小型內河船舶電力推進技術的應用及發展

付如愿，鄭 暉，高海波

(1.南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

小型內河船舶電力推進技術的應用及發展

付如愿1，鄭 暉1，高海波2

(1.南車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2.武漢理工大學，湖北 武漢 430063)

分析了內河航運的特點和電力推進技術適用于內河船舶的原因，介紹了電力推進應用于小型內河船舶上需要解決的關鍵技術和成功應用案例，并對其國產化現狀做出分析，指出LNG發動機匹配電力推進方式和純電動船會是未來小型內河船舶的發展方向。

內河運輸；電力推進船；液化天然氣

0 引言

內河航運擁有以下特點：航道深淺不一且寬窄各異，時常伴有淺灘和彎道；航道通行能力隨季節變化，豐水期和枯水期迥異；繁忙航段需要過往船只相互避讓；不同的航段水流速度差異很大；順水和逆水航行時動力裝置的功率需求不同；離靠碼頭頻繁，工況多變。基于以上特點，內河船舶應該滿足以下要求：靈便的轉彎性能；較小的轉彎半徑；平滑的變速能力；逆水航行時應有充裕的沖灘動力；順水航行時能穩定地輸出動力，保持船速平穩[1]。要滿足以上復雜的航運環境及多種功能要求，同時又要求原動機始終有較高的運行效率，節約燃料，降低排放，電力推進無疑是目前最佳的成熟推進方式。

國內的內河小型機動船舶，多數船長為5～20 m，總裝機容量一般在2 000 kW以下，推進功率一般在1 500 kW以下，95%以上采用柴油機匹配齒輪箱驅動螺旋槳的推進方式[2]。因而，內河小型船舶電力推進系統的推廣應用，方興未艾。

電力推進一般采用柴油機驅動發電機，恒速運行，工況平穩，燃燒充分，廢氣排放少，變頻電動機驅動螺旋槳調速方便，賦予船舶良好的操縱性。電力推進船舶是目前獲得航運界認可的新型綠色船舶。

為了更好地推廣電力推進系統，本文介紹了小型內河船舶電力推進系統關鍵技術，分析了該推進系統國產化現狀，并對其發展趨勢進行了展望。

1 小型內河船舶電力推進系統關鍵技術

與柴油機匹配齒輪箱驅動螺旋槳的推進方式不同，小型內河船舶電力推進系統的關鍵技術主要集中在電力推進系統結構優化技術、能量管理策略、智能操控技術、諧波抑制技術等方面。

1.1 電力推進系統結構優化技術

以船型及船體參數為約束條件，進行推進電動機與螺旋槳的功率匹配、不同航行工況下的運行參數匹配以及變頻器與推進電機的匹配。通過綜合計算，實現推進電機、變頻器、螺旋槳的結構匹配優化，在推進電機擁有較寬調速范圍的同時，減少低速工況下的輸出轉矩波動，保證推進系統有較強的過載能力。

1.2 能量管理策略

除了一般船舶電站應有的發電機組啟動、停車、合閘并車、頻率與有功功率分配控制、電壓與無功功率分配控制、負荷轉移控制等功能以外，電力推進船舶還應該有電站動態管理功能。能量管理策略能根據航行工況實現在網運行發電機組的數量控制，實時監控電力推進系統和電網其他負荷的運行狀態，統一調配推進系統用電和其他負荷用電，使得原動機的負荷率始終保持在較高水平，從而實現節能減排的目標。

1.3 智能操控技術

基于現場總線的一體化嵌入式控制系統，可以在駕駛臺遙控推進系統，實現系統的啟動、停車、倒車、緊急制動、速度調節、安全保護、故障報警等功能；可實時監測推進系統的運行狀態并可對控制系統進行參數設置和修改。

1.4 諧波抑制技術

變頻裝置在工作過程中會產生大量諧波，導致電網的電壓和電流波形畸變，降低電能品質，給設備帶來功率損耗和各種危害，并影響電力推進系統的安全運行。中國船級社規定船舶饋電母排的電壓THD(總諧波畸變率)不能超過5%，動力電網的電壓THD值不能超過8%。如何選用性價比較高的諧波抑制方案，一直是電力推進系統應用中的難點。基于成本考慮，目前中小船舶電力推進系統中多采用加裝無源濾波器的方法進行濾波，主要抑制5次、7次諧波，保證電網品質。

經過國內科研工作者的不懈努力，以上小型內河船舶電力推進系統的關鍵技術難題已經得到攻克，1個典型的范例是上海海事大學的西部交通建設科技項目“內河小型船舶電力推進系統研制”示范船“滇游1號”。該船為200客位的游船，雙機雙槳，設置2臺120 kW的柴油發電機組、2臺90 kW的變頻推進電機。根據上海海事大學和云南省航務管理局發布的“內河小型船舶電力推進系統研制研究報告”，運行數據表明，雖然初投資比柴油機直接推進方式高20%，但裝機總容量下降2.4%～24%，油耗下降10%，廢氣排放和諧波水平達標，客艙的噪聲水平低于65 dB。

2 小型內河船舶電力推進系統國產化現狀

此前電力推進未能成為我國小型內河船舶的主流推進方式，主要原因在于技術不夠成熟和價格高昂。SIEMENS、ABB、ALSTOM等企業雖然能夠提供技術成熟的電力推進解決方案，但存在設備價格高、交付周期長、售后服務不便等諸多不利因素，令多數船東望而生畏。

目前電力推進系統的國產化已經有了可喜的進步，無論主要的電力電子器件，還是移相變壓器、變頻器、推進電機、濾波器，國內廠家都可以研制生產。第3代電力電子器件IGBT及其應用產品已實現國產化。2014年國內首條203.2 mm(8 in)IGBT芯片生產線在中國南車株洲研究所正式下線投產，性能達到世界先進水平。不同功率等級的國產移相變壓器、變頻器和變頻電機已在多型船的主推和側推裝置上應用，性能穩定可靠，維護保養方便，性價比明顯超過進口設備，已開始有船東嘗試選用國產成套電力推進裝置。

在與國外知名電力推進系統集成商和設備供應商的合作中，國內的研發機構和生產廠商也逐漸積累了豐富的設計和建造經驗。推進功率已經覆蓋功率等級10 MW以下的各種電力推進系統；電壓等級包括低壓690 V及中壓6 600 V。國內自主設計集成及建造小型內河船舶電力推進系統已不存在任何技術瓶頸。

3 小型內河船舶電力推進技術的發展趨勢

內河船舶使用清潔燃料是實現綠色航運的有效途徑。現階段對船舶發動機而言，液化天然氣(LNG)是柴油的理想替代燃料。國家于2014年4月15日出臺了《內河船型標準化補貼資金管理辦法》，對于符合條件的新建LNG動力示范船給予資金補貼。可以預見，在國家政策引導下，內河船舶采用LNG作為燃料將成為未來的發展趨勢。采用LNG發動機發電，并匹配電力推進技術是目前的研究熱點之一，也是小型內河船舶電力推進技術的1個發展趨勢。

LNG發動機低速段功率曲線變化大，但用于驅動發電機則可以充分發揮其高速段功率曲線變化平緩的優點，還可以把電力推進和清潔燃料的優勢結合起來。雖然初投資稍大，但燃油消耗和維護費用減少，全壽命周期成本得以降低。目前該方式推廣應用的主要問題在于LNG燃料的加注體系還不完善，待形成規模化后，在國家政策的大力支持下，LNG發動機匹配電力推進技術應該會成為小型內河船舶的主流推進方案。

另一種值得關注的新船型是純電動船。此前受限于儲能設備的容量和輸出功率，純電動推進的船舶建造很少，一般僅為小型的旅游客船、公務艇和運輸船。鋰聚合物蓄電池、超級電容是近年來涌現出來的新型儲能器件，儲能容量、使用壽命等達到了實船應用水平。上海瑞華(集團)有限公司2014年承擔了浙江省交通廳“千噸級以下內河船舶應用技術研究”項目，采用超級電容匹配鋰聚合物蓄電池為電力推進系統的動力源，截至2015年7月，完成了內河貨船、游艇、海事巡邏艇各1艘的動力系統改裝，運行效果良好。以鋰聚合物蓄電池為主、超級電容為輔的供電模式，當推進系統有瞬間強勁功率需求時，由超級電容供給能量；當系統需要穩定的功率輸出時，則由動力鋰電池供給；當系統有能量回饋(緊急制動或反轉)時，超級電容負責吸收瞬間回饋能量。由于使用的是超級電容和鋰聚合物蓄電池儲存的岸電，運行時不消耗燃料，沒有污染，因此純電動船是名副其實的“綠色船舶”。純電動船為內河水域的防污染提供了新的思路及解決方案。

4 結語

船舶電力推進系統已經被證明適用于小型內河及湖泊營運船舶，在不損害動力性能的情況下實現節能環保，有助于實現內河水域的健康可持續發展。可以預見，隨著電力推進技術的日益成熟和設備的國產化、精細化、系列化，電力推進系統的形式也會多樣化，適應的船型也會更豐富，并且隨著價格的逐年下降，在我國內河小型船舶上的應用將更加廣泛。

[1] 胡建炬.交流電力推進系統在內河船舶上的應用前景[C]//中國造船工程學會.第十二屆全國內河船舶與航運學術會議.北京：中國造船學會，2012.

[2] 喻小力.小型船舶電力推進國產化的發展與應用[J].廣東造船，2012，30(6):70-72.

2016-06-07

國家自然科學基金項目(51579200)

付如愿(1983—)，男，工程師，從事船舶電力推進系統變頻產品的開發應用研究工作；鄭暉(1985—)，男，工程師，從事船舶電力推進系統變頻產品的開發應用研究工作；高海波(1975—)，男，博士，副教授，從事船舶電力推進系統仿真研究。

U664.14

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