电力推进在船舶上的应用及系统设计研究 (1)

SHIP ENGINEERING 船舶工程

V ol.33 Supplement 2 2011 总第33卷，2011年增刊2电力推进在船舶上的应用及系统设计研究

谢家纯

（上海船舶研究设计院，上海 200031）

摘 要：简要地回顾了电力推进在船舶上应用的发展历程，并与常规柴油机机械推进进行对比.

概括介绍电力推进在各类船舶上的应用情况，并从系统设计角度提出船舶电力推进系统在一般设计时需要考虑或关注的主要事项，包括电力推进器的配置、电力推进方式的选择、电站、电制及功率管理、谐波控制、电力推进系统的操纵和有关系统的接口等方面.

关键词：船舶；电力推进；推进装置；推进方式；系统设计

中图分类号：U662.2 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2011) Z2-0061-04

Research on the Application of Electric Propulsion on

Ships and Relevant System Design

XIE Jia-chun

(Shanghai Merchant Ship Design & Research Institute, Shanghai 200031, China)

Abstract: The paper briefly reviews the development history of electric propulsion application on ships and compares the electric propulsion system with general machinery propulsion systems. After introducing the general application cases on many kinds of ships, some main items from system-design viewpoint are put forward, which should be thought of or paid attention to during the design time of the usual ship electric propulsion system, including the configure of propulsion installation, choice of propulsion mode, power station, voltage, power management system, THC control, maneuvering system and the interfaces with other system etc.

Key words: ship; electric propulsion; propulsion installation; propulsion mode; system design

相比到2007年，全球航运指数不断在攀高，催生的散货船市场的井喷，2008年金融危机的全面爆发，全球的航运业、造船业瞬间受到了极大的负面影响，犹如从波峰直跌到波谷.2009年第一季度全球范围内的新接造船订单量急剧下滑到零，并且很多在造船只也面临着推迟接船和弃船的风险.这次金融危机潜伏之深，影响之大，堪比上世纪30年代的全球性经济危机.可以预见，在未来3~5年，甚至更长时间内，船舶行业将处于调整和振兴期.在此背景下，业内群呼向海工进军.海工即海洋工程随即凸显为业内的一个新的被关注的焦点和热点.伴随着海洋工程的发展，电力推进（系统）将更多的再被提及并将被推广应用在越来越多的船舶上.1 电力推进在船舶上应用的发展历程

谈及电力推进在船舶上的应用，最早可以追溯到1860年.世界上第一艘以蓄电池为动力，电动机直接驱动的电力推进潜水艇投入使用.

进入20世纪，大部分潜水艇都采用电力推进方式.潜水艇在水面航行时，由“柴油机-发电机”组给蓄电池充电，并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时，由蓄电池供电电动机以驱动船舶.核潜艇则采用原子能发电，电动机驱动的推进方式.

20世纪20年代，美国建造的航母等水面战舰，也采用“汽轮机-发电机-电动机”的电力推进系统.

二战期间，更有很多艘战舰和运输舰采用“柴油机-发电机-电动机”的电力推进系统.

此后，在破冰船、科学考察船及其他特殊用途

收稿日期：2010-09-29；修回日期：2010-12-08

作者简介：谢家纯（1979-），男，工程师，主要从事船舶电气设计工作.

船舶动力装置和辅助机械

船舶上，也陆续装备了电力推进系统.在此期间的船舶电力推进系统一般采用Ward-Leonard直流调速系统，即G-M系统.

20世纪70年代，应用电力电子技术的晶闸管变流装置取代了Ward-Leonard调速装置，成为电力推进系统的主要调速方式.

20世纪80年代以来，随着电力电子技术的不断进步，采用可关断半导体开关的交流调速系统，逐步取代晶闸管直流调速系统，以至发展成为目前船舶电力推进系统的主要调速方式.

20世纪90年代开始采用的“交-交变频器供电+同步电动机驱动”的交流调速方式，是在20世纪80年代采用“交-直-交变频器供电+感应电动机或同步电动机驱动”的交流调速方式的基础上，更多选择的向前发展.

当前，电力推进在船舶上的应用形式，已发展到全方位推进，甚至是吊舱式全方位推进.

2 电力推进与常规柴油机机械推进的比较

伴随着电力推进在船舶上的应用至今已有一百多年的发展历程中，主流的船舶动力系统，也随着技术的进步，从蒸汽动力装置、汽轮机动力装置已发展到目前的以柴油机动力装置即柴油机机械推进为主要的推进形式.

本文提到的电力推进主要是指柴油电力推进，即由柴油机发电后，通过电站供电变流装置驱动电动机，以带动螺旋桨来实现船舶推进.和常规柴油机机械推进相比，电力推进具有如下优点[1]：

1）经济性好

多台中速柴油机用于发电，可根据用电负荷选择发电机运行台数，使机组始终运行于高效工作区，实现最大的经济性.根据某知名公司统计，同功率的船，采用电力推进要比内燃机推进耗油减少10%左右，航速可提高0.5kn.

2）操纵性好

推进电机转速易于调节，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩，因此能得到最佳的工作特性，使船舶取得优良的操纵性.

3）安全性好

柴油机推进的船舶，一旦主机重要部件或舵机、机械出现故障往往导致瘫船.而电力推进使用多台原动机，个别机组故障不致丧失动力.电力推进系统多采用两套以上互为备用.

4）节省空间

传统船舶轴系长度往往占到船长的40%左右，电力推进的船舶省却了传动轴系、减速齿轮箱，改善了机舱布置，使动力装置安排更加合理，节省了大量空间.

5）噪音低

采用电力推进后，主要振动源——发动机安装在弹性底座上，以恒定转速运行，与轴系和船体也无直接联结，大大减少了振动和噪声，提高了船员和乘客舒适程度.这对客轮十分重要.

6）有利于船舶控制环境污染

对同一功率船舶而言，电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作，燃油燃烧质量好，燃烧产物中的NO X含量少.

3 电力推进在船舶上的应用概况

当前电力推进和常规柴油机机械推进形式并存，主要从经济性和使用功效上在不同船型上体现.比如以散货船、油船和集装箱船为代表的运输船的运行模式，相对来说比较平稳，即在船舶寿命周期内的大部分时间里，其推进功率近似为恒定值，其使用电力推进系统并不能带来什么经济效益，相反从设备配置上还增加了成本，所以这些运输船还基本沿用了传统的或常规的柴油机机械推进.对一些有多种运行模式或有特殊作业要求的船舶，比如需要有足够大的功率进行其它操作（控位等）、高机动性、高冗余度、低噪声以及低振动等，采用电力推进系统就比较合适.

3.1 邮轮和渡轮

客轮使用电力推进，是基于客轮通常对船上舒适性有非常高的要求，如船体不能有太大的噪声和振动等.另外可靠性和可用性对确保客轮和乘客的安全非常重要.使用（吊舱式）电力推进显著提高客轮机动性和降低燃料费用，并且能够将船舶的推进效率提高近10%.

客轮使用电力推进，也体现人们对于环境问题的日益更加关注.进一步减少（碳氧、氮氧和硫氧化物）排放、减少燃油泄露并减免锚泊对珊瑚礁等自然生态的旅游资源的破坏等.

3.2 钻井装置、采油船和油轮

随着人们向深海区域钻探和开采石油，动力定位或推进器辅助定位锚泊技术在钻井装置（船舶）和采油船上得到应用.而用于控位（即动力定位操纵）的推进器通常也是用于船舶行驶操作和机动操作的主推进系统的一个组成部分（包括全部推进装置或指定部分推进装置）.这类船舶一般采用同一电站，供电电力推进、动力定位、钻井、采油及生活