电力推进在自卸散货船上的应用探讨

王正甲 张 琳 顾伟杰

（1.上海交通大学，上海200030；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前言

船舶电力推进应用至今已经有一百多年的历史。早在1911年和1918年，美国就先后建成了一艘往复式蒸汽机交流电力推进航空母舰和一艘汽轮机交流电力推进战列舰“新墨西哥”号，总轴功率分别达到4 000 kW和22 000 kW［1］。与传统的由柴油机直接带动螺旋桨的推进方式相比，电力推进不仅可以提高船舶的机动性和操纵性，而且可以使机舱布置更灵活，增加船舶载重量等。因此，随着电力电子技术、交流调速理论、微机控制技术和电机技术的发展，电力推进在船舶建造领域的应用不断扩大，目前已广泛应用于破冰船、挖泥船、勘探测量船、渡轮等，显示出良好的应用前景。

然而，电力推进在运输船上的应用还比较少，主要是因为采用电力推进的初投资比较高，并且传统观念普遍认为采用电力推进方式时，因存在两次能量转换，其效率低于机械推进方式［2］。本文在某采用传统机械推进方式的自卸散货船基础上进行研究探讨，分析其采用电力推进的优劣性，希望通过该方式，将电力推进方式推广到更多的运输船上应用。

1 船型简介

该自卸散货船为已建成并投入运营的成熟船型，采用柴油机驱动定距螺旋桨的推进方式，单机单桨，配备的主机为B&W6S60MC，主机额定功率为10 784 kW×94 r/min，常用功率为9 706 kW×90.8 r/min。由于船舶配有自卸装置，该船的电站配置如表1。

表1 自卸散货船电站配置表

电站在典型工况下的使用情况如表2。

由表2可知，电站配置的2台1 300 kW发电机，仅在进出港使用首侧推时使用1台，在装卸货时使用2台，在航行过程中均处于备机状态；而2台625kW发电机，也仅仅在进出港时会使用2台，其他情况均只需使用1台，设备的利用率处于较低水平。

表2 自卸散货船机械推进方式下的电力负荷表

2 电力推进方案电站配置

在保持该船各项性能参数不变的前提下，采用电力推进方案后，该船的电站配置可以做出调整，如表3所示。

表3 电力推进自卸散货船电站配置表

根据该船机械推进方式下的电力负荷情况，可得出该船采用电力推进后的电力负荷基本情况如表4所示。

3 可行性分析

采用电力推进后，该船电站运行的灵活性及冗余性大大提高。根据船级社要求，电力推进船舶在1台发电机组不工作时，剩余的机组应能向所有重要设备和船舶常用设备供电，同时应维持有效推进，即应保证船舶航速不小于7 kn或设计航速的一半，两者中取大者［3］。该配置方案完全能满足规范的要求。

配电设备为满足安全性和冗余性的要求，主配电板可采用两段6.6 kV主汇流排的设计。通过计算得知在该船电站、电力推进、首侧推、自卸设备均采用6.6 kV的动力设备时，各级汇流排的短路电流如表5所示。在目前的技术条件下，供应商提供符合相应要求的配电系统设备不存在技术难度。在具体实施时，也可根据设备重量、造价等因素综合考虑后确定中压系统的电压等级。

表5 各级汇流排短路电流

对于推进部分设备的选择，可以采用单机单桨的方案（如图1），也可采用双机双桨的方案（见图2），均能满足相关规范的要求。该船的推进功率约为10 MW，目前国际上知名的ABB、西门子、瓦锡兰等，均能提供相应的设备。对于电力推进船舶涉及到的谐波问题，也均有了很好的解决办法，如采用多脉整流及准多脉整流、脉宽调制技术、有源功率因数校正器等［4］。

国内目前也有厂家已具备5 MW以下永磁电力推进系统及20 MW以下交流电力推进系统的供货能力。其电力推进系统的型式稍有不同，如图3所示。该系统采用十五相电机作为推进电机，十五相电机通过三个通道，经三个五相变频器驱动，系统的冗余性更高，且三个推进变压器一次侧有10°的相角差，与三个五相变频器组合起来相当于提供了虚拟的36脉冲整流，更大程度的降低了电网侧的谐波。

图1 单桨船舶电力推进系统基本组成简图

图2 双桨船舶电力推进系统基本组成简图

图3 国产电力推进系统基本组成简图

4 经济性分析

通过前述的分析，可知采用机械推进和电力推进时，该自卸散货船的总装机功率如表6所示。

表6 自卸散货船机械推进及电力推进时的装机功率比较

由表6可知，若采用电力推进，该船的总装机功率可以减少2 534 kW（近17%），即使考虑电力推进船舶的建造成本普遍比传统机械推进的成本要高，从减少的装机功率来看，电力推进也不失为一种极具吸引力的方案。若考虑采用国产的电力推进设备，如七一二所供应的电力推进设备，初投资成本可以进一步减小。

另一方面，若采用电力推进，电站运行的灵活性提高，通过适当的投切在网发电机的数量，可以保证动力系统较长时间运行在高效率的状态，从而提高船舶的燃油经济性。

5 结语

随着电力电子技术、交流调速技术以及电力推进设备国产化等其他各方面的进展，相信在不久的将来，电力推进设备的制造和应用成本会进一步降低。电力推进作为一种先进的船舶推进技术，也必然会在船舶建造领域得到更多的应用。但不可否认的是，目前来说，电力推进在一般的常规运输船上的应用还不具备很大的优势。本文以自卸散货船着眼，探讨在船舶电站功率较大且并非主要用于航行工况时考虑采用电力推进的可能性，为电力推进技术在船舶建造领域的应用提供一条探索途径。

［1］李玉生.全电力推进在舰船上的应用及其展望［J］.船电技术，2005（2）：1-3.

［2］陈新毅，杨烨.船舶电力推进技术发展概述［J］.中国水运，2008（8）：48-49.

［3］中国船级社.钢制海船入级规范，第五分册［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］罗成汉，陈辉.电力推进船舶电力系统中的谐波［J］.船舶工程，2007（1）：69-72.