電力推進(jìn)技術(shù)

1、電力推進(jìn)技術(shù)1、引言電力推進(jìn)作為船舶推進(jìn)方式之一，已有近百年的歷史。在此期間，艦船電力推進(jìn)技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)曲折的發(fā)展過程，即二戰(zhàn)前的新興期、二戰(zhàn)后到70 年代末以前的蕭條期和80年代以后的蓬勃發(fā)展期。 上世紀(jì)初，由德國(guó)、俄國(guó)引導(dǎo)的以蓄電池為動(dòng)力源的電力推進(jìn)技術(shù)在船舶上得到了應(yīng)用，但由于成本、維護(hù)、保養(yǎng)等方面因素的制約，發(fā)展較為緩慢。二戰(zhàn)期間，電力推進(jìn)曾出現(xiàn)過一段流行期，由于當(dāng)時(shí)交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)不成熟，多采用直流電力推進(jìn)，其調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好。但由于直流電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積及重量大，并存在功率及轉(zhuǎn)速極限等問題，故只能用在一些工程船舶及潛艇上，使得電力推進(jìn)在整個(gè)船舶推進(jìn)領(lǐng)域中的發(fā)展受到限制。20

2、世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)迅速發(fā)展，大功率交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)日益成熟，同時(shí)，為了迎合各國(guó)對(duì)船舶性能要求的進(jìn)一步提高，船舶電力推進(jìn)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外得以迅速發(fā)展。電力推進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域已擴(kuò)展到旅游船、水面戰(zhàn)艦、潛艇、各種工程船和油貨輪等，顯示出了廣泛的市場(chǎng)前景。隨著推進(jìn)電機(jī)、供電系統(tǒng)、蓄電池和微電子信息技術(shù)的迅速發(fā)展，電力推進(jìn)在船舶上的應(yīng)用得到了大力的發(fā)展。電力推進(jìn)系統(tǒng)的構(gòu)成可以分為三類：蓄電池、推進(jìn)電力組成的純電池推進(jìn)；機(jī)械原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或核動(dòng)力）、發(fā)電機(jī)、推進(jìn)電機(jī)組成的原動(dòng)機(jī)發(fā)電推進(jìn)；機(jī)械原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、蓄電池、推進(jìn)電機(jī)組成的混合電力推進(jìn)。2、電力推進(jìn)的主要優(yōu)勢(shì)與傳統(tǒng)的船舶機(jī)械

3、推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)的主要優(yōu)勢(shì)： (1)船上大型機(jī)械設(shè)備布置更靈活、有效空間更多、費(fèi)用降低；(2)電動(dòng)機(jī)由電網(wǎng)供電，增加了系統(tǒng)的可靠性，提高了生命力；(3)減少了維護(hù)的工作量；(4)可以采用中高速不逆轉(zhuǎn)原動(dòng)機(jī)，以減少設(shè)備的體積和重量；(5)可以采用低速電動(dòng)機(jī)直接與推進(jìn)軸連接，省去機(jī)械的減速齒輪；(6)操縱靈活，機(jī)動(dòng)性能好；(7)易于獲得理想的拖動(dòng)特性；(8)減小螺旋槳等機(jī)械振動(dòng)和噪聲、環(huán)境更加舒適、船舶航行也更加隱蔽；(9)提高經(jīng)濟(jì)效益，減少排放物；(10)采用綜合電力推進(jìn)可綜合利用船舶動(dòng)力裝置，減少設(shè)備數(shù)量；(11)電力推進(jìn)系統(tǒng)有較大的能量效率。3、電力推進(jìn)的構(gòu)成船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)一般由以下

4、幾部分組成：螺旋槳、電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、原動(dòng)機(jī)以及控制調(diào)節(jié)設(shè)備。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。原動(dòng)機(jī)可以采用柴油機(jī)、汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。目前一般采用高速或中速柴油機(jī)。大功率時(shí)多采用汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)。發(fā)電機(jī)采用直流他勵(lì)或差復(fù)勵(lì)電機(jī)、交流整流同步發(fā)電機(jī)或交流同步發(fā)電機(jī)。電動(dòng)機(jī)可以采用直流他勵(lì)雙樞雙換向器電動(dòng)機(jī)或交流同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)。圖1 船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)示意圖4、電力推進(jìn)的分類電力推進(jìn)就是船舶依靠自身配備的發(fā)電裝置或儲(chǔ)電設(shè)施獲取電能來驅(qū)動(dòng)電機(jī)、推進(jìn)船舶運(yùn)動(dòng)的一種推進(jìn)方式。驅(qū)動(dòng)電機(jī)能量的來源可以是蓄電池或發(fā)電機(jī)，按能量提供來源分為 3 類。4.1純電池推進(jìn)利用蓄電池（鉛酸電池或者鋰電池）作為電力供應(yīng)源來驅(qū)動(dòng)推進(jìn)

5、電機(jī)工作的一種推進(jìn)方式。蓄電池的發(fā)展日新月異，鉛酸電池已經(jīng)成為過去，鋰聚合物蓄電池、超級(jí)電容是近年來涌現(xiàn)的新型儲(chǔ)能器件，其儲(chǔ)能容量、使用壽命、安全性均達(dá)到了實(shí)船應(yīng)用水平。純鋰電推進(jìn)采用以鋰聚合物蓄電池為主、超級(jí)電容為輔的供電模式：當(dāng)推進(jìn)系統(tǒng)有瞬間強(qiáng)勁功率需求時(shí)，由超級(jí)電容供給能量；當(dāng)系統(tǒng)需要穩(wěn)定的功率輸出時(shí)，則由鋰電池供給 ; 當(dāng)系統(tǒng)有能量回饋 ( 緊急制動(dòng)或反轉(zhuǎn) ) 時(shí)，瞬間回饋能量由超級(jí)電容吸收。超級(jí)電容和鋰聚合物蓄電池儲(chǔ)存的能量來源于岸電，運(yùn)行工作時(shí)既不消耗燃料，也能實(shí)現(xiàn)零排放，是名副其實(shí)的“綠色推進(jìn)”方式。4.2原動(dòng)機(jī)發(fā)電推進(jìn)利用機(jī)械原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電來驅(qū)動(dòng)推進(jìn)電機(jī)工作的一種推進(jìn)方

6、式。在船舶上應(yīng)用較為廣泛，主機(jī)一般為中、高速柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。它往往安裝在彈性基座上，以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組，為電力推進(jìn)系統(tǒng)正常工作運(yùn)轉(zhuǎn)提供能量。這種推進(jìn)方式既避免了主機(jī)與船體有直接的連接，又不與軸系上的電力推進(jìn)系統(tǒng)有任何聯(lián)系，大大降低了傳統(tǒng)推進(jìn)方式帶來的振動(dòng)和噪聲。4.3混合電力推進(jìn)介于純電池推進(jìn)和原動(dòng)機(jī)發(fā)電推進(jìn)中間的一種推進(jìn)方式。在設(shè)備配置上，它既配備有蓄電池組，同時(shí)也有主機(jī)和提供推進(jìn)電源的發(fā)電機(jī)組，兩者均能獨(dú)立地與電力推進(jìn)系統(tǒng)搭配工作。采用這種推進(jìn)方式主要是考慮其它兩種推進(jìn)方式的不足：純電池推進(jìn)需要大量的蓄電池組，價(jià)格昂貴且續(xù)航力有限，充電也不十分方便；原動(dòng)機(jī)發(fā)電推進(jìn)較傳統(tǒng)推進(jìn)方式大大降低

7、了振動(dòng)和噪音，但未能 100% 實(shí)現(xiàn)“綠色環(huán)?！?，在某些河流尤其是旅游景區(qū)，發(fā)展受限?；旌想娏ν七M(jìn)可以在局部流域采用純電池推進(jìn)，在緊急情況或條件許可的情況下采用原動(dòng)機(jī)發(fā)電推進(jìn)。5、民船電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r5.1 國(guó)外民用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用情況世界上采用過電力推進(jìn)的民船種類繁多，包括：運(yùn)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(jìn)應(yīng)用達(dá)到了空前的繁榮。世界上各大船用設(shè)備廠家如ABB、SIEMENS、ALSTOM、STNATLAS 等公司都已開發(fā)出成套的電力推進(jìn)系列產(chǎn)品。其中尤以ABB開發(fā)的吊艙式電力推進(jìn)器AZIPOD 最為成功，并得到廣泛應(yīng)用

8、。 AZIPOD是將馬達(dá)裝入一個(gè)流線型殼體內(nèi)，螺旋槳置于殼體前端，操作十分方便，可以在很低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，又可作為轉(zhuǎn)向裝置，推進(jìn)效率高于常規(guī)螺旋槳。如大型旅游船 Elation 號(hào)上裝配有14 000 k W AZIPOD，其航速比裝有常規(guī)推進(jìn)的姐妹船快0.5kn，推進(jìn)效率高8%，回轉(zhuǎn)半徑減少30%，從全速前進(jìn)到全速后退僅需20 s。從 1987年到2003年之間，ABB公司的交流電力推進(jìn)的裝機(jī)總功率達(dá)到2318MW，僅吊艙推進(jìn)總功率就達(dá)到826 MW。從 1980 年起，ALSTOM 的電力推進(jìn)系統(tǒng)裝船多達(dá) 110 艘，總裝機(jī)超過1 500 000 k W，動(dòng)力定位系統(tǒng)裝船已達(dá)160 多艘，其與

9、瑞典Kamewa公司聯(lián)合開發(fā)的 Mermaid 推進(jìn)器，也稱“美人魚”推進(jìn)器，在最近兩年內(nèi)完成定單近40 套?！懊廊唆~”電力推進(jìn)器功率范圍為525 MW，該系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)在于軸封甚至整個(gè)吊艙都可以在水下進(jìn)行更換。5.2國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況 與國(guó)外相比，我國(guó)在船舶電力推進(jìn)應(yīng)用方面起步較晚。近年來，通過國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)各部門的不懈努力，我國(guó)民用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)，目前已應(yīng)用到海上石油工作船、科考船、貨運(yùn)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“帕勞斯佩拉”化學(xué)品船，是我國(guó)第一次采用POD電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶。2002年廣船國(guó)際

10、為 COSCO 建造的18000t 級(jí)半潛船“泰安口”，是中國(guó)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(jìn)系統(tǒng)，是同類船型中目前最為先進(jìn)的首制船。2006 年投入試運(yùn)行的煙大（煙臺(tái)大連）火車輪渡是我國(guó)首次自行設(shè)計(jì)、采用電力推進(jìn)方式的船舶。同年10 月，天津新港造船廠建造的我國(guó)首艘采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)的火車滾裝船“中鐵渤海一號(hào)”順利交工，該船總噸位達(dá)到25000 t，這是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造噸位最大的全電力推進(jìn)船舶。 其它還有912 消磁船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪、991水聲測(cè)量船、502TEU多用途集裝箱船等等。6、軍船電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r電力推進(jìn)系統(tǒng)在民船上應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)也促進(jìn)了其在軍

11、用領(lǐng)域的發(fā)展，美、英等國(guó)及北約組織的海軍也都相繼開展了電力推進(jìn)的可行性研究和方案論證工作。目前各國(guó)家紛紛提出了發(fā)展海軍綜合全電力推進(jìn)艦艇的軍事戰(zhàn)略。 當(dāng)前世界各國(guó)的電力推進(jìn)船，主要采用的推進(jìn)方式有兩種：一種是電力推進(jìn)與其他發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)組合的混合式推進(jìn)，如英國(guó) 23 型護(hù)衛(wèi)艦，其采用了新一代燃?xì)廨啓C(jī)， 柴電聯(lián)合動(dòng)力裝 置(CODLAG)，高速時(shí)用燃?xì)廨啓C(jī)，低速時(shí)用柴油發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)電力推進(jìn)；另一種是全電力推進(jìn)，即推進(jìn)電源與船上輔助用電源由船上同一電站供給，如美國(guó)的新型DD21水面艦船和英國(guó)的45型驅(qū)逐艦。 (1) 英國(guó)綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究 英國(guó)國(guó)防部于1994 年正式開始IFEP系統(tǒng)的應(yīng)用研究

12、。1996年成立了一個(gè)專門機(jī)構(gòu)電船計(jì)劃管理局，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)發(fā)展和采購(gòu)未來英海軍水面艦艇的綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)。英國(guó)IFEP 發(fā)展計(jì)劃的重點(diǎn)首先是發(fā)展原動(dòng)機(jī)，英國(guó)堅(jiān)持原動(dòng)機(jī)全燃化，大功率（21 MW）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)主要使用WR-21中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)，中功率（78 MW）采用復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，又與荷蘭合作試驗(yàn)小型復(fù)雜循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)（僅有回?zé)崞鳎?，作為小功率?2 MW）燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)。IFEP 系統(tǒng)的另一個(gè)主要設(shè)備是推進(jìn)電機(jī)。英國(guó)正在研制1624 MW 的軸向磁通永磁電機(jī)。IFEP系統(tǒng)將可能用于英國(guó)的未來護(hù)衛(wèi)艦、未來航空母艦和未來攻擊型潛艇。(2) 美國(guó)綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究 近些年來，美國(guó)海軍海

13、上系統(tǒng)指揮部的預(yù)先發(fā)展水面機(jī)械計(jì)劃(ASMP)一直集中于發(fā)展海軍艦船推進(jìn)、電力和控制系統(tǒng)，其目的是在滿足艦船各方面性能要求的同時(shí)，大大地減少采購(gòu)費(fèi)和整個(gè)壽命期間費(fèi)用。該計(jì)劃由四部分組成：WR21中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)、標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)控系統(tǒng)、綜合電力系統(tǒng)(IPS)和電力電子設(shè)備。其中，中冷回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)比普燃?xì)廨啓C(jī)功率增加25，油耗平均降低 3040。對(duì)于DDG51 級(jí)驅(qū)逐艦(在 16 kn 時(shí)航行 5400 n mile)，全年每艘艦可節(jié)約費(fèi)用 150 萬(wàn)美元，同時(shí)允許艦的航速增加6 kn，在航時(shí)間增加 8 天，或航程增加 1000 n mile。綜合電力系統(tǒng)（IPS）由發(fā)電和推進(jìn)、日用配電、區(qū)域配電、系統(tǒng)監(jiān)

14、測(cè)和控制4 個(gè)分系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，能滿足不同艦船要求，可節(jié)省大量采購(gòu)費(fèi)和運(yùn)行費(fèi)用。綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展分三個(gè)階段：小比例預(yù)研、全尺寸樣機(jī)預(yù)研和全尺寸工程研制。前兩個(gè)階段已接近完成。第一階段中制成了2.2 MW、300 rpm的軸向磁通永磁電機(jī)，第二階段中制造了9.2 MW、150 rpm的全尺寸永磁電機(jī)樣機(jī)。該樣機(jī)是采用釹-鐵-硼稀土永磁材料的軸向氣隙橫向磁電機(jī)，電機(jī)小而輕。此外，法國(guó)參與了美、英的 IFEP 研究計(jì)劃。德國(guó)、加拿大也對(duì)水面艦艇的全電力推進(jìn)方案進(jìn)行了研究。7、結(jié)束語(yǔ)二十世紀(jì)八十年代中期以后，大型交流船舶電力推進(jìn)裝置已在民船和海軍艦艇上進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用，實(shí)際運(yùn)行的

15、情況證明其性能良好，有很強(qiáng)的實(shí)用意義和推廣價(jià)值，船舶電力推進(jìn)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)㈦S著技術(shù)的發(fā)展不斷擴(kuò)大。各類交流推進(jìn)方式將繼續(xù)取得發(fā)展。我國(guó)在船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)研究及應(yīng)用方面起步較晚，但在原動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)、配電、變頻調(diào)速等關(guān)鍵技術(shù)方面有一定的工業(yè)基礎(chǔ)。目前我國(guó)在船用大功率燃?xì)廨啓C(jī)、永磁電機(jī)、高壓大容量電力電子器件、吊艙推進(jìn)器等設(shè)計(jì)與制造方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。中國(guó)船舶電力推進(jìn)行業(yè)的發(fā)展需要在政府的支持下，提升技術(shù)裝備水平，并通過加強(qiáng)與國(guó)際先進(jìn)造船企業(yè)的交流、推廣軍民兩用技術(shù)，促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用，提高我國(guó)在這一領(lǐng)域的國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 參考文獻(xiàn)1 王鳳良, 吳宏, 楊東升. 英國(guó)綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)

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