陳林濤 李長雙

摘要：本文主要對船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展、分類和特點進行了介紹，并結(jié)合大型LNG船提出了建設(shè)性的技術(shù)方案，形成了初始電力推進系統(tǒng)的配置方案。

關(guān)鍵詞：電力推進系統(tǒng);系統(tǒng)介紹;配置方案

隨著人類環(huán)保意識的進一步加強，國際公約、環(huán)保法規(guī)日趨嚴格，船舶采用電力推進系統(tǒng)可以顯著減少對燃油依賴、改善工作環(huán)境、實現(xiàn)廢氣低排放，電力推進系統(tǒng)是一個復(fù)雜的集成系統(tǒng)，涉及技術(shù)多、科技含量高，因此研究電力推進系統(tǒng)是十分必要的。

1船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展

船舶電力推進技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了幾個過程：十九世紀，首艘電動試驗船誕生，但當(dāng)時技術(shù)障礙多，未得到很好的應(yīng)用;二戰(zhàn)期間，受益于各種關(guān)鍵技術(shù)的突破，電力推進技術(shù)逐漸應(yīng)用于軍艦、破冰船、挖泥船等特種船舶，但主要采用直流電技術(shù)，在功率和轉(zhuǎn)速等問題上存在技術(shù)難題，應(yīng)用范圍較窄;自1980年以來，大功率交流電機變頻調(diào)速技術(shù)得到突破，極大促進了船舶電力推進技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。現(xiàn)階段電力推進技術(shù)已應(yīng)用于大型豪華郵輪、極地科考船、海工船、穿梭油輪、LNG和潛艇等各類船舶，電力推進技術(shù)發(fā)展達到新的高峰。

2船舶電力推進系統(tǒng)組成

船舶電力推進通常包括主發(fā)電機組、配電裝置和推進裝置（含電機、螺旋槳和控制系統(tǒng)），是利用推進電機驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，從而推進船舶前進的一種推進方式。它通過發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能，再通過電機將電能轉(zhuǎn)換成機械能，實現(xiàn)能量的非機械傳動，把傳統(tǒng)船舶的柴油機推進與發(fā)電機供電合二為一。

3船舶電力推進系統(tǒng)的分類和特點

3.1船舶電力推進系統(tǒng)的分類

1）電力推進裝置與其他原動機和推進裝置相結(jié)合的混合推進系統(tǒng)。典型船型為穿梭油輪，其主推進系統(tǒng)為柴油機驅(qū)動，依靠首部裝載系統(tǒng)進行作業(yè)（電力推進器作為動力定位系統(tǒng)的一個組成部分）。

2）全電力推進系統(tǒng)。根據(jù)推進器的不同，主要有常規(guī)推進器和吊艙式推進器兩種形式。常規(guī)推進器即軸系螺旋槳推進。吊艙式推進系統(tǒng)將變速推進電機和螺旋槳直接相連，無需機械傳動，浸沒在水中，可360°旋轉(zhuǎn)，船尾無舵，提高了螺旋槳效率及操縱性，航行更加安靜。

3.2船舶電力推進系統(tǒng)的特點

船舶電力推進系統(tǒng)的特點如下：

1）動力裝置占用空間小，載貨空間增大。電力推進系統(tǒng)發(fā)電機靠近螺旋槳，無需使用傳動軸，可以節(jié)約很多空間。

2）降低燃油消耗，系統(tǒng)冗余度和安全系數(shù)高。電力推進系統(tǒng)配置一定數(shù)量發(fā)電機組，如果船舶用電需求低，可僅投入一臺機器;若用電需求較大，可并聯(lián)運行多臺發(fā)電機，每臺發(fā)電機都處于理想負荷工作狀態(tài)，且多臺發(fā)電機互為備用，即使個別機組出現(xiàn)故障，也不會影響船舶航行。

3）操縱性強。電力推進系統(tǒng)中船速依靠推進控制器來調(diào)整（控制推進電機的轉(zhuǎn)速），吊艙單元可以實現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動，改變螺旋槳速度和舵角，船舶控制更容易。

4）振動幅度小、噪聲低。船舶使用電力推進系統(tǒng)，沒有了舵和傳動軸，船舶運轉(zhuǎn)時噪聲和振動小。

5）建造成本較高。配置電力推進系統(tǒng)的船舶，建造成本提升15～20%左右。

6）能量轉(zhuǎn)換損耗。經(jīng)過機械能到電能，電能再到機械能的能量轉(zhuǎn)換，加大了船舶滿載時的傳輸損耗（約8%）。但發(fā)電機始終運行于理想狀態(tài)，且在低速、低負荷工況燃油消耗率低，總體效率仍高于傳統(tǒng)推進方式。

4船舶電力推進系統(tǒng)應(yīng)用研究

目前電力推進技術(shù)已應(yīng)用于各類船舶，某大型船廠一直致力研討并力求建造大型LNG船舶，故本次重點研討大型LNG船的電力推進系統(tǒng)的系統(tǒng)配置。

4.1大型LNG船型主要特點

1）載重噸小。LNG船因運載的貨品密度?。s為0.43～0.47t/m3），較主流船型的載重噸要小得多。

2）淺吃水。大型LNG船型深保持在26～27m之間，吃水維持在12m左右。寬度吃水比B/T隨著艙容的增大而增大（接近4.5），屬于典型的淺吃水肥大型船舶。

3）動力裝置多元化。LNG船可以使用的動力裝置有：（1）蒸汽輪機;（2）雙燃料柴油機搭配電力推進（或全電力推進）;（3）低速柴油機搭配再液化裝置。

4.2大型LNG船型電力推進系統(tǒng)設(shè)備選型

因?qū)I(yè)知識的限制，本次主要針對電氣方面關(guān)注問題提出相關(guān)解決方案。對于非電氣問題，本論文未進行深入研究。

1）選擇動力裝置。通過比較以及借鑒多條LNG船的配置，確認雙燃料柴油機搭配電力推進系統(tǒng)，在提高效率、減少總裝機重量、降低燃料消耗和提高操縱性等幾方面具有明顯優(yōu)勢。具體實船上柴油機組的型號/數(shù)量決定，需根據(jù)各工況下電網(wǎng)負荷需求來選定機型（MAN、瓦錫蘭和MAK等廠家均可提供合適機型）。

2）選擇電網(wǎng)電壓等級。推進系統(tǒng)中根據(jù)不同的發(fā)電機總裝機容量，選擇不同電壓級別的發(fā)電機和配電設(shè)備，發(fā)電機總裝機容量超過20 MW 時，推薦使用11 kV電壓系統(tǒng)。大型LNG船的總裝機容量在22 MW-30MW之間，選擇11KV電壓系統(tǒng)（也可以選擇6.6KV）。

3）選擇推進器裝置。LNG船上一般使用軸系螺旋槳推進，即利用變速電機作為驅(qū)動來源（變頻起動），將電機連接到槳軸上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單和穩(wěn)定。可選擇額定功率為12MW的同步電機2臺（如ABB的AMZ系列，功率可定制，電壓AC3.3KV，0～80RP可調(diào)，水冷）。

4）選擇變壓器。電網(wǎng)電壓為KV級，驅(qū)動馬達電壓和低壓設(shè)備需要設(shè)置合適的變壓器，若將驅(qū)動馬達直接掛在電網(wǎng)上，起動時電流太大，電網(wǎng)容易崩潰。其中驅(qū)動變壓器參考驅(qū)動馬達側(cè)電壓，變壓器采用11KV/2x1850V 8000KVA 4臺（每兩組給單臺驅(qū)動馬達使用，PF=0.85）;低壓設(shè)備采用兩組11KV/450V 1000KVA的通用變壓器（分別掛在1號和2號母排上）。壓載泵等大功率馬達直接接入11KV電網(wǎng)上。

5）選擇變頻器。驅(qū)動馬達功率大（MW級），考慮經(jīng)濟性，電壓等級相比電網(wǎng)11KV電壓低一些，且需要通過調(diào)整頻率來調(diào)整轉(zhuǎn)速，因此需要設(shè)置電機變頻器，電力推進系統(tǒng)中電壓源型變頻器是最常用的，具有靈活、性能良好等優(yōu)勢。

6）電網(wǎng)諧波抑制一般來說，變頻器是電網(wǎng)產(chǎn)生諧波的主要來源。在設(shè)計階段，需要對電網(wǎng)中存在諧波的可能性進行分析，并結(jié)合設(shè)備型號和參數(shù)，進行系統(tǒng)的模擬仿真計算，若總諧波THD超過規(guī)范允許值8%，則需在變頻器中增配12或24脈沖系統(tǒng)，或設(shè)置濾波器，確保電壓波形盡可能接近正弦曲線，保證用電安全。

5結(jié)束語

本文對船舶電力推進系統(tǒng)的發(fā)展、系統(tǒng)分類和特點進行了介紹，結(jié)合LNG船提出了建設(shè)性的技術(shù)解決方案，形成了初始電力推進系統(tǒng)的配置方案。由于目前LNG船技術(shù)以及專業(yè)知識限制，本次僅對電氣部分問題進行了的研究，但對于型線設(shè)計、總布置設(shè)計、船舶穩(wěn)性與結(jié)構(gòu)設(shè)計、螺旋槳設(shè)計等并未涉及，后續(xù)再進行深入探討和研究。

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收稿日期：2021-

作者簡介：陳林濤（1986—），男，本科，中級工程師 ?大連中遠海運川崎船舶工程有限公司

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