船舶動力裝置的發展趨勢及應用分析

徐正強 陳曦春 朱華（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200090）

船舶動力裝置的發展趨勢及應用分析

徐正強 陳曦春 朱華
（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200090）

船舶動力裝置是為保證船舶正常營運而設置的動力設備，是各種能量的產生、傳遞、消耗的全部機械、設備，它是船舶的一個重要組成部分。船舶動力裝置包括三個主要部分：主動力裝置、輔助動力裝置、其他輔機和設備。文中筆者簡單介紹了船舶動力裝置的簡要發展趨勢，詳細論述了船舶動力裝置的應用及發展前景。

船舶動力裝置 主動力裝置 電力推進系統 混合動力系統

1 船舶動力裝置發展趨勢簡介

在船舶的正常營運中船舶動力裝置為其提供動力及能量，是船舶的重要設備之一。一般情況下，船舶動力裝置包括主動力裝置、輔助動力裝置等。在技術日新月異的今天，船舶的動力裝置歷經蒸汽、內燃機、燃氣以及混合動力裝置的發展。新時期船舶動力裝置的技術研發尤為重要，隨著船舶設備不斷革新，制造領域的不斷發展，現在使用范圍比較廣泛的有綜合電力推進系統、船舶燃氣輪機以及混合動力系統等，目下裝載了特種推進裝置的船舶也應運而生。

人類對自然能源的利用的同時也促進了船舶動力裝置的發展。早在19世紀煤就作為船舶動力的主要燃料，進入20世紀后石油的大規模開采替代了煤的使用。隨著二戰結束后，各國著眼于經濟發展，以至于在70年代發生石油危機，加上不斷遭到污染的環境，人類的目光從石油燃料轉向非石油燃料上。由此生物燃料應運而生，然而生物燃料的主要成分是碳，在生物燃料使用時所釋放的CO2仍會污染環境。各種清潔能源也被提及出來，如天然氣、氫氣等。天然氣作燃料時對環境的污染較小，氫氣作為最理想的能源逐步被人們所利用，得到全世界的認可。氫氣作為燃料在汽車發動機的領域已經取得了突破，作為船舶動力系統中的應用也指日可待。再者核能的使用已經用于軍用艦船，文中不涉及。伴隨著經濟與科學技術的不斷發展，人們對船舶動力系統的性能提出了更高的要求，這也激勵著我們船舶人不斷的探索。

2 船舶動力裝置的應用

2.1 電力推進系統的應用

圖1 三聯產系統示意圖

隨著船舶動力的發展電力推進系統作為一種新的技術得到推廣，并成為世界范圍的研究熱點。其優勢主要有以下幾點，一是該系統中所使用的全電纜連接法使船舶動力的輸出設備在布置設計中更加靈活方便；二是該系統的推廣使得安全系數得到提高，它所采用的備用電路方法可以提前預防動力系統在運行中出現的電路故障；三是該系統的使用使得電能化比較集中，主推進電動機的選擇更加多樣化，在減少了輔助動力設備使用的同時，根據設計方案、安裝布置要求、能源消耗、系統維護、經濟性等不同的指標選擇主推進電動機。電力推進系統可以滿足不同類型船舶的動力推進要求，但該系統在安裝時有著特殊要求，尤其是在安裝條件跟安裝環境中，所以一般只會在要求船舶動力系統具有高度機動性能、特殊工作性能、大容量輔助機械等條件下才有應用。其代表船舶類型有：消防船、破冰船、渡輪、工程船、潛艇等。

2.2 混合動力系統在船舶中的應用

混合動力裝置的技術優點是管理者可以通過將輔助內燃驅動模塊設置成恒定速率運行的狀態來帶動發電機的運轉，同時給電網輸送能量，從而帶動發動機的轉動。如果此時采用智能控制系統來對動力裝置進行管理，那么混合動力系統中就可以只運轉船舶運營所必需的柴油動力發電機，而電力驅動模塊可以依據船舶不同的發動速度對發電、配電、能源消耗等環節進行優化，從而提高能源利用效率。目前混合動力裝置具體可以分為：柴油機余熱混合式推進系統、太陽能電力混合動力推進系統、基于超級電容混合動力推進系統、發動機聯合工作的聯合動力推進系統等。

對于單純的使用柴油機作為動力裝置的船舶而言，柴油機的動力效率非常低，能耗巨大，還有煙霧、柴油廢氣等污染的問題。在這種背景下，柴油機余熱混合式動力裝置具有低能耗和節能環保的特點，得到現代航運界的普遍關注。目前，也逐漸成為人們的研究熱點，隨著現代造船科技的不斷創新、進步和發展，以及該項技術日趨成熟，具有較高的安全可靠性、經濟節能性、綠色環保性等優點，在造船界和航運市場廣泛受到青睞，特別在民用商船航運市場中具有非常廣闊的應用前景。

柴油機余熱混合式推進系統原理①組成：混合式推進裝置主要由主機、軸帶發電機/電動機、廢氣鍋爐、動力透平/蒸汽透平發電機、電站管理系統（PMS）、主機離合器等組成。②排氣熱能的回收：動力、熱媒、冷媒三聯產技術（下簡稱三聯產技術）。該技術是利用船舶主機、發電機組在生產動力和電能時柴油機的廢熱生產蒸汽（或其它熱媒介質）和空調用冷媒水，從而達到跟有效地利用資源、節省燃料消耗的目的。三聯產的基本形式如圖1所示。燃油在柴油機內釋放的能量一部分轉變成機械能從主軸上輸出，變成船舶所需的推力和電力；一部分轉變為煙氣的內能，經廢氣鍋爐生產飽和水蒸氣。該蒸汽除少數用于全船生活外，絕大多數用作溴化鋰吸收式冷水機組的熱源，生產7℃的空調用冷媒水；還有一部分轉變為主機冷卻介質的熱能，視需求可用于全船加熱和單效溴化鋰吸收式冷水機組。

2.3 船舶燃氣輪機動力裝置的應用

近些年來，船舶燃氣輪機的技術研究取得了很大的進步，燃氣輪機的效率以及性能都得到了很大程度的提升。隨著簡單循環技術更新、中間冷卻回熱復雜循環技術不斷完善、先進的余熱利用式燃蒸聯合循環技術開始出現等都使燃氣輪機的發展和應用提升到了一個新的水平。燃氣輪機具有動力性能良好、功率大、利用效率高、自動化控制相對容易實現等優點，已經成為大型、中型等水面艦艇以及船舶的主要選擇，在各個國家的軍事領域中，燃氣輪機動力裝置在新型護衛艦、遠洋驅逐艦、高性能巡洋艦以及大型的航空母艦等不同類型的軍用船舶中有非常廣泛的應用。

3 船舶動力裝置的發展前景探討

3.1 電力推進系統的發展趨勢

電力推進系統的技術優勢在2.1電力推進系統的應用中已有介紹，其優勢存在的前提下也有某些不足，比如在運行中存在一定的能量損失，再有可能會增加經濟成本。其一在電力推進系統工作時會經過2次的能量轉換，這也就是能量損失所在；其二船舶在運行時在電力推進系統需要大量的原動力裝置來保障其高效工作，這也增加了部分經濟成本。如果順利解決這些問題的話，電力推進系統的應用會更加廣闊。在以后的發展中，電力推進系統應該發揮其優勢所在，優化布置提供能源利用率。加大交流變頻技術的應用、在有效結合電力系統與推進系統的前提下實現系統的一體化供電也是未來主要的研究趨勢。

3.2 混合動力系統的發展趨勢

目前，對“混合動力電動船舶”的定義指具有兩種以上儲能器、能量源或能量轉換器作為動力源，其中至少有一種可以提供電能作為航行動力的船舶。雖然，國際上許多關于船舶動力、設計等方面的科研院所正處于研發、探索和論證階段，在實際推廣應用方面還存在著一定的局限性和較多的技術難題需要解決。但是，該項技術也取得了試驗航行成功的實例，如德國建造的以燃料電池和柴-電混合動力系統為主的潛艇，已于2003年4月在德國基爾港試航成功；2010年，意大利和斯洛文尼亞聯合成功研制了GREE NIINE 33混合動力游艇等案例。國內在混合動力船舶領域的研制和技術起步相對較晚，目前所知，只有曾在2010年上海世博會上亮相的“尚德國盛”號游輪，從公布的性能和參數等信息資料中可知，該游輪采用了太陽能和柴油機組合動力，時速約15Km，節省電能和減排可達到30%以上?；旌蟿恿ο到y具有技術可靠性，節約能源消耗和經濟成本的良好優勢，應當大力推動新能源的混合動力推進系統的應用，以確保船舶動力供給和能源平衡的前提下，實現綠色、節能、環保的目標。

3.3 特種推進裝置應用及發展

隨著世界經濟及科學技術的發展，在某些領域出現需要特殊船舶的需求，利用這種特殊船舶來解決一些技術難題。這就需要將特種推進裝置利用在船舶的動力系統中，提高船舶的各項性能指標，比如：遠洋勘探船、海洋工程船等。例如：一些超大型船舶采用動力裝置加可調槳推進系統的方法，不僅能夠實現節能的目標，同時也使動力系統的可操作性大大提高。特種推進裝置的發展方向不僅僅是提高動力系統的性能指標，還要通過系統間的協調促進達到動力裝置一體化的發展目標。

綜上所述，船舶推進技術以及船舶動力裝置是現代船舶運行的核心與關鍵，其重要的技術指標是安全性、系統穩定性以及節能性等。船舶動力裝置的性能是影響船舶運行性能與整體功能的決定性因素。將幾種動力裝置結合在一起即混合動力裝置，可靠性高，經濟適用性強，具有良好的應用前景。大功率可調槳、大功率噴水推進等新技術的出現，使得船舶動力裝置朝著大功率、系統化、多樣化、高安全性以及節能環保等方向發展。

［1］陳重萬.船舶動力裝置發展的新趨勢［J］.電子世界，2013（18）.

［2］徐匯濤.船舶動力裝置發展研究.機電技術，2015（2）2015（2）.