电力推进技术

1、引言

电力推进作为船舶推进方式之一，已有近百年的历史。在此期间，舰船电力推进技术经历了一个曲折的发展过程，即二战前的新兴期、二战后到70 年代末以前的萧条期和80年代以后的蓬勃发展期。

上世纪初，由德国、俄国引导的以蓄电池为动力源的电力推进技术在船舶上得到了应用，但由于成本、维护、保养等方面因素的制约，发展较为缓慢。二战期间，电力推进曾出现过一段流行期，由于当时交流电机调速技术不成熟，多采用直流电力推进，其调速系统简单、调速性能好。但由于直流电机结构复杂、体积及重量大，并存在功率及转速极限等问题，故只能用在一些工程船舶及潜艇上，使得电力推进在整个船舶推进领域中的发展受到限制。

20世纪80年代以来，随着电力电子技术迅速发展，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的进一步提高，船舶电力推进技术在国内外得以迅速发展。电力推进技术的应用领域已扩展到旅游船、水面战舰、潜艇、各种工程船和油货轮等，显示出了广泛的市场前景。随着推进电机、供电系统、蓄电池和微电子信息技术的迅速发展，电力推进在船舶上的应用得到了大力的发展。

电力推进系统的构成可以分为三类：蓄电池、推进电力组成的纯电池推进；机械原动机（柴油机、燃气轮机或核动力）、发电机、推进电机组成的原动机发电推进；机械原动机、发电机、蓄电池、推进电机组成的混合电力推进。

2、电力推进的主要优势

与传统的船舶机械推进方式相比，电力推进的主要优势：

(1)船上大型机械设备布置更灵活、有效空间更多、费用降低；

(2)电动机由电网供电，增加了系统的可靠性，提高了生命力；

(3)减少了维护的工作量；

(4)可以采用中高速不逆转原动机，以减少设备的体积和重量；

(5)可以采用低速电动机直接与推进轴连接，省去机械的减速齿轮；

(6)操纵灵活，机动性能好；

(7)易于获得理想的拖动特性；

(8)减小螺旋桨等机械振动和噪声、环境更加舒适、船舶航行也更加隐蔽；

(9)提高经济效益，减少排放物；

(10)采用综合电力推进可综合利用船舶动力装置，减少设备数量；

(11)电力推进系统有较大的能量效率。

3、电力推进的构成

船舶电力推进系统一般由以下几部分组成：螺旋桨、电动机、发电机、原动机以及控制调节设备。其结构如图1所示。原动机可以采用柴油机、汽轮机或燃气轮机。目前一般采用高速或中速柴油机。大功率时多采用汽轮机或燃气轮机。发电机采用直流他励或差复励电机、交流整流同步发电机或交流同步发电机。电动机可以采用直流他励双枢双换向器电动机或交流同步电动机、异步电动机。

图1 船舶电力推进系统示意图

4、电力推进的分类

电力推进就是船舶依靠自身配备的发电装置或储电设施获取电能来驱动电机、推进船舶运动的一种推进方式。驱动电机能量的来源可以是蓄电池或发电机，按能量提供来源分为 3 类。

4.1纯电池推进

利用蓄电池（铅酸电池或者锂电池）作为电力供应源来驱动推进电机工作的一种推进方式。蓄电池的发展日新月异，铅酸电池已经成为过去，锂聚合物蓄电池、超级电容是近年来涌现的新型储能器件，其储能容量、使用寿命、安全性均达到了实船应用水平。纯锂电推进采用以锂聚合物蓄电池为主、超级电容为辅的供电模式：当推进系统有瞬间强劲功率需求时，由超级电容供给能量；当系统需要稳定的功率输出时，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的能量来源于岸电，运行工作时既不消耗燃料，也能实现零排放，是名副其实的“绿色推进”方式。

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的一种推进方式。在船舶上应用较为广泛，主机一般为中、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。这种推进方式既避免了主机与船体有直接的连接，又不与轴系上的电力推进系统有任何联系，大大降低了传统推进方式带来的振动和噪声。

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的一种推进方式。在设备配置上，它既配备有蓄电池组，同时也有主机和提供推进电源的发电机组，两者均能独立地与电力推进系统搭配工作。采用这种推进方式主要是考虑其它两种推进方式的不足：纯电池推进需要大量的蓄电池组，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式大大降低了振动和噪音，但未能 100% 实现“绿色环保”，在某些河流尤其是旅游景区，发展受限。混合电力推进可以在局部流域采用纯电池推进，在紧急情况或条件许可的情况下采用原动机发电推进。

5、民船电力推进系统的发展状况

5.1 国外民用船舶电力推进系统应用情况

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，船舶电力推进应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，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14 000 k W AZIPOD，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20 s。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826 MW。

从 1980 年起，ALSTOM 的电力推进系统装船多达 110 艘，总装机超过1 500 000 k W，动力定位系统装船已达160 多艘，其与瑞典Kamewa公司联合开发的 Mermaid 推进器，也称“美人鱼”推进器，在最近两年内完成定单近40 套。“美人鱼”电力推进器功率范围为5~25 MW，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。

5.2国内应用情况

与国外相比，我国在船舶电力推进应用方面起步较晚。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，目前已应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“帕劳斯佩拉”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，是同类船型中目前最为先进的首制船。2006 年投入试运行的烟大（烟台—大连）火车轮渡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25000 t，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。

6、军船电力推进系统的发展状况

电力推进系统在民船上应用的经验也促进了其在军用领域的发展，美、英等国及北约组织的海军也都相继开展了电力推进的可行性研究和方案论证工作。目前各国家纷纷提出了发展海军综合全电力推进舰艇的军事战略。

当前世界各国的电力推进船，主要采用的推进方式有两种：一种是电力推进与其他发动机推进组合的混合式推进，如英国 23 型护卫舰，其采用了新一代燃气轮机， 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；另一种是全电力推进，即推进电源与船上辅助用电源由船上同一电站供给，如美国的新型DD21水面舰船和英国的45型驱逐舰。

(1) 英国综合全电力推进系统的研究

英国国防部于1994 年正式开始IFEP系统的应用研究。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的综合全电力推进系统。

英国IFEP 发展计划的重点首先是发展原动机，英国坚持原动机全燃化，大功率（21 MW）燃气轮机发电机主要使用WR-21中冷回热燃气轮机，中功率（7~8 MW）采用复杂循环燃气轮机，又与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）燃气轮机发电机的基础。IFEP 系统的另一个主要设备是推进电机。英国正在研制16~24 MW 的轴向磁通永磁电机。IFEP系统将可能用于英国的未来护卫舰、未来航空母舰和未来攻击型潜艇。

(2) 美国综合全电力推进系统的研究

近些年来，美国海军海上系统指挥部的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，其目的是在满足舰船各方面性能要求的同时，大大地减少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)，全年每艘舰可节约费用 150 万美元，同时允许舰的航速增加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。该系统采用模块化设计，能满足不同舰船要求，可节省大量采购费和运行费用。综合电力推进系统的发展分三个阶段：小比例预研、全尺寸样机预研和全尺寸工程研制。前两个阶段已接近完成。

第一阶段中制成了2.2 MW、300 rpm的轴向磁通永磁电机，第二阶段中制造了9.2 MW、150 rpm的全尺寸永磁电机样机。该样机是采用钕-铁-硼稀土永磁材料的轴向气隙横向磁电机，电机小而轻。此外，法国参与了美、英的 IFEP 研究计划。德国、加拿大也对水面舰艇的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的应用，实际运行的情况证明其性能良好，有很强的实用意义和推广价值，船舶电力推进的应用领域将随着技术的发展不断扩大。各类交流推进方式将继续取得发展。

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、吊舱推进器等设计与制造方面与发达国家还有很大差距。中国船舶电力推进行业的发展需要在政府的支持下，提升技术装备水平，并通过加强与国际先进造船企业的交流、推广军民两用技术，促进相关技术的研究和开发应用，提高我国在这一领域的国际市场竞争力。

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