船舶直流組網電力推進技術發展優勢

楊 光，牟照欣，吳 迪，賈顏培，孫 遜

(大連測控技術研究所, 遼寧 大連 116013)

船舶直流組網電力推進技術發展優勢

楊 光，牟照欣，吳 迪，賈顏培，孫 遜

(大連測控技術研究所, 遼寧 大連 116013)

通過對國內外多型試驗船舶建設方案編制論證、參與設計、全程監造并總結多年實際用船經驗，分析了幾種船型推進系統的優缺點，同時歸納船舶直流組網技術優勢與發展潛力，找到國內外在該領域技術差距，為我國未來試驗船研制提供參考。

試驗船；直流組網；電力推進

0 引 言

海洋占地球表面積71%，蘊藏著豐富各種能源。21世紀是海洋的世紀，面對日趨枯竭的地球資源，世界各軍事發達國家把海洋資源的爭奪由近海逐漸推向深遠海，我國政府也適時做出了海軍裝備發展由“近海防御”向“遠海防衛”的戰略決策。近幾年來，隨著遠航考察、試驗和執法任務的急劇增多，國家也加大投入力度建造了多型多艘深海考察船、試驗船以及公務執法船，如具有代表性“科學”號、“向陽紅01”船等。這些船舶的投入建造和陸續交付使用，一方面保證了國家深遠海考察、試驗和執法任務的順利開展和完成，但同時也帶來了船舶運行的經濟性、環境保護等方面問題。特別是在船舶設計、建造技術高速發展的今天，其“先進性、經濟性、可維性”的使用理念深得用戶的一致認可，而且在推進船舶建造技術發展進程中具有重要意義。

本文通過對大連測控技術研究所目前現有試驗船推進系統應用情況的綜合分析和對船舶交流組網電力推進系統與直流組網電力推進系統組成、技術性能進行比較，探討更適合執行特殊作業船舶的推進方式，為后續深海裝備特種試驗船推進系統方案設計、確定提供必要的參考。

1 現有試驗船推進系統簡介

大連測控技術研究所通過多年國家固定資產投資項目投入，先后建造了各型試驗船12艘，其中以高性能船型為代表的穿浪型雙體船型（簡稱：“東遠01”船）、小水線面雙體船型（簡稱：“東遠02”船）、單體多用途船型（簡稱：“東遠03”船）以其良好的適航性、操縱性和經濟性得到了使用部門和來所參試的行業內外用戶的一致好評。這些試驗船因使命任務、功能要求不同，選用推進系統方式也有差異。

1.1 “東遠01”試驗船

“東遠01”試驗船2007年9月開工建造，2009年12月交付并投入使用。該船采用的是穿浪雙體船船型，全鋁合金結構，推進方式采用高速柴油機—四機四泵噴水泵推進，也是目前我國目前同型船排水量最大的船舶。較其他高性能船相比，具有快速性、興波阻力小、耐波性好、裝載容積大、穩性及操縱性好等諸多優點，能夠實現原地360°回轉。

表 1“東遠01”試驗船主要技術指標Tab. 1 Dongyuan 01 trial vessel main specifications

1.1.1 主要技術指標

1.1.2 推進系統

由于作業工況需要，“東遠01”試驗船推進系統選用4臺TBD620V16高速柴油機做為推進主機，通過高彈性聯軸節、齒輪箱、傳動軸帶動4臺進口MJP750混流式噴水泵推進，4套推進裝置之間相互獨立，總功率約8 000 kW，進水流道為玻璃鋼材質。該系統具有大功率、高航速、靈活機動性強等的優勢，同時在尾部設置航向穩定系統，使得船舶在高速航行過程中具有很好的穩定性。主要指標如表2所示。

表 2“東遠01”推進系統主要技術指標Tab. 2 Dongyuan 01 main specifications of propulsion system

1.2“東遠02”試驗船

“東遠02”船于2005年12月開工建造，2008年4月建成交付并投入使用。該船是我國自主知識產權的第1艘千噸級小水線面雙體船。推進系統采用交流組網電力推進方式，鋼質結構。該船具有耐波性好、操縱性好、油耗低、作業甲板寬敞、特裝技術先進等優點，可在低航速下開展試驗、海洋工程施工、海上救援等任務。

1.2.1 主要技術指標

“東遠02”試驗船主要技術指標見表3。

表 3“東遠02”試驗船主要技術指標Tab. 3 Dongyuan 02 trial vessel main specifications

1.2.2 推進系統

“東遠02”是我國第1艘動力采用交流組網電力推進方式的船舶。推進系統分別選用2臺1 000 kW型號為CCFJ1000、2臺400 kW型號為CCFJ400柴油發電機組做為主推進電站，變頻器、推進變壓器均由德國西門子引進，2臺西門子電動機作為主推進電機，通過高彈性聯軸器、止推軸承、推力聯軸器進行推進，電站總功率約2 800 kW，單軸推進功率約1 000 kW。該推進系統具有油耗低、噪聲小、節能環保等優點，可在低速下開展調查試驗。主要指標如表4所示。

1.3“東遠03”試驗船

“東遠03”船是單體鋼質多用途試驗船，2000年12月建成交付并使用，動力采用中速柴油機直接推進方式，雙機雙槳。該船具有推進系統穩定、操縱性好、改裝裕度大、作業甲板寬敞、特裝技術先進等優點。2012年通過改裝油艙、水艙，提升了船舶的續航力、自持力等主要技術指標。

1.3.1 主要技術指標

“東遠03”試驗船主要技術指標見表5。

1.3.2 推進系統

“東遠03”船推進系統采用常規柴油機直接推進。選用2臺型號MAK-6M453C單臺功率2 200 kW的低速柴油機，通過2根傳動軸帶動槳葉直接推進方式，總功率約4 400 kW。推進系統具有運行穩定、推進功率大、推進效率高等優點。主要指標見表6。

表 4 東遠02試驗船推進系統主要技術指標Tab. 4 Dongyuan 02 trial vessel main specifications of propulsion system

表 5“東遠03”船主要技術指標Tab. 5 Dongyuan 03 trial vessel main specifications

表 6“東遠03”試驗船推進系統主要技術指標Tab. 6 Dongyuan 03 trial vessel main specifications of propulsion system

上述3種推進技術廣泛應用于目前國內建造的科考、海洋調查等船舶。其中交流組網電力推進技術應用較多，形式如直推、吊艙式等，相關配套設備基本實現國產化，并且實船應用效果較好。但就從柴油機等重要設備使用來看，進口設備相對國產設備而言運行更加穩定、故障率更低。

2 船舶交流組網電力推進技術的現狀、發展

從1995年以來，國際造船市場出現了船舶動力由電力推進系統取代傳統柴油機直接推進方式的一個明顯的技術發展趨勢。就國外軍品應用為例，英國主流T45型驅逐艦在全部使用交流組網電力推進系統，其電力推進總承供應商為通用電氣公司（GE）。之后的加拿大、美國、澳大利亞的類似船型幾乎全部采用交流組網電力推進系統。

國內東遠02船在2004年開展方案設計時，通過反復論證和國內外推進系統的多方案比較，最終采用了以交流組網電力推進為動力的技術方案，這也開啟了我國交流組網電力推進技術在實船應用的先例。由于受當時國內技術發展的限制，其推進系統的核心硬件設備如變頻器、變壓器、主推進電機等均需要從國外進口。近些年，隨著電力推進技術在國內船舶市場的飛速發展，交流組網電力推進技術已廣泛應用試驗船、科考船、調查船、海工平臺、鉆井船、平臺供應船、平臺工程船、風電安裝船、挖泥船、鋪管船等眾多領域。

典型的交流組網電力推進系統的能量傳動路線如圖4所示。

這種配置形式的優勢和特點如下：

1）無論推進螺旋槳工作在任何轉速下，可以通過動態分配柴油機的臺數甚至轉速從而保證柴油機運行在較高效率曲線上，燃油效率比傳統機械式推進模式節約10%以上；

2）推進動態特性、操控性能更好，能夠滿足DP2甚至更高的動力定位系統要求；

3）柴油機和螺旋槳無須布置在同一根主軸上。相應的上圖中所示的系統更多的需要采用電纜進行連接，而電纜連接的靈活性要遠遠超過了機械軸的連接，因此客觀上降低了機械布置的難度，同時增加了機械布置的靈活性；

4）減少了機械傳動裝置，從而降低噪聲。

隨著海工技術對船舶動力定位及操控性能的要求越來越高，以及國際上對于船舶排放量的要求越來越嚴格，交流組網電力推進技術作為綠色船舶的典型技術的應用越來越廣泛，市場前景也越來越被看好。

在1995-2010年期間，船舶電力推進方案基本都采用交流組網技術，以1個4臺發電機組系統為例，采用傳統的交流組網技術的單線圖請參見圖5。

從圖5中可看到，交流組網電力推進技術和普通的陸用組網系統一致，區別僅僅在于交流電源的輸入不是固定的電網，而是由若干柴油機組通過配電板組成的弱電網。顯而易見，由于各個發電機組的頻率必須一致，所以船用電站的頻率和電壓幅值是固定的。

那么在不同的發電機組互相之間需要一個并網開關，配電板在保證交流電壓的頻率、相位和幅值都相等的前提下，才能閉合開關，實現發電機組的并網（增機）。

通過一個交-直-交的變頻器（交-直部分稱為整流器，恒定的交流電壓變換成直流電，直-交部分稱為逆變器，將直流電再變換成交流電），將恒定的船用電站頻率轉化成可調的頻率，驅動推進器。實現對于推進器的調速功能，同時需要在變頻器的輸入側增加一個變壓器，保證實現電氣上的隔離。

在近20年的實際應用過程中，交流組網電力推進的應用廣泛，技術發展也非常成熟。但本身也存在一定的局限性，最明顯的一點在于系統需要增加額外的電氣設備包括：發電機、配電盤、整流變壓器、變頻器、推進電機等，會帶來相應設備體積、重量的增加，安裝、布置困難，以及額外增加冷卻通風設備等一系列問題。一定程度地影響了船舶的艙容空間以及帶來船舶使用經濟性和設計改裝難度。

目前國際上的船用電力推進的發展方向是盡可能避免在電力推進系統中額外增加電氣設備和相應的計算、改裝工作量。

3 船舶直流組網電力推進技術現狀、發展

船舶直流組網電力技術由德國E-MS公司最先研發，系統命名為E-PP。第1套系統在2007年研發成功，并在2009年首次在郵輪“維京”號得到應用。整套技術應用成功后被世界海工領域發行量最大的行業雜志《海事報道》、《海工混合及電力推進技術》等十數家媒體爭相報道，引起業內轟動。從2009-2015年，E-PP直流組網電力推進系統實現大量應用，截止到2015年，已經有50艘船舶交付使用并且正在運行直流組網電力推進系統，得到廣大用戶好評。在德國蒂森·克虜伯海事系統公司基爾造船廠建造的“白珍珠”號豪華郵輪也應用了直流組網技術，目前已經完成試航，其高效、清潔的推進系統是該船重要亮點之一。直流組網電力推進技術在國內屬于剛起步階段，上海泰和集團旗下的2 100 t小水線面雙體船首先采用該技術，目前已進入設備研制階段。

以1個4臺發電機組的系統為例，1個典型的直流組網系統的單線圖可參見圖7。

直流組網電力推進系統具有如下特點：

1）盡管整個系統的組網方式是直流電網，但是發電機組仍然是交流發電機組，通過整流器將交流電壓變換成直流電壓，組建1個直流電站。驅動系統也仍然是傳統的逆變器，即將直流電壓轉換成了可變頻率的交流電壓驅動交流電動機。從另一種角度來說，直流組網中的交-直-交變頻器的交-直整流器轉移到發電機側，經過整流后將直流母線作為公共連接點，以取代原有的交流發電機側的交流母線公共連接點；

2）直流電網的連接不存在頻率和相位的匹配，因此不需要傳統的配電板進行相關的控制，所以可以去除發電機組之間的交流并網開關，甚至整個交流配電板；

3）所有的發電機組通過整流模塊和直流電網相連接，因此理論上每組發電機組可以工作在不同的轉速下。這樣顯著增加了系統的靈活性；

4）直流電網不能直接通過變壓器給船用220 V負載提供電源，而是需要1個逆變器將直流母線轉換成交流電源，然后連接變壓器給負載供電。由于逆變器采用正弦波濾波器，輸出電壓的波形質量比傳統交流發電機所產生的電源更為清潔，引入的諧波污染更小。

與交流組網系統相比，直流組網電力推進系統具有如下的顯著優勢：

1）直流組網系統的最大優勢在于其系統集成度更高，由于省去了配電板和部分變壓器，整體系統的體積和重量都會大大降低，相對于傳統的交流系統組網技術，可以節省30%的體積和40%的重量；

2）直流組網系統中的柴油發電機組可以根據不同的負載條件調整轉速，以保證系統工作在最優的能耗曲線上，這樣可以提升整體系統的效率，降低能耗和排放。相對于傳統的交流系統組網技術，一般認為整體的效率提升可以達到10%甚至更高；

3）直流母排和各種儲能設備以及變頻甲板機械具有更優的技術兼容性。設備的接口更簡單，相應接口設備體積和重量皆有明顯降低；

4）直流組網的經濟性更優，盡管直流組網的變頻配電設備的成本高于傳統方案，但去除了配電盤、變壓器等設備，直流組網系統的總計設備成本略低于傳統交流方案。但由于簡化了相應設備，其配電盤、變壓器等設備相應的冷卻、通風及安裝施工費用被節省，相應的電纜費用降低，再加上直流組網油耗上的優勢將大幅降低船舶的運行費用。因此，綜合考慮直流組網系統的經濟性具備明顯優勢。

在基于直流組網的電力推進系統廣泛得到應用后，國際上的幾大知名電氣廠商也開始計劃研制這種技術，并開始逐步推出類似系統。例如：2013年ABB公司在首艘“狄娜星”平臺供應船上應用了基于直流網的電力推進系統 Onboard DC Grid并作為其低壓電力推進系統包括400V，690V的主推方案。ABB公司就公布的資料表明總共交付了4艘直流組網電力推進的船舶。

西門子公司幾乎也在同時推出了BlueDrive PlusC的基于直流網的電力推進系統。在2015年上海海事展中也明確提出將直流組網作為其優先推行的技術路線，西門子就公布的資料表明總共交付了13條直流組網的電力推進系統，另外還有若干艘船舶已經獲得商務合同。

與此同時，由于基于E-PP的直流網系統的成功應用，以及西門子、ABB等公司的后續研發，越來越多的國際知名船舶柴油發動機供應商也開始推出適用于直流組網的變速柴油機產品組合。如：曼恩公司推出了自己的變速柴油機組以及直流組網系統，康明斯公司也推出了針對直流網的變速柴油機型號QSK50-Variable speed，其他柴油機供應商如MTU、卡特彼勒也推出了相應的改型產品。

因此，就市場需求以及船舶行業的其他船舶配套單位的技術路線來看，已經充分證明了基于直流組網電力推進系統確實是船舶綜合電力推進系統的未來發展趨勢。

4 未來試驗船采用直流組網技術的優勢

“深海裝備綜合試驗船”采用了雙體小水線面船型，航速不小于15 kn，總電站功率約9.5 MW，單軸功率約3.3 MW。這種高航速特殊船型對船舶推進動力和總體設計提出了更高要求。受小水線面特殊船型的限制，船體水線以下可利用面積較小且線型不規則，給推進系統設備選型、艙室布置提出了較苛刻要求，同時該船型對重量重心控制也是船舶設計的難點，要求裝船設備重量輕、體積小。如采用直流組網電力推進方式，相比傳統交流電力推進系統而言，能夠節省推進變壓器、變頻器等裝置，整合配電設備，在設計上更有利于船舶總體布置，也大大減少設備裝船重量和推進系統綜合造價。

“深海裝備綜合試驗船”在試驗期間因需要大量精密測試設備儀器裝船，因此，對船舶本身電站諧波控制有較高要求。在這一點上采用E-PP技術直流組網電力推進技術與傳統交流組網電力推進技術相比較，可解決諧波對船載科研儀器設備帶來的沖擊和影響。目前，該技術已經被系統內專業廠家引進消化，并已開啟實船應用的先河。因此，“深海裝備綜合試驗船”如采用直流組網電力推進技術，不僅解決總體布置難、重量重心控制、電站諧波、節能環保等諸多設計關鍵問題，同時能夠為我國后續類似船型研制提供有力借鑒。

總之，未來船舶推進系統的發展將是多元化的，基于直流組網的電力推進技術可以認為是繼柴油機機械傳動推進、傳統交流組網電力推進技術之后的又一次新技術變革，同時也是第3代船舶推進動力系統的前沿技術路線，應用潛力十分巨大。

[1]葛緯楨. 從250噸到2560噸小水線面雙體船研制的回顧與體會[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(S2): 35–46.

[2]孫遜, 曲健夫. 小水線面雙體船技術在實船上的應用[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(S2): 65–69.

[3]孫遜, 楊光, 曲健夫, 等. 高性能船舶設計制造技術在實船上的應用[J]. 艦船科學技術, 2014, 36(S1): 43-51

[4]七六〇研究所, 七〇一研究所. “東遠01”船技術規格書、“東遠02”船技術規格書、“東遠03”船技術規格書[Z]大連.

The development advantages of electricity propulsion technology for ship's DC Network

YANG Guang, MU Zhao-xin, WU Di, JIA Yan-pei, SUN Xun
(The 760 Research Institute of CSIC, Dalian 116013, China)

Based on the experience of ship building plan, ship design, ship building supervision, as well as ship management, the advantages and disadvantages of different ship propulsion systems are analyzed in this paper, meanwhile, the potential and advantages of ship's DC network are summarized and the technical gap between domestic and abroad is identified, which can be regarded as reference for the national ship building in the future

trial vessel；DC network；electric propulsion

U674.951

A

1672 – 7649(2017)07 – 0008 – 07

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.002

2016 – 09 – 02

楊光(1985 – )，男，工程師，研究方向為船舶輪機工程。