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民用船舶电力推进系统的发展

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  • 发布日期:2013-03-11 14:05
  • 有效期至:长期有效
  • 技术区域:广东湛江市
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详细说明
  介绍现代民用船舶电力推进系统的发展情况,分析电力推进相对于传统柴油机推进的优点,对我国船舶电力推进技术的发展进行了展望。

    电力推进是船舶推进方式之一,它由原动机带动发电机发电,再由电动机驱动螺旋桨。船舶电力推进已有近百年历史。上世纪30年代曾出现电力推进的一个发展高峰。由于当时交流电机调速技术不成熟,多采用直流电力推进,其调速系统简单、调速性能好,但直流电机结构复杂、体积及重量大,并存在功率及转速极限等问题,故只能用在一些工程船舶及潜艇上。20世纪80年代以来,随着电力电子技术迅速发展,大功率交流电机变频调速技术日臻成熟,基于晶闸管整流/逆变方案和IGBT器件方案实现的船舶电力推进技术在国外得以迅速发展,并在可靠性和运行效率等方面都有了突破,从而使电力推进技术的应用领域不断扩大,除应用于破冰船、挖泥船、渡轮以外,还广泛用于大中型常规船舶,显示出广泛的市场前景。据统计,近3年来新建的油轮、渡轮、游轮、集装箱船有30%采用电力推进系统。可以预言,电力推进将是一种被广泛采用的先进船舶推进系统。


船舶电力推进系统的工作原理


    电力推进的主要组成部件有原动机、发电机、配电板、变压器、交/直流转换器、变频控制箱及推进马达。
    如某大型邮轮的主动力装置为4台大型柴油发电机组,发出的交流电能分配至全船各用电场所,其中送至主推进电机的分支需变压器升压。目前常见的电压等级有:6.6kV、12kV、20kV、36kV等几档,电压值升高有利于减少推进电机尺寸和线路损耗。升压后的电能送到交/直流变流器转换成直流电,然后经直/交流转换器转换成交流并调整频率,最后把满足要求的电流送到推进电机驱动螺旋桨。这种系统也称全电力推进系统。


两种主要的推进电机变频调速技术


    当今,船舶电力推进系统一般采用可变速电动机拖动固定螺距螺旋桨的驱动模式。推进电机主要有同步电动机和鼠笼式感应电动机两种。同步电动机适于低速传动,可以和螺旋桨直接相连;而鼠笼式感应电动机则用于中高速传动,它和螺旋桨之间通常需经减速装置连接。针对这两种电动机已经开发出两种相应的变速控制系统。用于同步电动机的变速控制系统的核心是CYCLO变频器,采用AC-AC环流型变频器调速,具有谐波影响小、功率范围大、性价比高等特点,称为CYCLO系统。在大型船舶上(如穿梭油船、大型客船等)目前实用的有中压和低压CYCLO系统两种。用于鼠笼式感应电动机的变速控制系统的核心是SamiPWM变频器,采用AC-DC-AC电压型变频器调速,具有功率因数高、转矩控制平滑等优点,相应的推进系统称为SamiPWM系统(或SamiMegaStar系统)。由于CYCLO系统可以直接带螺旋桨,且调速范围在0?觸155rpm,适合于大型船舶,目前已成为电力推进系统的首选发展方向。


推进器的种类


    在船舶电力推进系统中,有轴桨推进、管道式推进、方位角推进、吊舱式推进等多种形式。目前吊舱式推进器应用最为广泛。吊舱式推进是将电机放在一个吊舱内,螺旋桨直接连接在电机轴上,可360度旋转,在任何需要的方向上产生推力,不需要舵和侧推器,吊舱浸泡在海水中直接向外散热,推进电机也不需额外冷却。这种设计为制造、维护及检修提供了方便。目前,吊舱式推进器的功率范围从几百kW到几十MW不等,ABB生产的AZIPOD吊舱式推进器单机功率最大可达40MW。


电力推进相对于柴油机推进的优点


    1.经济性好。多台中速柴油机用于发电,可根据用电负荷选择发电机运行台数,使机组始终运行于高效工作区,实现最大的经济性。根据SIEMENS公司统计,同功率的船电力推进要比内燃机推进耗油减少10%左右,航速可提高0.5节。
    2.操纵性好。推进电机转速易于调节,在正反转各种转速下都能提供恒定转矩,因此能得到最佳的工作特性,使船舶取得优良的操纵性。
    3.安全性好。柴油机推进的船舶,一旦主机重要部件或舵机、轴系出现故障往往导致瘫船。而电力推进使用多台原动机,个别机组故障不致丧失动力。电力推进系统多采用两套以上互为备用。在CYCLO推进系统中,同步电动机定子有两组相互独立的绕组,一组出了故障仍可减载运行。
    4.节省空间。传统船舶轴系长度往往占到船长的40%左右,电力推进的船舶省却了传动轴系、减速齿轮箱,改善了机舱布置,使动力装置安排更加合理,节省了大量空间。
    5.噪音低。采用电力推进后,主要振动源——发动机安装在弹性底座上,以恒定转速运行,与轴系和船体也无直接联结,大大减少了振动和噪声,提高了船员和乘客舒适程度。这对客轮十分重要。
    6.有利于船舶控制环境污染。对同一功率船舶而言,电力推进中的中速柴油机可以始终在最佳工作区工作,燃油燃烧质量好,燃烧产物中的NOx含量少;燃气轮机联合装置的NOx排放水平则更低。


采用电力推进须考虑的问题


    使用大功率的电子器件,容易对船舶的电力系统产生谐波污染。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;对于通信网络,谐波将影响其电磁效应和正常的载波。电力推进系统方案设计时应该考虑变频器的类型、是否加谐波吸收器或与船舶的低压系统进行电气隔离等方案。一般要求低压配电系统的THD(总谐波变形值)小于5%,推进系统的THD应小于8%。


国外民用船舶电力推进系统应用情况


    世界上各大船用设备厂家都推出了电力推进系统。ABB、SIEMENS、ALSTOM、STNATLAS等公司都已开发出成套的电力推进系列产品。其中尤以ABB开发的吊舱式电力推进器AZIPOD最为成功,并得到广泛应用。
    AZIPOD将马达装入一个流线型壳体内,螺旋桨置于壳体前端,其推进效率高于常规螺旋桨。AZIPOD操作十分方便,可以在很低转速下运行,又可作为转向装置。从装有两套14 000kW AZIPOD的大型旅游船Elation号的运营效果可知,航速比装有常规推进的姐妹船快0.5节,推进效率高8%,回转半径减少30%,从全速前进到全速后退仅需20秒。截止2001年,ABB收到AZIPOD订单101套,总功率1 067MW,累计运行时数超过30万小时。
    目前AZIPOD的最大竞争对手是由瑞典Kamewa公司和法国Alstom公司联合开发的Mermaid推进器,也称“美人鱼”推进器,功率范围为5?觸25MW,该系统的独特设计在于轴封甚至整个吊舱都可以在水下进行更换。现在有30多艘装备了Mermaid推进器的船舶正在运营。目前世界上最大的豪华邮轮“Voyager of Seas”号采用的7个推进器中6个是“美人鱼”,采用分散驱动模式,船尾3个主推进器均为14MW,其他部位安装了4个辅助推进器,功率均为3MW。实践证明,减少船体阻力5%?觸10%,提高运输效率15%。


国内应用情况


    2000年,上海爱德华造船有限公司为瑞典公司建造了一艘19 500t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。2002年广船国际为COSCO建造的18 000吨级半潜船“泰安口”,是中国建造的第二艘电力推进船舶,采用两套SSP吊舱电力推进系统,由德国SIMENS公司和Schottel公司联合研制,采用双螺旋桨形式,分别装在一加长轴的两端,转向相同,吊舱尺寸不超过螺旋桨直径的30%?觸40%。设有船艏侧推器两套,每套功率800kW。“泰安口”采用三台中压3 900kW发电机组为两台4 700kW吊舱推进器和两台800kW侧推器供电。为防止谐波对低压系统的影响,电力系统中增加了两台交流机组向低压配电板供电,实现了中、低压系统的电、磁隔离。
    “泰安口”号的姐妹船“康盛口”号、烟台—大连火车轮渡、3 000吨级海事船、某化学品船、自航式全回转起重船及一些中小型船舶也采用了电力推进方式。


结束语


    船舶电力推进技术的兴起是现代电力电子技术进步的必然结果。尽管目前电力推进需较高的初投资,维护管理难度大,但能通过船舶营运后节能和增加舱容、盈利来弥补。随着电力电子器件的改进、电机控制技术和谐波抑制技术的发展、推进器和推进电机技术的成熟,必将进一步降低电力推进的初投资。可以预见,科技的进步必将为电力推进技术提供更加广阔的市场,将成为船舶推进装置的主要发展方向。
    我国在船舶电力推进系统研究及应用方面起步较晚,但在原动机、发电机、配电、变频调速等关键技术方面有一定的工业基础。但目前我国在船用大功率永磁电机、高压大容量电力电子器件、吊舱推进器等设计与制造方面与发达国家还有很大差距。中国应进一步加强相关技术的研究和开发应用,积极参与这一领域的国际竞争,在市场上占有一席之地。

 
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