我国绿色船舶动力系统集成技术创新及应用研究

王补法

平湖市华海造船有限公司

一、引言

绿色船舶是指采用先进的环保技术来设计和制造船舶，在其使用直至报废后的回收阶段，均能够达到其预定的性能，实现资源再利用、节能减排、降低对环境和人体污染的目标。动力系统作为为船舶提供动力的重要装置，是船舶制造中的关键组成部分，对船舶的性能和产生的收益起决定性作用。而动力系统集成技术是厂商提供全面的专业技术和专业人员的丰富工程经验以及完善的服务理念为船舶动力系统的制造和使用过程以及售后提供针对性的解决方案，目前动力系统集成技术已经逐渐成为船舶行业发展的新趋势。

二、动力系统集成技术的发展背景

集成系统的理念于20世纪80年代被西方发达国家提出并且实现在船舶制造上的应用，随着计算机技术的应用，瑞典TPIBON、法国CATIA、澳大利亚Maxsurf等集成软件也逐渐应用在船舶行业，自此船舶产业的发展被推上了一个从未企及的新高度，这也为后续各国船舶产业动力系统集成化的发展奠定了基础。在最初的动力系统集成技术方面，波兰推出的ENGINE78程序系统在各国船舶制造业产生了较大影响，是由船舶研究所和大学的共同设计研究成果，在散货船的柴油机动力系统中应用居多。与此同时，美国船舶研究所开发的HYDROCOMP软件，是由计算机辅助推进，多在船舶推进系统设计中应用，其技术和软件均可以称为当时的佼佼者。

国际上集成系统的推进对世界各地船舶产业的发展有十分重要的意义，对其他国家的船舶制造业起到了模范作用，提供了技术支持，推动了世界船舶产业的发展浪潮。集成系统的出现和应用对船舶制造业的自身制造业提供了便捷之处，改变了多个零件单独制造的生产弊端，将需要用到的设备集成设计一套制造，在设备的生产制造、维修保养方面提供了巨大便捷，省时省力，降低了制造中的损耗和风险，提高了船体制造的效率，增加了船舶制造业的整体经济效益，同时也为船舶产业的创新发展埋下伏笔。

三、国内绿色船舶动力系统集成技术存在的问题

虽然在国际上动力系统先进技术的提出对船舶企业产生了极大的推动力，但我国目前仍处在发展中国家，信息技术发展不足以支撑新型集成系统的制造，导致我国的船舶制造水平低于国际先进发展水平，船舶产业的发展存在很大的局限性。目前我国船舶动力系统存在的不足主要表现在以下两个方面：

1.对绿色船舶理念不够重视

发达国家对绿色船舶理念极度重视，首先在政策上给予船舶发展强有力的扶持，其次大规模投入资金和技术人员，才能够在集成系统方面获得具有战略性意义的成果。我国目前对船舶制造业的技术和硬件方面均不够重视，对船舶制造业的发展和研发并没有积极引导和科学地规划，才导致我国绿色船舶发展缓慢，与走在国际造船业前沿的发达国家逐渐拉开距离。

国家对船舶制造业的忽视导致我国目前船舶方面的人才少之又少，再加上现有工作人员对绿色船舶理念的不了解，对动力系统信息不明确，无法胜任船舶制造的技术开发工作。另外我国政府对船舶制造业的资金方面也没有充足的支持，在采购原材料的时候只能从低价低档次里面挑选，而环保节能材料普遍造价高，这也就直接导致我国的船舶对环境污染严重，有较大的发展局限性。

2.缺乏配套方面的技术支持

在船舶制造中配套设备的先进与否直接影响着船舶的节能性能，配套设备与船舶节能技术成正比，只有配套设备进行及时的改革创新，船舶节能技术才能够随之更新发展。对于发达国家而言，已经将大量的资金投入研发船舶配套技术中，自然能够取得显著成效并且高速发展，形成自己的节能技术体系。反观我国，好比陷入一个恶性循环之中，由于政府的不重视，各项基础设备投入都不足，研发团队力量较弱，规模相对较小，无法对船舶行业的现有研发成果进行创新和突破。

国内部分专业技术全面、对动力系统及其装备有较深理解的厂家，在动力系统的集成设计和供应方面也逐步推出新的设计模式。60年代末我国便开始引进发达国家的先进技术，将计算机投入使用到软件设计和制造中，随着我国在技术方面投入力度的加大，我国船舶技术发展的脚步也在加快，从依据我国自身的力量开发出我们熟知的CAD软件，再到通过对引进的技术进行分析研究最终成功研发出真正属于中国的专业集成设计软件，动力系统集成不仅仅是简单的设备采购、堆存供应、接口协调，而是利用动力系统集成厂家全面的专业技术、丰富的工程经验和周到的服务理念，在全寿命周期内，为船舶动力系统的设计、生产、使用、维护集成在船舶领域，动力系统的整合从根本上提高了我国船舶制造业的发展水平，这也标志着我国的工业发展进入一个新高度。

四、绿色船舶动力系统集成技术的创新方向

（一）环保高效化发展

节能高效是国际和国内船舶制造业所追求的一个共同目标，也是船舶动力系统改革创新的标准之一。目前鼓励船舶制造业在船舶动力系统设计方面应用相较于传统动力系统更加节能高效的电池蓄能柴电混合动力系统，或者基于直流电网的电力推进系统，以及在优化改进当前技术设备的基础上研发更加高效的智能系统设备。

在材料选择方面也要尽可能地选择节能环保的材料，例如曾经广泛应用在船舶内舱的矿棉与玻璃棉，虽然防火、保温与隔音效果非常好，但在废弃后无法降解，会严重污染环境，破坏生态平衡，为避免类似情况的发生，现代造船业必须使用新型节能环保材料。例如耐腐蚀钢板和钢管材料，对于货轮、装载原油等腐蚀物的船而言，利用耐腐蚀钢板原料大大延长了轮船的使用寿命，省去了清除处理的环节。另外可以使用新型环保涂料，既可以起到对船舶的保护作用，也可以减轻船的阻力提高其速度。

（二）低噪声化发展

船舶在航行中产生的噪声对船员的身体有极大的损伤，这需要引起科研人员的注意，注重将船舶制造向低噪声化发展。这一说法本身也是有政策依据的，早在2012年10月，中国船级社发布了《绿色船舶规范》，注明了绿色船舶中低噪声的要求。根据整船的设计来看，低噪声的处理要从船舶的动力系统入手，包括动力系统的设计建造、行驶中产生的系统性震动等均需要做有效的降噪处理。

（三）资源可再生化发展

向资源可再生化发展也是绿色船舶动力技术发展的方向之一，自然界中有许多可再生资源，例如人们熟知的太阳能和风能，还有鲜为人知的波浪能和潮汐能等，都是可以开发利用在绿色船舶动力技术上的可再生能源。太阳能是通过调整好角度的太阳帆将太阳光线吸聚足够多的量，转化成电能，直接使用或者储存在电池板上。日本是首个在船舶制造方面应用太阳能的国家，是应用于一艘名为“御夫座领袖”的大型货轮，值得一提的是这艘货轮虽是首个太阳能发电船舶，但应用得极为成功，在船上发电能力极强，哪怕阴天也能够吸收到能量，并且自动储存，所以即便天黑了也不用担心，储存的电量完全能够支持船舶继续航行。

（四）设计技术轻量化发展

企业社会责任和协调共同结构规范对船舶制造业的结构和质量要求愈加严格，这使得船体重量增加，船舶制造企业面临成本逐渐增加的挑战，这也是船舶制造业的一个瓶颈，因此船舶制造业要致力于轻量化设计技术，对此瓶颈进行突破。设计技术轻量化发展的根本做法是在制造船体时采用高强度钢，从而达到减轻结构重量的目的。

（五）系统集成化发展

集成系统的出现为船舶企业的制造提供了便利，为船体提供了将动力系统整合制造的设计方案，既方便了船体制造也充分满足了用户对动力系统的一系列要求，首先在选择方面能够根据系统匹配度和设备的先进技术性和适用性原则帮助用户确定最合适的动力系统，在这一过程中还能够为用户论证动力系统方案，以达到缩短做工时间和提高制造效率以及经济效益的目的。系统集成化发展可以将船舶动力系统设备的质量严格把关，促进其生产进度，将协调和质量监控化繁为简，与此同时，在船舶的运行过程中保证其售后服务。

五、绿色船舶动力系统集成技术的创新应用

（一）柴电混合动力系统集成创新与应用

1.柴电混合动力系统集成技术简介

柴电混合动力系统是由国外引进的新型动力系统，再由我国进行技术创新和突破，使之适合我国制造业的发展特点并能够投入使用。2009年，我国自主研发的PTL/PTO系统在粤海火车轮渡的投入使用标志着我国进入柴电混合动力系统时代。柴电混合动力系统的电机有四种发电模式，第一种是由PTO发电，第二种是由“电轴”输出，第三种是由电机带动，第四种是由Booster辅助推进。发电模式选择性广，无论使用哪一种发电模式都可以为船舶提供航行所需要的电量。

2.柴电混合动力系统集成技术优点

（1）启用发电机助推的形式，设备安装简单无污染，为绿色船舶制造开启新篇章。

（2）运用柴电混合技术，给推进系统多种选择，保证船舶动力装置的安全性和防范措施。

（3）实现两种能源的综合运用，体现不同助推动力的优势，提高航行效率。

（4）控制系统与能源利用得到优化，促进船舶制造业的智能化发展。

（5）通过使用柴电混合达到能源利用最优化，实现经济效益的提高。

3.柴电混合动力系统集成技术发展与应用

通过我国科研所以及一些科研高校对柴电混合动力系统集成技术的不断研讨分析和实践探究的努力下，使得我国柴电混合动力集成系统也有了快速的发展空间和成就。2012年《柴电混合动力模块设计方法》的颁发和混合动力船舶结构系统的研制成功以及柴电混合动力系统实验平台的建立为我国柴电混合动力系统的设计和应用开辟了道路并且积累了实践经验，为我国各类型的船舶应用柴电混合动力系统奠定了良好的基础。

（二）MT30燃气轮机技术与性能

1.MT30燃气轮机技术性能简介

MT30燃气轮机是一种简单循环的舰用燃气轮机，其功率为36MW和40MW两种，热效率能够达到40%。将MT30燃气轮机的动力涡轮设置到最优转速，可以让它的交流电机产生相应频率为60Hz的交流电，其中性能优良的部件和备用件由Trent航空发电机提供。该技术在设计船体结构和单元体时讲究精炼化，将船体部件的数量适量减少，但要做好维护措施提高其维修性。

2.MT30燃气轮机技术优点

（1）技术先进，MT30在Trent发动机中吸取了大量先进技术，例如通过叶片冷却技术对船体的重要组成部件涂层达到保护的效果，帮助船舶渡过被污染的海域，增长了船舶的航行寿命以及帮助船舶控制航行速度。

（2）MT30在制造的过程中将船体的安装进行了优化精简，使用箱装体进行部件设计构成，箱装体结构具有紧凑密集、减轻质量、降低噪音的优点。

（3）维修耗时短，易操作，可靠性强，大大节省了船员的时间，优化了船舶控制程序。

3.MT30燃气轮机技术发展与应用

设计成功后的应用初期，首先在两台船舶上进行实验，从启停循环到耐久循环再到功能实验等等，耗费时间长，次数多，但最终也取得了显著成效，为我国船舶制造业提供了效率更高的技术。经过长时间的发展和我国科研人员的不懈努力，MT30燃气轮机技术已经在多种船型上使用，成为世界上各大船舶企业的首选动力。

（三）LNG动力系统技术

1.LNG动力系统技术的简介

LNG是指液化天然气，一种不可再生的清洁资源，根据燃料多样性和清洁性原则以及性能接近程度来看，可以用天然气来替代柴油，作为柴油机的燃料，形成LNG燃料动力装置。LNG动力系统相较于运用柴油的燃料装置系统来讲对污染物的排放量能够减少很多，甚至可以彻底阻断氧化硫的排放。

2.LNG动力系统技术的优点

（1）清洁。利用LNG装置系统可以大大降低船舶航行过程中产生的二氧化碳等污染物的排放量，毫不夸张地说，一艘货船或者客船改用LNG装置系统一年能够减少千百吨的污染排放物。

（2）增加燃烧率。船舶上使用LNG装置动力系统能够提高燃料的燃烧率。

（3）方便储存。

3.LNG动力系统技术的创新发展

自从LNG装置系统被提出之后，我国多所船舶科研所和船舶制造业的专业人员长时间致力于LNG装置系统技术在船舶上的应用，尝试将LNG装置系统应用于更多类型的船舶上。我国的这一项研究与韩国研发成功的稀燃技术有异曲同工之处，均为世界船舶行业作出了巨大贡献，其节能减排效果也对生态环境而言有莫大的意义。

（四）复合能源动力技术

复合能源动力技术与上文提到的LNG装置系统有异曲同工之妙，复合能源动力技术是将包括LNG在内的一些清洁能源、可再生能源以及传统能源综合应用在船舶的动力系统上，这样做的好处是防止船舶动力系统对某一种能源燃料产生依赖，也能够帮助船舶产业实现绿色船舶动力系统节能减排的目标。对于这一能源，我国中远船舶公司曾与国外公司合作探究在货轮或邮轮上尝试采用太阳能风帆，在航行过程中太阳能风帆会根据所吸聚太阳的光线评测风向和风力，自动调整最佳的角度，借助风力推动船舶。该项研究充分体现了绿色船舶的理念。

六、结束语

总之，随着世界环境保护组织对海域生态环境的重视和我国关于航海新政策的出台，绿色船舶理念应运而生，并且逐渐成为船舶产业发展的趋势。由于我国工业方面在世界发展中长期处于落后状态，因此为了顺应绿色发展的国际新形势，我国要严格遵循并深刻理解绿色船舶的理念，增强节能环保意识，向着可持续发展的方向在船舶动力系统集成技术方面加大经济投入力度，加强专业技术人员的培养，克服传统工业的不足和技术难题，争取早日实现我国绿色、环保的航行之路。