船舶动力系统现状及发展趋势分析

林辉

摘要：本文围绕船舶动力系统现状以及未来发展趋势进行分析，首先以柴油机动力系统及燃气轮机动力系统两个方面入手，分析船舶动力系统的当前应用现状。随后，在此基础之上，针对船舶动力系统发展趋势进行分析与展望，其涉及到废气处理系统、电力推进系统、重油系统、LNG动力系统、燃料电池动力系统、以及混合动力系统这六个方面的内容，希望能够进一步促进船舶动力系统的发展与完善，值得引起业内关注与借鉴。

关键词：船舶动力系统;现状;发展趋势

中图分類号：U664.1                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）22-0176-02

0  引言

随着船舶工业的发展，现代化船舶正呈现出快速化、大型化、以及自动化发展趋势，动力系统如何提升其可靠性以及经济性，已受到业内人士的高度关注。船舶动力系统作为整船的核心部位，其运行质量不仅关系着船舶航行的动力性，同时还与航行的稳定性、可靠性、经济性水平存在密切的关联。因此，对船舶动力系统研究现状以及发展趋势进行深入分析，有着非常积极的现实意义与价值。

1  船舶动力系统现状

1.1 传统柴油动力系统

在船舶动力系统中，柴油机动力系统具有非常突出的应用优势，包括功率水平高、安全系数高等，基于这些优势，船舶动力系统以柴油机动力系统为首选方案，一般情况下，可以根据柴油机装置的驱动形式对其进行分类，包括二冲程柴油机动力系统以及四冲程柴油机动力系统这两类。上述两类柴油机动力系统的最显著区别体现在转速上。前者转速偏低，在将其应用于船舶动力系统的过程中，多经直接驱动螺旋桨的方式为船舶前进提供动力支持，同时，受转速偏低这一特性的影响，使其在大规模传播以及需远洋船舶中也有着极为突出的应用价值。而与之对比，四冲程柴油机动力系统转速偏高，主要原因是其经过了齿轮箱的降速处理再应用于螺旋桨驱动过程当中，因此对于小规模船舶工程动力驱动系统而言有良好的适应性。当前技术条件支持下，柴油动力系统在我国船舶动力系统研究领域中有着极为广泛的应用价值，柴油机动力系统研发、操作人员技术要求高，进一步凸显了该系统的核心应用价值。

1.2 燃气轮机动力系统

燃气轮机动力系统同样在船舶动力系统中有着非常广泛的应用价值与性能优势。相较于前文中所推到的柴油机动力系统而言，燃气轮机动力系统应用于船舶动力系统领域中的优势主要体现在整体质量以及尺寸这两个方面，并且其加速性能理想，能够适用于高速客船的应用需求。但燃汽轮机也有着非常明显的缺点，其中最主要的缺点就是燃汽轮机不能实现燃油的充分燃烧。一般的燃汽轮机都需要使用更加清洁的蒸馏油，而且蒸馏油的价格昂贵，如果燃汽轮机不能做到燃油的充分燃烧，那么船舶的耗油量就会提升，船舶的运行成本也会增加。基于这一原因，燃汽轮机也不能被大多数的船舶公司所应用。但是，燃汽轮机的整体质量比较小，重量轻，如果在船舶中装备柴油机组合装置，那么就可以充分发挥燃汽轮机的真正价值，也可以扩大燃汽轮机的适用范围。

2  船舶动力系统发展趋势

2.1 废气处理系统

随着人类对环保的不断重视，对船舶废气排放的要求也不断提高。自2005年5月以来，MARPOL公约对船舶主机辅机的排放做出了严格地限量规定。公约要求减少例如二氧化碳、硫化物、氮化物的排放量。在MPEC第58次会议上，废气处理系统（脱硫设备等）被允许用来减少船上的硫化物排放。由于柴油机建造及燃油冶炼等原因目前正在正在建造或者服役船舶动力系统当中多数需要配套或者新增脱硫塔。按脱硫剂种类划分，可分为以下五种方法：以CaCO3（石灰石）为基础的钙法，以MgO（氧化镁）为基础的镁法，以NaSO3（亚硫酸钠）为基础的钠法，以NH3（氨气）为基础的氨法，以有机碱为基础的碱法。脱硫塔使用封闭的循环清洁水。这些水将会用一些碱性物质的水进行处理，例如烧碱中和剂。清洗水将会被重新循环利用，损失的部分用回添加新的淡水。少量的清洗水将会被送到污水处理厂处理后再被排放到大海中之前。这个系统也可以设计出一个储存柜来实现真正的零排放。

2.2 重油系统

首先，船舶动力系统可通过装设燃油均质机的方式为船舶提供良好的动力支持。大量研究报道中显示，对于燃油动力系统而言，引入均质既能够达到乳化、同时降低黏度的效果，对于改善动力系统应用燃油（尤其质量水平较低燃油）燃烧性能有非常重要的意义。此举可提升燃油燃烧过程中的清洁性以及经济性，符合船舶动力系统节能降排污的发展趋势。目前已有大量船舶动力系统中通过装设均燃油均质机的方式，保证中速柴油机能够使用质量较低燃油同样达到良好的动力推进效果;其次，船舶动力系统可通过引入加压循环系统以及伴管加热技术的方式满足船舶动力系统运行需求。整套系统按照一投一备的基本原则装设燃油加压泵装置以及循环泵装置，以实现燃油动力系统的增压循环运行。同时，引入伴管加热技术对加压循环系统进行优化。在这一方案的实施下，即便出现船舶动力系统短时间停车的情况，也无需进行重油换轻油的操作;最后，船舶动力系统可通过引入反冲洗精滤器装置的方式，促进燃油动力系统自动化水平的实现。

2.3 电力推进系统

船舶电力推进系统的核心是指经电动机装置提供扭矩作用，螺旋桨在机械传动装置作用下实现扭矩作用力自向前推动力的转换。整套电力推进系统的构成部件涉及到螺旋桨（主要承担推进器的作用）、电动机、发电机、配电系统、原动机、调节辅助控制装置这几个部分。中高速柴油机以及燃气轮机是绝大部分船舶电力推进系统的主要动力来源。从电源形式上进行分类，如交流式电力推进系统、直流式电力推进系统以及交直流式电力推进系统这三种类型。在船舶动力系统实践应用的过程当中，电力推进系统体现出了极强的可操作性、舒适性、方便性、环保性以及经济性特点。自上世纪开始，船舶动力系统就开始尝试对电力推进系统的应用，并逐步扩大至军事船舶、轮渡船舶以及海洋工程传播领域中。现阶段，在中小规模船舶动力系统应用领域中范围广泛，整体有着相当积极的发展前景。

2.4 LNG动力系统

在相同的能量功率输出下，天然气的二氧化碳排放只有石油二氧化碳排放量的71.34%，氮氧化物排放比石油减少了80%，硫氧化物排放比石油减少了100%，微小颗粒排放比石油减少了92%。选用天然气作为船舶动力可以大大提高船舶的环保性能。除了环保优势，价格上较传统燃料便宜，天然气发动机较柴油机更加经济。此外，天然氣发动机一般寿命为700000小时，大大超出船舶使用寿命。换言之，天然气发动机具有很高的保值率。

2.5 燃料电池动力系统

燃料电池动力系统应用于船舶动力系统中的核心是指基于燃料电池装置为船舶推进提供主动力或辅助动力支持。期间所涉及到的燃料电池装置是指基于电化学反应实现化学物质自电能转换的装置。燃料电池装置的能量转换率水平高，供电保证持续性，因此体现出了良好的节能环保特点，在船舶航运系统乃至船舶动力系统模块中应用相当广泛。当前技术条件支持下，船舶动力系统中对燃料电池装置技术的应用已经进入实践化阶段，凭借其高能效、无污染以及低噪音等一系列特点与优势被广泛应用于中小规模游览船舶、军事传播、LNG船舶、以及科学考察船舶动力系统中。但随着应用经验的不断累积，燃料电池成本偏高、燃料供应难度较大、技术成熟度不足等问题开始凸现出来，在一定程度上限制了燃料电池动力系统的进一步推广。

2.6 混合动力系统

混合动力系统是指应用两种及两种以上能量源或储能器面向船舶提供推进作用力支持。目前技术条件支持下，我国针对混合动力船舶技术的研究还不够完善，但发展空间与潜力是非常巨大。具体可以分为以下几种类型：首先是柴油机余热混合式推进系统。当前技术条件支持下，柴油机装置热效率最佳维持区间为45.0～50.0%，此工况下柴油机所排除冷水热量较少，废气中所带有热量比例在25.0～30.0%区间，对于功率较大的柴油机装置而言，余热空间是非常大的，应用潜力广阔，可以在加热的同时应用于淡水制造，将其作用于船舶动力系统领域中有着相当突出的价值;其次是太阳能电力混合动力推进系统。目前技术条件支持下，基于太阳能电力混合动力推进系统传播多运用太阳能以及柴油作为能源，基于发电技术实现对船舶的运行与推进。在实践过程中，船体运行所消耗电力可以通过计算得到，并支持船舶自身结合实际情况进行调节，在减少排放量的同时实现对电能的合理节约;再次是基于超级电容混合动力推进系统。基于超级电容混合动力的船舶电力推进系统一般是指：混合供电电源、充电系统、驾驶操作系统等等系统的总称。这个系统中的超级电容，与蓄电池相比，充电的速度是非常快的，可以在较短的时间内完成大量的工作，最重要的是可以做到没有污染，特别有利于可持续发展，噪音相对于来说也是比较小的，可以在很大的程度上来提高船舶内人员的舒适度。

3  结束语

在船舶航行推进过程当中，动力系统作为整船推进的核心技术，当前多数研究围绕动力系统性能开展。船舶动力系统的主要构成涉及到推进器、主机以及轴系这三个部分。从成本方面来看，船舶动力系统的建造成本占船舶设备总成本的1/3以上，其重要意义可见一斑。当前，船舶动力系统主要以柴油机动力系统与燃气轮机动力系统这两类为主，其运行性能关系着全球贸易的运输效率与安全，因此有关其应用现状以及发展趋势的研究也成为了造船行业技术研究的核心内容。上述分析中围绕船舶动力系统的应用现状以及发展趋势展开分析与探讨，仅供业内人士参考与关注。

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