船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)綜述報(bào)告

船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)綜述報(bào)告***-*****4017一、船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)已有近百年歷史，但是由于受各種因素制約，發(fā)展緩慢，且大多數(shù)只應(yīng)用在特種船舶上。從20世紀(jì)80年代起，供電系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)和微電子及信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，使船舶電力推進(jìn)裝置打破了長(zhǎng)期徘徊局面，得到了大力的發(fā)展。電力推進(jìn)系統(tǒng)基本由機(jī)械原動(dòng)機(jī)（柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)或核動(dòng)力）構(gòu)成，用以驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)再為推進(jìn)電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。電動(dòng)機(jī)可能是直流、交流同步電動(dòng)機(jī)或交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。同傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯優(yōu)點(diǎn)。船舶綜合全電力推進(jìn)系統(tǒng)包括：發(fā)電、輸電、配電、變電、拖動(dòng)、推進(jìn)、儲(chǔ)能、監(jiān)控和電力管理，是現(xiàn)行船舶平臺(tái)的電力和動(dòng)力兩大系統(tǒng)發(fā)展的綜合；它不是電力推進(jìn)加自動(dòng)電站的簡(jiǎn)單組合，而是從概念到方案、組成、配置、技術(shù)等均發(fā)生重大變化，給未來(lái)的船舶帶來(lái)一場(chǎng)革命。二、電力推進(jìn)系統(tǒng)的組成船舶電力推進(jìn)裝置一般由原動(dòng)機(jī)p發(fā)電機(jī)p電動(dòng)機(jī)p螺旋槳以及控制單元組成。原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)帶動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，推動(dòng)船舶航行。因螺旋槳所需功率很大，一般需要設(shè)置兩個(gè)單獨(dú)的電站：推進(jìn)電機(jī)電站和輔機(jī)電站，分別給推進(jìn)電機(jī)和輔機(jī)供電。目前的原動(dòng)機(jī)一般使用高速或中高速的柴油機(jī)，推進(jìn)裝置一般有直流電力推進(jìn)和交流電力推進(jìn)兩種。目前世界上使用電力推進(jìn)的船舶，主要可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是電力推進(jìn)與其他發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)結(jié)合的混合推進(jìn)；另一類(lèi)是全電力推進(jìn)，即使用一個(gè)電站供電給推進(jìn)裝置和其他輔助裝置。三、船舶電力推進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)1.電力推進(jìn)方式的優(yōu)點(diǎn)（1）操縱靈活，機(jī)動(dòng)性能好，靠離碼頭時(shí)可不需拖輪協(xié)助，有更好的經(jīng)濟(jì)性；（2）電力推進(jìn)裝置的操縱由駕駛臺(tái)直接控制，應(yīng)付緊急狀態(tài)能力強(qiáng)，有利于提高安全。（3） 有很好的低速特性，恒功率特性，恒電流特性和陡轉(zhuǎn)特性；（4） 因省去了主機(jī)與螺旋槳之間的軸系以及舵，節(jié)省了大量的空間，可以增加船舶有效空間和有效載荷；（5） 可采用中高速的非反轉(zhuǎn)原動(dòng)機(jī)，主機(jī)的選擇有很大的靈活性；（6）原動(dòng)機(jī)和螺旋槳系柔性連接，使得螺旋槳的轉(zhuǎn)速不受原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的限制，彼此都可以工作在最佳狀態(tài)；（7） 噪聲小，震動(dòng)小，廢氣NOx排放減少；（8） 若采用吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，省去了長(zhǎng)軸系，操舵裝置和舵，可不設(shè)舵機(jī)房，也省去了bowthrouster，減輕了設(shè)備的重量，增加了有效載荷。另外，模塊化設(shè)計(jì)原理使吊艙模塊可以在船舶建造完成時(shí)安裝，縮短了建造時(shí)間；不需要進(jìn)塢就可以維修螺旋槳，吊艙裝置可以在水下安裝。2.電力推進(jìn)方式存在的問(wèn)題（1） 由于經(jīng)過(guò)兩次能量轉(zhuǎn)換，在電氣能量轉(zhuǎn)換中，若采用交-直-交變頻調(diào)速，還有兩次電能的能量轉(zhuǎn)換，使得電力推進(jìn)比傳統(tǒng)推進(jìn)效率降低。額定工況時(shí)，一般直接傳動(dòng)為：98%，直流電力推進(jìn)為：85%?90%，交流電機(jī)推進(jìn)為：94%?95%；（2） 初期投資成本較高。例：中遠(yuǎn)廣州公司*****t半潛船采用SSP吊艙式電力推進(jìn)系統(tǒng)，比傳統(tǒng)推進(jìn)采購(gòu)費(fèi)多300萬(wàn)美元，有資料表明，采用全電力推進(jìn)比機(jī)械推進(jìn)所需初期費(fèi)用貴25%左右；（3） 需要高技術(shù)的電氣工程師做維修保養(yǎng)工作。四、電力推進(jìn)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.國(guó)外的發(fā)展?fàn)顩r世界上采用過(guò)電力推進(jìn)的民船種類(lèi)繁多，包括：運(yùn)輸船、海洋開(kāi)發(fā)用船、工程船、漁業(yè)船舶、拖帶船舶、港務(wù)船、農(nóng)用船等等。近20年以來(lái)，船舶電力推進(jìn)應(yīng)用達(dá)到了空前的繁榮。世界上各大船用設(shè)備廠(chǎng)家如ABB、*****、ALSTOM、*****S等公司都已開(kāi)發(fā)出成套的電力推進(jìn)系列產(chǎn)品。其中尤以ABB開(kāi)發(fā)的吊艙式電力推進(jìn)器AZIPOD最為成功，并得到廣泛應(yīng)用。AZIPOD是將馬達(dá)裝入一個(gè)流線(xiàn)型殼體內(nèi)，螺旋槳置于殼體前段，操作十分方便，可以在很低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，又可作為轉(zhuǎn)向裝置，推進(jìn)效率高于常規(guī)螺旋槳。如大型旅游船Elation號(hào)上裝配有*****kwAZIPOD，其航速比裝有常規(guī)推進(jìn)的姐妹船快0.5kn,推進(jìn)效率高8%，回轉(zhuǎn)半徑減少30%，從全速前進(jìn)到全速后退僅需20s。從1987年到2021年之間，ABB公司的交流電力推進(jìn)的裝機(jī)總功率達(dá)到2318MW，僅吊艙推進(jìn)總功率就達(dá)到826MW。從1980年起，ALSTOM的電力推進(jìn)系統(tǒng)裝船多達(dá)110艘，總裝機(jī)超過(guò)***-*****kW，動(dòng)力定位系統(tǒng)裝船已達(dá)160多艘，其與瑞典Kamewa公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的Mermaid推進(jìn)器，也稱(chēng)“美人魚(yú)”推進(jìn)器，在最近兩年內(nèi)完成訂單近40套?！懊廊唆~(yú)”電力推進(jìn)器功率范圍為5-25MW，該系統(tǒng)的獨(dú)特設(shè)計(jì)在于軸封甚至整個(gè)吊艙都可以在水下進(jìn)行更換。2.國(guó)內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r與國(guó)外相比，我國(guó)在船舶電力推進(jìn)應(yīng)用方面起步較晚。近年來(lái)，通過(guò)國(guó)內(nèi)船舶行業(yè)各部門(mén)的不懈努力，我國(guó)民用船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)取得了可喜的成績(jī)，目前已應(yīng)用到海上石油工作船、科考船、貨運(yùn)船、火車(chē)渡輪，以及其他專(zhuān)業(yè)性船舶等方面，舉例如下：2021年，上海愛(ài)德華造船有限公司為瑞典公司建造了的“帕勞思佩拉”化學(xué)品船，是我國(guó)第一次采用POD電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶。2021年廣船國(guó)際為COSCO建造的*****T級(jí)半潛船“泰安口”，是中國(guó)第一艘自己建造的海洋工程大型特種船舶，采用兩套SSP吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)，是同類(lèi)船舶中目前最為先進(jìn)的首制船。2021年投入試運(yùn)行的煙大火車(chē)渡輪是我國(guó)首次自行設(shè)計(jì)、采用電力推進(jìn)方式的船舶。同年10月，天津新港造船廠(chǎng)建造的我國(guó)首艘采用全電力推進(jìn)系統(tǒng)的火車(chē)滾裝船“中鐵渤海一號(hào)”順利交工，該船總噸位達(dá)到*****T，這是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、建造噸位最大的全電力推進(jìn)船舶。其它還有912消磁船、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油輪、991水聲測(cè)量船、502TEU多用途集裝箱船等等。五.電力推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)分析1.綜合電力系統(tǒng)總體技術(shù)研究由于綜合全電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是當(dāng)今先進(jìn)的電力電子技術(shù)、交流調(diào)速技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)、永磁材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、原動(dòng)機(jī)技術(shù)等的綜合運(yùn)用，技術(shù)含量高。許多不同專(zhuān)業(yè)的各個(gè)設(shè)備的研制需要相互協(xié)調(diào)，功能相當(dāng)且接口一致。為滿(mǎn)足系統(tǒng)和總體的需求，需要全面、綜合、系統(tǒng)、深入地開(kāi)展研究，對(duì)各子系統(tǒng)提出要求，確保這一復(fù)雜工程有序、順利的開(kāi)展。綜合電力系統(tǒng)各個(gè)模塊是否運(yùn)行良好并相互協(xié)調(diào)以發(fā)揮系統(tǒng)最佳效能，是事關(guān)整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣和良好運(yùn)行的關(guān)鍵。因此需要開(kāi)展構(gòu)成綜合電力系統(tǒng)的各個(gè)模塊，以及各模塊集成的技術(shù)研究，主要包括：發(fā)電模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，包括原動(dòng)機(jī)的選擇和新型原動(dòng)機(jī)的研制，高功率、高能量密度的交流或直流發(fā)電機(jī)的研制，全船環(huán)形電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究等。配電模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括區(qū)域配電模式研究等。電力變換模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括大容量電能變換技術(shù)研究，中、高壓電網(wǎng)的安全性研究等。電力控制模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括電力系統(tǒng)智能化綜合監(jiān)控與管理技術(shù)研究等。推進(jìn)電機(jī)模塊關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括現(xiàn)有推進(jìn)電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研究，新型推進(jìn)電機(jī)及其應(yīng)用系統(tǒng)的可行性研究等。能量?jī)?chǔ)存模塊關(guān)鍵技術(shù)研究。開(kāi)展新型儲(chǔ)能技術(shù)，如超導(dǎo)儲(chǔ)能技術(shù)、蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)、飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究以及能量管理模式研究，可提高船舶電力系統(tǒng)的可靠性和供電品質(zhì)。系統(tǒng)集成技術(shù)研究。系統(tǒng)集成的核心在于系統(tǒng)的綜合優(yōu)化和系統(tǒng)的控制與管理，因此應(yīng)開(kāi)展包括系統(tǒng)模塊化及綜合優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)綜合智能監(jiān)控技術(shù)、系統(tǒng)穩(wěn)定控制技術(shù)、系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)、系統(tǒng)綜合智能管理等技術(shù)的研究。2.推進(jìn)電機(jī)技術(shù)研究推進(jìn)電機(jī)是綜合電力系統(tǒng)的重要組成部分。永磁推進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)相比，具有體積小、重量輕、高比功率、效率高、噪聲低、易于實(shí)現(xiàn)集中遙控、可靠性高、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，是船舶推進(jìn)電機(jī)的理想選擇，目前大部分船舶電力推進(jìn)裝置都采用永磁同步電機(jī)。隨著高溫超導(dǎo)材料的發(fā)展，為超導(dǎo)電機(jī)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。作為艦船推進(jìn)用的高溫超導(dǎo)電機(jī)與普通感應(yīng)電機(jī)相比具有極為突出的優(yōu)越性，主要有：提高功率密度，減小電機(jī)質(zhì)量和體積，在整個(gè)功率范圍內(nèi)都具有不變的高效率等。高溫超導(dǎo)電機(jī)很適合應(yīng)用于吊艙式電力推進(jìn)裝置。2021年7月，美國(guó)超導(dǎo)公司宣布世界上第一臺(tái)3.7MW，1800r/min高溫超導(dǎo)同步電機(jī)研制成功，其應(yīng)用對(duì)象是海軍艦船和商業(yè)船舶。3.綜合電力系統(tǒng)適裝性技術(shù)研究綜合電力系統(tǒng)裝備船舶，不僅需要研究其與船舶總體的關(guān)系，還應(yīng)考慮其與船上其它系統(tǒng)、設(shè)備的關(guān)系。主要需要開(kāi)展以下方面的研究船舶的適裝性問(wèn)題，并研究與此相關(guān)的對(duì)船舶安全性、可靠性等的影響，以及系統(tǒng)對(duì)船舶海洋環(huán)境的適裝性問(wèn)題等，解決系統(tǒng)內(nèi)部及與其它船用電子設(shè)備之間的電磁兼容性問(wèn)題。六、推進(jìn)電機(jī)技術(shù)研究現(xiàn)代艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成一般來(lái)說(shuō)，綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變電系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、推進(jìn)電機(jī)和螺旋槳等幾個(gè)環(huán)節(jié)組成。艦船若采用綜合全電力系統(tǒng)，艦船電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的容量則將數(shù)倍的增加，這對(duì)供配電系統(tǒng)提出了更高的要求。本文主要從影響推進(jìn)電機(jī)技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)出發(fā)，分析目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)推進(jìn)電機(jī)技術(shù)開(kāi)展的研究工作、取得的進(jìn)展和推進(jìn)電機(jī)技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)?，F(xiàn)代艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中推進(jìn)電機(jī)需要考慮的幾項(xiàng)主要性能指標(biāo)關(guān)于電力推進(jìn)討論的一個(gè)關(guān)鍵因素就是推進(jìn)電機(jī)的型式。從艦船用電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用角度出發(fā)，對(duì)推進(jìn)電機(jī)技術(shù)關(guān)注的主要有以下幾個(gè)問(wèn)題：（1）推進(jìn)電機(jī)的功率等級(jí)、效率和轉(zhuǎn)矩密度；（2）推進(jìn)電機(jī)的功率一體積密度；（3）推進(jìn)電機(jī)的功率一重量密度；（4）推進(jìn)電機(jī)的特征信號(hào)和抗沖擊性能；（5）推進(jìn)電機(jī)的可靠性和使用維護(hù)性；（6）推進(jìn)電機(jī)的研制風(fēng)險(xiǎn)和單位投入等。大型艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)可能采用的推進(jìn)電機(jī)主要包括五種類(lèi)型：電勵(lì)磁同步電機(jī)、永磁電機(jī)（包括徑向磁通永磁電機(jī)、軸向磁通永磁電機(jī)、橫向磁通永磁電機(jī)）、先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)、高溫超導(dǎo)電機(jī)和單極電機(jī)等。每種電機(jī)各有其優(yōu)勢(shì)和不足，在選擇推進(jìn)電機(jī)種類(lèi)時(shí)需要考慮多方面的因素，具體采用哪種電機(jī)合適，目前各國(guó)都仍處在論證研究階段，尚無(wú)定論。3.推進(jìn)電機(jī)的特征信號(hào)和抗沖擊性能對(duì)艦船用推進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，我們關(guān)心的主要有它通過(guò)電機(jī)安裝裝置傳給艦船的徑向震動(dòng)信號(hào)和環(huán)向震動(dòng)信號(hào)，通過(guò)螺旋槳傳輸?shù)呐ぞ卣饎?dòng)信號(hào)。然而要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定推進(jìn)電機(jī)的震動(dòng)信號(hào)是很困難的。而且，這些信號(hào)還與所使用的控制方式、變流器的諧波成分、電機(jī)的相數(shù)和繞線(xiàn)方法等結(jié)構(gòu)特征都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，永磁電機(jī)的特征信號(hào)要小于電勵(lì)磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，高溫超導(dǎo)電機(jī)則更佳。通常，徑向震蕩加速度可以作為最重要的抗沖擊性能。為計(jì)算不同電機(jī)的機(jī)械震蕩響應(yīng)，需要估計(jì)螺旋槳、電機(jī)定子的靜態(tài)徑偏差。七、結(jié)束語(yǔ)艦船綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)是需求牽引和技術(shù)推動(dòng)的產(chǎn)物，它涵蓋從IPS、IFEP及AES到電力戰(zhàn)艦的多種概念，代表一個(gè)不斷發(fā)展的新技術(shù)領(lǐng)域。綜合電力推進(jìn)已成為21世紀(jì)船舶全面提升操縱性、可靠性、維修性、保障性、安全性等問(wèn)題的關(guān)鍵，大力發(fā)展船舶綜合電力推進(jìn)技術(shù)研究，是我國(guó)海洋大國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切需求。為此必須充分發(fā)揮研究院、院校等多方面力量，加快綜合電力推進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究的步伐，通過(guò)必要的設(shè)備和技術(shù)引進(jìn)，努力縮短與先進(jìn)水平的差距，實(shí)現(xiàn)我國(guó)船舶的跨越式發(fā)展。大型艦艇電力推進(jìn)系統(tǒng)可能采用的推進(jìn)電機(jī)主要包括五種類(lèi)型：電勵(lì)磁同步電機(jī)、永磁電機(jī)（包括徑向磁通永磁電機(jī)、軸向磁通永磁電機(jī)、橫向磁通永磁電機(jī)）、先進(jìn)感應(yīng)電機(jī)、高溫超導(dǎo)電機(jī)和單極電機(jī)等。每種電機(jī)各有其優(yōu)勢(shì)和不足，在選擇推進(jìn)電機(jī)種類(lèi)時(shí)需要考慮多方面的因素，具體采用哪種電機(jī)合適，目前各國(guó)都仍處在論證研究階段，尚無(wú)定論。3.推進(jìn)電機(jī)的特征信號(hào)和抗沖擊性能對(duì)艦船用推進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，我們關(guān)心的主要有它通過(guò)電機(jī)安裝裝置傳給艦船的徑向震動(dòng)信號(hào)和環(huán)向震動(dòng)信號(hào)，通過(guò)螺旋槳傳輸?shù)呐ぞ卣饎?dòng)信號(hào)。然而要準(zhǔn)確預(yù)測(cè)特定推進(jìn)電機(jī)的震動(dòng)信號(hào)是很困難的。而且，這些信號(hào)還與所使用的控制方式、變流器的諧波成分、電機(jī)的相數(shù)和繞線(xiàn)方法等結(jié)構(gòu)特征都有關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，永磁電機(jī)的特征信號(hào)要小于電勵(lì)磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)，高溫超導(dǎo)電機(jī)則更佳。通常，徑向震蕩加速度可以作為最重要的抗沖擊性能。為計(jì)算不同電機(jī)