電力推進(jìn)_第一課

1、 MEPS is a propulsion system in which propellers are driven by electric motorsEnergysources：FossilAtomicPropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine.Fuel CellOther loadsMechanicalEnergyElectricenergy 發(fā)展情況 第一代電力推進(jìn) 第二代電力推進(jìn) 吊艙的誕生與發(fā)展1920s: First Generation: Turbo-Electric Machinery Electrical Synch

2、ronous Propulsion Motors Variable Generator Frequency One-to-One Generator - Propulsion1980s: Second Generation Diesel-Electric Power Plant, later also Turbo-Electric Fixed frequency Electric Power Distribution AC/DC and AC/AC Power Conversion1990s: Breakthrough for Electric Propulsion Dominating in

3、 Cruise, Ice breakers, Offshore Oil Exploration Podded Propulsion15 19世紀(jì)末期，在德國和俄國最先開始了開展許多以蓄電池為能量源的電力推進(jìn)應(yīng)用試驗(yàn)，此后第一代電力推進(jìn)1920年代投入使用，結(jié)果在減小客船橫渡大西洋時(shí)間上效果明顯。第一代電力推進(jìn) 20世紀(jì)初期，電力推進(jìn)曾一度成為艦船動(dòng)力的新潮方案。從20世紀(jì)初至20世紀(jì)40年代，各國建造了大量電力推進(jìn)艦船，從民用的客輪、貨輪、油輪到軍用艦艇，都有采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的。二戰(zhàn)期間戰(zhàn)功卓著的美國海軍“列克星敦”級(jí)大型航空母艦，采用的就是蒸汽輪機(jī)-發(fā)電機(jī)-電力推進(jìn)系統(tǒng)。 電力推進(jìn)系統(tǒng)能在2

4、0世紀(jì)初期迎來“第一次第一次浪潮浪潮”，主要原因是當(dāng)時(shí)的艦船日益大型化。在2萬噸甚至3萬多噸的戰(zhàn)艦上，如果采用傳統(tǒng)推進(jìn)裝置，長達(dá)近百米的主軸和大型機(jī)械減速裝置在制造上相當(dāng)有難度，而采用電力推進(jìn)系統(tǒng)可以繞過這一難題。 16第一代電力推進(jìn)興起的主要原因 隨著技術(shù)的進(jìn)步，主要海軍大國已經(jīng)可以研制生產(chǎn)滿足大型戰(zhàn)艦要求的超長主軸和大型齒輪減速裝置，而電力推進(jìn)裝置由于增多了能量變換環(huán)節(jié)，帶來了設(shè)備昂貴、傳動(dòng)效率低、維護(hù)保養(yǎng)工作量大等一系列缺點(diǎn)，故大型艦船又重新回到了采用傳統(tǒng)軸系的直接推進(jìn)技術(shù)。17第一代電力推進(jìn)衰落的主要原因 20世紀(jì)70年代后，電力部件向大功率方向飛速發(fā)展，功率一體積比不斷提高。以開關(guān)技

5、術(shù)為基礎(chǔ)的功率電子技術(shù)不但不斷提高了開關(guān)的頻率，而且朝著智能化、模塊化方向發(fā)展，具有代表性的幾種功率電子器件首先在陸上電網(wǎng)得到了應(yīng)用，然后又逐步應(yīng)用到了艦艇上，功率電子技術(shù)徹底改變了艦艇能量變換的面貌。80年代以后，進(jìn)入實(shí)用階段的永磁電機(jī)可以給艦艇電力推進(jìn)設(shè)備帶來更小的體積和重量，加上大功率、低油耗的新型燃?xì)廨啓C(jī)面世，這使得電力推進(jìn)的“復(fù)辟”有了技術(shù)上的可行性。18第二代電力推進(jìn)興起的主要原因19第二代電力推進(jìn)興起的主要原因 電力推進(jìn)是一個(gè)能滿足不同需求的領(lǐng)域。成功的電力推進(jìn)解決方案被應(yīng)用于基于建筑、操作、經(jīng)濟(jì)性等方面考慮的海軍艦船、液壓及推進(jìn)工程、電力工程等方面。 電力推進(jìn)采用蒸汽透平或柴油

6、機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，采用不同的配置形式，已應(yīng)用于數(shù)以千計(jì)的各種船型。 此外在潛艇和水面艦只中，電力推進(jìn)系統(tǒng)也有不少潛在的裝機(jī)容量。 隨AZIMUTH側(cè)推器和吊艙式推進(jìn)裝置的引入，電力推進(jìn)系統(tǒng)的配置應(yīng)用在不同的船型中以滿足運(yùn)輸、機(jī)動(dòng)、定位等目的。 目前，電力推進(jìn)主要應(yīng)用在以下船型：游輪、渡輪、動(dòng)力定位的鉆井船、側(cè)推輔助定位錨泊的生產(chǎn)設(shè)施，油輪，布纜船，鋪管船，破冰船，其它冰區(qū)航行船舶，供給船，戰(zhàn)艦。在已存在和新的應(yīng)用領(lǐng)域中新造船舶中適用電力推進(jìn)的研究和評(píng)估工作正在進(jìn)行。 吊艙推進(jìn)器擴(kuò)大了電力推進(jìn)的適用范圍吊艙推進(jìn)器擴(kuò)大了電力推進(jìn)的適用范圍Electric PropulsionConventional

7、Propulsion 原動(dòng)機(jī)與推進(jìn)器機(jī)械連接的系統(tǒng)在很多場(chǎng)合已經(jīng)不能滿足船東對(duì)船舶功能及指標(biāo)的需求 大型主機(jī)及其軸系占據(jù)了巨大空間，其剛性的連接，制約了全船的布置，例如小水線面船、滾裝船、豪華郵輪等都不能接受這種系統(tǒng)。集裝箱船會(huì)因此而損失裝箱空間，而艦艇則需要更多的武器彈藥空間。 +Improved life cycle cost by reduced fuel consumption and maintenance, especially where there is a large variation in load demand, e.g. in DP vessels+Reduced v

8、ulnerability to single failure in the system and possibility to optimize loading of prime movers+Light high/medium speed diesel engines+Less space consuming and more flexible utilization of the on-board space increase the payload of the vessel+Flexibility in location of thruster devices+Improved man

9、euverability+Less propulsion noise and vibrations-Increased investment costs-Additional components between prime mover and propeller increases the transmission losses at full load-A higher number and new type of equipment requires different operation, manning, and maintenance strategy優(yōu)越性： 通過減少油耗（？）和

10、維修量，改善生命周期成本。特別是負(fù)荷變化較大的船舶，比如許多動(dòng)力定位的船舶，他們的操作圖譜中，運(yùn)輸和定位操作的時(shí)間幾乎均等。 通過增加冗余，增加系統(tǒng)對(duì)某單個(gè)故障的抵抗性； 中、高速機(jī)重量輕； 占用空間少，增加倉儲(chǔ)容量； 推進(jìn)裝置布置靈活，推進(jìn)器供電采用電纜；布置獨(dú)立于原動(dòng)機(jī)的布置； 采用AZIMUTH和吊艙推進(jìn)器，機(jī)動(dòng)性好； 噪音小，震動(dòng)小，因?yàn)檩S系變短，原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速固定，采用拖曳式槳伴流均勻，空泡少，減小氣蝕。 DP (Dynamic Positioning)Pipe laying vesselGeological surveyROV operationsCable laying vessel

11、Vibration controlof marine risersHeavy lift operationsPosition mooringPipe and cable laying不足： 初投資增加。然而，事物在不斷發(fā)展，總裝置數(shù)不斷增加，成本會(huì)逐步下降。 額外增加的部件（電力設(shè)備-發(fā)電機(jī)，變壓器，推進(jìn)器及電機(jī)），在原動(dòng)機(jī)和螺旋槳間增加了損耗。 諧波問題必須面對(duì)。 對(duì)新涉足本領(lǐng)域的人來說，大量的新型設(shè)備需要掌握不同的操作、管理及維護(hù)策略。 PoutPinGeneratorSwitchboardTrans-formerFrequencyconverterElectricMotorPoutPin

12、Power lossesP O W E R F L O WlossesoutoutinoutPPPPP+0.960.9990.9950.9850.960.90 能量流分析 對(duì)每個(gè)部件，電效率可以計(jì)算出來，在滿載時(shí)，效率的典型值是發(fā)電機(jī)效率0.950.97，配電板0.999，變壓器0.99-0.995，變頻器0.98-0.99,電機(jī)0.95-0.97。 柴油機(jī)-電力推進(jìn)系統(tǒng)的效率，從柴油機(jī)軸到推進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸，滿負(fù)荷時(shí)正常情況下在0.88-0.92。效率隨系統(tǒng)負(fù)載而變。 能量流分析 原動(dòng)機(jī)到推進(jìn)軸系中增加了額外的設(shè)備，導(dǎo)致差不多10%的損耗，電力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能潛力并不是由于采用電力設(shè)備部件。 節(jié)能?

13、 電力推進(jìn)節(jié)能原因分析 節(jié)能原因一、 可調(diào)速的定距槳比定速可調(diào)螺距槳的水動(dòng)力效率高。 節(jié)能原因二、 電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)電柴油機(jī)工作在定速和高負(fù)荷區(qū)對(duì)應(yīng)的燃油效率較高而機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)原動(dòng)機(jī)燃油效率隨負(fù)載變化差異很大等。差別在較低推力的時(shí)候，比如DP和機(jī)動(dòng)航行非常明顯。 注意：對(duì)于絕大多數(shù)時(shí)間工作在設(shè)計(jì)工況的船舶來講，電力推進(jìn)是不節(jié)能的，除非有其他方面特殊需求，否則決不會(huì)采用。 節(jié)能分析 節(jié)能分析 柴油機(jī)最大的燃油效率在負(fù)荷的60%-100%之間，這就造成了傳統(tǒng)機(jī)械推進(jìn)和柴油機(jī)電力推進(jìn)在功率消耗上的最大差異。 在柴油機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)中，電站由多臺(tái)小功率的柴油發(fā)電機(jī)組組成，總的運(yùn)行臺(tái)數(shù)可以選擇使得每臺(tái)運(yùn)行

14、機(jī)負(fù)載最優(yōu)。 總的額定功率也可以調(diào)整到適合船舶的可能的運(yùn)行工況，使得針對(duì)多數(shù)的運(yùn)行模式和時(shí)間內(nèi)都可能找到一個(gè)優(yōu)化的配置。 節(jié)能分析 節(jié)能分析 直接跟驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)相連的可調(diào)螺距槳與可變速調(diào)節(jié)的定距槳相比，水動(dòng)力效率損失隨工況不同差異明顯。在低負(fù)荷工況下，尤其明顯。 零負(fù)荷下，CPP的水動(dòng)力損失約15%。而可調(diào)速的定距槳損失近似0。在多數(shù)的CPP配制中，槳速要求為定速，轉(zhuǎn)速一般較高。即使是在推力為0時(shí)也如此。 對(duì)于FPP可變速驅(qū)動(dòng)器允許零推力時(shí)對(duì)應(yīng)0轉(zhuǎn)速。CPP的優(yōu)越性是螺距比在很大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)水動(dòng)力效率還算不錯(cuò)的。 vs.AB 水動(dòng)力性能分析 船尾型線得以改善，提升船尾流場(chǎng)品質(zhì)，使得推進(jìn)器在比較理

15、想的伴流中工作，可使船體流體性能充分改進(jìn)，提高水動(dòng)力性能。據(jù)測(cè)算，經(jīng)過優(yōu)化后的船型效率比使用常規(guī)槳可提高15%左右，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的POD推進(jìn)器可使推進(jìn)器的流體性能比常規(guī)槳提高約4%； POD的螺旋槳比常規(guī)螺旋槳小，產(chǎn)生空泡現(xiàn)象的臨界速度高，可改善振動(dòng)與噪聲性能； POD推進(jìn)器可以在船體靈活布置，以獲取最佳的推進(jìn)性能。 項(xiàng)目機(jī)械推進(jìn)常規(guī)電力推進(jìn)POD推進(jìn)回轉(zhuǎn)直徑120%100%75%零航速回轉(zhuǎn)180度所需時(shí)間118%100%41%全速回轉(zhuǎn)180度所需時(shí)間145%100%42%全速到停止所需時(shí)間280%100%42%零航速至全速所需時(shí)間210%100%90%Vessel LoadsPropulsio

16、n AuxilliariesBy platform / ROV, 11 %Transit, 11-12 knots 40 %Standby40 %Anchor handling, 6 %At quay, 6 %vs.AB 包括核動(dòng)力在內(nèi)的新一代軍用艦船將大量采用電力推進(jìn)及綜合電力系統(tǒng)。美國會(huì)已經(jīng)通過聽證，同意弗吉尼亞級(jí)核潛艇采用綜合電力系統(tǒng)。 美海軍部長美海軍部長Danzig說：說：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance. Thus, we are moving forward to

17、 embrace a technology, electric drive technology, and . the integrated power system that comes with it, to drive Navy ships. This is a very fundamental step. Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it. ” 油價(jià)的高企可能使電力推進(jìn)迅速用于新的領(lǐng)域 將廣泛應(yīng)用于滾裝船、郵輪、化學(xué)品及LNG船、高速船、離岸工作船（鉆井船）

18、等.瑪麗女王二號(hào)瑪麗女王二號(hào)破冰船破冰船海洋平臺(tái)半潛船 現(xiàn)代電力電子技術(shù)已經(jīng)徹底改變了船舶能量轉(zhuǎn)化的面貌，而且使得原先船舶電力推進(jìn)存在的一些缺點(diǎn)發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，優(yōu)點(diǎn)和長處得到進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)。 進(jìn)入實(shí)用階段的永磁電機(jī)使艦船電力推進(jìn)設(shè)備體積更小、重量更輕；超導(dǎo)技術(shù)和燃料電池的研究已經(jīng)在某些技術(shù)領(lǐng)域有了一定的進(jìn)展。這些技術(shù)一旦有所突破，將給電力推進(jìn)帶來更加深刻的變化，使電力推進(jìn)形成壓倒原動(dòng)機(jī)直接傳動(dòng)推進(jìn)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。四年制輪機(jī)工程專業(yè)本科課程分布ResearchOffshoreservice vesselsSmall chem carriersSmall LPG ReefersParcelCruiseVessel S