淺談船舶電力推進系統的應用

陳林濤 李長雙

摘要：本文主要對船舶電力推進系統的發展、分類和特點進行了介紹，并結合大型LNG船提出了建設性的技術方案，形成了初始電力推進系統的配置方案。

關鍵詞：電力推進系統;系統介紹;配置方案

隨著人類環保意識的進一步加強，國際公約、環保法規日趨嚴格，船舶采用電力推進系統可以顯著減少對燃油依賴、改善工作環境、實現廢氣低排放，電力推進系統是一個復雜的集成系統，涉及技術多、科技含量高，因此研究電力推進系統是十分必要的。

1船舶電力推進技術的發展

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

2船舶電力推進系統組成

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

3船舶電力推進系統的分類和特點

3.1船舶電力推進系統的分類

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

2）全電力推進系統。根據推進器的不同，主要有常規推進器和吊艙式推進器兩種形式。常規推進器即軸系螺旋槳推進。吊艙式推進系統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，船尾無舵，提高了螺旋槳效率及操縱性，航行更加安靜。

3.2船舶電力推進系統的特點

船舶電力推進系統的特點如下：

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

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

3）操縱性強。電力推進系統中船速依靠推進控制器來調整（控制推進電機的轉速），吊艙單元可以實現360°轉動，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，沒有了舵和傳動軸，船舶運轉時噪聲和振動小。

5）建造成本較高。配置電力推進系統的船舶，建造成本提升15～20%左右。

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

4船舶電力推進系統應用研究

目前電力推進技術已應用于各類船舶，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船的電力推進系統的系統配置。

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小（約為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船型電力推進系統設備選型

因專業知識的限制，本次主要針對電氣方面關注問題提出相關解決方案。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，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勢。具體實船上柴油機組的型號/數量決定，需根據各工況下電網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）選擇電網電壓等級。推進系統中根據不同的發電機總裝機容量，選擇不同電壓級別的發電機和配電設備，發電機總裝機容量超過20 MW 時，推薦使用11 kV電壓系統。大型LNG船的總裝機容量在22 MW-30MW之間，選擇11KV電壓系統（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動來源（變頻起動），將電機連接到槳軸上，系統結構更簡單和穩定。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，水冷）。

4）選擇變壓器。電網電壓為KV級，驅動馬達電壓和低壓設備需要設置合適的變壓器，若將驅動馬達直接掛在電網上，起動時電流太大，電網容易崩潰。其中驅動變壓器參考驅動馬達側電壓，變壓器采用11KV/2x1850V 8000KVA 4臺（每兩組給單臺驅動馬達使用，PF=0.85）;低壓設備采用兩組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電網上。

5）選擇變頻器。驅動馬達功率大（MW級），考慮經濟性，電壓等級相比電網11KV電壓低一些，且需要通過調整頻率來調整轉速，因此需要設置電機變頻器，電力推進系統中電壓源型變頻器是最常用的，具有靈活、性能良好等優勢。

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

5結束語

本文對船舶電力推進系統的發展、系統分類和特點進行了介紹，結合LNG船提出了建設性的技術解決方案，形成了初始電力推進系統的配置方案。由于目前LNG船技術以及專業知識限制，本次僅對電氣部分問題進行了的研究，但對于型線設計、總布置設計、船舶穩性與結構設計、螺旋槳設計等并未涉及，后續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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