电力推进技术

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