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船舶电力推进系统的应用研究

时间：2023-01-26 00:49 所属分类：科技论文 点击次数：

　　摘要：本文主要对船舶电力推进系统的发展、分类和特点进行了介绍，并结合大型LNG船提出了建设性的技术方案，形成了初始电力推进系统的配置方案。

　　关键词：电力推进系统;系统介绍;配置方案

　　随着人类环保意识的进一步加强，国际公约、环保法规日趋严格，船舶采用电力推进系统可以显著减少对燃油依赖、改善工作环境、实现废气低排放，电力推进系统是一个复杂的集成系统，涉及技术多、科技含量高，因此研究电力推进系统是十分必要的。

　　1船舶电力推进技术的发展

　　船舶电力推进技术的发展经历了几个过程：十九世纪，首艘电动试验船诞生，但当时技术障碍多，未得到很好的应用;二战期间，受益于各种关键技术的突破，电力推进技术逐渐应用于军舰、破冰船、挖泥船等特种船舶，但主要采用直流电技术，在功率和转速等问题上存在技术难题，应用范围较窄;自1980年以来，大功率交流电机变频调速技术得到突破，极大促进了船舶电力推进技术的应用发展。现阶段电力推进技术已应用于大型豪华邮轮、极地科考船、海工船、穿梭油轮、LNG和潜艇等各类船舶，电力推进技术发展达到新的高峰。

　　2船舶电力推进系统组成

　　船舶电力推进通常包括主发电机组、配电装置和推进装置(含电机、螺旋桨和控制系统)，是利用推进电机驱动螺旋桨转动，从而推进船舶前进的一种推进方式。它通过发电机将机械能转换成电能，再通过电机将电能转换成机械能，实现能量的非机械传动，把传统船舶的柴油机推进与发电机供电合二为一。

　　3船舶电力推进系统的分类和特点

　　3.1船舶电力推进系统的分类

　　1)电力推进装置与其他原动机和推进装置相结合的混合推进系统。典型船型为穿梭油轮，其主推进系统为柴油机驱动，依靠首部装载系统进行作业(电力推进器作为动力定位系统的一个组成部分)。

　　2)全电力推进系统。根据推进器的不同，主要有常规推进器和吊舱式推进器两种形式。常规推进器即轴系螺旋桨推进。吊舱式推进系统将变速推进电机和螺旋桨直接相连，无需机械传动，浸没在水中，可360°旋转，船尾无舵，提高了螺旋桨效率及操纵性，航行更加安静。

　　3.2船舶电力推进系统的特点

　　船舶电力推进系统的特点如下：

　　1)动力装置占用空间小，载货空间增大。电力推进系统发电机靠近螺旋桨，无需使用传动轴，可以节约很多空间。

　　2)降低燃油消耗，系统冗余度和安全系数高。电力推进系统配置一定数量发电机组，如果船舶用电需求低，可仅投入一台机器;若用电需求较大，可并联运行多台发电机，每台发电机都处于理想负荷工作状态，且多台发电机互为备用，即使个别机组出现故障，也不会影响船舶航行。

　　3)操纵性强。电力推进系统中船速依靠推进控制器来调整(控制推进电机的转速)，吊舱单元可以实现360°转动，改变螺旋桨速度和舵角，船舶控制更容易。

　　4)振动幅度小、噪声低。船舶使用电力推进系统，没有了舵和传动轴，船舶运转时噪声和振动小。

　　5)建造成本较高。配置电力推进系统的船舶，建造成本提升15～20%左右。

　　6)能量转换损耗。经过机械能到电能，电能再到机械能的能量转换，加大了船舶满载时的传输损耗(约8%)。但发电机始终运行于理想状态，且在低速、低负荷工况燃油消耗率低，总体效率仍高于传统推进方式。

　　4船舶电力推进系统应用研究

　　目前电力推进技术已应用于各类船舶，某大型船厂一直致力研讨并力求建造大型LNG船舶，故本次重点研讨大型LNG船的电力推进系统的系统配置。

　　4.1大型LNG船型主要特点

　　1)载重吨小。LNG船因运载的货品密度小(约为0.43～0.47t/m³)，较主流船型的载重吨要小得多。

　　2)浅吃水。大型LNG船型深保持在26～27m之间，吃水维持在12m左右。宽度吃水比B/T随着舱容的增大而增大(接近4.5)，属于典型的浅吃水肥大型船舶。

　　3)动力装置多元化。LNG船可以使用的动力装置有：(1)蒸汽轮机;(2)双燃料柴油机搭配电力推进(或全电力推进);(3)低速柴油机搭配再液化装置。

　　4.2大型LNG船型电力推进系统设备选型

　　因专业知识的限制，本次主要针对电气方面关注问题提出相关解决方案。对于非电气问题，本论文未进行深入研究。

　　1)选择动力装置。通过比较以及借鉴多条LNG船的配置，确认双燃料柴油机搭配电力推进系统，在提高效率、减少总装机重量、降低燃料消耗和提高操纵性等几方面具有明显优势。具体实船上柴油机组的型号/数量决定，需根据各工况下电网负荷需求来选定机型(MAN、瓦锡兰和MAK等厂家均可提供合适机型)。

　　2)选择电网电压等级。推进系统中根据不同的发电机总装机容量，选择不同电压级别的发电机和配电设备，发电机总装机容量超过20 MW 时，推荐使用11 kV电压系统。大型LNG船的总装机容量在22 MW-30MW之间，选择11KV电压系统(也可以选择6.6KV)。

　　3)选择推进器装置。LNG船上一般使用轴系螺旋桨推进，即利用变速电机作为驱动来源(变频起动)，将电机连接到桨轴上，系统结构更简单和稳定。可选择额定功率为12MW的同步电机2台(如ABB的AMZ系列，功率可定制，电压AC3.3KV，0～80RP可调，水冷)。

　　4)选择变压器。电网电压为KV级，驱动马达电压和低压设备需要设置合适的变压器，若将驱动马达直接挂在电网上，起动时电流太大，电网容易崩溃。其中驱动变压器参考驱动马达侧电压，变压器采用11KV/2x1850V 8000KVA 4台(每两组给单台驱动马达使用，PF=0.85);低压设备采用两组11KV/450V 1000KVA的通用變压器(分别挂在1号和2号母排上)。压载泵等大功率马达直接接入11KV电网上。

　　5)选择变频器。驱动马达功率大(MW级)，考虑经济性，电压等级相比电网11KV电压低一些，且需要通过调整频率来调整转速，因此需要设置电机变频器，电力推进系统中电压源型变频器是最常用的，具有灵活、性能良好等优势。

　　6)电网谐波抑制一般来说，变频器是电网产生谐波的主要来源。在设计阶段，需要对电网中存在谐波的可能性进行分析，并结合设备型号和参数，进行系统的模拟仿真计算，若总谐波THD超过规范允许值8%，则需在变频器中增配12或24脉冲系统，或设置滤波器，确保电压波形尽可能接近正弦曲线，保证用电安全。

　　5结束语

　　本文对船舶电力推进系统的发展、系统分类和特点进行了介绍，结合LNG船提出了建设性的技术解决方案，形成了初始电力推进系统的配置方案。由于目前LNG船技术以及专业知识限制，本次仅对电气部分问题进行了的研究，但对于型线设计、总布置设计、船舶稳性与结构设计、螺旋桨设计等并未涉及，后续再进行深入探讨和研究。

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