西莫论坛研讨会第七期——船舶混合动力系统技术概要及解决方案

标准答案

       船舶动力系统是船舶的“心脏”，您大概听过一首歌叫做《众人划桨开大船》吧，早期的船舶动力主要是靠人力划桨或风帆作为动力，随着蒸汽机的发明，船舶行业也和其他行业一样，在动力系统方面发生了翻天覆地的革命，出现了机动船舶。再随着电气技术的发展，特别是电力电子技术的发展，船舶的动力系统开始由传统的机械动力向混合动力及全电力推进方向发展。船舶混合动力系统作为现代船舶的一种主要动力形式和发展方向，得到了船舶制造业的高度重视，本期研讨会，就是讨论一下船舶混合动力系统的技术特点、目前国内外发展的现状、以及主要技术解决方案的系统组成和技术特点，希望业界的同行和对此感兴趣的网友们踊跃发言，共同探讨，共同提高。



     本次研讨会规则：
1、首先由我来抛砖引玉，介绍一下本人所了解到的一些概念和船舶混合动力方面的技术概要，可能俺才疏学浅、坐井观天，不当之处请各位大侠予以补充完善和批评指正，然后大家有什么关心的问题或疑问，提出了大家共同讨论。
2、为了维持讨论秩序，不致引起混乱，发提问帖时请注明是提问；回答网友提问时请注明回答XX的提问或使用论坛的“回复”或者“引用”功能（此功能在每个楼层的左下角，解答他人问题时，直接点击该问题所在楼层的“回复”或者“引用”，并输入内容即可）；除上述两种类型的帖子（提问或回答）之外，非常欢迎各位网友多发一些有关本主题的国内外先进技术、技术讨论甚至是争论等类型的帖子，与大家共同分享您的学术造诣和知识。
3、尽量将帖子内容描述清楚，凡是提出有效问题，或有效解答他人问题者以及有价值的技术讨论帖子，均有积分相送。
4、本次研讨会的目的是技术共享、学术探讨、共同提高。请勿发表题外内容，提倡和谐讨论，允许激烈辩论，但绝不允许人身攻击和有辱网友人格的措辞，违者屏蔽或删帖。
5 由于混合动力和综合电力系统许多应用于军事用途，因此所讨论的内容不得涉及国家秘密，一旦涉及军事用途就不要再讨论了，因网友帖子发生失泄密事件责任自负！

标准答案

我先抛砖引玉，介绍几个有关的概念和基础知识，以便大家讨论。
1 什么是船舶动力装置
      船舶动力装置是为保证船舶正常营运而设置的动力设备，是为船舶提供各种能量和使用这些能量，以保证船舶正常航行，人员正常生活，完成各种作业。船舶动力装置是各种能量的产生、传递、消耗的全部机械、设备，它是船舶的一个重要组成部分。 船舶动力装置包括三个主要部分：主动力装置、辅助动力装置、其他辅机和设备。
       从上面的术语看船舶动力装置的含义是相当广泛的，为了使我们的讨论更加有针对性，我们这里要讨论的主要是船舶推进系统的主动力相关设备，不包括生活用能量和特种船舶作业时的辅机设备。
2 船舶推进主动力系统的主要类型
     常规船舶的主动力系统主要有以下三类：
     （1） 传统的机械推进系统。通常采用 蒸汽机、 汽轮机、 柴油机、 燃气轮机等动力设备经变速齿轮箱带动螺旋桨为船舶提供推进动力。
      （2） 混合动力推进系统。 采用上述机械动力设备和电动设备进行混合推进，可以有多种不同的动力配置和组合方案。
      （3） 全电力推进系统（也称综合电力推进系统）。以电动机直接或通过齿轮箱与螺旋桨连接，用于提供螺旋桨的动力全部采用电力，其电源通常采用上述机械动力机械带动发电机组成船舶电站或采用蓄电池供电（潜艇大多采用这种方式）。
       本次研讨会仅讨论上述第二种推进方式，当然如果有网友对其它两种推进系统感兴趣或有其它两种推进系统的“猛料”也不妨适当讨论一下，但不可跑题太远。
3  船舶推进器的种类
    目前船舶推进绝大多数采用螺旋桨推进（特殊船舶及发展方向不排除其它推进器），通常螺旋桨推进器有两种形式：
    （1） 定距桨推进器。螺旋桨的桨距角是固定的，不可调节的。推力的大小靠调节螺旋桨的转速来改变。这种推进器的转速是变化的。
     （2） 变距浆推进器。螺旋桨的桨距角是可调节的。推力的大小靠调节螺旋桨的桨距角来改变。这种推进器的转速是恒定的。
      以上两种推进器对混合动力系统的设备及配置会有重大影响，在接下来的讨论中会详细介绍。

4  PTI和PTO工作模式

    在混合动力系统中，与螺旋桨连接的除了传统的机械动力设备外，还有电动力设备，通常指电机及其控制设备，电动力设备通常有两种工作模式，一种是将电能转换成机械能，驱动螺旋桨旋转，我们将这种工作模式称为PTI模式（take power in 的缩写），另一种是将主机的一部分机械能转换成电能（轴带发电），为船舶提供辅助用电，我们将这种工作模式称为PTO模式（take power out 的缩写）.通常船舶混合动力系统中都要求电动力设备可以具备上述两种工作模式。


      好了，先介绍这些基本概念，为后续的讨论提供一个讨论基础。接下来的讨论会更精彩，敬请期待！

标准答案

通常船舶的动力系统指主推进动力系统（以下简称动力系统）和辅助的电力系统（以下简称电力系统）两个独立的系统。动力系统是由船用主机、主轴、变速箱及推进螺旋桨等主要部件组成；电力系统通常是由数台柴油发电机组组成船舶电站，为全船的电气负载供电。这种船舶动力和电力系统的独立配置存在着以下问题：
其一，船用主机的额定功率是根据船舶的最大载重量和最大船速配置的，通常功率很大，车载重量较小、经济巡航、低速航行等工况下，往往船用主机的时机功率较小，长期出于轻载运行，这一方面造成大部分时间主机设备容量不能充分发挥利用，另一方面主机在轻载下运行的效率很低，造成能源浪费，另外柴油机长期在轻载下运行容易形成积碳，对柴油机的运行也会带来不利影响。
其二，由于动力和电力系统是两个独立的系统，一旦某一系统发生故障，不能相互支持作为备用能源，对全船的可靠性提高带来不利影响。一般船舶电站通常由数台柴油发电机组组成，具有冗余设计，一旦某台电站组发生故障，可以启动备用机组运行，不会对全船供电造成重大影响，但动力系统的主机往往只有一台或两台，一旦发生故障轻者会使船舶动力配置失衡，重者会使船舶失去动力，对船舶的安全性造成严重影响。
其三，由于动力和电力系统相互独立，不能相互进行“动力借用”，使得整个船舶动力总容量配置较大，且在各种运行工况下，动力调配模式很少，不能实现灵活的动力调配，达到最节能优化的经济航行。
为了解决以上问题，船舶设计专家们提出了轴带发电机的设想，并对工程中得到了成功应用，即在主轴变速箱上设置一个副轴作为动力输出，带动一台发电机，在主机轻载运行时投入该轴带发电机为船舶提供部分电力，这样就可以少投入一些柴油发电机组甚至切除所有电站等柴油机组，由轴带发电机向全船供电。从而大大节省了燃料消耗突现了节能运行，同时也解决了主机长期轻载运行的积碳等问题。因此这一解决方案可以很好地解决了上述第一个问题。但对第二个和第三个问题却仍不能得到很好地解决，为解决第二个问题，国外造船界提出了“带我回家”（take me home）的概念，即在主机发生故障时，不致使全船失去动力，依靠船上的电站机组提供动力，通过轴带发电机可逆电动运行，把船舶“开回家”，这一概念的提出受到了船东的极大欢迎，许多国外船只均采用了这一先进技术，大大提高了船舶的安全性和可靠性。这种技术的关键，是如何实现轴带发电机的可逆运行问题，解决了轴带发电机的可逆运行，不仅可以实现“带我回家”的梦想，第三个问题——灵活调配船舶动力，实现优化节能航行迎刃而解。
目前船舶轴带发电——电动系统的需求量逐年上升趋势。特别是远洋船舶、特种作业船舶及远海捕捞船，为了船舶的航行安全和便于作业，迫切需要配置该系统。但这种技术仅掌握在国外少数一些大公司手中，我国是造船大国，需要配置该系统时，主要依赖进口，对我国的船舶建造构成很大的限制。
       本次研讨会就是讨论针对不同船舶如何实现混合推进、如何实现电动——发电运行，如何实现“带我回家”！
   
            未完待续

标准答案

传统动力推进系统的组成：



该系统存在问题
   ①主机容量大，长期轻载运行，导致系统效率低；主机长期轻载运行容易形成积碳，对主机不利。
   ②可靠性低，一旦主机故障则失去动力。

为了解决上述问题，人们提出了轴带发电机的概念，即在齿轮箱上设置一个辅助动力输出轴，与一个发电机连接，这样在船舶航行时，主机即带螺旋桨，同时又带轴带发电机发电，其组成如下：
混合动力推进系统的组成：


       这种方式只解决了上述第①个问题，而未能解决第②个问题。为解决第②个问题，又对轴带电机提出新的要求，采用可逆运行轴带电机，使轴带电机即可发电运行也可电动运行，即所谓的PTI/PTO系统。这就是传说中的混合动力系统。

标准答案

对大型的船舶，通常需要两个螺旋桨，这样每个螺旋桨上都可以配置一台轴带电机实现混合动力推进，其组成如下：




这样两套轴带电机的运行模式可以有多种组合：
1.PTO模式经济巡航时利用主机富裕功率发电，减轻辅助机的负荷和投入量，完成节能。
2.PTI模式主机故障或特种作业时，利用辅机动力为轴带电机提供电流，轴带电机电动运行，驱动螺旋桨低速航行或返航。
3.并联推进模式。当需要高速运行时，可实现主机与辅机的动力联合推进。
4.单机双桨推进模式。对双螺旋桨的船舶，当一台主机故障或经济巡航时，可开动一台主机在推进的同时带动其轴带电机发电为另一轴带电机提供电源，另一轴带电机做电动运行，驱动另一螺旋桨，从而实现单机双桨推进。

标准答案

轴带发电——电动系统的技术要求及特点
1  发电工况技术要求和特点
船舶轴带发电——电动系统在发电工况时，原动机为船用主机，通过变速齿箱上的副轴驱动可可逆运行的电机作为发电运行，因此发电机的转速受船舶主轴转速的制约。一般来讲，船舶推进系统的螺旋桨分定矩桨和变矩桨两种，所谓定矩桨是指螺旋桨的桨矩角是固定的，船舶的推力依靠调节主轴的转速来调节，因此这种推进系统的主轴转速是变化的，从而使得发电机的输入转速也是变化的。所谓变矩桨是指螺旋桨的桨矩角是可调的，船舶的推力依靠调节螺旋桨的桨矩角调节，而主轴的转速是恒定的。上述两种推进系统所配的轴带发电机技术要求有很大的不同，对定矩桨系统，由于轴带发电机的输入转速是变化的，必须通过一定的技术手段来保证发电机在变速驱动的情况下，输出恒频恒压，即实现变速恒频恒压运行，才能保证轴带发电机系统与船舶电站的并联运行或独立稳定供电，这是这种推进系统下轴带发电机系统最大的技术特点和技术难点，通常这种推进系统下所配的轴带发电机不能是通常的同步发电机，应该是一些特殊的电机，如同步电机（永磁或电励磁）或异步电机加全功率变流器组成的系统，亦或双馈电机加专门的交流励磁系统。对于变矩桨推进系统，由于轴带电机的转速是恒定的，可以用常规的同步发电机作为轴带电机即可实现恒频恒压输出，系统简单，造价低廉。
2 电动工况技术需求和特点
   当轴带发电——电动系统作为电动工况运行时，电源来自船舶电站，负载是整个推进系统的轴系和螺旋桨。其特点是电源容量较小，机械负载的转动惯量很大，对变桨矩螺旋桨推进系统而言，要求轴带电机作电动运行时转速保持恒定或基本恒定，通过调节螺旋桨的桨矩角来调节船舶推力，轴带电机的机械负载属于恒速变转矩负载，可采用一般的同步电机或异步电机即可满足其要求。而对定桨矩螺旋桨推进系统，则要求轴带电机作电动运行时必须能够调速，通过调节电机转速来改变船舶推进主轴的转速，进而改变螺旋桨的推力和扭矩。电机的机械负载属于变速变转矩负载。此时轴带电机除选用常规的同步电机或异步电机外，还需要考虑调速装置方能实现此功能。
3 轴带发电——电动系统需考虑的技术问题
根据船舶轴带发电——电动系统的技术要求及特点，在设计该系统解决方案时应重点解决好以下技术问题。
①        发电运行时与船舶电站的并联运行及独立供电问题
       通常轴带发电机可选用永磁同步电机、普通电励磁同步电机、无刷电励磁同步电机、双馈异步电机或鼠笼异步电机等。若采用普通电励磁同步电机或无刷同步电机，且推进系统为变桨矩螺旋桨时，由于驱动转速恒定，则在发电工况下主轴驱动与其它原动机驱动无异，发电机独立运行不存在任何问题，无需特殊设计即可满足要求，但若要与船舶辅机电站并联运行需要考虑有功分配的问题。对定矩桨推进系统，由于驱动转速变化，使得发电机的频率和电压均会随着转速的变化而变化，以至于无法直接与船舶电站并联运行和独立供电，必须通过变频器来实现变速恒频恒压控制，才能实现并联运行和正常的独立供电。此时电机也需进行专门设计，以满足变速运行要求。若采用永磁同步电机，由于其端电压随负载、转速的变化而变化，则无论是定矩桨还是变矩桨，均需配置全功率变频器才能实现良好的并联运行特性和独立供电特性，若采用双馈机，则转子上必须配备转差功率变频器方可满足并联运行要求，但仍不能实现（或很难实现）独立供电要求，因此对于需要轴带电机独立供电的系统，不宜采用鼠笼异步电机。
②        电动运行时的起动问题  
     通常同步电机具有较好的发电性能，但在电动运行时无法自起动是其最大的技术缺陷，双馈电机虽具有良好的发电性能和电动性能，但由于其结构上存在滑环碳刷系统，在可靠性和维修性方面存在较大隐患，鼠笼异步电机在电动性能和起动性能方面较为优越，但发电性能较差。因此解决同步电机的起动问题成为轴带电机系统的最关键问题，对永磁同步电机而言，由于必须配置全功率变频器，采用变频器来起动永磁电机是非常方便的。对普通的电励磁同步电机也可采用变频器来起动，但由于仍存在滑环碳刷装置，一般不常采用。对无刷同步电机而言，由于主机的励磁来自励磁机经旋转整流器供给，在电机未起动前，励磁机不发电，主机就没有励磁电流而无法建立磁场，因此即使采用变频器也无法起动，必须采取其它的措施才能解决其起动问题。
③        轴带系统的运行控制问题
为了保证系统的正常运行，需要配置专门的控制系统，来实现各种运行工况的切换、系统起停、各种工况下的有功、无功负载调节及功率分配和均载等功能。

标准答案

下面就介绍几种常见的混合动力系统的解决方案和实例：
1.普通船用无刷同步发电机作为轴带电机，其组成见4楼的图1.
    优点： ●系统简单，系统造价低。
    缺点： ◆功能单一，适用于PTO模式运行，不便于PTI模式。
               ◆只适用于变距桨，恒速运行
               ◆不能与电站并联运行
           
    业绩：已广泛用于各种变距桨船舶。
2. 无刷同步电机加辅助起动电动机和起动变频器，其组成如下：


    优点： ●系统简单，系统造价较低
           ●可运行于PTI/PTO         
    缺点： ◆只适用于变距桨恒速运行
           ◆ PTO时不便于与电站并联运行
           ◆不便于作并联推进
           ◆起动转矩较小，只能先起动自身电机后
             再与主轴接拍，冲击较大
    典型业绩：粤海轮渡



3.特种无刷同步/异步电机轴带电机。其系统如下：



该系统的轴带电机采用了一台专门设计的同/异步电机，即电机的转子采用了三相绕组，将转子三相绕组短路即是一台异步电机，将转子三相绕组中两相并联再与另一相串联，通入直流励磁电流即是一台同步电机。
  优点： ● PTI运行时实现无冲击起动
         ●使用普通变频器成本较低
  缺点： ◆只适用于变距桨恒速运行
         ◆ PTO时不便于与电站并联运行
         ◆ PTO时同步发电,PTI时异步电动,需停机
          切换

  典型业绩：目前只是某实验室样机阶段。样机实物如下，经试验性能良好。

标准答案

4.双馈电机作轴带电机包括有刷双馈和无刷双馈，其组成如下：


  优点： ●在一定转速范围内可实现变速恒频
         ●可用于定距浆船舶
         ● PTO时容易与电站并联运行
         ● PTI时容易实现并联推进  
  缺点： ◆使用四象限变频器,成本较高
         ◆有刷电机维护成本高,适应性能差
         ◆无刷双馈电机制造成本较高
         ◆一般不适用变距浆船舶
典型业绩：已应用于长江内河航运的船舶，这是样机在实验室里的联调时的图片。



5.交流励磁无刷同步电机加特种全功率变频器，为了在静止时，能够在无刷同步电机的主机中建立磁场，专门设计了一种特殊的无刷同步电机，其励磁机采用了交流励磁方式，全功率变频器也采用了特殊设计，使之更好地适应这种特殊电机，特别是做电动运行启动时，采用了专门的控制程序，统筹考虑励磁电流的频率、大小与主机电枢协调控制，完成大扭矩启动。设备组成如下：


实验室联调时的样机：



此系统优点：

       ●理论上可在全转速范围内实现变速恒频
       ●既适用于定距浆船舶也适用于变距浆船舶
       ● PTO时方便与电站并联运行
       ● PTI时方便与主机实现并联推进  
       ● PTH时可实现零速全转矩起动
       ● 变频器故障时电机可单独应急运行
缺点： ◆使用四象限变频器,成本较高
       ◆电机绕组绝缘需按变频电机设计,成本较高

标准答案

6.永磁电机加全功率变频器，其系统组成如下：




优点： ●理论上可在全转速范围内实现变速恒频
       ●既适用于定距浆船舶也适用于变距浆船舶
       ● PTO时方便与电站并联运行
       ● PTI时方便与主机实现并联推进  
       ● 可实现零速全转矩起动
缺点： ◆使用四象限变频器,成本较高
       ◆电机使用稀土材料,成本高
       ◆变频器故障时系统无法运行
7. 穿轴式混合动力系统
     从轴带电机的联接安装方式上看，还有一种穿轴式的轴带电机，这种联接可以去掉齿轮箱，电机的转子直接与主轴集成到一起，定子套在转子外面，形成主轴直接驱动电机转子和螺旋桨，这种方式的优点是系统集成度高，缺点是由于电机转速与主轴相同，通常转速较低，电机体积很大，电机出现问题时，不易拆装维修。下u是一个国外电机的图片。


小结：


船舶混合动力系统作为一种新型的动力方案，在今年来得到了广泛的应用，它的应用极大地丰富了船舶动力组合的模式，即可以实现节能减排，提高经济效益；又可以实现船舶的动力冗余，提高船舶安全性；还可以应用在一些特种船舶上，提高船舶的综合性能指标。不失为一种不错的动力选择！

      希望通过本人以上的抛砖，能够引来广大网友的真金美玉，欢迎大家踊跃讨论，发表真知灼见，由于本人才疏学浅且孤陋寡闻，不当之处也请大家拍砖！共同学习，共同提高！
      

张老五

问个问题
现在汽车的混动，有轻混，重混，还有纵向和横向之类的区分，船舶有这样的差别么
第二个问题，汽车的混动，离不开蓄电池的支持，那船舶需要蓄电池么？不算潜艇这样的。如果有，那蓄电池一般是怎么样的规模

fullingmotor

先占楼支持一下！！ 李老师加油！

lvwei1020

我也占个楼支持一下

CAE_BCG

占楼支持。李老师威武。

阿Q精神

李老师自己占楼，阿Q抢一层，严重支持支持，搬小板凳·····

tanjunjield

怎么个支持法啊，李老师还没有准备好吧。我也来支持了。

fullingmotor

原始社会的人工划桨，到目前的最先进的 核动力，社会进步明显。
我在思考，我们在这讨论会不会触碰到国家机密啊？
现在混动已经用于汽车了，混动有什么优势或 只能算是 被跳跃的阶梯？
谢谢1

forlink

先占楼，来支持李总

lizhonghai

占18楼支持李老师呀。。李老师现在在准备呀。。

jorken

以后电力驱动是大势所趋，汽车向电动汽车方向发展，飞机向全电飞机方向发展，轮船也是....

Elsa

建议开网络会议，效果会好些