船舶電力推進系統(tǒng)的技術(shù)特點及發(fā)展趨勢研究

引言

船舶電力推進是由船舶原動機組(柴油發(fā)電機組、燃氣輪發(fā)電機組、汽輪發(fā)電機組以及燃料電池等)輸出電能,再通過電機來驅(qū)動螺旋獎、噴水推進器、吊艙式推進器、直翼式推進器等諸多類型的推進器,以此為船舶提供前進動力的推進方式。

1船舶電力推進系統(tǒng)的技術(shù)特點

船舶電力推進通常包括直流推進和交流推進兩大類。目前世界上有3種主流的電力推進系統(tǒng),分別是軸系推進系統(tǒng)、全方位推進系統(tǒng)與吊艙推進系統(tǒng)。

(1)在軸系推進系統(tǒng)中,通常由變速電機驅(qū)動螺旋獎,而變速電機與螺旋獎軸之間可采用直接連接方式或通過齒輪裝置將電機與螺旋獎軸相連。

(2)全方位推進系統(tǒng)則可實現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動,并能產(chǎn)生任何方向的推力,其推力可以通過定速可調(diào)螺距螺旋獎或變速定距獎進行控制。全方位推進系統(tǒng)內(nèi)部的電機通常包括兩類:臥式電機+Z型齒輪傳動、立式電動機+L型齒輪傳動。而全方位推進系統(tǒng)通常無法反向轉(zhuǎn)動以產(chǎn)生推力。

(3)吊艙式推進系統(tǒng)可以自由轉(zhuǎn)動并產(chǎn)生任何方向的推

力。該推進系統(tǒng)將電機與螺旋獎集成在一個封閉的吊艙裝置中,定距螺旋獎直接配裝于電機軸上[5]。吊艙推進系統(tǒng)的傳動效率高于全方位推進系統(tǒng)的傳動效率,且其機械結(jié)構(gòu)相對簡單。吊艙式推進系統(tǒng)既能采用推式吊艙,又能采用拉式吊艙。

2船舶電力推進系統(tǒng)的組成

電力推進系統(tǒng)通常由原動機、電能分配系統(tǒng)與存儲系統(tǒng)及推進組件三大子系統(tǒng)組成。原動機可以是柴油機、汽輪機、燃氣輪機、核能反應(yīng)堆+汽輪機或燃料電池。

發(fā)電機主要包括電勵磁同步發(fā)電機、永磁發(fā)電機、異步發(fā)電機和超導(dǎo)發(fā)電機,供配電網(wǎng)絡(luò)及保護模塊由電纜、匯流排、斷路器和保護裝置等組成,其用于傳輸電能和自動識別、排除電網(wǎng)故障:變、配電模塊則可將電能分配至船舶各個用電設(shè)備,以維持其正常運轉(zhuǎn)。

電能儲存系統(tǒng)則用于在故障狀態(tài)下為重要負載提供短時電能供給。推進組件由推進電動機和變頻調(diào)速器組成,推進電機可將輸入電能轉(zhuǎn)化為機械能,以推動船舶航行,變頻調(diào)速器為推進電機輸入電能并控制其轉(zhuǎn)速,從而調(diào)節(jié)船速。

2.1推進電機

在功率最高達5~10Mw的工作范圍內(nèi),采用鼠籠式轉(zhuǎn)子的異步電動機相對更為經(jīng)濟。如有更高的功率需求,則應(yīng)采用同步電機。此外,由于同步電機允許采用較大的氣隙,從而降低了整機對振動的敏感性。

在近期的研發(fā)工作中,相關(guān)研究人員曾試驗以永磁鐵替代勵磁繞組,以此消除勵磁功耗,并能有效降低電機的尺寸。針對直流電機的使用僅限于特殊的應(yīng)用場合,例如在噪聲較低或者采用蓄電池供電的驅(qū)動場景下,同時針對最新型電機配備了專門調(diào)適的電子設(shè)備,以便在軍事用途中得以使用。

2.2變頻器

由于大功率開關(guān)特別是絕緣柵雙極型三極管(IGBT)及其衍生技術(shù)產(chǎn)品的發(fā)展,脈沖變頻器已部分取代了直接變頻器和帶直流中間級電路的變頻器。脈沖變頻器可提供無功功率,因而能與所有的三相交流電機進行匹配。

帶直流中間級電路的變頻器由一個整流器、一個直流電路及一個逆變器組成。只有當負載端上已經(jīng)存在一個三相交流電壓系統(tǒng)并且已提供無功功率時,方可使逆變器正常工作。對于同步電機而言,其可為負載逆變器提供所需的功率,并將機械功有效傳遞給螺旋獎等推進器。

當電機啟動時,此類電氣設(shè)備可能尚未處于正常工作狀態(tài),因此,為了啟動設(shè)備,需周期性地接通和斷開直流電路中的電流,而不含中間電路級的直接變頻器通常均用于大型驅(qū)動裝置中。

2.3備用冗余

在航行裝置中不管發(fā)生多大程度的故障,船舶均需自行啟動航行或有限制地實現(xiàn)啟航,該性能指標取決于船舶的設(shè)計用途。即使當某個半自動切換氣體匯流排損壞,兩個螺旋獎還能以全功率的50%實現(xiàn)驅(qū)動,即使另外又有一個螺旋獎出現(xiàn)故障,船舶仍可通過另一個螺旋獎以安全地航行至目的地。

目前我國已經(jīng)制造出一種不進行交叉連接的裝置。內(nèi)部由相互獨立的兩臺電機組成的螺旋獎電動機組目前也已實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),其勵磁設(shè)備也可分別由各個半自動切換氣體匯流排實現(xiàn)供電。如此可在單個繞組出現(xiàn)輕微故障時,通過兩個螺旋獎繼續(xù)工作。

盡管如此,在設(shè)計相關(guān)裝置時仍需進行進一步研究,以不斷提升系統(tǒng)的可靠性、耐久性和利用率。

2.4船舶電網(wǎng)的連接

每個變頻器均從船舶電網(wǎng)獲取功率強大的非正弦電流。出于對靈活性的考慮,可直接從與變頻器相連的同一個匯流排,通過變壓器向船舶電網(wǎng)供電。因此,在采用非正弦電流的前提下,通常不允許導(dǎo)致船舶電網(wǎng)電壓畸變的電流數(shù)值超過許可值。

在實踐中一貫采用的措施是,在變頻器前方串聯(lián)一個三繞組的變壓器,并將整流器劃分為兩部分,為了盡可能地減小殘留的高次諧波電流對電網(wǎng)電壓的影響,同時需盡可能降低船舶電網(wǎng)對于高次諧波的阻抗。

對于發(fā)電機而言,次瞬態(tài)電抗是較為重要的一方面,該電抗的下限數(shù)值由發(fā)電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定,另一方面,其較小的數(shù)值也意味著較大的沖擊短路電流。使用濾波器可使指定頻率下的電網(wǎng)阻抗達到非常小的值。

3船舶電力推進系統(tǒng)的新技術(shù)及未來發(fā)展趨勢

就目前而言,船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展動向主要體現(xiàn)在:以交流電力推進裝置取代直流電力推進和交直流電力推進裝置,并大力發(fā)展超導(dǎo)電力推進、特種燃料電池推進系統(tǒng),以及綜合全電力推進系統(tǒng)。交流電力推進裝置的特點是極限功率大,效率高,可靠性好,根據(jù)推進電機的類型,其可分為異步電動機交流推進裝置和同步電動機交流推進裝置。

超導(dǎo)電力推進是以超導(dǎo)電機為功率元件的電力推進裝置,其技術(shù)特點是質(zhì)量小,體積小,效率高,噪聲低。隨著近年來低溫技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,為超導(dǎo)電力推進的應(yīng)用提供了良好的必備條件。

燃料電池是一種能把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)化裝置,燃料電池系統(tǒng)由電池本體、燃料、氧化劑及其儲存器構(gòu)成,其特點是靜音性好,效率高。因為大規(guī)模產(chǎn)氫和儲氫的基礎(chǔ)設(shè)施依然較為有限,如今的燃料電池采用的氫燃料主要通過甲醇進行轉(zhuǎn)化,即將甲醇通過化學(xué)方法轉(zhuǎn)化成氫。這種轉(zhuǎn)化氫的能量轉(zhuǎn)換效率與柴油機的工作效率依然存在較大差距。到目前為止,燃料電池的每千瓦的電能成本,依然遠高于柴油機等傳統(tǒng)動力裝置。如上文所述,氫能的供應(yīng)及儲存阻止了燃料電池的大規(guī)模推廣和進一步應(yīng)用,盡管其有著廣闊的應(yīng)用前景,但依然是一個尚未解決的技術(shù)難題。

綜合全電力推進系統(tǒng)是船舶動力裝置領(lǐng)域的重大變革,各國目前都在積極開展綜合全電力推進系統(tǒng)的研究工作,并制定了相應(yīng)的發(fā)展計劃。吊艙的驅(qū)動裝置中電機與一個或兩個可旋轉(zhuǎn)的吊艙安裝在船舶下方,并通過導(dǎo)電滑環(huán)向電動機輸送能量,有著較好的技術(shù)應(yīng)用前景。

4結(jié)論與展望

目前在船舶推進技術(shù)領(lǐng)域,對于電力推進的關(guān)注度可謂與日俱增。就目前而言,交流電力推進、超導(dǎo)電力推進、燃料電池推進及綜合全電力推進均為該領(lǐng)域的重點技術(shù)發(fā)展方向。隨著相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善,電力推進終將在船舶推進領(lǐng)域占據(jù)一席之地。