船舶电力推进系统的发展

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:U664.14文献标识码:B文章编号:1006-7728(2006)04-0009-030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: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:①吊舱可以360o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。②节省燃料,极大减少废气排放。③降低了振动和噪声。④维修工作量小。⑤推进装置可在舰船建造后期进行安装,不会与其他建造工序发生冲突。⑥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。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360o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180o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,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.Maritimeelectricalinstallationsanddieselelectricpropulsion[J].ABBASMarine,2003(4).[2]WoodwardD.Electricpropulsionnincreasescopeofmarinereferences[J].MarinePropulsionInternation-al,2000(10).[3]高海波,高孝洪,陈辉,等.吊舱式电力推进装置的发展及应用[J].武汉理工大学学报,2006(1):81-84.[4]郭国才,石艳.最佳的电力船推进方案[J].船电技术,2005(1):5-8.[5]高海波,陈辉,林治国.民用船舶电力推进系统的发展[J].中国水运,2005(1):45-46.