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电力推进系统概述

2014-11-25 19:04阅读:
一 适用范围及目标
电力装置在各种船舶上应用广泛,从通讯、导航设备、报警及监控系统的供电装置,泵马达,风机,绞车的驱动装置,到大功率的电力推进装置。
电力推进是一个很多前沿行业都遇到的新兴领域。电力推进已经成功地应用于船舶上,这种应用是在综合考虑建造性,操作性和经济性的基础之上,造船工程师,水动力和动力装置工程师以及电气工程专家分工协作完成的。最优化的设计与折中方案只能在共同的设计理念和对其他方面充分理解的条件下才得以实现。
本文介绍电力电子技术的相关基础知识,重点是电力推进装置。目的是给有轮机专业背景的工程师介绍在电力推进船舶的设计和配置方面最重要的电力技术,使其具有必要的理解。
第一章介绍电力推进发展的历史,第二章介绍电力推进的应用领域,第三章介绍电力推进组成,第四章介绍电力推进相关控制系统,第五章介绍电力推进系统驱动器的主要特点,第六章及第七章讨论设计及工程应用中的注意事项,第八章用单线图形式介绍典型的应用布局。列出的参考文献不仅仅是本文相关信息的来源,它们还是对该课题进一步研究的参考书。
采用电力推进系统的动机
电力推进的概念并非新生的,其源头可追溯至100多年以前。然而,由于结构紧凑、性能可靠、具有竞争力的大功率可调速电机的控制以前较为困难,电力推进直到八九十年代才在一些新的应用领域涌现。
电力推进采用蒸汽透平或柴油机带动发电机,采用不同的配置形式,已应用于数以百计的各种船型。民用商船中电力推进系统的装机功率2002年已达6-7GW。此外在潜艇和水面舰只中,电力推进系统也有不少潜在的装机容量。
随方位角推进器和吊舱式推进装置的引入,电力推进系
统的配置应用在不同的船型中以满足运输、机动、定位等目的。
目前,电力推进主要应用在以下船型:游轮、渡轮、动态定位的钻井船、侧推辅助定位锚泊的生产设施,油轮,布缆船,铺管船,破冰船,其它冰区航行船舶,供给船,战舰。在已存在和新的应用领域等的新造船舶中,电力推进的研究和评估工作正在进行。
电力推进系统概述

三种推进方式的比较
电力推进装置的主要优越性总结如下:
通过减少油耗和维修量,降低全生命周期成本。特别是负荷变化较大的船舶,比如许多动态定位的船舶,他们的操作图谱中,运输和定位操作的时间相当。
通过增加冗余减少系统某单个故障弱点,优化原动机负载。
中、高速机重量较轻。
占用空间少,增加仓储容量。
推进装置布置灵活,推进器供电采用电缆;布置独立于原动机的布置。
采用方位角和吊舱推进器,机动性好。
噪音小,震动小,因为轴系变短,原动机转速固定,采用拖曳式桨伴流均匀,空泡少,减小气蚀。
以上优势累计起来也可弥补以下不足:
初投资增加。然而,事物在不断发展,总装置数不断增加,成本会逐步下降。
额外增加的部件(电力设备-发电机,变压器,推进器及电机),在原动机和螺旋桨间增加了损耗。
对新涉足本领域的人来说,大量的新型设备需要掌握不同的操作、管理及维护策略。
高性能的电力装置、主推进装置和侧推装置的安装,安保和自动系统的采用,是船舶获得最大运行时间的关键因素。由于对装置可靠性和优化利用的要求日益增长,安保和自动系统被采用来监测、保护及控制电站、推进和侧推系统。
能量流和能量效率
在任何独立的能量系统中,生成的总能量等于消耗和损耗的能量之和。对电力系统来说,它包括电站、配电系统、变压器、调速驱动装置和马达。能量流表示如下:
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简化的电力推进系统能量流
原动机,比如柴油机或蒸汽透平,给发电机轴输入能量。电动机,比如推进电机,承担负载。发电柴油机轴到电动机轴之间的能量损失包括机械损失和电损失,损失以放热形式出现,导致设备和周边环境的温升。
图中系统的电效率可表示为:
电力推进系统概述

对每个部件,电机效率可以计算出来,在满载时,效率的典型值是发电机效率0.95~0.97,配电板0.999,变压器0.99-0.995,变频器0.98-0.99,电机0.95-0.97
因此,柴油机-电力推进系统的效率,从柴油机轴到推进电动机轴,满负荷时正常情况下在0.88-0.92。效率随系统负载的变化也会改变。
因为在原动机到推进轴系中增加了额外的设备,导致差不多10%的损耗,电力推进系统的节能潜力并不是由于采用电力设备部件。我们必须考虑到可调距桨比定距桨的水动力效率高,及柴油机电力推进系统的柴油机工作在定速和高负荷区对应的燃油效率较高而机械推进系统原动机燃油效率随负载变化差异很大等因素。差别非常明显,特别是在较低推力的时候,比如DP和机动航行。
图中显示典型的中速机的燃油效率曲线,及可调距桨及定距桨的功率比较曲线。
直接跟驱动柴油机相连的可调螺距桨与可变速调节的定矩桨相比,水动力效率损失随工况不同差异明显。在低负荷工况下,尤其明显。零负荷下,CPP的水动力损失约15%,而可调速的定距桨损失近似0。在多数的CPP配制中,桨速要求为定速,转速一般较高。即使是在推力为0时也如此。对于FPP可变速驱动器允许零推力时对应0转速。CPP的优越性是螺距比在很大的转速范围内是水动力效率优化的。
螺旋桨的设计如是为满足高的航速,在低速时必然效率低,反之易然。因此,在设计推进系统时,实际工况是十分重要的。
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a)柴油机比油耗曲线 b 螺旋桨系泊特性曲线
柴油机最大的燃油效率在60%-100%的负荷之间,这就造成了传统机械推进和柴油机电力推进在功率消耗上的最大差异。在柴油机电力推进系统中,电站由多台小功率的柴油发电机组组成,总的运行台数可以选择使得每台运行机负载最优。总的额定功率也可以调整到适合船舶的可能的运行工况,使得针对多数的运行模式和时间内都可能找到一个优化的配置。
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某现场支持船舶工况图
电力推进船舶与传统机械推进船舶的燃油消耗对比
对现场支持船舶而言,运行工况显示如下,最后发现使用柴油机电力推进每年节省燃油700吨。以每公升40美分价格来计算,每年节省经费28万美元。如图所示,节能主要是由于不同的操作工况产生的。因此,运行工况被划分为DP/机动工况及运输工况,DP占的比例越大,节能效果越明显,反之亦然。
电力推进历史发展概况
19世纪末期,在德国和俄国最先开始了开展了许多以蓄电池为能量源的电力推进应用试验,此后第一代电力推进1920年代投入使用,结果大大减小了客船横渡大西洋时间。在当时,较高的推进功率只能靠透平发电机。S/S Noemandi是其中最为有名的一艘。蒸汽透平发电机发出电能,驱动4个推进轴上的同步电动机,每个功率达29MW。电动机转速由发电机发出电的频率决定。通常情况下,一台发电机带动一台推进电机,在低速巡航状态下,也可以1台发电机带动两台推进电机。
由于高效率和节能性更好的柴油机在20世纪中期兴起,蒸汽透平技术和电力推进技术正从商船领域中逐步退出,直到1980年代。
电动机调速技术的发展,首先是AC/DC整流器(可控硅整流器)在1970年代出现,接着AC/AC变频器在1980年代出现,使得基于电站供电的电力推进系统成为现实,也被称为第二代的电力推进装置。一个固定电压和频率的电站,由几台发电机组组成,向同一个电网供电,电网即向推进系统供电,也提供日常其他供电和向辅助设备供电。推进控制靠调节定距桨的速度来实现。这种解决方案首先应用在一些特殊船舶上,比如调查船和破冰船,也应用在游轮上。S/S QUEEN ELIZABETH II号于1980中期被改装成电力推进船,紧接着FANTASYPRINCESS级游轮,几艘DP船和穿梭油轮。注意,在柴油机直接推进方式下,推力是靠液压系统改变螺旋桨螺距角来实现的,通常称为CPP
吊舱式推进器在1990年代初期出现,电机直接安装在定距桨轴上,密封于水下可旋转的吊舱内。当时这种概念最早被提出用于改善破冰船的性能的,很快被发现在水动力性能和机动性能方面表现良好。在游轮M/S ELATION号第一次应用吊舱后,吊舱的优越性被广为人知,吊舱推进一夜间成为新造游轮的标准配置。
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游轮M/S ELATION(右下)装备AZIPOD推进器后节省大量空间可作其他用途,左上为其姐妹船。(black water黑水,粪便水 GRAY WATER灰水,生活洗浴水)
来源于:Maritime Electrical Installations And Diesel Electric Propulsion(ABB)

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