电力推进关键技术_

电力推进技术

1、引言

电力推进作为船舶推进方法之一，已经有近百年历史。在此期间，舰船电力推进技术经历了一个曲折发展过程，即二战前新兴期、二战后到70 年代末以前萧条期和80年代以后蓬勃发展期。

上世纪初，由德国、俄国引导以蓄电池为动力源电力推进技术在船舶上得到了应用，但因为成本、维护、保养等方面原因制约，发展较为缓慢。二战期间，电力推进曾出现过一段流行期，因为当初交流电机调速技术不成熟，多采取直流电力推进，其调速系统简单、调速性能好。但因为直流电机结构复杂、体积及重量大，并存在功率及转速极限等问题，故只能用在部分工程船舶及潜艇上，使得电力推进在整个船舶推进领域中发展受到限制。

20世纪80年代以来，伴随电力电子技术快速发展，大功率交流电机变频调速技术日益成熟，同时，为了迎合各国对船舶性能要求深入提升，船舶电力推进技术在中国外得以快速发展。电力推进技术应用领域已扩展到旅游船、水面战舰、潜艇、多种工程船和油货轮等，显示出了广泛市场前景。伴随推进电机、供电系统、蓄电池和微电子信息技术快速发展，电力推进在船舶上应用得到了大力发展。

电力推进系统组成能够分为三类：蓄电池、推进电力组成纯电池推进；机械原动机（柴油机、燃气轮机或核动力）、发电机、推进电机组成原动机发电推进；机械原动机、发电机、蓄电池、推进电机组成混合电力推进。

2、电力推进关键优势

和传统船舶机械推进方法相比，电力推进关键优势：

(1)船上大型机械设备部署更灵活、有效空间更多、费用降低；

(2)电动机由电网供电，增加了系统可靠性，提升了生命力；

(3)降低了维护工作量；

(4)能够采取中高速不逆转原动机，以降低设备体积和重量；

(5)能够采取低速电动机直接和推进轴连接，省去机械减速齿轮；

(6)操纵灵活，机动性能好；

(7)易于取得理想拖动特征；

(8)减小螺旋桨等机械振动和噪声、环境愈加舒适、船舶航行也愈加隐蔽；

(9)提升经济效益，降低排放物；

(10)采取综合电力推进可综合利用船舶动力装置，降低设备数量；

(11)电力推进系统有较大能量效率。

3、电力推进组成

船舶电力推进系统通常由以下几部分组成：螺旋桨、电动机、发电机、原动机和控制调整设备。其结构图1所表示。原动机能够采取柴油机、汽轮机或燃气轮机。现在通常采取高速或中速柴油机。大功率时多采取汽轮机或燃气轮机。发电机采取直流她励或差复励电机、交流整流同时发电机或交流同时发电机。电动机能够采取直流她励双枢双换向器电动机或交流同时电动机、异步电动机。

图1 船舶电力推进系统示意图

4、电力推进分类

电力推进就是船舶依靠本身配置发电装置或储电设施获取电能来驱动电机、推进船舶运动一个推进方法。驱动电机能量起源能够是蓄电池或发电机，按能量提供起源分为 3 类。

4.1纯电池推进

利用蓄电池（铅酸电池或锂电池）作为电力供给源来驱动推进电机工作一个推进方法。蓄电池发展日新月异，铅酸电池已经成为过去，锂聚合物蓄电池、超级电容是多年来涌现新型储能器件，其储能容量、使用寿命、安全性均达成了实船应用水平。纯锂电推进采取以锂聚合物蓄电池为主、超级电容为辅供电模式：当推进系统有瞬间强劲功率需求时，由超级电容供给能量；当系统需要稳定功率输出时，则由锂电池供给 ; 当系统有能量回馈 ( 紧急制动或反转 ) 时，瞬间回馈能量由超级电容吸收。超级电容和锂聚合物蓄电池储存能量起源于岸电，运行工作时既不消耗燃料，也能实现零排放，是名副其实“绿色推进”方法。

4.2原动机发电推进

利用机械原动机带动发电机组发电来驱动推进电机工作一个推进方法。在船舶上应用较为广泛，主机通常为中、高速柴油发动机。它往往安装在弹性基座上，以恒定转速运行带动发电机组，为电力推进系统正常工作运转提供能量。这种推进方法既避免了主机和船体有直接连接，又不和轴系上电力推进系统有任何联络，大大降低了传统推进方法带来振动和噪声。

4.3混合电力推进

介于纯电池推进和原动机发电推进中间一个推进方法。在设备配置上，它既配置有蓄电池组，同时也有主机和提供推进电源发电机组，二者均能独立地和电力推进系统搭配工作。采取这种推进方法关键是考虑其它两种推进方法不足：纯电池推进需要大量蓄电池组，价格昂贵且续航力有限，充电也不十分方便；原动机发电推进较传统推进方法大大降低了振动和噪音，但未能 100% 实现“绿色环境保护”，在一些河流尤其是旅游景区，发展受限。混合电力推进能够在局部流域采取纯电池推进，在紧急情况或条件许可情况下采取原动机发电推进。

5、民船电力推进系统发展情况

5.1 国外民用船舶电力推进系统应用情况

世界上采取过电力推进民船种类繁多，包含：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，船舶电力推进应用达成了空前繁荣。世界上各大船用设备厂家如ABB、SIEMENS、ALSTOM、STNATLAS 等企业全部已开发出成套电力推进系列产品。其中尤以ABB开发吊舱式电力推进器AZIPOD 最为成功，并得到广泛应用。

　AZIPOD是将马达装入一个流线型壳体内，螺旋桨置于壳体前端，操作十分方便，能够在很低转速下运行，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14 000 k W AZIPOD，其航速比装有常规推进姐妹船快0.5kn，推进效率高8%，回转半径降低30%，从全速前进到全速后退仅需20 s。从 1987年到之间，ABB企业交流电力推进装机总功率达成2318MW，仅吊舱推进总功率就达成826 MW。

从 1980 年起，ALSTOM 电力推进系统装船多达 110 艘，总装机超出1 500 000 k W，动力定位系统装船已达160 多艘，其和瑞典Kamewa企业联合开发 Mermaid 推进器，也称“美人鱼”推进器，在最近两年内完成定单近40 套。“美人鱼”电力推进器功率范围为5~25 MW，该系统独特设计在于轴封甚至整个吊舱全部能够在水下进行更换。

5.2中国应用情况

和国外相比，中国在船舶电力推进应用方面起步较晚。多年来，经过中国船舶行业各部门不懈努力，中国民用船舶电力推进系统发展已经取得了可喜成绩，现在已应用到海上石油工作船、科考船、货运船、火车渡轮，和其它专业性船舶等方面，举例以下：，上海爱德华造船为瑞典企业建造了“帕劳斯佩拉”化学品船，是中国第一次采取POD电力推进系统船舶。广船国际为 COSCO 建造18000t 级半潜船“泰安口”，是中国第一艘自己建造海洋工程大型特种船舶，采取两套SSP吊舱电力推进系统，是同类船型中现在最为优异首制船。

　年投入试运行烟大（烟台—大连）火车轮渡是中国首次自行设计、采取电力推进方法船舶。同年10 月，天津新港造船厂建造中国首艘采取全电力推进系统火车滚装船“中铁渤海一号”顺利交工，该船总吨位达成25000 t，这是中国自行设计、建造吨位最大全电力推进船舶。

　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。

6、军船电力推进系统发展情况

电力推进系统在民船上应用经验也促进了其在军用领域发展，美、英等国及北约组织海军也全部相继开展了电力推进可行性研究和方案论证工作。现在各国家纷纷提出了发展海军综合全电力推进舰艇军事战略。

目前世界各国电力推进船，关键采取推进方法有两种：一个是电力推进和其它发动机推进组合混合式推进，如英国 23 型护卫舰，其采取了新一代燃气轮机， 柴电联合动力装 置(CODLAG)，高速时用燃气轮机，低速时用柴油发电机、电动机电力推进；另一个是全电力推进，即推进电源和船上辅助用电源由船上同一电站供给，如美国新型DD21水面舰船和英国45型驱逐舰。

英国综合全电力推进系统研究

英国国防部于1994 年正式开始IFEP系统应用研究。1996年成立了一个专门机构——电船计划管理局，负责协调发展和采购未来英海军水面舰艇综合全电力推进系统。

英国IFEP 发展计划关键首先是发展原动机，英国坚持原动机全燃化，大功率（21 MW）燃气轮机发电机关键使用WR-21中冷回热燃气轮机，中功率（7~8 MW）采取复杂循环燃气轮机，又和荷兰合作试验小型复杂循环燃气轮机（仅有回热器），作为小功率（1~2 MW）燃气轮机发电机基础。IFEP 系统另一个关键设备是推进电机。英国正在研制16~24 MW 轴向磁通永磁电机。IFEP系统将可能用于英国未来护卫舰、未来航空母舰和未来攻击型潜艇。

美国综合全电力推进系统研究

近些年来，美国海军海上系统指挥部预先发展水面机械计划(ASMP)一直集中于发展海军舰船推进、电力和控制系统，其目标是在满足舰船各方面性能要求同时，大大地降低采购费和整个寿命期间费用。该计划由四部分组成：WR21中冷回热燃气轮机、标准监控系统、综合电力系统(IPS)和电力电子设备。

其中，中冷回热燃气轮机比普燃气轮机功率增加25％，油耗平均降低 30％～40％。对于DDG51 级驱逐舰(在 16 kn 时航行 5400 n mile)，整年每艘舰可节省费用 150 万美元，同时许可舰航速增加6 kn，在航时间增加 8 天，或航程增加 1000 n mile。

综合电力系统（IPS）由发电和推进、日用配电、区域配电、系统监测和控制4 个分系统组成。该系统采取模块化设计，能满足不一样舰船要求，可节省大量采购费和运行费用。综合电力推进系统发展分三个阶段：小百分比预研、全尺寸样机预研和全尺寸工程研制。前两个阶段已靠近完成。

第一阶段中制成了2.2 MW、300 rpm轴向磁通永磁电机，第二阶段中制造了9.2 MW、150 rpm全尺寸永磁电机样机。该样机是采取钕-铁-硼稀土永磁材料轴向气隙横向磁电机，电机小而轻。另外，法国参与了美、英 IFEP 研究计划。德国、加拿大也对水面舰艇全电力推进方案进行了研究。

7、结束语

二十世纪八十年代中期以后，大型交流船舶电力推进装置已在民船和海军舰艇上进行了广泛应用，实际运行情况证实其性能良好，有很强实用意义和推广价值，船舶电力推进应用领域将伴随技术发展不停扩大。各类交流推进方法将继续取得发展。

中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工业基础。现在中国在船用大功率燃气轮机、永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等设计和制造方面和发达国家还有很大差距。中国船舶电力推进行业发展需要在政府支持下，提升技术装备水平，并经过加强和国际优异造船企业交流、推广军民两用技术，促进相关技术研究和开发应用，提升中国在这一领域国际市场竞争力。

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