(shù)、電機制造技術(shù)、永磁材料技術(shù)、計算機控制技術(shù)、原動機技術(shù)等的綜合運用，技術(shù)含量高。許多不同專業(yè)的各個設(shè)備的研制需要相互協(xié)調(diào)，功 能相當且接口一致。為滿足系統(tǒng)和總體的需求，需要全面、綜合、系統(tǒng)、 深入地開展研究，對各子系統(tǒng)提出要求，確保這一復(fù)雜工程有序、順利的 開展。綜合電力系統(tǒng)各個模塊是否運行良好并相互協(xié)調(diào)以發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能 是事關(guān)整個系統(tǒng)優(yōu)劣和良好運行的關(guān)鍵。因此需要開展構(gòu)成綜合電力系統(tǒng) 的各個模塊，以及各模塊集成的技術(shù)研究，主要包括：(1)發(fā)電模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，包括原動機的選擇和新型原動機的研制， 高功率、高能量密度的交流或直

10、流發(fā)電機的研制，全船環(huán)形電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù) 的研究等。(2)配電模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括區(qū)域配電模式研究等。(3)電力變換模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括大容量電能變換技術(shù)研究， 中、高壓電網(wǎng)的安全性研究等。(4)電力控制模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括電力系統(tǒng)智能化綜合監(jiān)控與 管理技術(shù)研究等。(5)推進電機模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括現(xiàn)有推進電機應(yīng)用系統(tǒng)的研 究，新型推進電機及其應(yīng)用系統(tǒng)的可行性研究等。(6)能量儲存模塊關(guān)鍵技術(shù)研究。開展新型儲能技術(shù)，如超導(dǎo)儲能技術(shù)、 蓄電池儲能技術(shù)、飛輪儲能技術(shù)研究以及能量管理模式研究，可提高船舶 電力系統(tǒng)的可靠性和供電品質(zhì)。(7)系統(tǒng)集成技術(shù)研究。系統(tǒng)集成的核心在于系統(tǒng)的

11、綜合優(yōu)化和系統(tǒng)的 控制與管理，因此應(yīng)開展包括系統(tǒng)模塊化及綜合優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)綜合智能 監(jiān)控技術(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)、系統(tǒng)保護技術(shù)、系統(tǒng)綜合智能管理等技術(shù) 的研究。2 .推進電機技術(shù)研究推進電機是綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分。永磁推進電動機機相比，具 有體積小、重量輕、高比功率、效率高、噪聲低、易于實現(xiàn)集中遙控、可 靠性高、可維護性好等優(yōu)點，是船舶推進電機的理想選擇，目前大部分船 舶電力推進裝置都采用永磁同步電機。隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，為超導(dǎo)電機的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。作為 艦船推進用的高溫超導(dǎo)電機與普通感應(yīng)電機相比具有極為突出的優(yōu)越性， 主要有：提高功率密度，減小電機質(zhì)量和體積，在整個功率范圍內(nèi)都

12、具有 不變的高效率等。高溫超導(dǎo)電機很適合應(yīng)用于吊艙式電力推進裝置。2002年7月，美國超導(dǎo)公司宣布世界上第一臺3.7MW 1800r/min高溫超導(dǎo)同步電機研制成功，其應(yīng)用對象是海軍艦船和商業(yè)船舶。3 .綜合電力系統(tǒng)適裝性技術(shù)研究綜合電力系統(tǒng)裝備船舶，不僅需要研究其與船舶總體的關(guān)系，還應(yīng)考慮 其與船上其它系統(tǒng)、設(shè)備的關(guān)系。主要需要開展以下方面的研究船舶的適 裝性問題，并研究與此相關(guān)的對船舶安全性、可靠性等的影響，以及系統(tǒng) 對船舶海洋環(huán)境的適裝性問題等，解決系統(tǒng)內(nèi)部及與其它船用電子設(shè)備之 間的電磁兼容性問題。六、推進電機技術(shù)研究1 .現(xiàn)代艦船電力推進系統(tǒng)的基本組成一般來說，綜合電力推進系統(tǒng)由供電

13、系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、變 頻調(diào)速系統(tǒng)、推進電機和螺旋槳等幾個環(huán)節(jié)組成。艦船若采用綜合全電力 系統(tǒng)，艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容量則將數(shù)倍的增加，這對供配電系統(tǒng)提出了 更高的要求。本文主要從影響推進電機技術(shù)發(fā)展的幾個關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，分 析目前國內(nèi)外針對推進電機技術(shù)開展的研究工作、取得的進展和推進電機 技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。2.現(xiàn)代艦船電力推進系統(tǒng)中推進電機需要考慮的幾項主要性能指標關(guān)于電力推進討論的一個關(guān)鍵因素就是推進電機的型式。從艦船用電力推進系統(tǒng)的應(yīng)用角度出發(fā)，對推進電機技術(shù)關(guān)注的主要 有以下幾個問題：(1)推進電機的功率等級、效率和轉(zhuǎn)矩密度；(2)推進電機的功率一體積密度；(3)推進電機的功率一重

14、量密度；(4)推進電機的特征信號和抗沖擊性能；(5)推進電機的可靠性和使用維護性；(6)推進電機的研制風險和單位投入等。大型艦艇電力推進系統(tǒng)可能采用的推進電機主要包括五種類型：電勵磁同步電機、永磁電機（包括徑向磁通永磁電機、軸向磁通永磁電機、橫向 磁通永磁電機）、先進感應(yīng)電機、高溫超導(dǎo)電機和單極電機等。每種電機 各有其優(yōu)勢和不足，在選擇推進電機種類時需要考慮多方面的因素，具體 采用哪種電機合適，目前各國都仍處在論證研究階段，尚無定論。3.推進電機的特征信號和抗沖擊性能對艦船用推進電機來說， 我們關(guān)心的主要有它通過電機安裝裝置傳給艦 船的徑向震動信號和環(huán)向震動信號，通過螺旋槳傳輸?shù)呐ぞ卣饎有盘枴Ｈ?而要準確預(yù)測特定推進電機的震動信號是很困難的。而且，這些信號還與 所使用的控制方式、變流器的諧波成分、電機的相數(shù)和繞線方法等結(jié)構(gòu)特 征都有關(guān)系。一般來說，永磁電機的特征信號要小于電勵磁同步電機和感 應(yīng)電機，高溫超導(dǎo)電機則更佳。通常，徑向震蕩加速度可以作為最重要的抗沖擊性能。為計算不同電機 的機械震蕩響應(yīng)，需要估計螺旋槳、電機定子的靜態(tài)徑偏差。七、結(jié)束語艦船綜