设备商探索更可行的电力推进

2011-05-22 责任编辑：未填浏览数：未显示石油机械网

核心提示：未来，燃料经济性、减少排放、运营效率和冗余度将可能是船舶设计主要考虑的问题。如果对柴-电推进系统有若干创新，使费效比高

未来，燃料经济性、减少排放、运营效率和冗余度将可能是船舶设计主要考虑的问题。如果对柴-电推进系统有若干创新，使费效比高的不利情况有所缓解，而重量、舱容和运营优势有所增强，那么将会有更多的船型从柴-电推进系统的电站中获益
        其中一个创新是瓦锡兰的低损耗概念（LLC）。它去除了每台发电机下设的独立变压器，而代之以直接向变频器输送功率，只有少量电流通过一台更小的变压器（每套汇流排上有一台）进行过滤干扰。如果需要．汇流排可以相连，从而确保系统在所有工况下都能驱动螺旋桨，同时减少了重量．削减了电气损耗（每套装置减少2％-4%），也减少了各种部件所需的空间50%以上。
        通过把整个电路布置成“方块状”（类似一个主环路），汇流排在侧边，变压器在角上，一套690V系统用于功率达19MW的装置上，相比一套6.6kV中压系统可显著节省费用。采用低损耗概念，相比以前的额定容量要求超过30MW的11kV或13.8kV装置，中压系统的容量也可达到2倍以上（至70MW)，还能节省大量的费用。
        采用柴-电推进系统可以有更大的好处，不过这需要对推进概念进行更为基本的再思考，包括船体和螺旋桨设计。例如CRP可获得效率增益，这个已众所周知很长时间了，但是由于复杂的轴承和密封配置，这种系统很难采用直接机械驱动。
        ABB公司采用了不同的方针，在2艘日本的单轴客滚渡船上，紧接在轴驱动主螺旋桨后面安装对转的Azipod推力器，也获得了同样效果（这2艘客滚渡船是Shin Nihonkai Ferry公司的“Hamanasu”号和“Akashia”号，2004年由三菱公司建造）。结果是燃油消耗降低12％-18%，船速也有增加。此外，所需功率从原来单螺旋桨设计的59MW减少至如今对转螺旋桨配置的52MW，同时每天减少燃料消耗30吨。
       Azipod推进器取代了舵的位置，能完成高达10度的回转，且后螺旋桨在主螺旋桨的伴流中仍能保持最大的效率。它还允许渡船在18米/秒的侧风时不用拖船也能照常运行，相比之下，采用固定轴系和推进器的渡船只能在13米/秒的风况下运行。从这些渡船的经验中获知，将大约70％的功率给主螺旋桨而剩余的30％给对转螺旋桨才能获得最高效率。
        ABB公司也对在集装箱船上安装对转螺旋桨系统进行了研究（该装置原来就在计划中）。这类船舶通常有很大的推进动力和服务航速。概念几近成为现实时，经济衰退的到来却使几乎所有的集装箱船订单被搁置，但是Adnanes先生希望在订单得以恢复时能看到有一套该系统被装上船。
        瓦锡兰公司的Hupli先生一直在考虑带有双轴系和双舵的船舶，并建议在直接驱动的单主螺旋桨两翼有替代舵的方位推进器。这样能优化主螺旋桨的水流情况，并省却了所需的舵和艉推进器，同时提升了总的可用推进功率。计算表明，如此配置所需功率将减少8％-12％。
        这种设计可应用于美国的下一代沿海油船，其冗余需求采用双尾鳍设计解决。这些船舶甚至使用电动机而不用直接驱动，这是因为一台发动机在需要时可以为2支螺旋桨提供动力，且较小的电动机就意味着尾鳍更瘦使船体的流体动力效率最大化。
        这种混合动力装置可能在未来会变得更加普遍，它模糊了直接驱动与柴-电推进系统之间的界线，且为船舶设计者和船东提供了各种动力方式的选择方案，包括多发动机柴-电推进系统。选择方案之一是1台主机带1台轴带发电机，通常这被看作是产生电能的有效途径。
       然而，轴带发电机的旋转速度必须维持在一段很窄的范围内，以产生频率正确的电能。这导致了一种情况，就是可调螺距螺旋桨可以在保持轴转速不变的情况下，通过减小螺距来降低船的航速––这样做效率是不高的。为了解决这个问题，Rolls-Royce公司开发了混合轴带发电机概念(HSG-Concept)，它能产生恒压恒频率的电流（同时也有正确的相角）而与轴的转速无关。
        这个概念采用了最新的有源前端技术（不需要变压器）和两次电流转换。一次转换是把变频交流电（AC）转变为直流电(DC)，二次转换则把DC转变为固定频率的AC。还有轴带发电机的“速度降低”特性，使轴带发电机系统与配电屏和其他提供功率的设备相联时表现得像标准的发电机组，能正常并联运行和稳定分担负荷。
        HSG-Concept适合于功率在100kw到5MW之间的440V或690V的轴带发电机系统，且允许轴带发电机几乎在任何轴速下产生有用电能。这意味着发动机和螺旋桨能在最佳的转速下运行，从而使燃油消耗和排放最小化，同时也避免了运行辅助发电机组的需要。此外，HSG-Concept能使发电机作为电动机使用，直接向螺旋桨轴提供额外的转矩以提供应急功率和冗余度。它还能在船舶降速航行或机动操作时使用而无需运行主机。
        Rolls-Royce Power Electric systems技术副总裁John Roger Nesje引证了一个例子，6.5MW的可调螺距螺旋桨在固定的额定转速和零螺距的情况下，功率损失达900kw。若采用HSG-Concept，则主机转速可降低到怠速状态，而慢速运行的轴带发电机用来维持电网的固定额定频率和电压。这样就能减少螺旋桨零螺距状态下的功率损失至100kw，且降低主机转速还能额外节省燃油5％-8％。
        在更高的负荷和速度下节省的潜力更大。例如，如果上述船舶的20节服务航速不得不降低到14节，可采用HSG-Concept替代减小螺旋桨螺距和维持轴转速以适应轴带发电机的方式，此时螺距可保持100%的状态而主机和轴带发电机的转速下降30%。最终结果是船舶仍以14节航速航行，而功率和燃油的消耗将由此减少大约20%。
        带有固定螺距螺旋桨的直接传动低速发动机也能从HSG-Concept中获益，因为它解决了因气候引起的螺旋桨转速变化也即轴带发电机转速变化引起的频率问题。因此，它免除了持续运行辅助发电机组的需求，这对装有冷冻货物的船舶特别有利。
       Rolls-Royce公司说HSG-Concept可以高的效费比在现有船舶上进行改装并将显著地减少排放。当轴带发电机由齿轮箱的二级PTO驱动时，改装可以非常简单，因为该系统对同步和异步电机两者都能适应，现有发电机可以保留。该公司估计改装的投资回收期为2-3年，如果是装在新建船舶上，则只需要1年。
        上述技术可以综合使用为新的船舶配置铺平道路，譬如单主机机械驱动螺旋桨和为轴带发电机提供动力，而轴带发电机为替代舵的对转方位驱动系统提供电力，其经济节省将是可观的。这样的增益能在较广范围的船型中得以实现，我们需要做的就是抓住机遇。

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