電力推進(jìn)系統(tǒng)

1、電力推進(jìn)及其應(yīng)用前景淺析青島遠(yuǎn)洋船員學(xué)院李永鵬提要：電力推進(jìn)就是利用推進(jìn)電機(jī)來帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而推動船舶前進(jìn)的一種推進(jìn)方式。它先通過發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實現(xiàn)了能量的非機(jī)械傳動，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動的不足。同時通過改變投入工作的發(fā)電柴油機(jī)的數(shù)目，使柴油機(jī)始終處于最佳工作區(qū)，從而提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)，podded推進(jìn)器，azipod推進(jìn)器引言：傳統(tǒng)的推進(jìn)方式一直是利用柴油機(jī)帶動螺旋槳推動船舶前進(jìn)，但隨著人類對地球環(huán) 境保護(hù)的意識進(jìn)一步加強(qiáng)，IMO對排放（尤其是對 NOx、SOx的排放）提出了嚴(yán)格的要求， 而石油資源的短缺、燃油價格的上漲進(jìn)一步

2、限制了船舶營運(yùn)者的利益，船舶制造商和船舶柴油機(jī)生產(chǎn)商也不得不采取措施改進(jìn)柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以滿足營運(yùn)者的要求。在應(yīng)用燃油乳化、直接噴水、排煙后處理等措施控制排放的同時，電力推進(jìn)作為一種新的推進(jìn)方式，因為它良好的經(jīng)濟(jì)性、操縱性、安全性以及環(huán)保性能，逐步代替柴油機(jī)推進(jìn)，應(yīng)用于大型的船舶上。正文：電力推進(jìn)就是利用推進(jìn)電機(jī)來帶動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而推動船舶前進(jìn)的一種推進(jìn)方式。它先通過發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過電機(jī)把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，實現(xiàn)了能量的非機(jī)械傳動，克服了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動的不足。同時通過改變投入工作的發(fā)電柴油機(jī)的數(shù)目，使柴油機(jī)始終處于最佳工作區(qū)，從而提高了柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。1 .電力推進(jìn)的構(gòu)成及其工作

3、原理：一般來說，船舶都有兩套系統(tǒng)：一套用來產(chǎn)生推進(jìn)動力，一套用于船舶供電，傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)都是由主推進(jìn)動力設(shè)備通過變速齒輪箱、軸系把能量傳遞給螺旋槳。構(gòu)成形式以雜貨船為例：由一臺大功率低速柴油機(jī)構(gòu)成主推進(jìn)動力；另用三臺中速柴油機(jī)帶動發(fā)電機(jī)供電， 供應(yīng)日常生活用電及設(shè)備用電。主機(jī)只管推進(jìn)，發(fā)電付機(jī)只管供電，兩者基本上互不干涉： 航行期間，一般為主機(jī)搭配一臺發(fā)電柴油機(jī)工作，機(jī)動航行時搭配兩臺；停泊期間，主機(jī)休息，由一臺發(fā)電柴油機(jī)或兩臺柴油機(jī)工作。電力推進(jìn)就是利用推進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動螺旋槳工作，從而推動船舶前進(jìn)。使用電力推進(jìn)以后，推進(jìn)動力和日常生活、設(shè)備用電合并在一起，作為一個共用的電力供給、分配、利用系統(tǒng)

4、， 減少了傳統(tǒng)的低速主柴油機(jī)，增加了發(fā)電柴油機(jī)的數(shù)目以及做功能力，以保證船舶用電量要求，這種推進(jìn)型式稱為 diesel-electric propulsion （柴油機(jī)-電力推進(jìn)） 或full electric propulsion （全電力推進(jìn)）。典型的構(gòu)成形式如下圖所示：圖中：原動力由四臺大型的發(fā)電柴油機(jī)構(gòu)成：或三臺主發(fā)電機(jī)附帶一臺小型發(fā)電機(jī)。所有的電源通過主配電盤分配給兩方面：一方面通過變壓器變?yōu)?380V供給日常生活用電及輔助設(shè)備（泵浦、控制系統(tǒng)等）用電，另一方面通過變壓器以及換流設(shè)備供電給推進(jìn)電機(jī)。推 進(jìn)電機(jī)置于 podded propeller （吊艙式推進(jìn)器）的吊艙內(nèi) （如右圖所

5、時），推進(jìn)電機(jī)與 螺旋槳位于同一中心線上， 螺旋槳產(chǎn)生的推力通過推力 軸承傳遞到整個吊艙單元， 然后推動整個船舶前進(jìn)。推 進(jìn)電機(jī)功率大，可以是直流 電機(jī)，也可以是交流電機(jī)， 通過控制設(shè)備改變其轉(zhuǎn)速以 符合船舶推進(jìn)的要求。它工 作中放出的熱量通過冷風(fēng)單 元強(qiáng)制冷卻。同時，整個吊 艙單元形同一個舵設(shè)備一 樣，可以通過上部的轉(zhuǎn)動 POD單元在水平方向上 360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，提供船舶所需的推力方向。轉(zhuǎn)動POD單元通過動力定位系統(tǒng)進(jìn)行控制。當(dāng)船舶用電需求變化時， 通過改變投入運(yùn)行的機(jī)器數(shù)目來提供所需供電量：在港內(nèi)，一臺港內(nèi)發(fā)電柴油機(jī)供電可以滿足要求；船舶低速運(yùn)行，推進(jìn)電機(jī)所需功率小時， 可投入兩臺主發(fā)電

6、柴油機(jī)工作供電；當(dāng)船舶處于頂風(fēng)頂流狀態(tài)， 螺旋槳所需功率很大時，讓三臺主動力帶動發(fā)電機(jī)工作進(jìn)行供電。由此發(fā)電柴油機(jī)可始終工作在高效區(qū)，保證了良好的經(jīng)濟(jì)性。2 .電力推進(jìn)的優(yōu)點：2.1 .電力推進(jìn)的最大優(yōu)點是提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性：分析比較一下傳統(tǒng)的推進(jìn)型式：當(dāng)推進(jìn)所需功率降低的時候，通過減少主推機(jī)動力的循環(huán)供油量，可以使柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速符合要求，相反，當(dāng)外負(fù)荷增加時，就加大油門。于是，不 可避免的會讓主推進(jìn)柴油機(jī)處于低速低負(fù)荷或高速高負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)工況。根據(jù)推進(jìn)特性：轉(zhuǎn)速升高，機(jī)械效率將逐步增加，指示油耗率逐步降低。 但當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到較高轉(zhuǎn)速時，由于機(jī)械效率增加很少，有效油耗率會隨轉(zhuǎn)速地升高而降低。一般船舶

7、在 80%-90%標(biāo)定轉(zhuǎn)速時，有效油耗率達(dá)到最低值。在營運(yùn)過程中，為了節(jié)省燃油，實現(xiàn)最大的 經(jīng)濟(jì)性，一般選用 75%-80%標(biāo)定轉(zhuǎn)速作為長期運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，相應(yīng)的功率為 40%-50%的標(biāo)定功 率，即所謂的降速運(yùn)行。 當(dāng)柴油機(jī)處于低速低負(fù)荷機(jī)或高速高負(fù)荷，尤其是低速低負(fù)荷工況下，由于機(jī)械效率低，燃油消耗率高，柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重降低。同時，在低質(zhì)燃油的使用 管理中，最容易出現(xiàn)故障的時間也在低速低負(fù)荷或高速大負(fù)荷工況下，噴射系統(tǒng)故障、噴射異常、霧化不良、結(jié)碳、爆燃、后燃、低溫腐蝕等，進(jìn)一步引起經(jīng)濟(jì)性的降低，柴油機(jī)的故 障發(fā)生率也升高了。應(yīng)用了電力推進(jìn)，布置了多臺原動力用于發(fā)電，結(jié)果就不一樣了，外負(fù)荷的增

8、減變成了發(fā)電量的需求，柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速基本不變，按照負(fù)荷特性工作，燃油消耗率在標(biāo)定功率附近基 本不變，處于最低。通過改變投入工作的原動力的數(shù)量，就可以始終保證每臺原動力均工作在這個高效區(qū)，使燃油的節(jié)省量達(dá)到最大，即實現(xiàn)了最大的經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在一條 優(yōu)化設(shè)置的船上，可以節(jié)省燃油消耗達(dá)到25%。從Carnival （狂歡節(jié)）游輪公司的 Hation（興高采烈）號豪華游輪（該船應(yīng)用了ABB公司的Azipod推進(jìn)器）統(tǒng)計資料顯示：每周節(jié)省燃油40噸，推進(jìn)效率比其他的船提高了8%,這些數(shù)據(jù)充分證明了這一點。2.2 提高了推進(jìn)效率：從圖中可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)的推進(jìn)型式相比，省去了傳動軸系，減速齒輪箱也消失

9、了，取而代之的是電線，電能的傳遞較之機(jī)械的傳遞，毋庸置疑，傳動損失減少了。同時，傳統(tǒng)的 舵由一個吊艙單元所取代，省去了傳動軸系、舵、螺旋槳托架，整個水阻力相應(yīng)減少，結(jié)合 船體形狀，對推進(jìn)器形狀、位置、角度進(jìn)一步優(yōu)化，提高了推進(jìn)效率。根據(jù)Kamewa和Alstom 公司聯(lián)合推出的 Mermaid TM （美人魚）推進(jìn)器的實驗結(jié)論： 可以使推進(jìn)效率提高 15%,船舶 速度可以提高到30節(jié)2.3 提高了船舶的操縱性傳統(tǒng)的船舶操縱原理是通過改變柴油機(jī)轉(zhuǎn)速來改變船舶速度，通過改變舵角形成轉(zhuǎn)船力矩來改變航向。作為電力推進(jìn)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速通過控制推進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制單元實現(xiàn)，吊艙單元在動力定位系統(tǒng)的控制下，可以

10、在水平方向上做 360度的轉(zhuǎn)動，吊艙單元的方向決定了螺旋槳的推進(jìn)方向，船舶倒航只需讓吊艙旋轉(zhuǎn) 180度即可。相比而言，螺旋槳轉(zhuǎn)速的改變更 迅速，船舶轉(zhuǎn)向過程中沒有了最大舵角的限制。船舶的航速與船舶的航向都得到了更好的控制，船舶的操縱性提高了。根據(jù)Hation號游輪的統(tǒng)計資料顯示：與相同大小的其他非電力推進(jìn)船相比，全速狀態(tài)下船舶回轉(zhuǎn)圈直徑減少了30%。2.4 有利于船舶自動化的發(fā)展趨勢：船舶自動化的發(fā)展在于它的集成化、微型化、數(shù)字化等方面。吊艙單元作為舵與槳的結(jié)合，本身就是一個小小的“集成化”。電力推進(jìn)使整個船舶的操縱集中于兩方面：操縱吊艙的方向、控制推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，兩方面都直接與電相關(guān)連， 實

11、現(xiàn)了對電源控制方面的微型化、 自動化就實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的微型化、自動化。相比而言，機(jī)械上的連接變得微型化幾乎是不可能的，至少，減速齒輪箱不可能集成到手掌那么小，傳動軸系不可能變得電線那么細(xì)。而 且，還沒有把傳動實踐上的滯后、機(jī)械磨損、故障率計算在內(nèi)。因此，機(jī)械傳動難以滿足船 舶自動化的發(fā)展要求，只有電力推進(jìn)符合自動化的發(fā)展趨勢。2.5 環(huán)保的要求：關(guān)心并保護(hù)環(huán)境是全人類不斷增長的需要，越來越多的港口對過往船只的排放進(jìn)行了嚴(yán)環(huán)保型的船舶成為最終的追求目標(biāo)。 對于電力推進(jìn)而言，由于柴油機(jī)始終燃油的燃燒產(chǎn)物得到了良好的控制，保證排放符合IMO的要求已非難格的強(qiáng)制性限制， 在最佳工作區(qū)工作, 事。同時，

12、充分 的利用天然資 源，在船舶上裝 設(shè)一些風(fēng)力發(fā) 電設(shè)備（如右圖 所示），保護(hù)環(huán) 境的同時，節(jié)省 了燃油消耗，為 提高經(jīng)濟(jì)性提 供了寬廣的空 間。實際上，環(huán) 保并不只包括IMO提出的的排放要求，噪聲的污染也算作環(huán)境保護(hù)一項內(nèi)容。推進(jìn)電機(jī)采用永久磁鐵電 機(jī)或者感應(yīng)電機(jī)，大大降低船舶機(jī)器的噪聲， 對于大型的豪華游輪和機(jī)器布置緊湊的戰(zhàn)艦尤 為突出，電力推進(jìn)可以為旅客、工作人員提供一個安靜、舒適的環(huán)境。2.6 提高了船舶安全性、增加了可靠度船舶的安全性和可靠性主要取決于機(jī)器設(shè)備的可靠性， 船舶良好的操縱性是船舶安全的重要保障。 相對于傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)而言， 電力推進(jìn)組成元件為電器元件， 其故障的發(fā)生沒

13、有明顯的故障率曲線，故障的發(fā)生率低。而且即使出現(xiàn)了，即插即用，更換起來非常方便。以前由于軸系傳動出現(xiàn)的種種故障：如軸系變形、對種不良、軸承密封不良、軸承磨損、尾軸故障等等將永遠(yuǎn)消失。維修工作減少了，工作效率提高了。大風(fēng)大浪的海況下船舶最容易出現(xiàn)故障， 如果像上圖所示那樣， 裝備了風(fēng)力發(fā)電機(jī)， 充分利用外界的阻力為船舶服務(wù)，配備一定數(shù)量的可充電蓄電池作為備用能源以提供不時之需，那么， 船舶的可靠性和安全性將進(jìn)一步得到提高。而這些，都是柴油機(jī)推進(jìn)船舶所不能實現(xiàn)的。2.7 極大地節(jié)省了船舶空間省去了傳動軸系、齒輪箱、舵、以及軸隧、尾軸等等設(shè)施，整個機(jī)艙的空間得到很大節(jié)省， 同時， 不再需要主推進(jìn)動力

14、在傳動軸系上中心線的配合關(guān)系， 提供電源的發(fā)電柴油機(jī)可 以靈活的布置在船舶的最佳位置上，優(yōu)化了船舶的空間。3 . 電力推進(jìn)的不足之處：3.1 能量的兩次轉(zhuǎn)換降低了效率電力推進(jìn)在節(jié)省了傳動損失的同時， 因為經(jīng)歷了機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化、 然后又由電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的兩次能量轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中效率損失了約8% ，較之機(jī)械傳動2%的損失，整體效率下降。 但由于柴油機(jī)始終運(yùn)行于高效區(qū)， 加上推進(jìn)效率的增加， 最終的經(jīng)濟(jì)性仍然 要好。3.2 增加了船舶成本如果要充分發(fā)揮系統(tǒng)節(jié)省燃油的特點， 就需要裝備大量的原動力設(shè)備以保證在最大用電量時， 每臺機(jī)器分擔(dān)的負(fù)荷都能使機(jī)器處于高效工作區(qū)。 這勢必會造成船舶成本的增

15、加。 比如按傳統(tǒng)的推進(jìn)形式某游輪動力構(gòu)成為：四臺瓦錫蘭-蘇爾壽12ZAV40S 以及兩臺瓦錫蘭 -蘇爾壽 8ZAL40S 柴油機(jī)，而采用電力推進(jìn)的其構(gòu)成為：六臺瓦錫蘭 12V38 中速柴油機(jī)（運(yùn)行于 600rpm ，單機(jī)功率為 7920KW ） ?？梢钥闯?，其造價明顯增加。不過，一般的豪華游輪的購置商都愿意花這一筆錢，以贏取更多的燃油節(jié)省費(fèi)用。電力推進(jìn)的應(yīng)用 ： 電 力推進(jìn)作為一種全新的推進(jìn)方式，比之傳統(tǒng)的柴油機(jī)推進(jìn)方式，節(jié)省了大量的燃油消耗， 為營運(yùn)商創(chuàng)造了豐厚的利潤； 同時其操縱性的提高，故障的減少， 為船舶安全性提供更大的保障；加上它的環(huán)保性能，使其成為現(xiàn)代船舶發(fā)展一個重要方向。1. 電

16、力推進(jìn)在商業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用逐步發(fā)展起來的podded propeller （吊艙式推進(jìn)器），為電力推進(jìn)提供了有利的技術(shù)支持。主要的三種吊艙式推進(jìn)器生產(chǎn)商是： ABB 公司的 Azipod 推進(jìn)器， Kamewa 和 Alstom 公司聯(lián)合推出的 Mermaid TM （美人魚）推進(jìn)器，以及STN ATLAS 和 John Crane-Lips 共同開發(fā)的DOLPHIN （海豚）推進(jìn)器。世界上大型的游輪公司如前面提到的Carniva（l 狂歡節(jié)）游輪公司 （ Carnival Cruiser Line ，簡稱 CCL ）有三條情緒類的游輪應(yīng)用了 ABB 公司的 Azipod 推系統(tǒng)，包括Elati

17、on 號，另外三條正在制造之中。它還訂了五條新的游輪用于荷蘭-美國航線，都是用電力推進(jìn)方式。除了大型的游輪以外， 電力推進(jìn)還用于大型原油船、 集裝箱船、 液化氣船。 芬蘭的 Fortumoil&gas 公司有兩條油輪在韓國建造，每條油輪都裝有16MW 的 Azipod 推進(jìn)器，通過三項變頻推進(jìn)系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。船舶的尾部設(shè)計成具有破冰功能， Azipod 推進(jìn)系統(tǒng)倒航時，可以在冰與船體之間生成一層潤滑水流， 這樣船舶在1 米厚的冰區(qū)航行時， 速度仍可以達(dá)到三節(jié)。 集裝箱船、液化氣船與原油船的推進(jìn)要求基本相似，因此， 電力推進(jìn)將逐步應(yīng)用于這類船舶。2. 電力推進(jìn)開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域自從 1902 年 John P Holland 對一個英國皇家海軍潛艇原型作了第一個技術(shù)試驗后， 人們在電力推進(jìn)方面開始取得了很大的進(jìn)展。 在上一個世紀(jì)， 電力推進(jìn)一直局限在商業(yè)領(lǐng)域里發(fā)展，典型地如破冰船、科學(xué)考察船、 客船。但自從20 世紀(jì) 80 年代電子能源控制系統(tǒng)的精細(xì)化以及 podded propeller 的發(fā)展使電力推進(jìn)應(yīng)用于船舶的類型更為廣泛，開始應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。有資料表明：各國都在致力于整體式全電力推進(jìn)( integrated full electric propulsion ，簡稱 IF