用于舰船综合电力推进的燃气轮机关键技术

周 瑞，柳 波，周安宇

（1.海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室,沈阳110011：2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015：3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001）

用于舰船综合电力推进的燃气轮机关键技术

周 瑞1，柳 波2，周安宇3

（1.海军驻沈阳地区舰船配套军事代表室,沈阳110011：2.中航工业沈阳发动机设计研究所，沈阳110015：3.哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨150001）

综合电力推进系统由于其独特的优势已经成为未来船舶，特别是军用舰船的发展方向。为了保障作为综合电力推进系统原动机的燃气轮机，安全、可靠、高效地运行，必须研究相关的系统集成技术，确保其运行的高效率和高冗余，需要研究其在大冲击、大功率负载突变运行环境下的解决方案，研究在舰船电力系统孤网运行条件下的综合控制技术。对系统集成、抗冲击、大功率负载变化对燃气轮机影响和发电综合控制等4项关键技术进行了分析，并就其国内外的发展以及技术实现途径进行了探讨。

燃气轮机；综合电力推进；舰船

0 引言

舰船综合电力推进系统由于具有很高的经济性、机动性及可靠性等优势，已成为未来舰船动力的发展方向之一[1]。特别是对于军用舰船，高性能武器和先进探测设备的飞速发展使舰船电力负荷功率所占比例越来越大，随着综合全电力系统研究的不断深入和舰船电力设备技术的进步，普遍采用综合全电力推进设计方案已成为未来舰船动力系统发展的趋势[2]。电力推进是由原动机带动发电机发电，通过配电及调速系统供电给推进电机，再由电动机驱动螺旋桨的推进方式。电力推进系统的优点是：用电缆完全代替机械连接，使原动机在船上布置更灵活，推进轴系短；到推进电机的电气连线有备用电路，当舰船遭到损坏后能提高舰船的持续作战能力；系统噪声低。但是，舰船电网由数量有限的原动机与发电机组成，是1个独立运行的孤立电网，电网容量小，对电力负荷的变化比较敏感。各种大功率设备起动或停机时，会造成瞬时的负荷突变，对整个舰船电力系统造成较大的冲击，对舰船电力系统的稳定性造成重大影响。

燃机作为发电模块的原动机，要适应电力推进要求，必须进行相关关键技术研究。其中以下几种技术十分关键：系统集成、抗冲击、大功率负载变化和发电综合控制技术。本文将分别对它们的实质以及国内外的发展现状和未来的发展方向进行探讨。

1 相关关键技术

1.1 系统集成技术

1.1.1 概述

要想推动电力系统在未来海军舰船中的应用,系统集成技术的研究是至关重要的。这是因为舰船电力系统是1个涵盖基础理论、设计体系、系统集成、工程应用等方面的复杂系统工程，而系统集成技术研究对整个舰船的建设投资、运行效率、系统生命力都有决定性影响。

作为整个电力推进系统的原动机，系统集成技术主要研究供电系统的运行模式，确保在合适的运行模式下，燃气轮机运行的高效率和高冗余性。但是，运行模式的界定会随着系统组成或网络结构的改变而发生变化。例如：受系统储能方式优化和减少单件生产成本（UPC）等因素的影响，英国皇家海军的45型驱逐舰的供电系统结构（如图1所示[3]）将“至少2机在网运行”的要求改变为现在的“单发电机运行”模式。

图1 45型驱逐舰电力网络结构

目前涉及到燃气轮机原动机的最先进系统集成技术是：单一发电机运行模式（SGO）。采用SGO模式并不意味着当船上的发电机无法运行时舰船会失去全部动力。目前已投入运行的某些级别舰船已经具有一定数量的能量储备能力，用于指挥、控制以及其它设备所需动力。另外，还必须对SGO模式提出一些额外的要求，尤其是能量储存持续时间以及明确所储备能量的用途到底是满足推进和舰船基本能源需求还是仅供推进使用，或者仅满足舰船基本能源需求还是仅满足显示的需求。

1.1.2 国内外发展现状

荷兰Imtech公司所提供的舰船供电系统集成服务包括：短路电流水平计算和校验、故障辨识能力设计、故障模式影响分析、谐波抑制计算、产品模块化设计等。在他们设计的供电系统中，所有设备都能确保满足客户要求,达到集成系统的规定指标。法国施耐德公司的供电系统集成技术的能力也很强大，它主要进行系统设计、可行性研究工作，提供高质量供电系统设备[4]。英国已经在42型驱逐舰上应用“单一发电运行（SGO）模式。

2005年以来，国内建造的电力推进舰船已逾30艘。但是，除水声试验船和“华天龙”起重打捞船共2艘新型舰船是自主系统集成的以外，其他新型舰船（包括中科院近期投建的科考船在内）几乎都是由国外公司进行电力推进系统设计集成和提供装船设备。所以，当前我们对电力系统集成技术还处于1种“初学者”的被动跟进状态。

1.1.3 技术途径及要求

通过系统集成技术需要达到这样1种目标：确保舰船在处于任何1种运行工况，都能保证使用满足所需负载的最少燃气轮机，且保持这些燃气轮机均运行于接近最佳效率的工况条件，并在合适的功率范围内选择功率更小的燃气轮机，从而使整个动力系统实现高效的运行。同时应该能确保舰船电力推进系统达到如下目标：SGO模式应当在良好工况下采用，如在威胁程度低的环境中巡逻等。而且，SGO模式只能在低输出功率状态下运行，一旦所需功率超过单台燃气轮机输出功率时，就需启动另1台燃气轮机。

当正在运行的能源无法满足所需功率或所需航速时，就需选择配置第2台燃气轮机。启动第2台燃气轮机舰艇时的舰船航速是很难控制的，当在受限制水域航行或如果运行危险增加，也需启动另1台燃气轮机。

1.2 抗冲击技术

1.2.1 概述

舰船在其服役期间不可避免地要面临各种复杂的冲击环境，海上战舰和实船水下爆炸冲击试验结果表明：舰艇在水下爆炸环境中所显示出的突出薄弱环节,是舰艇上许多重要设备和装置的抗冲击性能过差。对于复杂大型舰载设备往往是与其他设备有着紧密的连接关系,在冲击环境下设备之间的耦合关系更是难以确定。根据GJB730A-97《舰船燃气轮机通用规范》的要求，燃气轮机应符合GJB150.18《军用设备环境试验方法-冲击试验》的要求。因此必须进行燃气轮机的抗冲击性研究。对于舰船燃气轮机来说，由于其结构复杂，其本身的动力学特性已难准确获得，再加上冲击，分析难度更大。

1.2.2 国内外发展现状

在舰用抗冲击研究方面，美国和西欧海军处于领先地位。美国坚持用实船水下爆炸的方法考核其舰艇设备的抗冲击能力，并在试验的基础上开展理论研究[5]。冲击试验的方法可以全面真实地了解船用设备的抗冲击能力，为理论研究提供基础，但需要大量的经费和时间。通过冲击仿真建模预测冲击响应，结合部分冲击试验进行校核，适当开展实船水下爆炸试验，是以德国为代表的西欧海军普遍采用的方法。

国内以往对舰船设备冲击研究主要有：张卫等试验研究了冲击对转子-轴承系统稳定性的影响；沈荣瀛等以3组挠性弹簧钢板支撑的3个轴承座分别模拟尾轴承、中间轴承和推力轴承，设计、制作了轴系试验模型,进行了轴系固有频率测试和冲击试验研究，得到了一些有意义的结果。施建荣运用动力学分析方法，得到了同步发电机组固定螺栓、滚珠轴承、换向器、转轴等冲击危险区域的冲击动力学特性，总结了抗冲击动力学分析方法的优点和局限性；石菲对某舰船发动机排气消声器进行了各种冲击环境下的冲击响应仿真计算，校核其抗冲击强度；林腾蛟等应用I2DEAS软件计算了空压机系统的固有特性、约束模态和冲击动态响应，给出各自由度方向加速度冲击载荷作用时系统的振动响应及动态应力，为确定船用空压机的抗冲击能力及减振装置的合理设计提供了理论依据[6-9]。

1.2.3 技术途径及要求

我国海军舰艇设备的抗冲击研究处于起步阶段，冲击试验设备有限，经费有限，不可能像美国那样开展大量的冲击试验。因此，学习西欧海军经验，利用仿真计算结合少量的试验研究方法进行舰用设备的抗冲击研究适合我国国情和军情[10-11]。文献[12]开发了1套针对复杂结构舰船电力系统的特点的仿真计算软件。仿真平台的单线图如图2所示。通过类似的仿真软件进行模拟理论计算再结合适度的抗冲击试验，通过试验和理论模拟的不断叠代改进和优化，可以花少量的研究经费走出一条中国特色的电力推进系统燃气轮机抗冲击技术研究之路。

图2 舰船电力仿真平台单线图

1.3 大功率负载变化对燃气轮机影响技术

1.3.1 概述

综合电力推进舰船能源需求大致由以下三个方面构成。

（1）推进系统所需的轴功率；

（2）舰上日用电系统（包括武器系统一外的所有电力、电子设备所需功率）；

（3）舰载武器系统所需功率。

目前舰船上携带燃料的80%直接用于舰船机械推进，只有20%能量用于发电、提供武器、辅机、生活等所需的电能。但近年来，武器系统的能源要求变化很大，目前国外正在研究的舰载武器系统，如激光武器、粒子束武器、微波武器、电磁炮、高能炮以及新近出现的探测系统，如脉冲声纳和宽带雷达，均需要相当大的脉冲电能，其峰值功率可达几十乃至几百MW，所需的脉冲功率系统目前一般设计为基于电容器充电电路方式[13-15]。由于脉冲负荷瞬时功率很大，它的使用必将对整个舰船综合电力系统的性能带来较大的冲击，影响供电质量[16]。因此，研究大功率负载变化对燃气轮机的影响对稳定整个电力系统显得十分必要,可以从3个方面着手：

（1）通过飞轮储能等形式缓冲由于大功率负载变化对燃气轮机的冲击影响。

（2）对采用何种负载模型、不同种负载模型的比例等因素进行进一步的研究。因为这种投入或者切除大容量负载对系统的影响,不仅依赖负载容量的大小,同时也受到负载性质和挂网形式的影响。

（3）对作为电力系统原动机的燃气轮机自身加、减载特性进行研究，以使得其加、减载性能适应大负载的突变。

1.3.2 国内外发展现状

英国Alan等人根据负载功率调节储能电机的有功功率，大大减少了20kHz高频交流配电网的电压波动；美国B K Johnson教授等人已将飞轮储能装置通过变压器串联在交流电网中，起到了动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）的作用；而Surya Santoso等人采用储能发电机为脉冲负载供电，将脉冲负载与舰船电力系统电气隔离，消除了脉冲负载对电力系统的不利影响。

美国海军就未来舰队各种舰型的推进功率和日用功率需求进行了研究（见表1[17]），其目的也是为了方便就电力推进中负载模型及分配比例进一步的研究。

表1 美国海军未来舰队各种舰型功率需求

目前国内现有机械储能、电磁储能、电化学储能技术，但是尤以飞轮储能技术研究比较广泛，海军工程大学电力技术国防科技重点试验室已经对飞轮储能抑制舰船电力系统直流母线电压波动进行了较深入的研究[18]。

1.3.3 技术途径及要求

为了稳定整个舰船电力系统，储能是1种比较经济、简单实用的方式。在起用大容量的用电设备时，储能装置可以为舰船电力系统提供一定的功率储备，将存储的动能转化为电能释放到直流电网中去。在突卸大容量用电设备时，储能装置从电网吸收能量，转化为飞轮的动能。

飞轮储能装置应用于舰船综合电力系统中，为减少直流母线的电压波动，需要有3种工作模式：启动、保持、调节。启动模式，电机由静止拖动飞轮加速，直到飞轮达到额定设计的转速为止，电机工作在储能状态；保持模式时，飞轮转速保持不变，存储额定设计的能量持续运行，电机工作在保持状态；当电网功率流动不平衡以致电压波动较大时，储能电机由保持模式进入调节模式，通过快速控制感应电机的功率，从而控制飞轮与电网间能量的流动，调节母线电压。启动模式和保持模式通过对电机转速控制的方式实现，而调节模式通过控制电机功率的方式来实现[18]。

文献[18]设计了一种飞轮储能控制系统，其转速控制系统如图3所示。从图中可见，转速控制器的观测量为飞轮转速，输出量为转矩指令Te，采用PI控制。

舰船直流电网输送的功率为：

图3 储能电机转速控制系统

电网间的功率平衡关系为：

式中：Pn为直流电网输送功率；PF为储能电机的功率；PLA为负载功率；PLS为系统总损耗。

直流母线电压U会随着系统功率流动的变化而波动。通过控制储能电机的功率PF，实现舰船电网与飞轮储能装置间功率的双向流动，可以补偿发电和用电功率之间的不平衡，增大系统阻尼，从而抑制系统电压的波动。储能电机的功率控制系统如图4所示。

图4 储能电机的功率控制系统

1.4 发电综合控制技术

1.4.1 概述

目前，燃气轮机作为舰船动力推进装置，负载是螺旋桨，采用等功率运行方式，主要是通过油门控制器控制燃油流量，保持燃机输出功率稳定。而当燃气轮机作为原动机用于电力推进系统时，负载是发电机组，采用定转速运行方式。随着电负荷的变化，转速会偏离额定值，控制系统可以直接根据转速变化来进行调节，使机组转速保持基本不变。特别在发电机突然甩负荷的情况发生时,如果不采取措施降低动力涡轮转速，燃机必然会超速保护停机[19]。但是机组控制系统响应速度越快，机组的运行瞬间峰值负荷就越大。这种矛盾在大电网中工作的发电机组不是很突出，因为，局部甩负荷时，频率下降很少,分担到每台机组负荷也很少。但是在舰船电力推进系统中，电网是孤网运行，当某台机组甩负荷时就要由运行的几台机组全部接过来，如果机组特性差别较大，响应速度较快的机组就会在瞬间接到比其它机组更多的负荷，然后再逐渐卸下来，对这台机组的运行安全性就有很大的影响。因此，须制定采用高速数字燃油控制器等一系列技术，并对高速数字燃油控制器与突变负荷的控制策略进行研究，并结合燃机数学模型仿真计算进行验证。

1.4.2 国内外发展现状

以GE公司推出的SPEED-TRONIC MARKV为代表的电力推进燃机控制系统，除了能够用于启、停机自动控制的继电器自动程序控制，还能实现诸如发电机励磁机及涉及燃机运行的所有主、辅助设备的控制，对负载的甩负荷功能有广泛的适应性。目前已经获得应用[20]。

中船重工703所针对GT25000型燃气轮机进行了数字燃油控制器和突变负荷控制程序进行了比较深入的研究，并进行了模拟试验，但是模拟试验与真实的发电燃气轮机状态之间还存在较长的路要走。大连海事大学也对电力推进系统的控制技术进行了研究，并且结合中铁渤海1号船，实现了舰船电力推进系统的动态过程仿真和优化。

1.4.3 技术途径及要求

通过模拟试验得到和燃机实际运行规律相符合的燃机试验曲线，建立能满足燃油系统功能要求和精度要求的数字燃油控制器控制程序；通过设计能够符合适应突变负荷的控制程序实现燃气轮机发电机组突甩负荷转速的平稳过渡。

舰船燃气轮机发电机组一般采用等转速模式，在出现突然甩负荷情况时，机组是不允许停机的，要求燃气轮机回到慢车工况备用。可以通过1种数字化燃油控制系统适应舰船燃机的这种要求。在控制系统内加入微分环节，根据转速的变化率快速关小油门，迅速减少进入燃烧室的燃料流量。同时引入发电机出口断路器状态信号，及时判断机组甩负荷便于迅速地做出反应。当燃气轮机发电机组突变负荷发生时，应在控制主程序中迅速建立突变负荷标志位,调用突变负荷子程序。在突变负荷子程序初始化后首先应对燃气轮机甩负荷前的工况进行判断。当燃气轮机发电机组带负荷工况下突然甩负荷时，控制燃油控制器快速切换油门开度至慢车工况，保持燃气轮机动力涡轮转速稳定，[21]如图5所示。通过实现这样1种控制程序，既能保证功率输出的稳定，也能保证孤网运行的舰船燃机转速的稳定，从而确保燃机机组的运行安全。

图5 燃气轮机突变负荷控制程序

2 结束语

燃气轮机作为原动机的舰船综合电力推进，是未来军用舰船动力系统的发展方向，其中系统集成技术，抗冲击技术、大功率负载变化对燃气轮机影响技术、发电综合控制技术是燃气轮机应用于舰船综合电力系统的关键所在。目前我国这方面的技术储备不足，制约了综合电力技术的应用，因此在大力发展船用燃气轮机的同时对相关关键技术进行研究和试验，能够减少装备的应用时间，加速部队现代化的步伐。

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Key Technology of Gas Turbine Used for Integrated Electric Power Propulsion System on Shipboard

ZHOU Rui1，LIU Bo2，ZHOU An-yu3
（1.Military Representative Office of Naval Equipment Department in Shenyang,Shenyang 110011,China;2.AVIC Shenyang Engine Design and Research Institute,Shenyang 110015,China;3.College of Energy Science and
Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China）

Because of great advantage of integrated power propulsion system on shipboard,it has become developing direction of future ship,especially in warship.As the prime mover of integrated power propulsion system,gas turbine must run safely,reliably and efficiently.The correlative integrated technology of system were researched to guarantee high efficiency and redundance.The solutions of the great impact and larger power load changing were presented.The integrated control technology of electricity generation were investigated.The four key technologies were analyzed including the integrated system,impact resistance,the effects of larger power load change on gas turbine and power generation control.The development status and approach were at home and abroad overviewed also.

gas turbine；integrated electric propulsion；warship

周瑞(1980)，男，工程师，本科，从事燃气轮机可靠性研究与质量管理工作。

2013-04-22