小型船舶电力推进国产化的发展与应用

喻小力　钟利坚

摘要：介绍国内外船舶电力推进发展状况及相关电子产品发展趋势，随着动力系统大量采用LNG清洁能源，国内小型化船舶电力推进装置的需求日趋紧逼，变频、谐波控制等关键技术的深入研究和突破，国产化电力推进方式将是国内小型船舶推进方式的最佳选择。

关键词：变频；电力；推进；国产化

1 前言

船舶采用电力推进方式具有降低废气排放、减少噪音和振动、布置方便、操纵性能良好等优点、并且可无级调速、快速逆转、起动操作次数少、减少原动机的磨损、延长使用寿命等优点，因此已广泛用于破冰船、起重船、挖泥船、勘探船、渡船、游船、LNG运输船、海洋守防船等大型船舶。

受船舶油污、废气排放以及柴油供应压力等影响，航行于内河和近海等水域的船舶，日趋采用燃烧清洁燃料的动力装置，以解决对水系的污染，达到节能减排的效果。目前我国正大力发展LNG气体燃料动力系统船的研究工作，实现近海与内河航运“绿色环保”问题已提上了议事日程，船舶动力采用LNG作为燃料将成为发展趋势。

从LNG为燃料的动力装置的特性可知，高转速段LNG发动机功率曲线变化平缓，低速段功率曲线变化大，以LNG燃料为动力源的船舶采用电力推进方式较为合适。目前以LNG为燃料的动力装置的船舶已普遍采用电力推进方式，电力推进初始投资稍大，但通过电站的功率管理，可减少备用机组的设置，从而减少燃油消耗和维护费用，降低了船舶的全寿命周期成本，特别是当船舶负荷变化比较大时效果更加显著。同时，因国产化推进电机及配套产品日趋成熟，电力推进配套产品不再完全依靠进口，与常规推进装置价格相差越来越少，因此电力推进是LNG动力源的首选方案。而迄今为止，我国尚无全套推进系统完全使用国产设备的电力推进产品，发展和研究国产化电力推进具有非常重要的意义。

2 国外船舶电力推进发展状况

船舶电力推进的历史可以追溯到1860年，世界上第一艘以蓄电池为动力、电动机直接驱动的电力推进潜艇投入使用。进入20世纪，大部分潜艇都采用电力推进方式。常规潜艇在水面航行时由柴油机—发电机组，核潜艇则采用原子能发电，给蓄电池充电并向电动机供电驱动船舶；在水下航行时由蓄电池供电，电动机驱动船舶。20世纪20年代，美国建造的6艘Mexico级战舰（40000HP）和2艘航空母舰（180000HP）都采用了汽轮机—发电机—电动机驱动模式的电力推进系统。在第二次世界大战期间，仅美国就建造了300多艘采用柴油机—发电机—电动机驱动模式的战舰和运输舰。此后，在破冰船、科学考察船以及其他特殊用途船舶上也陆续装备了电力推进系统。据ABB公司介绍，他们生产的电力推进装置截止到2010年已装备450艘船舶。尤其是POD新型电力推进方式的应用，将推进装置和操舵装置结合于一体，置于一个能360°回转的吊舱内，省去了轴系、舵和艉侧推器，从而提高了船舶的操纵性、灵活性，便于船舶的建造和运行，同时还降低了船舶的废气排放、噪音和振动，因此船舶电力推进装置得到了更迅速的发展。

国外生产船舶电力推进装置的厂家除ABB公司外，主要还有德国SIEMENS和法国ALSTOM、Rolls-Royce公司，这些公司生产的电力推进装置已广泛使用于科考船、火车渡船、海洋守防船等船舶。目前所使用的电力推进装置的功率：低压交流传动0.18千瓦至5600千瓦；中压交流传动315千瓦至100兆瓦；直流传动9千瓦至18兆瓦。

3 国内船舶电力推进发展状况

国内目前完全采用国产化设备集成的电力推进装置还没有，现国内厂家所集成的电力推进装置均采用进口设备，其中SIEMENS、ABB、ALSTOM是目前我国开发电力推进系统的主流。国内集成单位主要有：中船重工第七一二研究所，上海中海机电设备有限公司，广州美柯船舶电气设备有限公司等。推进功率：覆盖功率等级10MW以下的各种电力推进系统；电压等级：低压690V/中压6600V。

经过联合攻关，我国已在现代电力电子及交流调速领域取得不少科研成果，已经建成晶闸管GTO和IGBT三代电力电子器件，品种比较齐全。尤其是第三代器件IGBT及其应用产品已开发成功，在大中容量交流调速领域也取得不少科研成果，并有产品应用到实际中。目前国产的变频电机已在起重船、多型船的压载水泵、大型风机等船用辅机上应用。北京利德华福电气技术有限公司已能生产不同功率的国产变频器、变频电动机、移相变压器等设备，其产品依靠性能稳定，价格优势已逐渐取代进口设备；另外，北调991海洋科考船，电力推进系统是由七一二所集成，其中，交流变频推进系统的变压器、变频器、推进电机是引进SIEMENS设备，其余系统和设备均为国产研制；美柯船舶电气设备有限公司等也已开始集成国产化电力推进装置，大部分推进设备选用国产化，该公司已在侧推动力源采用电动变频时实船集成整套系统，变频器、控制设备采用国产化设备，已装船使用，运行状况良好；最近由中国远洋渔船研究中心与北车集团永济新时速有限公司合作共同研制的36.5米电力推进拖网渔船已进入试航阶段，该推进装置整套系统集成是国内公司，大部元器件采用国产化设备，价格远低于进口设备，据报道，如整套系统运行良好的话，渔业公司准备在国内很多渔船上安装该套系统。

4 船舶小型电力推进国产化市场需求分析

小型电力推进国产化是指推进功率及全船用电负荷功率较小，总功率在2000kW以下，整套设备主要元器件是由国内厂家生产，系统集成也由国内公司完成的产品。

国外公司大型的推进电机在国内都有生产厂家，供货问题也比较好。据统计，目前国外公司主要致力大型的电力推进系统集成，小型的小于1000kW电机国内一般不生产，要依靠国外进口，存在订货周期长，产品价格贵，调试维护困难等问题。通常电力推进的整套价格是柴油机直接推进价格的5～7倍，另外国内变频电机、移相变压器等电力推进配套国内厂家生产滞后，技术不够成熟，导致小型船舶不采用电力推进方式而是采用柴油机直接推进方式。最近第三代器件IGBT及其应用产品已开发成功，国内的变频器技术已相当成熟，且国内电力推进集成厂家已成功集成成套电力推进装置，有的厂家甚至开始选用国内与国外混合产品集成成套电力推进装置，不再完全依靠國外厂家的产品，维护、调试不用再依靠国外公司，成本大大降低。随着国内电子技术的迅速发展，小功率的变频器价格大大降低，国内电力推进集成厂家技术也逐步成熟，价格上柴油机直接推进方式与国产化的电力推进装置相比优势不明显，而电力推进有许多优点，是船舶推进方式的最好选择。国内有许多小功率的船舶，特别是内河游船，频繁停靠码头，电力推进装置操纵性能良好，必将是此类型推进方式的最佳选择。国内电力推进配套厂家正迅速发展，技术储备日趋成熟，只是实船使用经验欠缺，经过前期一段时间的发展，小型船舶电力推进装置国产化是完全有可能的，而且在实船上开始安装使用。

目前国内航行的机动船舶，95%以上是采用柴油机动力装置直接推进方式。据统计，2007年全国海洋渔政船约300艘，主机功率大部分都在1000kW以下，国内渡船、游览船、拖轮、货船、渔船等主机功率及用电负荷大部分都在1000kW以下。例如：川江及三峡库区干散货船标准船型从500吨至5000吨，推进功率由220～1320kW；川江及三峡库区液货船（包括油船、化学品船）标准船型从500吨至3500吨，推进功率由320～1100kW；川江及三峡库区集装箱船标准船型从50箱到350箱，推进功率由400～1460kW；川江及三峡库区I型客滚船标准船型70车位到110车位，推进功率由750～1050kW；川江及三峡库区普通客船标准船型从330客位到670客位，推进功率由516～1324kW。上述数据表明，国内船舶推进功率及全船用电负荷的小型船舶很多，特别是内河250客位左右的游船的推进功率及全船用电负荷大概在650kW，小客位的客船功率更小。随着LNG清洁能源的使用，LNG为动力的推进系统是发展趋势，很多游船、渡船正计划改装成LNG为动力的推进系统，此类型船电力推进是最佳选择。所以小型船舶国产化电力推进系统的市场前景是广阔的。

5 船舶电力推进国产化需要考虑的问题

虽然国内推进装置的配套厂家生产能力已大大提高，但是电力推进需使用大功率的电子器件，很容易对船舶的电力系统产生影响，特别是谐波污染。对于运行电机，谐波将引起附加损耗，使电动机转矩减小，对测量仪表将产生虚假的谐波功率，出现随机误差；对于继电保护装置，谐波将影响其设定整定值，引起误动作；对于通讯网络，谐波将影响其电磁效应和正常的载波。因此在选择推进方案的时候应当考虑变频器类型、是否加谐波吸收器、或与船舶的低压系统进行电气隔离等不同方案。为了防止谐波对船舶产生影响，通常在建造过程中要进行谐波的测定，目前采用的方法是进行总谐波变形值（THD）的测量，船级社为此也提出了相关的规范，一般要求低压配电系统的THD应小于5％，推进系统THD应小于8％。变频器的选择应考虑其功率损失要小，过度阻尼要尽量大，变频器中元件的储藏能量尽可能小。

6 电网谐波畸变的控制

电力推进功率有时候可以占到总用电负荷的95％，换句话说，只要保证该负荷的安全，也就保护了整个系统。事实上，负荷的推进变频器是谐波电流的主要来源。最常用降低谐波分量的方法是采用谐波滤波器，或采用旋转变流器（电动机一发电机组）用于敏感负荷的供电。滤波器的设计需要考虑周密以防止出现电网谐振，而旋转变流器则需要在配电系统中增加附加设备及电缆。采用更高脉动数的变频也能降低负荷电流中的谐波分量，但另一方面则会显著增加变频元件数和投资成本。采用双重电抗器组将发电站的推进负荷母线与船舶其他负荷母线进行一定的隔离，也可使船舶其他负荷的配电网谐波分量维持在较低水平。目前国内集成厂家已注意到该问题，在整体设计方案中，会提出要求，选择合适的方案，注意施工工艺，，可达到规范要求。

7 实船应用

2000年，上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造了一艘19500吨化学品船，名为“帕劳斯佩拉”，这是我国制造的首艘吊舱式电力推进船舶；2010年1月22日，由上海海事大学、云南省航务管理局、昆明市航务管理局以及格兰特游艇有限公司共同完成“内河小型船舶电力推进系统研制”项目，此项目开展了內河小型船舶电力推进系统结构优化与参数匹配、电力推进船舶电站动态管理、电力推进船舶智能化操纵控制、低电压大电流船用变频装置动态稳定性等技术的研究，该项目的示范船通过了船检等单位的检验，适航性良好，乘坐舒适。“尚德国盛号”游船由两台150kW推进柴油发电机组供全船推进用电，整套系统由712所系统集成，该船在上海世博会期间使用，运行状况良好；最近由中国远洋渔船研究中心与北车集团永济新时速有限公司合作共同研制的36.5米电力推进拖网渔船已进入试航阶段；此外国内很多自航全回转起重船都是采用电力推进方式。

8 结束语

我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚，随着柴－电推进费用过高的不利因素正在缩小，更高的燃油价格和绿色造船的需求，缩短了投资回收时间，使电力推进对更多的船型更具有吸引力。但目前我国在船用大功率永磁电机、高压大容量电力电子元器件、吊舱推进器等设计与制造方面与发达国家还有很大的差距。我国应进一步加强相关技术的研究和开发应用，加强电力推进系统配套产业开发，从小型船舶电力推进装置开始使用国产化设备，积极参与这一领域的国际竞争，在市场占有一席之地。