船舶电力推进未来发展方向

第 30 卷 　第 3 期 世 界 海 运 Vol. 30 　No. 3 2007 年 6 月 World Shipping J un. 　2007 船舶电力推进未来发展方向 俞文胜 Ξ (集美大学 ,福建 厦门 　361021) 【关键词】船舶 ;电力推进 ;发展方向 【摘 　要】在对船舶电力推进技术简要介绍的基础上 ,着重阐述其未来发展前景 ,并指出能源多样化、推进器新 颖化以及综合模块化将成为船舶电力推进技术的未来发展方向。 中图分类号 :U664. 14 　　　　　文献标识码 :B 　　　 文章编号 :100627728 (2007) 0320043203 　　电力推进作为船舶的推进动力 ,目前各国都在进行 深入研究。由于其具有机动性高、安全可靠性好、自动化 程度高以及环保效果好等特点 ,正成为新世纪大型水面 船舶青睐的推进方式。 1 　电力推进的特点 船舶电力推进 ,通常是由原动机带动发电机发电 ,然 后直接或经变流器给推进电动机供电 ,由推进电机带动 推进器旋转 ,使船舶运动[ 1 ] 。图 1 为目前比较常见的吊 舱式电力推进装置示意图。 图 1 　吊舱式电力推进装置示意图 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1 与表 2[ 2 ]为一艘高速集装箱船的船体、主机的参 数。 表 1 　型体参数 柴油机 直接推进系统 柴油发电机 电力推进系统 长度/ m 262. 0 262. 0 宽度/ m 40. 0 40. 0 隔舱壁高度/ m 24. 3 24. 3 设计吃水/ m 12. 0 12. 0 最大吃水/ m 14. 0 14. 0 船舶吨位/ 载重吨 66 500 67 100 载箱量/ TEU 4830 5100 航速/ kn 24. 5 24. 5 表 2 　推进功率参数 柴油机 直接推进系统 柴油发电机 电力推进系统 功率/ kW 37 730 35 013 功率余量/ % 10 10 推进效率 0. 995 0. 90 推进功率/ kW 41 713 42 793 航行要求的电动机 最小功率/ kW 3700 3700 电力推进效率 0. 96 0. 96 柴油机负载/ % 85 90 辅助发电机功率/ kW 4200 2100 安装功率/ kW 57 800 53 900 通过表 1、2 将柴油机直接推进与柴油发电机电力推 进进行对比 ,可见电力推进具有如下主要特点 : (1)采用电力推进系统后 ,自动化程度得以提高 ,控 制方便 ,启动加速性好 ,制动快 ,大大提高了船舶的可操 纵性 ,机动性好 ,安全可靠性得到提高。 (2)允许使用高速不可反转的热力发动机 ,从而降低 了船舶动力装置的重量 ,动力系统功率重量比大大提高 , 这对机舱的灵活布置非常有利。 (3)采用电力推进后 ,辅助发电机的功率大大降低 , 甚至可以取消 ,这对机舱的优化布置非常有利 ,同时安全 可靠性变好。 (4)在故障状态下 ,可以把发电机和推进电机断开 , 保障船舶的航行 ,从而具有较高的安全可靠性。 (5)采用电力推进系统后 ,可以获得所需要的推进电 机机械特性 ,以满足不同航行工况的要求 ,这对主机以及 船舶的经济性有利。 可见 ,未来船舶采用电力推进其社会效益以及经济Ξ [收稿日期 ]2007203223 [作者简介 ]俞文胜 (1968 - ) ,男 ,福建仙游人 ,讲师 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 效益是非常巨大的。下面从几个角度来探讨可能的发展 方向。 2 　未来的发展方向 2. 1 　能源多样化 目前 ,船舶动力来源大都采用柴油或汽油引擎 ,引擎 所排放的废气及泄漏的油水 ,对空气及水域都会造成污 染 ,进而造成饮用水质劣化及水中生态失衡 ,在民生饮用 水源的水库、湖泊及对污染敏感的水域如河川、港口、沙 洲与沿岸等须特别注意船舶带来的影响。我国是一个能 源短缺的国家 ,已于 1998 年 5 月签署并于 2002 年 8 月核 准了《京都议定书》。中国目前 CO2 排放量居世界第三 , SO2 排放量居世界首位 ,因此寻求清洁能源特别是发展生 物质能等可再生能源技术已经列入《国家中长期科学和 技术发展规划纲要 (2006～2020 年)》[ 3 ] 。 (1)生物柴油。生物柴油指以油料作物、野生油料植 物和工程微藻等水生植物油脂以及动物油脂、餐饮废油 等为原料通过酯交换工艺制成的甲醇或乙醚燃料。这种 燃料可供内燃机使用。其主要成分是软脂酸、硬脂酸、油 酸、亚油酸等长链饱和与不饱和脂及酸同甲醇或乙醇所 形成的酯类化合物。生物柴油是一种清洁含氧燃料 ,具 有可再生性 ,原料来源广泛 ,可生物降解 ,燃烧所排放的 污染物含量很低 ,温室气体排放低 ,是石化柴油的理想替 代物[ 4 ] 。 作为富有潜力的代用燃料 ,生物柴油以其良好的环 境效益和经济价值受到越来越多的关注。我国幅员辽 阔 ,动植物资源丰富 ,而且又是一个能源消耗大国 ,大力 开发和推广生物柴油对经济可持续发展 ,推进能源替代 , 减轻环境压力 ,控制城市大气污染具有重要的战略意义。 因此 ,研制符合船舶使用要求 ,能够高效、可控地将生物 质能转变成电能的船舶动力装置将是未来船舶电力推进 系统发展的一个重要方向。 (2)燃料电池。1939 年开始研究的电化学电源 ——— 化学电池使人们产生了极大的兴趣 ,被称之为燃料电池。 它可以提高船舶的自航能力。人们给燃料电池中的化学 反应器不断地供给称之为燃料和氧化剂的化学物质 ,以 产生化学反应和得到电能 ,并排除反应剩余物[ 1 ] 。燃料 电池结构紧凑 ,更能合理地利用船舶有效空间 ,而且燃料 电池的转换效率为 60 %～80 % ,比现有的热能装置的效 率高。其燃烧物可以不是液态的 ,工作时无噪声、无污 染 ,可靠性和寿命较长。这就使燃料电池在船舶上得到 应用 ,有着特别诱人的前景。 目前燃料电池应用到船舶中有如下问题 :从原始燃 料中提取氢的成本较高 ,设备的功率重量比小 ,启动、停 止比较复杂 ,动力系统中各部件的制造工艺、性能还需不 断改进和发展。 (3)自然能。在海上可充分运用的自然界能源有太 阳能、风能与波浪能。例如在船侧设计伸缩式推进翼 ,就 能把波浪能转换成为推进力。再如 ,澳洲复合船用能源 专家 Dr. Robert Dane 于 1997 年设计开发了复合型太阳能 风帆电动船。这艘船的主要电源是由两组蓄电瓶组成 的 ,串并联成 48 V/ 880 A·h 的容量 ,可驱动 40 kW 的马 达 ,最大航速是 6 kn。若固定航速是 4 kn ,可维持 5 h 的 续航力。蓄电瓶于晚上在岸边充电 ,一个晚上就可充满。 白天航行时若无风 ,则马达靠太阳能及蓄电瓶供电 ;若风 力够大 ,可关闭马达 ,改由风帆来推动。在风速 15～ 20 kn 时 ,可推进船只航速达 4～6 kn。 可见 ,如何充分有效地将自然能直接转换成船舶动 力或者转化成电能将是船舶电力推进系统发展的一个重 要方向。 2. 2 　推进器新颖化 目前电力推进船舶常用的推进器是吊舱式推进器 , 虽然改推进器在很多方面都具有一定优势 ,但在船舶向 大功率化以及快速化方向发展时 ,改推进器的使用将明 显受到限制。因此开发适合大功率要求的高效的推进器 将是电力推进系统发展的另一个方向。 (1)磁流体推进器。磁流体推进是把带电的电极插 在水筒中 ,通电后在水中产生电流 ,安装在船上的磁铁产 生的磁场通过与这一电流相互作用 ,产生电磁力把水从 水筒的末端作为高速水流喷出推动船舶。其推进原理如 图 2 所示。 图 2 　磁流体推进 文献[5 ]对该推进方式进行了叙述 ,指出该推进方式 由于没有螺旋桨等运动部件 ,因而振动小 ,噪声非常低 ; 克服了转动机械的功率限制 ,同时避免了螺旋桨高速旋 转时所形成的空泡对船速的限制 ,为高速及大功率船舶 创造条件。但由于海水的电阻大 ,磁场必须达到 20 万 T 的磁感应强度 ,现今使用的铁芯电磁铁仅能达到 2 万 T 的磁感应强度 ,推进效率较低 ,同时磁场材料的轻量化等 难题需进一步深入研究。 (2)喷水推进器。喷水推进是依靠位于船尾的喷水 机产生高压高速水流 ,经喷头喷射而出 ,使船舶获得强大 的反冲动力 ,并通过调向阀门的阀轴转动改变出水方向 , 使船舶或前进 ,或转向 ,或倒退。 文献[6 - 7 ]对喷水推进器作了阐述 ,指出该推进器 具有推进效率高 ,抗空泡能力强 ,操纵性和动力定位性能 44　　　　　　　　　　　　　　　　　世 界 海 运 　　　　　　　　　　　　　第 30 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 优异 ,工作平稳 ,噪声低 ,以及高速、稳定的航行性能等优 点 ,但是在低于 20 kn 时 ,喷水推进的效率比螺旋桨推进 要低得多。由于增加了管道中水的重量 (通常约占全船 排水量的 5 %左右) ,使得排水量增加。在水草或杂物较 多水域 ,进口易出现堵塞现象而影响船舶航速 ,成本较螺 旋桨推进要高 ,更换推进水泵的叶轮较为复杂。 上文所述的磁流体推进器以及喷水推进器 ,是目前 在电力推进领域被认为比较有发展的两种推进器 ,但是 它们在带来诸多优点的同时亦带来一定的问题 ,因此如 何克服这些问题 ,更好地发挥它们的优点或者开发更加 有效的推进器将是电力推进发展的另一个方向。 2. 3 　综合模块化 美国海军于 1994 年提出的综合全电力系统 ( IPS) , 是将推进用电和非推进用电合二为一 ,系统采用模块化 结构和区域配电 ,以区域配电实现“区域持续作战”的电 源构想。图 3 为 IPS系统结构框图。 图 3 　IPS系统结构 文献[8 ]介绍了该系统。IPS系统由发电和推进分系 统、日用配电分系统、区域配电分系统、系统监控分系统 等组成 ,推出发电、推进、配电、变电、储能、负载电力控制 等一系列功能模块。IPS 模块是根据各类舰 (船) 的要求 而确定的 ,不是针对某一舰 (船) 型 ,各类功能模块均自成 系列 ,并制定了各模块系列的技术规格。模块设计文件 附有全部接口 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ,包括模块与模块之间的电力接口和 监控接口标准以及模块与外部系统的接口标准。 综合模块化不但使船舶制造过程 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 化、程序化 ,同 时使船舶检验等相关工作变得非常容易 ,更加规范。因 此 ,综合模块化将仍然是电力推进以及其他推进方式发 展的一个重要方向。 3 　结 　论 在未来的船舶推进领域 ,虽然电力推进不能完全取 代其他船舶推进方式 ,但是 ,它所占有的比例将越来越 大 ,其未来将主要围绕能源多样化、推进器新颖化以及综 合模块化 3 个主要方向来发展 ,从而带来巨大的经济以 及社会效益。21 世纪必将迎来船舶电力推进发展的黄金 时代。 [参考文献 ] [1 ] 　樊印海 . 电力推进自动控制 [ M ] . 大连 :大连海事 大学出版社 ,1998 :4 - 5 ,187 - 190. [2 ] 　刘 　斌贝 ,徐绍佐. 船舶综合电力推进系统综述 [J ] . 柴油机 ,2004 (2) :1 - 4. [3 ] 　宋永芳. 能源植物的开发与利用进展 [J ] . 生物质 化学工程 ,2006 (6) :50 - 52. [4 ] 　魏秋兰 ,李茂月. 生物柴油的研究与应用现状 [J ] . 上海汽车 ,2006 (10) :38 - 40. [5 ] 　谭作武 . 磁流体推进 [ M ] . 北京 :北京工业大学出 版社 ,1998 :11 - 15. [6 ] 　王立祥 . 喷水推进[J ] . 船舶 ,1997 (3) :45 - 52. [7 ] 　刘 　柱 ,孟凡立. 喷水推进技术发展 [J ] . 航海技 术 ,2004 (4) :42 - 44. [8 ] 　徐绍佐 ,刘 　斌贝 ,顾海宏. 船舶综合全电力推进系统 [J ] . 柴油机 ,2003 (2) :17 - 20. Development trend of electrical propulsion ship YU Wen2sheng ( J i mei U niv . , Xiamen 361021 , China) [ Abstract] On the basis of brief introduction , this paper emphasized to elaborate the development foreground of ship elec2 trical propulsion technology. It point out that energy diversification , propulsion device becoming novelty and integrated modularization will become the development trend of electrical propulsion technology. [ Key words] ship ; electrical propulsion ; development trend 54第 3 期 　　　　　　　　　　　　俞文胜 :船舶电力推进未来发展方向 　　　　　　　　　　　　 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net