船舶电力推进系统综述报告

船舶电力推进系统综述报告 张文超 2 一、船舶电力推进系统的发展 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，且大多数只使用在特种船舶上。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、布置和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，给未来的船舶带来一场革命。 二、电力推进系统的组成 船舶电力推进装置一般由原动机﹑发电机﹑电动机﹑螺旋桨以及控制单元组成。 原动机带动发电机，发电机带动推进电机，电机驱动螺旋桨，推动船舶航行。因螺旋桨所需功率很大，一般需要设置两个单独的电站：推进电机电站和辅机电站，分别给推进电机和辅机供电。目前的原动机一般使用高速或中高速的柴油机，推进装置一般有直流电力推进和交流电力推进两种。 目前世界上使用电力推进的船舶，主要可分为两类：一类是电力推进和其他发动机推进结合的混合推进；另一类是全电力推进，即使用一个电站供电给推进装置和其他辅助装置。 三、船舶电力推进方式的优缺点 1．电力推进方式的优点 （1）操纵灵活，机动性能好，靠离码头时可不需拖轮协助，有更好的经济性； （2）电力推进装置的操纵由驾驶台直接控制，应付紧急状态能力强，有利于提高安全。 （3）有很好的低速特性，恒功率特性，恒电流特性和陡转特性； （4）因省去了主机和螺旋桨之间的轴系以及舵，节省了大量的空间，可以增加船舶有效空间和有效载荷； （5）可采用中高速的非反转原动机，主机的选择有很大的灵活性； （6）原动机和螺旋桨系柔性连接，使得螺旋桨的转速不受原动机转速的限制，彼此都可以工作在最佳状态； （7）噪声小，震动小，废气NOx排放减少； （8）若采用吊舱式电力推进系统，省去了长轴系，操舵装置和舵，可不设舵机房，也省去了bow throuster，减轻了设备的重量，增加了有效载荷。另外，模块化设计原理使吊舱模块可以在船舶建造完成时安装，缩短了建造时间；不需要进坞就可以维修螺旋桨，吊舱装置可以在水下安装。 2．电力推进方式存在的问题 （1）由于经过两次能量转换，在电气能量转换中，若采用交-直-交变频调速，还有两次电能的能量转换，使得电力推进比传统推进效率降低。额定工况时，一般直接传动为：98%，直流电力推进为：85%～90%，交流电机推进为：94%～95%； （2）初期投资成本较高。例：中远广州公司18000t半潜船采用SSP吊舱式电力推进系统，比传统推进采购费多300万美元，有资料表明，采用全电力推进比机械推进所需初期费用贵25%左右； （3）需要高技术的电气工程师做维修保养工作。 四、电力推进的国内外发展现状 1. 国外的发展状况 世界上采用过电力推进的民船种类繁多，包括：运输船、海洋开发用船、工程船、渔业船舶、拖带船舶、港务船、农用船等等。 近20年以来，船舶电力推进使用达到了空前的繁荣。世界上各大船用设备厂家如ABB、SIEMENS、ALSTOM、STNATLAS等公司都已开发出成套的电力推进系列产品。其中尤以ABB开发的吊舱式电力推进器AZIPOD最为成功，并得到广泛使用。 AZIPOD是将马达装入一个流线型壳体内，螺旋桨置于壳体前段，操作十分方便，可以在很低转速下运行，又可作为转向装置，推进效率高于常规螺旋桨。 如大型旅游船Elation号上装配有14000kwAZIPOD，其航速比装有常规推进的姐妹船快0.5kn,推进效率高8%，回转半径减少30%，从全速前进到全速后退仅需20s。从1987年到2003年之间，ABB公司的交流电力推进的装机总功率达到2318MW，仅吊舱推进总功率就达到826MW。 从1980年起，ALSTOM的电力推进系统装船多达110艘，总装机超过1500000kW，动力定位系统装船已达160多艘，其和瑞典Kamewa公司联合开发的Mermaid推进器，也称“美人鱼”推进器，在最近两年内完成订单近40套。“美人鱼”电力推进器功率范围为5-25MW，该系统的独特设计在于轴封甚至整个吊舱都可以在水下进行更换。 2. 国内的发展状况 和国外相比，我国在船舶电力推进使用方面起步较晚。近年来，通过国内船舶行业各部门的不懈努力，我国民用船舶电力推进系统的发展已经取得了可喜的成绩，目前已使用到海上石油工作船、科考船、货运船、火车渡轮，以及其他专业性船舶等方面，举例如下： 2000年，上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造了的“帕劳思佩拉”化学品船，是我国第一次采用POD电力推进系统的船舶。2002年广船国际为COSCO建造的18000T级半潜船“泰安口”，是中国第一艘自己建造的海洋工程大型特种船舶，采用两套SSP吊舱电力推进系统，是同类船舶中目前最为先进的首制船。2006年投入试运行的烟大火车渡轮是我国首次自行设计、采用电力推进方式的船舶。同年10月，天津新港造船厂建造的我国首艘采用全电力推进系统的火车滚装船“中铁渤海一号”顺利交工，该船总吨位达到25000T，这是我国自行设计、建造吨位最大的全电力推进船舶。 其它还有912消磁船、浮式生产储油轮、991水声测量船、502TEU多用途集装箱船等等。 五．电力推进关键技术分析 1.综合电力系统总体技术研究 由于综合全电力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。为满足系统和总体的需求，需要全面、综合、系统、深入地开展研究，对各子系统提出要求，确保这一复杂工程有序、顺利的开展。 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。因此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： （1）发电模块关键技术研究，包括原动机的选择和新型原动机的研制，高功率、高能量密度的交流或直流发电机的研制，全船环形电网关键技术的研究等。 （2）配电模块关键技术研究，主要包括区域配电模式研究等。 （3）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。 （4）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和管理技术研究等。 （5）推进电机模块关键技术研究，主要包括现有推进电机使用系统的研究，新型推进电机及其使用系统的可行性研究等。 （6）能量储存模块关键技术研究。开展新型储能技术，如超导储能技术、蓄电池储能技术、飞轮储能技术研究以及能量管理模式研究，可提高船舶电力系统的可靠性和供电品质。 （7）系统集成技术研究。系统集成的核心在于系统的综合优化和系统的控制和管理，因此应开展包括系统模块化及综合优化技术、系统综合智能监控技术、系统稳定控制技术、系统保护技术、系统综合智能管理等技术的研究。 2.推进电机技术研究 推进电机是综合电力系统的重要组成部分。永磁推进电动机机相比，具有体积小、重量轻、高比功率、效率高、噪声低、易于实现集中遥控、可靠性高、可维护性好等优点，是船舶推进电机的理想选择，目前大部分船舶电力推进装置都采用永磁同步电机。 随着高温超导材料的发展，为超导电机的发展创造了良好的条件。作为 舰船推进用的高温超导电机和普通感应电机相比具有极为突出的优越性，主要有：提高功率密度，减小电机质量和体积，在整个功率范围内都具有不变的高效率等。高温超导电机很适合使用于吊舱式电力推进装置。2002年7月，美国超导公司宣布世界上第一台3.7MW，1800r/min高温超导同步电机研制成功，其使用对象是海军舰船和商业船舶。 3.综合电力系统适装性技术研究 综合电力系统装备船舶，不仅需要研究其和船舶总体的关系，还应考虑其和船上其它系统、设备的关系。主要需要开展以下方面的研究船舶的适装性问题，并研究和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，解决系统内部及和其它船用电子设备之间的电磁兼容性问题 。 六、推进电机技术研究 1.现代舰船电力推进系统的基本组成 一般来说，综合电力推进系统由供电系统、配电系统、变电系统、变频调速系统、推进电机和螺旋桨等几个环节组成。舰船若采用综合全电力系统，舰船电力系统网络的容量则将数倍的增加，这对供配电系统提出了更高的要求。本文主要从影响推进电机技术发展的几个关键技术出发，分析目前国内外针对推进电机技术开展的研究工作、取得的进展和推进电机技术的主要发展趋势。 2.现代舰船电力推进系统中推进电机需要考虑的几项主要性能指标 关于电力推进讨论的一个关键因素就是推进电机的型式。 从舰船用电力推进系统的使用角度出发，对推进电机技术关注的主要有以下几个问题： （1）推进电机的功率等级、效率和转矩密度； （2）推进电机的功率—体积密度； （3）推进电机的功率－重量密度； （4）推进电机的特征信号和抗冲击性能； （5）推进电机的可靠性和使用维护性； （6）推进电机的研制风险和单位投入等。 大型舰艇电力推进系统可能采用的推进电机主要包括五种类型：电励磁