船舶動力裝置的發(fā)展趨勢及應(yīng)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(fā)展趨勢及應(yīng)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(shè)置的動力設(shè)備，是各種能量的產(chǎn)生、傳遞、消耗的全部機械、設(shè)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(shè)備。文中筆者簡單介紹了船舶動力裝置的簡要發(fā)展趨勢，詳細(xì)論述了船舶動力裝置的應(yīng)用及發(fā)展前景。

船舶動力裝置 主動力裝置 電力推進(jìn)系統(tǒng) 混合動力系統(tǒng)

1 船舶動力裝置發(fā)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(shè)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(shù)日新月異的今天，船舶的動力裝置歷經(jīng)蒸汽、內(nèi)燃機、燃?xì)庖约盎旌蟿恿ρb置的發(fā)展。新時期船舶動力裝置的技術(shù)研發(fā)尤為重要，隨著船舶設(shè)備不斷革新，制造領(lǐng)域的不斷發(fā)展，現(xiàn)在使用范圍比較廣泛的有綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)、船舶燃?xì)廨啓C以及混合動力系統(tǒng)等，目下裝載了特種推進(jìn)裝置的船舶也應(yīng)運而生。

人類對自然能源的利用的同時也促進(jìn)了船舶動力裝置的發(fā)展。早在19世紀(jì)煤就作為船舶動力的主要燃料，進(jìn)入20世紀(jì)后石油的大規(guī)模開采替代了煤的使用。隨著二戰(zhàn)結(jié)束后，各國著眼于經(jīng)濟發(fā)展，以至于在70年代發(fā)生石油危機，加上不斷遭到污染的環(huán)境，人類的目光從石油燃料轉(zhuǎn)向非石油燃料上。由此生物燃料應(yīng)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(huán)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(huán)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(rèn)可。氫氣作為燃料在汽車發(fā)動機的領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破，作為船舶動力系統(tǒng)中的應(yīng)用也指日可待。再者核能的使用已經(jīng)用于軍用艦船，文中不涉及。伴隨著經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對船舶動力系統(tǒng)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(yīng)用

2.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用

圖1 三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)示意圖

隨著船舶動力的發(fā)展電力推進(jìn)系統(tǒng)作為一種新的技術(shù)得到推廣，并成為世界范圍的研究熱點。其優(yōu)勢主要有以下幾點，一是該系統(tǒng)中所使用的全電纜連接法使船舶動力的輸出設(shè)備在布置設(shè)計中更加靈活方便；二是該系統(tǒng)的推廣使得安全系數(shù)得到提高，它所采用的備用電路方法可以提前預(yù)防動力系統(tǒng)在運行中出現(xiàn)的電路故障；三是該系統(tǒng)的使用使得電能化比較集中，主推進(jìn)電動機的選擇更加多樣化，在減少了輔助動力設(shè)備使用的同時，根據(jù)設(shè)計方案、安裝布置要求、能源消耗、系統(tǒng)維護(hù)、經(jīng)濟性等不同的指標(biāo)選擇主推進(jìn)電動機。電力推進(jìn)系統(tǒng)可以滿足不同類型船舶的動力推進(jìn)要求，但該系統(tǒng)在安裝時有著特殊要求，尤其是在安裝條件跟安裝環(huán)境中，所以一般只會在要求船舶動力系統(tǒng)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(yīng)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(tǒng)在船舶中的應(yīng)用

混合動力裝置的技術(shù)優(yōu)點是管理者可以通過將輔助內(nèi)燃驅(qū)動模塊設(shè)置成恒定速率運行的狀態(tài)來帶動發(fā)電機的運轉(zhuǎn)，同時給電網(wǎng)輸送能量，從而帶動發(fā)動機的轉(zhuǎn)動。如果此時采用智能控制系統(tǒng)來對動力裝置進(jìn)行管理，那么混合動力系統(tǒng)中就可以只運轉(zhuǎn)船舶運營所必需的柴油動力發(fā)電機，而電力驅(qū)動模塊可以依據(jù)船舶不同的發(fā)動速度對發(fā)電、配電、能源消耗等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)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(jìn)系統(tǒng)、太陽能電力混合動力推進(jìn)系統(tǒng)、基于超級電容混合動力推進(jìn)系統(tǒng)、發(fā)動機聯(lián)合工作的聯(lián)合動力推進(jìn)系統(tǒng)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(jié)能環(huán)保的特點，得到現(xiàn)代航運界的普遍關(guān)注。目前，也逐漸成為人們的研究熱點，隨著現(xiàn)代造船科技的不斷創(chuàng)新、進(jìn)步和發(fā)展，以及該項技術(shù)日趨成熟，具有較高的安全可靠性、經(jīng)濟節(jié)能性、綠色環(huán)保性等優(yōu)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(yīng)用前景。

柴油機余熱混合式推進(jìn)系統(tǒng)原理①組成：混合式推進(jìn)裝置主要由主機、軸帶發(fā)電機/電動機、廢氣鍋爐、動力透平/蒸汽透平發(fā)電機、電站管理系統(tǒng)（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(lián)產(chǎn)技術(shù)（下簡稱三聯(lián)產(chǎn)技術(shù)）。該技術(shù)是利用船舶主機、發(fā)電機組在生產(chǎn)動力和電能時柴油機的廢熱生產(chǎn)蒸汽（或其它熱媒介質(zhì)）和空調(diào)用冷媒水，從而達(dá)到跟有效地利用資源、節(jié)省燃料消耗的目的。三聯(lián)產(chǎn)的基本形式如圖1所示。燃油在柴油機內(nèi)釋放的能量一部分轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)闊煔獾膬?nèi)能，經(jīng)廢氣鍋爐生產(chǎn)飽和水蒸氣。該蒸汽除少數(shù)用于全船生活外，絕大多數(shù)用作溴化鋰吸收式冷水機組的熱源，生產(chǎn)7℃的空調(diào)用冷媒水；還有一部分轉(zhuǎn)變?yōu)橹鳈C冷卻介質(zhì)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?xì)廨啓C動力裝置的應(yīng)用

近些年來，船舶燃?xì)廨啓C的技術(shù)研究取得了很大的進(jìn)步，燃?xì)廨啓C的效率以及性能都得到了很大程度的提升。隨著簡單循環(huán)技術(shù)更新、中間冷卻回?zé)釓?fù)雜循環(huán)技術(shù)不斷完善、先進(jìn)的余熱利用式燃蒸聯(lián)合循環(huán)技術(shù)開始出現(xiàn)等都使燃?xì)廨啓C的發(fā)展和應(yīng)用提升到了一個新的水平。燃?xì)廨啓C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(xiàn)等優(yōu)點，已經(jīng)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(lǐng)域中，燃?xì)廨啓C動力裝置在新型護(hù)衛(wèi)艦、遠(yuǎn)洋驅(qū)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(yīng)用。

3 船舶動力裝置的發(fā)展前景探討

3.1 電力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

電力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢在2.1電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用中已有介紹，其優(yōu)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(jīng)濟成本。其一在電力推進(jìn)系統(tǒng)工作時會經(jīng)過2次的能量轉(zhuǎn)換，這也就是能量損失所在；其二船舶在運行時在電力推進(jìn)系統(tǒng)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(jīng)濟成本。如果順利解決這些問題的話，電力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用會更加廣闊。在以后的發(fā)展中，電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)揮其優(yōu)勢所在，優(yōu)化布置提供能源利用率。加大交流變頻技術(shù)的應(yīng)用、在有效結(jié)合電力系統(tǒng)與推進(jìn)系統(tǒng)的前提下實現(xiàn)系統(tǒng)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(tǒng)的發(fā)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(zhuǎn)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(guān)于船舶動力、設(shè)計等方面的科研院所正處于研發(fā)、探索和論證階段，在實際推廣應(yīng)用方面還存在著一定的局限性和較多的技術(shù)難題需要解決。但是，該項技術(shù)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(tǒng)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(lián)合成功研制了GREE NIINE 33混合動力游艇等案例。國內(nèi)在混合動力船舶領(lǐng)域的研制和技術(shù)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(shù)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(jié)省電能和減排可達(dá)到30%以上。混合動力系統(tǒng)具有技術(shù)可靠性，節(jié)約能源消耗和經(jīng)濟成本的良好優(yōu)勢，應(yīng)當(dāng)大力推動新能源的混合動力推進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用，以確保船舶動力供給和能源平衡的前提下，實現(xiàn)綠色、節(jié)能、環(huán)保的目標(biāo)。

3.3 特種推進(jìn)裝置應(yīng)用及發(fā)展

隨著世界經(jīng)濟及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在某些領(lǐng)域出現(xiàn)需要特殊船舶的需求，利用這種特殊船舶來解決一些技術(shù)難題。這就需要將特種推進(jìn)裝置利用在船舶的動力系統(tǒng)中，提高船舶的各項性能指標(biāo)，比如：遠(yuǎn)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(diào)槳推進(jìn)系統(tǒng)的方法，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)，同時也使動力系統(tǒng)的可操作性大大提高。特種推進(jìn)裝置的發(fā)展方向不僅僅是提高動力系統(tǒng)的性能指標(biāo)，還要通過系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)促進(jìn)達(dá)到動力裝置一體化的發(fā)展目標(biāo)。

綜上所述，船舶推進(jìn)技術(shù)以及船舶動力裝置是現(xiàn)代船舶運行的核心與關(guān)鍵，其重要的技術(shù)指標(biāo)是安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性以及節(jié)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(jié)合在一起即混合動力裝置，可靠性高，經(jīng)濟適用性強，具有良好的應(yīng)用前景。大功率可調(diào)槳、大功率噴水推進(jìn)等新技術(shù)的出現(xiàn)，使得船舶動力裝置朝著大功率、系統(tǒng)化、多樣化、高安全性以及節(jié)能環(huán)保等方向發(fā)展。

［1］陳重萬.船舶動力裝置發(fā)展的新趨勢［J］.電子世界，2013（18）.

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