混合动力船舶

混合动力船舶（精选十篇）

混合动力船舶 篇1

关键词：动力系统,混合动力,续航能力,经济效益

0 引言

“混合动力电动船舶”可以定义为以两种或两种以上储能器、能量源或能量转换器作为动力源, 其中至少有一种可以提供电能的船舶。混合动力船舶技术目前尚处在不断探索和研究的阶段[1]。在国外, 有不少科研机构提出了一些相关方法和理论。世界上第一艘柴电和燃料电池混合动力系统的U31号潜艇已于2003年在德国基尔港试航成功[2]。2010年1月, 意大利和斯洛维尼亚联合研制了GREENLINE33混合动力游艇, 该游艇混合了电池组、柴油机和太阳能动力。

国内在混合动力船舶领域方面起步较晚, 成功应用的例子并不多。在我国, 上海海事大学于2005年成功研制了国内第一艘燃料电池试验船“天翔1号”。该船的燃料电池总功率为2k W, 推进器功率1470W, 14km/h航速下的续航时间为5小时。

1 混合动力电动船舶动力系统的配置

混合动力电动船舶, 采用动力电池作为船舶的主动力源, 柴油发电机组和太阳能为辅助能源。正常航行时, 主要由岸电充电的动力电池供电, 柴油发电机组处于待机状态, 并不运行[3]。只有在极限条件下 (船舶靠离码头、风浪洋流恶劣环境、大推力操纵船舶、动力电池剩余容量不足等) , 才起动辅助柴电机组投入工作。动力控制系统如图1所示。

2 混合动力电动船经济效益分析

与传统动力推进船舶相比, 混合动力电动船舶在节能减排和节支等方面表现出了不错的经济效益。以一艘航速为10k N, 推进动力为95k W的电力推进船舶为例, 在经济航速下, 推进动力每小时所需电量为95k Wh, 其辅助用电5k Wh, 合计100k Wh, 取柴电机组额定容量为120k Wh, 每年航行时间为4000h。

(1) 在节能方面:柴电机组效率为 (120-100) /120=0.83, 若取耗油系数为212g/k Wh, 则实际每小时油耗100*212/0.83=25542g=25.542kg, 取柴油—标准煤折算系数为1.4571, 则折算成标准煤25.542*1.4571=37.217kg。若以动力电池供电, 取电池—标准煤折算系数为0.34, 则每小时标准煤耗为100*0.34=34kg。因此, 实际可节约能源37.217-34=3.217kg标准煤, 节能3.217/34=9.46%。每年节约能源3.217*4000=12868kg=12.868t标准煤。

(2) 在减排方面:混合动力电动船在正常航行时, 主要由动力电池供电, 因此基本无废气排放。若以柴电机组供电, 每小时烟气排放为100*7.68=768kg, 其中CO2排放100*0.61=61kg。

则每年烟气排放量4000*768=3072t, 其中CO2排放4000*61=244t。

(3) 在节支方面:根据我国陆上电网商业电价和柴油商业售价的计算比较, 若以柴电机组供电, 每小时油费100*2.08=208元。每小时电费100*1.2=120元。因此, 实际每小时节约油费208-120=88元, 每年节约油费4000*88=35.3万元。在国际石油价格不断攀升的情况下, 节支效果将会进一步凸显。

3 关键技术

混合动力电动船舶之所以发展缓慢, 是因为混合动力系统数学控制模型难以建立, 能源控制系统复杂。

3.1 混合动力船舶能源系统控制模型

现有的船舶动力系统模型基本上都是在单一的能源系统 (柴电机组电站或柴油发动机) 基础上建立起来的。当加入动力电池以后, 由于能量源的物理特性和运行特性的本质不同, 并且船舶在运行中的工况也多种多样, 所以在建模过程中需要不断优化, 以实现能源系统控制模型的完整性。

3.2 混合能源控制系统

混合能源控制系统主要由动态检测模块、状态控制模块、协调控制模块组成。混合能源控制系统功能示意框图如图2所示。

(1) 动态检测模块检测混合能源控制系统的运行参数和运行状态, 由于此系统是一个多变量的复杂系统, 对参数不能完全进行直接测量, 因此对由不同时间、不同方式获取的数据进行多源信息融合处理, 以便获得更准确、更可靠的混合动力系统运行状态描述。

(2) 状态控制模块是在获取动态检测模块的提供的参数基础上, 根据对船舶推进系统的转速与功率需求、柴电机组当前输出功率及限制、动力电池组的剩余容量、给定航速的经济型等因素的综合评判结果, 确定不同工作模式 (动力电池供电模式、柴电机组供电模式、混合供电模式) 的控制条件, 并实施不同工作模式的无扰动切换。

(3) 协调控制模块是将参数优化问题与动力系统参数匹配一同考虑。以船舶动力性能为约束条件, 在不同航行条件下, 以最小排放、最少燃油、或最大续航能力为优化目标, 采用目标达成方法将多目标问题转换为单目标问题, 实现混合动力的功率最优分配, 从而实现协调控制。

随着全球经济的持续发展, 船舶废弃物排放对环境的污染日益严重, IMO海上环境保护委员会 (MEPC) 早在2008年5月就通过了MARPOL公约VI的修正案, 严格限制船舶大气污染物的排放[4~6]。在这样的大背景下, 混合动力电动船节能减排的优势将越来越显著, 这也是未来船舶技术革新的突破方向。与此同时, 诸如太阳能、风能、核能、生物质能、氢能及混合能源等新能源在船舶行业的广泛应用, 也将促进船舶交通运输的飞速发展。

参考文献

[1]张敏敏, 康伟.一种混合动力电动船舶能源管理系统的设计[J].中国水运:下半月, 2011 (12) .

[2]崔为耀.从212到216——浅谈德国燃料电池AIP潜艇的演化[J].现代舰船, 2012, 09:21-25.

[3]丁晨雷, 康伟, 褚建新.小型船舶绿色动力电池推进系统研究设计[J].上海造船, 2011, 02:38-41+46.

[4]陈永道.船舶动力系统现状及发展趋势[J].机械制造与自动化, 2013 (02) .

[5]李明, 黎菁, 段征.船舶混合动力系统的研究[J].柴油机, 2012 (03) .

第一章 船舶动力装置概述 篇2

船舶动力装置的组成、类型和发展

一、船舶动力装置的组成

现在的船舶动力装置主要由推进装置、辅助装置、管路系统、甲板机械、防污染设备和自动化设备等六部分组成。1．推进装置

推进装置是指发出一定功率、经传动设备和轴系带动螺旋桨，推动船舶并保证一定航速航行的设备。它是船舶动力装置中最重要的组成部分，包括：（1）主机。主机是指提供推动船舶航行动力的机械。如柴油机、汽轮机、燃气轮机等。

（2）传动设备。传动设备的功用是隔开或接通主机传递给传动轴和推进器的功率；同时还可使后者达到减速、反向或减振的目的。其设备包括离合器、减速齿轮箱和联轴器等。

（3）轴系。轴系是用来将主机的功率传递给推进器。它包括传动轴、轴承和密封件等。

（4）推进器。推进器是能量转换设备，它是将主机发出的能量转换成船舶推力的设备。它包括螺旋桨、喷水推进器、电磁推进器等。2．辅助装置

辅助装置是指提供除推进船舶运动所需能量以外，用以保证船舶航行和生活需要的其他各种能量的设备。主要包括：（1）船舶电站。（2）辅锅炉装置。（3）压缩空气系统。3．管路系统

管路系统是用来连接各种机械设备，并输送相关流体的管系。由各种阀件、管路、泵、滤器、热交换器等组成，它包括：

（1）动力系统。为推进装置和辅助装置服务的管路系统。主要包括燃油系统、滑油系统、海淡水冷却系统、蒸汽系统和压缩空气系统等。

（2）辅助系统。为船舶平衡、稳性、人员生活和安全服务的管路系统。主要包括压载系统、舱底水系统、消防系统、日用海/淡水系统、通风系统、空调系统和冷藏系统等。4．甲板机械 为保证船舶航向、停泊、装卸货物所设置的机械设备。它主要包括：舵机、锚机、绞缆机、起货机、开/管舱盖机械、吊艇机及舷梯升降机等。5．防污染设备

用来处理船上的含油污水、生活污水、油泥及各种垃圾的设备。它包括油水分离装置（附设有排油监控设备）、生活污水处理装置及焚烧炉等。6．自动化设备

为改善船员工作条件、减轻劳动强度和维护工作量、提高工作效率以及减少人为操作失误所设置的设备。主要包括：遥控、自动调节、监控、报警和参数自动打印等设备。

二、船舶动力装置的类型 1．蒸汽动力装置

根据运动方式的不同，蒸汽动力装置有往复式蒸汽机和汽轮机两种。汽轮机推进装置的优点：

（1）由于汽轮机工作过程的连续性有利于采用高速工质和高转速的工作轮，因此单机功率比活塞式发动机大。

（2）汽轮机叶轮转速稳定，无周期性扰动力，因此机组振动小、噪声低。（3）磨损部件少，工作可靠性大。

（4）可使用劣质燃油，滑油消耗率也很低。汽轮机推进装置的缺点：（1）装置的总重量、尺寸大。

（2）燃油消耗大，装置效率较低，额定经济性仅为柴油机装置的1/2-2/3；在相同的燃油储备的情况下续航力降低。（3）机动性差，备车时间长。2．燃气动力装置

在燃气动力装置中，根据发动机运动方式的不同，有柴油机动力装置和燃气轮机动力装置两种。1）柴油机动力装置

柴油机动力装置具有如下优点：（1）具有较高的经济性。（2）重量轻。

（3）具有良好的机动性，操作简单、启动方便、正倒车迅速。柴油机动力装置也存在如下缺点：

（1）由于柴油机的尺寸和重量按功率比例增长快，因此单机组功率受到限制。（2）工作时噪声和振动较大。

（3）中、高速柴油机的运转部件磨损较严重。

（4）传统的柴油机在低速时稳定性差，因此不能有较低的最低稳定转速，影响船舶的低速航行性能。另外，柴油机的过载能力也较差。2）燃气轮机动力装置

燃气轮机动力装置有如下优点：

（1）单位功率的重量尺寸较小，机组功率也较大。

（2）良好的机动性，从冷态起动至全负荷时间仅需几分钟的时间。燃气轮机动力装置也有如下缺点：

（1）燃气轮机自身不能反转，如果作为主机，倒车时必须设置专门的变向设备。

（2）必须借助于电机或其他起动机械起动。

（3）由于燃气的高温作用，使叶片工作可靠性较差，寿命短。

（4）由于燃气轮机工作时空气流量大，因此进、排气管道尺寸较大，舱内布置困难，甲班上有较大的管道通过切口，影响船体强度。（5）燃油消耗率较高。3．核动力装置

核动力装置是以原子核的裂变反应所产生的巨大能量，通过工质（蒸汽或燃气）推动汽轮机或燃气轮机工作的一种装置。核动力装置有如下优点：

（1）核动力装置以少量的核燃料能释放出巨大的能量，这就可以保证船舶以较高的航速航行很远的距离。

（2）核动力装置在限定的舱室空间内所能供给的能量，比一般其他型式的动力装置要大很多。

（3）核动力装置的最大特点是不消耗空气而获得能量，这就不需要进、排气装置。

核动力装置的缺点：

（1）核动力装置的重量、尺寸较大。

（2）核动力装置的操纵管理、检查系统比较复杂。（3）核动力装置的造价昂贵。

三、柴油机动力装置发展趋势及管理重心的变化 1．船舶动力装置发展的趋势

1）柴油机动力装置继续占主导地位，并在不断发展（1）大型低速机向两极发展，即开发多缸、大缸径和少缸、小缸径的机型，以适应大型、超大型船舶和小型船舶。

（2）大功率中速柴油机仍然是大型客船、滚装客船、滚装船的推进动力装置的首选。

（3）船舶柴油机的控制技术向电子化、智能化方向发展。（4）双燃料发动机用于特种船舶推进装置的前景可观。

LNG船的动力装置基本上是蒸汽轮机，蒸汽轮机输出功率大、排出废气少、维护量少、可靠性高，但是蒸汽轮机的热效率低、燃油消耗率高。近年来，各种替代方案应运而生，例如天然气—燃油的双燃料二冲程和四冲程发动机的诞生等。与常规动力装置相比，双燃料发动机最大限度地利用了气体燃料，大大降低了燃油消耗（节约燃料20％～30％），同时，双燃料发动机的NOX排放量只相当于普通柴油机的1/10，,CO2的排放也相当低。双燃料发动机是LNG船主机的首选。目前主要机型有瓦锡兰公司生产的Wartsila的DF系列双燃料发动机、MAN B&W公司生产的ME-GI及四冲程双燃料发动机。随着人们对不污染海洋环境和大气的“绿色船舶”的期望，世界上众多的科研部门正在努力，以期减少柴油机动力装置的排放污染。

2）大型豪华旅游船的建造促进了电力推进系统的发展。

电力推进系统是通过电子变频技术，采用简单的交流电动机带动定螺距螺旋桨，根据需要从零到满负荷自由选择转速，以满足机动性和操纵性的要求。电力推进系统的优点：

①可省去中间轴及轴承，机舱布置灵活。

②可选用中高速柴油机，可使螺旋桨的转速得到均匀、大范围的调节。③倒车功率大，操纵容易，倒航迅速，船舶机动性提高。④主电机对外界负荷变化适应性好，甚至可短时堵转。3）高速船的发展为燃气轮机动力装置带来了生机。

由于燃气机在单位功率重量和尺寸方面的优势，加上其优良的加速性能、可靠性、振动小和低的NOX排放量等优点，被高速客船等采用。与柴油机相比，燃气轮机的不足之处主要是其较低的经济性。因此在作为推进动力时经常配备柴油机，而利用燃气轮机具有良好的起动性能用于加速工况，配上柴油机组成联合动力装置克服低工况油耗高的缺点，是高速船较合适的动力装置。实践表明燃气轮机机组可靠性达99.5％，热效率已达39％，加上其特有的NOX排放量低的优势，因此特别适合渡轮的使用要求。

4）推进装置一改以往单一供货方式而成套供货方式发展。5）环境保护要求更安全、更低排放的船舶动力装置。（1）安全要求动力装置的冗裕配置。

除将化学品船、液化气体船、油船等设计成双壳船体，还应采用冗裕配置推进装置及舵系，或设置应急动力装置，可保证主推进一旦失效，船舶仍能在恶劣海况下以6kn航速前进。最常见的方式是轴带发电机，当需要时主机与齿轮箱脱开，轴带发电机转为电动机，以发电机的电力带动螺旋桨实现船舶应急推进。更进一步的发展，是双套主推进系统。（2）低排放的船舶动力装置

人类对保护环境质量要求的日益严格，使船用柴油机废气排放对大气污染的影响亦受到了密切的关注。根据《MARPOL73/78公约》附则Ⅵ对功率大于130KW的柴油机NOX的排放的规定，现今的智能柴油机通过控制燃烧，能够满足低排放和经济性的要求，此外，燃烧良好还可减少颗粒物排放。在低排放方面，电力推进及燃气轮机更具有优势。2．轮机管理重心的变化

由于船舶自动化程度大幅度提高，计算机技术迅速发展，与20世纪的船舶相比较，轮机管理工作的重心发生了根本性的改变，因此，对轮机管理人员提出了更高的要求，其重点体现在以下几个方面：

（1）对轮机设备的检修方面。由于对船舶设备的工况检测仪器、仪表、故障诊断方法的日益完善，设备的维护、检修将从定时、定期模式向视情模式发展。（2）对船机设备的使用方面。由于船机设备的自动控制、自动故障监测的广泛使用，设备的使用管理已由传统的“管机为主”、“管电为辅”向“机电综合管理”方向发展。

（3）对轮机人员的业务要求方面。要求轮机人员不但有精湛的船机方面的知识，还要加强掌握船电方面专业知识和自动化方面的知识，这对于在现代化船舶上担任轮机管理工作的轮机人员显得尤为重要。

（4）对轮机人员的业务培训方面。要加强轮机人员的业务培训工作，使轮机人员尽快掌握和更新机电一体化方面的新技术和相关知识。

（5）对机电设备故障远程诊断方面。要加强专家故障诊断系统的建设和完善。（6）对机舱的资源更要加强管理。包括人力资源和设备等，使得机舱的资源能够充分发挥各自应有的作用。

第二节

一、对动力装置的要求

船舶动力装置的要求及性能指标

对船舶动力装置的要求，主要包括可靠性、经济性、机动性、重量和尺度、续航力、生命力等相关指标。1．可靠性

影响可靠性的因素主要有三个方面：设计制造（包括修复）的质量、安装工艺的水平、使用管理技术能力。使用管理技术能力对可靠性的影响表现在：严格按照造船规范建造是取得可靠性的先决条件；备件的数量和保管是提高可靠性的有力保障；管理人员的业务能力是影响可靠性的重要因素。2．经济性

船舶在营运中，船舶动力装置的维护费用占船舶总费用的比例很大，现在已超过50％。为了提高船舶的营运效益，必须尽量提高动力装置的经济性。3．机动性

机动性是指改变船舶运行状态的灵敏性，它是船舶安全航行的重要保证。船舶起动、变速、倒航和回转性能是船舶机动性能的主要体现，而机动性取决于动力装置的机动性，动力装置的机动性由以下几个指标来体现。（1）起航时间

从接到起航命令开始，经过暖机、备车和冲试车，使发动机达到随时可用状态的时间。这段时间越短的船舶其机动性越好。（2）发动机由起动开始至达到全功率的时间

这是加速性能的指标，这段时间的长短主要取决于发动机的型式、船体形状、螺旋桨形式、吃水及外界阻力大小等因素。影响发动机加速的因素是它的运动部件的质量惯性和受热部件的热惯性，热惯性更为突出，中速机优于低速机。船舶本身的阻力大小对发动机的加速性能也有很大的影响，由于调距桨对外界条件有很好的适应性，它的加速性能明显好于定距桨。（3）发动机换向时间和可能的换向次数

发动机换向所需的时间是指主机在最低稳定转速时，由发出换向指令到主机以相反方向开始工作所需的时间。换向时间越短，发动机的机动性越好。主机换向时间不得大于15s。

（4）船舶由全速前进变为倒航所需时间（滑行距离）

这是体现主机紧急倒车性能的指标。由于船舶惯性大，由全速前进变为后退所需的时间，总是大大超过发动机换向所需的时间。船舶开始倒航前滑行的距离主要取决于船舶的装载量、航速、主机的起动换向性能、空气瓶空气压力和主机倒车功率。

（5）发动机的最低稳定转速和转速禁区

在多缸柴油机中，由于各缸喷油泵柱塞偶件、喷油器针阀偶件的间隙和喷孔孔径间的差别，以及一般油量调节杆安装间隙的不同，使得船用主柴油机在低转速（低负荷）运转时，各缸供油量显著不均。严重时个别缸不能发火而使转速不稳，甚至自动停车。因而船用主柴油机都有一个使各缸都能够均匀发火的最低转速，称最低（工作）稳定转速。

船用主柴油机（尤其是直接驱动螺旋桨的主柴油机）的最低稳定转速直接影响船舶微速航行性能。一般低速柴油机的最低稳定转速不高于标定转速的30%，中速机不高于40%，高速机不高于45%。在主机使用转速范围内如果存在引起船舶或轴系共振的临界转速，则应规定为转速禁区，并以红色在主机转速表上标示。在主机使用转速范围内，转速禁区越窄越好。4．重量和尺度 5．续航力

续航力是指船舶在加足航行所需物资（燃油、滑油、淡水等，主要指燃油）后所能航行的最大距离或最长时间。它是根据船舶的用途和航区确定的。续航力不但和动力装置的经济性、物资储备量有关，也和航速有很大关系。6．生命力

生命力是指船舶在船机发生故障的情况下最大限度地维持工作的能力。

二、船舶动力装置的基本性能指标

动力装置的基本特性指标是指技术指标、经济指标和性能指标。这些指标是我们对船舶进行选型、设计和判断性能优劣的重要依据。1．船舶动力装置的技术指标

技术指标指标识动装置的技术性能和结构特性的参数。它主要指下列几个指标：

1）功率指标

功率指标表示船舶做功的能力。为了保证船舶具有一定的航速，就要求推进装置提供足够的功率。动力装置的功率是按船舶的最大航速确定的。在船舶以一定的航速前进时，螺旋桨产生的推力，必须克服船体对水和风的阻力，这些阻力取决于船舶线型、尺寸、航行速度，以及风浪大小和航道深浅等。（1）船舶有效功率PR 船舶有效功率PR指推进船舶航行所需功率。运行阻力R(N)，船舶的航行速度vs（m/s），则有效功率

PR= R×vs×1/1000 KW PR常称为拖曳功率，可以从船模或实船的静水试验中得出。阻力R，相当于速度vs拖动船模（或实船）时绳索上的拖曳力。

（2）主机的输出功率

主机的输出功率即主机的制动功率或主机的有效功率。如果考虑了推进轴系的传动损失，主机的供给功率实际上就是主机的额定功率。

新船设计时，估算船舶的有效功率PR可用“海军常数法”进行估算。（3）相对功率

相对功率就是对应于船舶每吨排水量所需的主机有效功率。

Pr= Pe/ D kW/t D—船舶排水量，t 2）重量指标

（1）主机的单位重量gm

主机的单位重量gm是指主机单位有效功率的重量，即

gm= Gm/ Pe kg/kW 式中，Gm—主机重量，kg；Pe——主机有效功率，kW（2）动力装置的单位重量gz

动力装置的单位重量gz是指主机单位有效功率所需动力装置的重量，即

gz= Gz/ Pe kg/kW 式中，Gz—主机重量，kg；Pe——主机有效功率，kW（3）主机的相对重量am

主机的相对重量am是指主机重量Gm与船舶排水量D之比，即

am= Gm/ D kg/t 式中，Gm—主机重量，kg； D—船舶满载排水量，t（4）动力装置的相对重量az

动力装置的相对重量az是指动力装置重量Gz与船舶满载排水量D之比，即

az= Gz/ D kg/t 式中，Gz—主机重量，kg； D—船舶满载排水量，t 3）尺寸指标

对于不同船舶，机舱尺寸要求也不统一，为了表征机舱的面积和容积利用率，特引用面积饱和度和容积饱和度两个指标。（1）面积饱和度Ks： 面积饱和度是指每平方米机舱面积所分配的主机有效功率，即

Ks= Pe/ S kW/㎡

式中，Pe—主机有效功率，kW； S—机舱所占的面积，㎡（2）容积饱和度Kv：

容积饱和度是指每立方米机舱容积所分配的主机有效功率，即

Kv= Pe/ V kW/m3

式中，Pe—主机有效功率，kW； V—机舱所占的容积，m3 2．船舶动力装置的经济性指标

船舶动力装置的经济指标常用六个指标表示。1）动力装置的总效率

动力装置的总效率主要由推进装置的热效率、柴油发电机组的热效率和燃油锅炉的热效率组成。（1）推进装置的热效率

推进装置的热效率是指推进装置所产生的有效功的热当量与主机所消耗热量之比。

（2）柴油发电机组的热效率

柴油发电机组的热效率是指柴油发电机组电功率的热当量与其所消耗热量之比。

（3）燃油辅助锅炉的热效率

燃油辅助锅炉的热效率是指燃油辅助功率有效利用的热量与其 所消耗热量之比。

2）柴油机的燃油消耗率ge

柴油机的燃油消耗率是指在单位时间内柴油机额定功率所消耗的燃油量，即

ge=Ge/Pe kg/(kW.h)式中，Ge——柴油机每小时燃油消耗量，kg/h;Pe——主机有效功率，kW 3）船舶主机日耗油量Ge

船舶主机日耗油量是指主机在24h内的燃油消耗量 4）船舶日耗油量GD

船舶日耗油量是指每24h全船主机、辅机、辅助锅炉的所消耗的燃油总量。5）船舶每海里燃油消耗率gn

船舶每海里燃油消耗量指船舶航行每海里所消耗的燃油总量，即

gn= GT / vs = GTe+ GTg + GTb + GTo / vs t/n mile GT——船舶每小时燃油消耗量，t/h；vs——航速；GTe、GTg、GTb、GTo——分别表示主机、发电柴油机、燃油辅助锅炉及焚烧炉等其他耗油设备每小时的耗油量，Kg/h 一般情况下GTg、GTb、GTo与航速无关。

主机每海里燃油消耗gTe = Pe.ge/ vs kg/n mile gTe既与ge有关又与vs有关。这项经济指标与船舶营运管理水平和轮机管理水平密切相关。图1-2为主机燃料消耗率和每海里航程船舶燃料消耗量随船速变化的关系图。当船舶处于慢速航行时，虽然主机燃油消耗率ge较高，但船舶每海里燃油消耗率gn较低；随着船速的增加，虽然ge有所降低，但gn却明显增加。图中gn的最小值所对应的航速称为节能航速。

图1-2 燃料消耗随航速变化关系图

ge——燃油消耗率（红线）；gn——每海里燃油消耗率（蓝线）

6）船舶经济航速

经济航速是指船舶营运时取得某种经济效果的航速，常用的经济航速有以下几种：节能航速、最低营运费用航速和最大盈利航速。（1）节能航速

节能航速是指每小时燃油消耗量最低时的静水航速，它常由主机按推进特性运行时能维持正常工作的最低稳定转速所决定。营运船舶在实现减速航行时，主机所输出的功率大大减少，其每海里燃油消耗率大幅度降低。但航速降低后，营运时间被延长，运输的周转量也少了，故当船舶须实现减速航行时，尚应结合企业的货源、运力及完成运输周转量的情况综合考虑后再决策。（2）最低营运费用航速 船舶航行1天的费用，主要由其固定费用（折旧费、修理费、船员工资、港口驶费、管理费、利息、税金以及船舶停泊期间燃、润油费等）和船舶航行时燃、润油费用构成。最低营运费用航速是指船舶每航行1n mile上述固定费用及航行费用最低时的航速，可供船舶及其动力装置的性能评价及选型用。在满足完成运输周转量的前提下，船舶按最低营运费用航行，其成本费最省，但它并未考虑停港时间及营运收入的影响，故不够全面。（3）最大盈利航速

最大盈利航速是指指每天（或船舶在营运期间）能获得最大利益的航速。此航速的大小，往往与每海里（或公里）运费收入、停港天数及船舶每天付出的固定费用有关。一般在运费收入低、停港时间长、运距短、油价高的情况下，其最大盈利航速相对较小。

第三节 船舶动力装置的可靠性

一．船舶的特殊性

船舶动力装置的可靠性与船舶的特殊性密切相关。船舶的特殊性主要表现在：（1）船舶大部分时间在海上航行。

（2）设备发生故障时，往往处于复杂的航区和严酷的气象条件，局部故障可能影响全局，甚至导致严重后果。

（3）船舶动力装置的使用环境苛刻多变、运行时工作参数变化范围较大，随时能要船员进行操纵，有时还要求采取应急措施，因此对船员要求较高。（4）船用机械特别是主机制造台数少，而且母型机的试验难以在陆地上充分进行。

（5）主机型式更新换代速度较快。

（6）机器部件和元件以及它们的质量和功能各异，所需知识面较广。（7）现场数据主要由船员整理和提供。

二、可靠性在船舶动力装置中的应用

船舶的特殊性，不仅体现出动力装置可靠性的重要性，而且也说明动力装置的可靠性是个复杂的课题。它既与各组成设备的可靠性、维修性有关，也涉及到参与管理的人的因素，因此它和人机工程学、劳动管理学、心理学等领域交错在一起，使问题难以解决。

三、船舶各种机械的故障统计

1．动力装置中各种机械发生故障的比例 在世界四大柴油机制造公司近几年的统计资料表明，在柴油机船上，主机故障占总故障数的比例达到四成，主机是动力装置中最重要的，但也是可靠性最薄弱的环节。在主机发生故障的原因中，约一半是由于材料质量不良和机件污损，前者是制造阶段的原因，后者是使用阶段的原因。所以从设计者到管理者，对主机可靠性都要给予足够的重视。2．柴油机部件的故障统计

根据劳氏船级社、中国远洋运输总公司、日本相关机构等相关机构对船舶主机故障统计表明，低速柴油机发生故障最多的部件是活塞、气缸盖和十字头轴承。中速柴油机（包括柴油发电机）中曲轴及其轴承故障比较突出。这些部件应作为可靠性技术中的重点问题给予研究，在运行管理中也应格外注意。

第四节 提高船舶动力装置可靠性的措施

要保证和提高船舶动力装置的可靠性，首先在设计时就应满足可靠性要求，然后，在制造和工艺方面尽可能达到设计时规定的可靠度。只有这样在使用中才能体现出转子是否可靠。显然船舶动力装置的可靠性问题贯穿于整个设计、制造和工艺阶段以及全部运转期间。因此，我们可以把影响动力装置可靠性的因素分为设计、制造工艺和管理三个方面。下面我们将着重从管理与维修保养方面探讨如何提高动力装置的可靠性。

一、提高管理水平

一个产品工作是否可靠，除决定于出厂质量外，使用管理维护的好坏对其可靠性也有决定性影响。因此，管理人员的业务水平，对于保证船舶的可靠性具有头等重要的意义。统计表明，许多故障是由于船员采取了不正确的措施和违反技术操作规程所导致的。随着船舶的设备日趋复杂，对船员业务水平、熟练程度、操作技能、发现和排除故障等的能力要求越来越高，其完成任务的职责也在加强。业务水平高的船员，可以保证船舶技术设备的使用和维护的质量始终处于较好状态；能正确执行操作规程，充分做好设备起动前的准备工作，正确判断设备的技术状态和正确地确定负荷高低；还可以迅速发现和排除故障，用较短的时间完成维修工作。在拆装机械、更换零部件时，如果船员水平不高，则可能使部件遭受异常负荷和额外应力，从而导致故障次数增加。

国内外的故障统计资料表明，人为故障所占比例越来越大。在人为原因造成的故障中，属于责任心不强（工作不仔细、检查不及时和违章操作）与属于管理水平低（保养维护不良、指挥命令不当、判断错误、操作错误等）所引发的几乎各占一半，而且低职船员的人为事故所占比例高于高职船员。这些事实说明了提高船员管理水平的重要性和迫切性，并应从职业道德教育和业务水平提高两方面去努力。

二、提高维修质量

维修是恢复和保证产品可靠性的一个重要措施。为了使产品发生故障后能很快修好，除了要求有先进的维修手段、熟练的维修人员之外，产品本身也应该有良好的可维修性。可维修性包括易拆卸性、可达性、可还原性、通用性、互换性、适检性等，因此维修时应着重考虑以下几个方面。1．对设备的维修要及时

2．在有条件的情况下，鼓励船员对设备进行自修 3．在厂修时要做好监修工作 4．做好备件的管理工作 5．要有防错措施

6．维修前应将维修时的方法、步聚及可能发生的问题考虑周全

三、充分利用技术管理指导性文件 1．利用这些技术资料制定操作规程

遵守操作过程可以避免或减少误操作，减少事故和有利于延长设备使用寿命。2．根据文件资料判断设备的实际技术状态

主机的推进特性曲线和柴油发电机的负荷特性曲线，都是发动机实际工作状态好坏的衡量标准，依据它们可尽早发现故障的隐患，及时采取有效措施。3．制定维修计划与标准

依据技术文件制定出设备维护、维修计划及标准。利用这些计划及标准，对设备进行维修保养，可以使设备保持在最佳的技术状态。对复杂、重要、技术维护所用平均年劳动量高的设备，若采用事后维修则会造成较大的经济损失、可靠性损失（质量损失）和安全事故。因此，应该依靠平时的检查和维修，使系统和设备始终保持在最佳状态，防止事故的发生，这就是预防性维修。为了做好这项工作，必须对作业的内容、时间，判断缺陷的方法和缺陷特征，应达到的标准等，按指导性文件的要求，结合设备的具体状态，进行周密计划并实施。

4．指导对设备的维修保养

在对设备进行维修保养时，可根据相应的技术文件提供的技术参数、拆卸与安装的步骤、安全注意事项和检修操作注意事项等，对设备进行正确地维修保养，确保设备恢复到最佳的技术性能。

四、做好可靠性数据的收集与管理

可靠性数据的收集与管理是开展提高可靠性活动的基础工作和主要内容。通过对可靠性数据的收集、整理、分类、统计和分析，可达到两个目的： ①了解整个动力装置、装置中各种机械设备和各种零部件的可靠性状况，为新型船舶的开发设计、对有关设备和部件的改进提供可靠的依据，促进造船事业的发展。

②通过故障发生的时间、产生原因、维护和管理工作量的统计分析，正确制定使用和维修的标准及规范，改进管理维修工作，提高管理水平。

第五节 船舶动力装置的余热利用

一． 船舶动力装置的余热利用方案 1．船舶动力装置热平衡方程式

柴油机船舶动力装置的动力设备主要是主柴油机、柴油发电机组和辅助锅炉等。它们都以液态燃料为能源。船舶航行工况所需要的总热量为

Q=Qm +Qg+ Qb

式中，分别为主机、柴油发电机组和辅助锅炉所消耗的热量，KJ/h。船舶动力装置热平衡方程式为/

x+y+z=1 式中，x= Qm/Q，y= Qg/Q，z= Qb/Q分别为主机、柴油发电机组和辅助锅炉消耗热量的百分比。动力装置的能量平衡各成分的值x，y，z与船舶用途和动力装置的类型有关。

在进行船舶动力装置设计时，必须考虑整个船舶的能量平衡和各个耗能设备的热平衡，以便找出能量综合利用的途径，决定所采用能量综合利用的装置和方案，从而提高动力装置能量平衡中有效利用热量的比例，以达到节约燃料的目的。

2．船舶动力装置余热利用方案

根据柴油机的热平衡，能量转换的数值范围如下： ①转变为机械功的热为35％～40％。②排气带走的热为27％～50％。

③冷却介质（缸套冷却水、增压空气冷却水、润滑油等）带走的热15％～30％。

④其他热损失（辐射热、摩擦损失热）2％～8％。余热利用是提高船舶动力装置经济性的措施之一。废热利用的方法是按废热特点进行的。主机排气废热温度高，可利用的单位热量大；而冷却水的温度较低、量大，可利用的热量也不少。不同类型船舶的余热利用形式是很多的，几种余热利用装置的原理图：

（1）用废气锅炉全部或部分代替辅助锅炉。

（2）用废气锅炉全部代替辅助锅炉，且还可用废气涡轮发电机部分代替柴油机发电。

（3）用废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮发电机，全部或部分代替柴油机发电。（4）用废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮发电机全部代替柴油机发电，并且废气锅炉还可以部分代替辅助锅炉。

（5）用废气锅炉产生的蒸汽驱动的汽轮发电机全部代替柴油机发电，并且用废气锅炉全部代替辅助锅炉。

（6）如冷却水温度较高，则冷却水的热量可用来产生蒸汽，以驱动汽轮发电机。也可用于其他需要加热的设备。

（7）把冷却水直接或间接为冷却预热，作燃油加热、制淡、制冷和生活杂用等的热源。

目前在船上较普遍地实现了余热利用（1）和（2），以及把冷却水的热量部分地用于海水淡化装置和加热空调系统中的空气。利用废热产生蒸汽和热水，可以减少辅柴油机和辅锅炉的耗油，提高装置经济性。然而，装置上是否被采用以及如何采用，必须结合船舶动力装置的具体情况加以综合平衡，尤其要对下列三个方面问题进行仔细分析研究后才能作出决定：

（1）区别船舶类型和装置功率范围

（2）要用专门措施保证废热供应和废热消耗两者的平衡（3）废热利用一定要综合考虑经济性 3．最大限度利用余热的联合装置

随着柴油机废气涡轮增压器效率的提高和废气动力涡轮的利用，使柴油机排出废气可利用能量减少，其可利用部分和以前相比约下降50％，所以仅靠废气锅炉所提供的热量，难以满足船舶动力装置及辅助系统的要求，这就要求对能量平衡必须进行研究。另一方面柴油机实现了超高增压，增压空气压力超过0.4MPa，温度超过180℃，其能量、质量和数量增加，利用价值大大提高，这部分过去未加利用的能量和废气能量的联合利用就可满足新的能量平衡。废热回收装置的主要设备是多级蒸汽经济器、混压蒸汽涡轮、增压空气冷却器（即炉水预热器）。

图1-4为三菱重工（Mitsubishi）的超级透平发电系统（STG）示意图。该系统在双压废气经济器和混压蒸汽透平发电机的基础上补充了一个热水闪发能量发电系统。另外该系统还将增压空气的废热回收，用于对废气锅炉的给水加热。三菱的MET-SC涡流增压器由于效率提高，只需较少的废气，剩余的废气则提供给一个径流式废气透平。该废气透平的热水闪蒸蒸汽透平通过一个齿轮装置共同驱动发电机。

STG系统比带有热水闪蒸的蒸汽发电系统多获得40％～60％的电能，并且使整个装置的燃油消耗减少2％～3％。当主机在低负荷运转时，所产生的辅助能量能够满足船上用电需要，而不必使用柴油发电机或轴带发电机装置和辅锅炉产生的蒸汽。最早的STG系统已安装在VLCC油船上，主机是装有MET-SC型涡轮增压器的7RTA84M低速柴油机；废气/蒸汽联合驱动的发电机功率为1350KW；轴带发电机/马达为500KW；两台1000KW的柴油发电机组；空气冷却器作为炉水预热器；废气锅炉产生的低压蒸汽供加热器使用。

图1-5为瓦锡兰公司推出的典型的柴油机余热回收系统，简称WHRS(Waste Heat Recovery System)。该系统除了有效地利用柴油机排出的废气能量，还将柴油机缸套冷却水和扫气空气的余热回收利用，有效地节约了燃油的消耗及废气的排放。

二、船舶动力装置的效率

为了评定和比较柴油机船舶动力装置的经济性，应计算整个动力装置的效率。目前较常用的计算方法有下列几种。1．柴油机船舶动力装置的总效率

在评价不同形式船舶柴油机动力装置的余热利用效率时，先要明确热量有效利用的范围，不仅包括与螺旋桨功率等值的热量，还包括全船各种耗能装置和动力装置本身需要的热量。在这种情况下，评价船舶柴油机动力装置的经济性标准就是总效率。总效率为所有耗能设备的有效热之和与所消耗总热量之比。2．船舶能量利用效率

船舶动力装置的主要功用是保证额定航速，所以相对于螺旋桨功率的能量与船舶消耗的总能量之比，可以作为船舶热能利用效率的综合性标准。这个比值称为船舶能量利用效率，即推进轴上总有效功率与所有耗能设备总消耗热能之比。船舶能量利用效率不仅反应动力装置本身的热工完善程度，而且表征综合推进装置的工作效率。3．推进装置的推进效率

现代大功率柴油机船舶动力装置本身（滑油泵、燃油泵、冷却水泵、分油机、热交换器、通风机等）需要消耗大量的能量，因此推进轴上总有效功率与推进装置消耗的热量之比可用来评定各类船舶动力装置的经济性。因为它仅考虑推进装置的燃料消耗，故可评定各类船舶动力装置的经济性，而不能评定利用废热的经济性。

三、废气锅炉的管理 1．典型的废气锅炉系统

目前MC机型在正常额定负荷下透平后的排气温度为250～270℃，降低负荷运转时将会更低些，因此可利用的排气余热减少，使废气锅炉产生的饱和蒸汽不能满足船舶加热系统的需要，此时燃油辅助锅炉可作为补充。

MAN B&W公司推出两种典型的废气锅炉系统。其一为标准的废气锅炉系统，它用于产生饱和蒸汽供加热之需，废气锅炉有单一的蒸发器组成，是简单的单压蒸汽系统。给水直接泵送到燃油锅炉，废气锅炉与燃油锅炉之间有循环水泵并共用一个水鼓。

该系统具有明显的简单性和低投资成本，又完全满足船舶加热蒸汽量的要求，因而得到广泛应用。

其二为带涡轮发电机的废气锅炉系统，如图1-7所示，它是带有给水预热器、蒸发器和过热器的单压蒸汽系统，其蒸汽除用于加热之外还可以用于驱动涡轮发电机，系统中燃油辅助锅炉的汽鼓一般也作为共用汽鼓。该废气锅炉系统将更加先进些。

2．废气锅炉烟灰积垢与着火的原因分析

在NK所统计的82艘船舶中，多数为二冲程柴油机和水管锅炉，其中53艘船舶的废气锅炉发生烟垢着火和损坏。废气锅炉着火分为小的烟垢着火和高温着火。

（1）小的烟垢着火

在有充分氧气存在时，烟垢的可燃成分在高温下（高于闪点）自由蒸发，被火花或火焰点燃，并保持小范围和有限的燃烧，称为小的烟垢着火。在柴油机机动操纵和低负荷运转期间容易发生。

烟垢潜在着火温度一般为300～400℃，但存在未燃烧的燃油时着火温度约为150℃，极端情况下甚至低到120℃。这意味着着火也可发生于主机紧急停车之后，因为灼热颗粒（火花）还残留在管路管上。（2）高温着火

高温着火有氢着火和铸铁着火，可导致废气锅炉损坏。如温度在1000℃以上氢着火可以发生。铸铁着火即高温下发生的铸铁氧化反应，在温度超过1100℃时，铸铁着火可以发生，使锅炉自身燃烧。

废气锅炉烟垢着火的条件：只有在烟垢、火源和氧气同时存在时才可以发生着火现象。烟垢着火的原因往往是由于柴油机燃油燃烧后产生的含油的烟灰微粒所引起的。

主机的型号及制造工艺对烟垢着火无明显影响，甚至和短行程和长行程也没有多大关系。另外，废气锅炉使用水管的形式对烟垢着火也没有明显影响，实际上锅炉安装的简单管件与带有扩展管表面的管件有几乎同样数目的着火问题。最新开发的柴油机排气温度又比较低，容易导致废气锅炉烟灰沉积。统计表明废气锅炉的进口和出口温度对烟垢着火的发生都没有任何明显影响。在现代柴油机较低排气温度下，为了仍能维持船舶蒸汽消耗的需求，促使与其匹配的废气锅炉被设计得更加高效，这包括利用大受热面、锅炉设计为扩展管表面和低燃气流速。上述高效与超扩展锅炉的设计和劣质燃油的使用，使废气锅炉管上烟灰沉积有增加的趋势，并导致烟垢着火。此外，近年来船舶装载不足，也造成着火事故的上升。

3．废气锅炉与柴油机的匹配，锅炉窄点的影响，允许的废气压力损失 图1-9是图1-10可以说明与高效率柴油机匹配的高效率废气锅炉的一些参数对烟垢着火的影响。1）锅炉的窄点

废气锅炉窄点是废气与饱和蒸汽之间的最小温度差，即废气离开蒸发器时的温度和饱和蒸汽之间的温度差。窄点是可以用来表示废气锅炉利用效率的一个参数。温度/热传导图称为T/Q图，图1-9是图1-7所示废气锅炉系统实例的T/Q图。一般蒸汽压力为0.7MPa（绝对）或以上，相应的最低蒸发温度为165℃，按T/Q图废气出口温度不能低于180℃，则15℃或以上用作窄点。（1）锅炉窄点对锅炉受热面和蒸汽量的影响。从图1-10的曲线可看出，废气锅炉窄点由15℃改变为10℃和5℃时，蒸汽量增加5％和10％，而废气锅炉受热面增加1.41倍和2.32倍，当流经废气锅炉的压力损失太大时可降低废气流速。

（2）锅炉窄点对锅炉压力损失和废气流速的影响。较低的窄点可提高废气锅炉的利用效率，但废气锅炉须有较大受热面，因此压力损失也较大。对最大允许废气压力损失有一定限制，设计废气锅炉的废气流速必须降低。低废气流速对形成烟垢有特别明显的影响趋势，现今劣质渣油运转使这种趋势变得更糟。（3）低窄点和烟垢。当窄点及其废气流速低时，窄点是影响烟垢发生的一个参数，相反，高窄点锅炉不必设计成高废气流速的锅炉，原则上，这种锅炉也可以设计成低废气流速，即有低废气压力损失。2）废气锅炉允许的废气压力损失

如前所述，通过锅炉的允许废气压力损失，对通过废气锅炉的废气流速有重大影响。高压力损失如能接受，那么要设计高废气流速的锅炉就是可能的，但是如果只允许小的压力损失，则废气流速必然是低的。

通过锅炉的允许压力损失依赖于柴油机增压器后总的排气系统的压力损失。（1）MC型柴油机排气系统的允许背压。在柴油机的约定MCR工况下，增压器后排气系统总背压最大不超过0.0035MPa，可用增压器后测量的静压力表示。为了系统尾部有背压储备，在约定MCR工况下推荐为0.0030MPa。

排气系统的背压与废气流速有关，即与废气流速的平方成比例，从而与管径4次方成比例。在约定MCR工况下，建议废气管内流速不超过50m/s,实际上为避免压力损失太大，废气流速约为35m/s。

（2）废气锅炉的允许压力损失，在约定MCR工况下，废气锅炉推荐的最大压力损失一般为0.0015MPa。

4．废气锅炉烟灰沉积和着火的预防措施（1）废气流速不能太低 废气锅炉流速低是烟灰沉积着火的主要影响参数之一。设计废气流速低于10 m/s者几乎都有着火故障，而高于20 m/s很少发生着火故障。考虑到柴油机在部分负荷运转流速高达25～30 m/s，烟灰很少沉积，也无需安装吹灰器。火管锅炉的设计废气平均流速高于20 m/s时，对烟管也具有自动清洗的作用。（2）烟灰黏性的预防

含有灰分、残炭和硫分的劣质渣油的使用，使烟灰具有黏性，这是烟灰发生沉积的重要因素。使用含有氧化铁的燃油添加剂，可使烟灰失去黏性，导致烟灰沉积趋势的减少。这样对烟垢沉积的废气流速限制也可降低，即烟垢沉积将失去对低废气流速的敏感性。（3）锅炉受热面废气温度不能太低

锅炉废气出口温度应不低于155℃，锅炉进口给水循环温度，对有预热器的应高于120～130℃，否则凝结的硫酸可使烟灰有黏性，增加烟垢形成的趋势。（4）锅炉循环水流速度和流量比不能太低

应保持锅炉管表面边界层的废气低于烟灰着火温度，减少烟垢点燃的危险。温度高于150℃可发生烟垢着火危险，极端情况下在120℃时也有着火危险。（5）柴油机排气不允许恶化（6）水管锅炉应装自动吹灰器

在船舶经常停航待命和降速航行时，应尽量使用最低燃油费用航速。若柴油机在航行时经常处于较高负荷下工作，应尽量使用最低耗油率航速。从节约燃料费用的角度出发，应尽量使用最低燃油费用航速。最佳经济航速即最大盈利航速。

Sulzer RTA柴油机布置区由R1、R2、R3、R4围成，由经济运转工况点R2可知，平均有效压力降低1%,燃油消耗可降低0.2%～0.25%。

在常用航速范围内，桨转速降低1%，在航速及载货量不变的条件下，一般可减少油耗0.2～0.3% 动力装置选型确定之后，一般应进行船舶经济性的总体论证以确定最佳航速。Sulzer RTA柴油机布置区由R1、R2、R3、R4围成，R2是经济运转工况点,其特点是A．Ⅰ+Ⅱ+Ⅴ

Ⅰ．最高燃烧压力不变；Ⅱ．平均有效压力降低；Ⅲ．平均有效压力为标定；Ⅳ．功率和转速降低；Ⅴ.转速不变。

船速与航速的概念不同，船速是指船舶相对水的速度，航速是船舶相对陆地的速度；航速等于船速与流速矢量之和。

关于续航力、油耗及航速三者的关系——燃油储备一定时，续航力与航速的平方成反比；续航力相同时，油耗率与航速的平方成正比。

废气锅炉的产气量与蒸汽压力有关，蒸汽压力高，产汽量下降。为了达到节能的目的，应根据使用对象确定——仅用于供热系统的，选用饱和蒸汽可产生更多的蒸汽量；需带动辅助机械的，可以将压力提高。废气锅炉出口排烟温度t2不得低于160～170℃；

目前，废气锅炉是按进气温度为255℃，排出温度为188℃标定工况设计的。废气锅炉出口排温t2越低，能够回收的热量就越多。理论上可降至环境温度，但事实上这是不可能的。废气锅炉进口排气温度t1越高，可回收的排气热量就越多。

要想获得更多的余热和废气锅炉蒸发量，必须使蒸汽压力和饱和温度都降低 对船舶余热利用方案中利用发动机冷却水的余热途径理解错误的是________。A．冷却水的冷却器是制冷机的发生器 B．冷却水的冷却器作为汽轮机给水的加热器 C．冷却水的冷却器作为制淡系统的蒸发器 D．中央冷却水的冷却器作为制淡系统的蒸发器

混合动力船舶 篇3

为提高船舶混合动力系统中双向DC/DC变换器的性能，通过分析混合动力系统工作模式，设计出船舶混合动力系统双向DC/DC变换器仿真模型.基于此，提出该变换器模糊PID控制方法.采用单个模糊PID补偿环节实现了BiBuck/BoostDC/DC变换器的稳定输出.仿真结果表明：模糊PID控制能有效提高系统抗干扰能力，保证双向DC/DC变换器具有良好的动态性能和稳态性能.

关键词：

混合动力船舶；双向DC/DC；模糊PID

中图分类号：U665.13

文献标志码：A 收稿日期：20150825 修回日期：20151113

0引言

与传统的机械推进系统相比，电力推进系统具有更好的经济性、操纵性和安全性，且它的噪音低，并有利于船舶控制环境污染.[12]然而，受到船舶对设备质量和体积的限制以及新能源存储技术的影响，与传统的柴油机推进系统相比，现阶段多数纯电动船舶还未能

满足人们对船舶性能的需求.因此，研究混合动力电动船舶可为船舶从柴油发电机组单独供电过渡到纯电动供电提供可行性方案.

双向DC/DC变换器在混合动力系统中起着重要作用，是船舶混合动力系统的关键设备之一.[34]图1是串联式船舶混合动力系统结构原理，双向DC/DC变换器连接在动力电池与直流母线之间，控制动力电池能量的流向与大小.由动力电池供电时，动力电池通过DC/DC变换器向直流母线传递电能；当能量回流时，直流母线将剩余电能回馈给动力电池进行充电.可见，双向DC/DC变换器是混合动力能量控制系统的核心部件，变换器输出电能应具有良好的稳定性和动态性.

DC/DC变换器是一种采用开关方式控制的直流稳压电源.近年来发展起来的模糊控制是一种仿人智能控制法，它不依赖被控对象的数学模型，便于利用人的经验知识进行控制.将模糊控制技术引入DC/DC变换器是目前研究的热点.文献[5]和[6]将模糊PID控制运用到Buck变换器中，获得了良好的稳态响应和动态响应.文献[7]设计了一种简单的模糊PID控制器，并进行了扰动实验，结果表明模糊PID控制器具有良好的抗干扰性能.文献[8]和[9]运用数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）实现了Buck变换器的模糊PID控制，同样得到了较好的实验结果.文献[10]运用模糊控制实现了Boost变换器的输出稳定，证明了模糊控制对Boost变换器有良好的控制效果.模糊控制对一些复杂的和难以用准确的数学模型描述的系统是非常适宜的，特别是对无法确定的复杂对象具有较好的控制性能.在船舶混合动力系统中，动力电池不断变换充放电模式，要求能量双向流动，这需要结构简单、输出稳定的双向DC/DC变换器.本文基于这一要求提出双向DC/DC变换器的模糊PID控制，保证双向DC/DC变换器两端输出电能的稳定性和抗扰性.

1混合动力双向DC/DC变换器模型分析

1.1变换器拓扑分析

图2为船舶混合动力系统中双向DC/DC变换器的主电路拓扑，其

中V1，V2分别代表直流母线和动力电池的端电压，通过混合动力能量管理策略选择动力电池充放电模式.动力电池放电时，变换器处于Boost模式，变换器须维持稳定的电压输出，但由于受动力电池电量的影响，动力电池放电电压随着时间下降，同时受需求功率的影响，负载电阻时刻变化，这对输出电压稳定性提出了挑战.当动力电池充电时，变换器处于Buck模式，保持输出电压在可靠范围内同样重要.

1.2控制器结构

双向DC/DC变换器要同时兼顾动力电池可随时充、放电的要求，这对混合动力系统能量控制策略是否可实现至关重要.传统的DC/DC变换器控制方法是通过调节PI控制器开关器件的通断时间，达到调节输出电压目的的，但由于DC/DC变换器的非线性特点，往往达不到预期的控制效果.模糊PID控制可动态修正控制器参数，提高系统抗干扰性能，因此本文选择电压反馈模糊PID控制器.如图3所示：将双向DC/DC变换器稳压端输出电压与参考值的误差量E作为电压反馈模糊PID控制器的输入；d是对误差E求导，得到的误差变化率dE/dt作为模糊PID控制器的另一个输入.本文先由变换器参数设计出单PID控制器，在此基础上按照控制要求设计通用模糊控制规则.模糊控制器的输出与PID控制器的输出相乘后生成新的控制量，控制量再与频率为50kHz的锯齿波比较产生PWM波，进而控制DC/DC变换器的IGBT.这里K4和K5是输入比例系数，调节K4和K5能使输入量在合理的控制区间内；K6是输出比例系数，反复调节K6使模糊控制器有更好的输出与PID控制器输出相结合，从而保证变换器输出的稳定性和动态性.

1.3PID控制器设计

当动力电池对外供电时，DC/DC变换器处于Boost模式；当直流母线对动力电池充电时，DC/DC变换器处于Buck模式.设图2中IGBT1的占空比为D，引入拉氏符号s，则变换器的Buck模式小信号模型[11]为

同样，变换器的Boost模式小信号模型为

在双端稳压情况下，要求PID控制器能对两个方向的DC/DC变换器进行稳定调节.文献[12]通过对DC/DC变换器模型进行分析，设计出单个PID控制器对双向DC/DC变换器进行稳定调节，并证明此法可行.设系统参数为V1=100V，V2=48V，R1=20Ω，R2=5Ω，参考电压Vref为5V.根据电流连续时电感及电容取值条件[7]，设计电感L=50μH，电容C1=C2=100μF.

式（3）为反馈分压的传递函数表达式，由该式得到Buck模式和Boost模式的反馈分压比分别为

对Buck模式和Boost模式下DC/DC变换器的传递函数同时进行PID的设计，最后配置PID控制器的传递函数

1.4模糊控制器设计

船舶混合动力能量管理系统可对变换器发出充电和放电指令，当变换器接收指令并发生切换或有

外在干扰时往往会产生电压或电流尖峰，这无论对变换器、动力电池还是供电母线都是不利的.模糊PID控制器使变换器在Buck模式和Boost模式下得到良好的动态响应和稳态性能的同时，抑制尖电压或电流尖峰.模糊规则如表1所示，模糊控制器有两个输入量，E和dE/dt.对E和dE/dt定义5个语言值，分别为NB（负大）、NS（负小）、ZE（不变）、PS（正小）、PB（正大）.设计一个输出变量U，定义5个语言值，分别为DIVB（除大）、DIV（除）、NU（不变）、MUL（乘）、MULB（乘大）.

再确定输入和输出的隶属度函数，见图5.这里选择三角形隶属度函数，解模糊化的方法为重心法.E和dE/dt分别经输入比例系数K4和K5作用后作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出经过输出比例系数K6作用后与PID控制器输出结合，与锯齿波比较产生PWM波.可见，选取合适的输入输出隶

属度函数后，只需调节输入和输出比例系数，使模糊控制器有更好的输出与PID控制器输出结合，就能保证变换器输出的稳定性和动态性.

1.5仿真模型建立

利用船舶能量管理系统对供电系统进行综合性分析，确立能量调度、管理原则和实现方法.[13]能量管理系统的实现对DC/DC变换器提出了简单、可控、高效的要求.通过船舶混合动力能量管理系统对DC/DC变换器的需求分析，提出基于单个模糊PID控制器的实现双端稳压的DC/DC变换器控制器.根据图2拓扑结构，运用MATLAB/Simulink设计出船舶混合动力DC/DC变换器双端稳压模糊PID仿真模型.如图6所示，由一个单位阶跃信号（Step1）模拟一次能量管理系统对动力电池由充电模式切换到放电模式.图中：K2和K3分别是两端反馈分压比；R1为模拟负载等效电阻，R2为模拟动力电池内阻，为便于分析和测量，当一端做电源端时忽略该端内阻，另一端断掉电源.通过对电流的动态均值进行检测来自动选择稳压端，模拟动力电池与直流母线间的充放电作用.

2仿真验证

2.1扰动情况仿真

根据本文设计的模糊PID控制器，在MATLAB/Simulink中对变换器的两种工作模式分别进行了仿真，经过反复调节K4，K5和K6后，选取K4为1，K5为0.0002，K6为0.8，使模糊PID控制器控制下的变换器在Buck模式和Boost模式下都有良好的表现.同时与经典PID控制器进行对比研究.

图7为模糊PID控制下和PID控制下的BiBuck/BoostDC/DC变换器输出响应曲线，两端电压分别为100V和48V.在Buck模式下：0.03s时负载端并入了20Ω的电阻，其负载电阻变为10Ω，0.05s时撤下该电阻，模拟负载变化的扰动，观察两种变换器的抗扰性能；0.08s时使输入电压下降为40V，模拟动力电池的供电电压下降时的情况.在Boost模式下：0.02s时负载端并入了5Ω的电阻，其电阻变为2.5Ω，0.04s时撤下该电阻，模拟负载变化的扰动，观察两种变换器的抗扰性能；0.08s时使输入电压下降为90V，模拟输入电源的扰动.

由图7可以看到：（1）与经典PID控制相比，模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都能率先稳定，这表明模糊PID控制下的DC/DC变换器具有良好的动态性能.（2）模糊PID控制比PID控制能更好地抵抗负载扰动，抑制扰动造成的尖峰，并且其扰动造成的波动在可接受的范围内.（3）当两种模式下输入电压下降一定幅度时，与经典PID控制相比，模糊PID控制能更好地抵抗来自电源的扰动，表现出了良好的抗扰性能.

2.2切换情况仿真

实现能量双向流动是双向DC/DC变换器的主要特点之一，也是船舶混合动力系统能量管理的要求.文献[14]提出运用电感电流的动态均值来检测电流流动的方向，并根据电流流动的方向，自动选择稳压端.本文根据文献[14]对输出电感电流设置合理的动态采样频率，设计了电流均值控制电路，并仿真验证其在模糊PID控制和PID控制下的切换效果.在0.02s时双向DC/DC变换器由升压向母线供电模式切换到母线向动力电池供电模式，电流反向，控制电路对电流均值进行处理从而输出控制信号，控制选择由IGBT2到IGBT1完成系统由Boost模式到Buck模式的切换.

从图8可以看出：模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都有很好的输出响应；在0.02s切换时，相比于经典的PID控制，模糊PID控制没有出现超调和尖峰的情况.这表明模糊PID控制在切

换时同样能保证变换器的输出电能稳定.

3结论

本文根据船舶混合动力系统工作模式，设计了双向DC/DC变换器双端稳压仿真模型，并用单模糊PID控制器实现了双向DC/DC变换器的输出电压稳定.仿真实验结果表明，本文中设计的模糊PID控制器具有良好的动态性能，不论对负载扰动还是电源扰动都有较强的稳定性，尤其在抗电源干扰方面有良好的表现，证明该设计可行.

参考文献：

[1]JIANGW，FANGR，KHANJ，etal.Performancepredictionanddynamicsimulationofelectricshiphybridpowersystem[C]//ElectricShipTechnologiesSymposium，2007.IEEE，2007：490497.

[2]沈爱弟，褚建新，康伟.内河船舶电力推进系统设计[J].上海海事大学学报，2009，30（2）：2024.

[3]ZAHEDIB，NEBBOC，NORUMLE.Anisolatedbidirectionalconvertermodelingforhybridelectricshipsimulations[C]//TransportationElectrificationConferenceandExpo（ITEC）.IEEE，2012：16.

[4]李炯，刘彦呈，张洁喜，等.开关电源在现代船舶上的应用分析[J].造船技术，2013（3）：3437.

[5]YUSOFFMJ，ISMAILNFN，MUSIRINI，etal.ComparativestudyoffuzzylogiccontrollerandproportionalintegralderivativecontrolleronDCDCbuckconverter[C]//PowerEngineering&OptimizationConference（PEOCO），20104thIntemational.IEEE，2010：142148.

[6]VINDHYAV，REDDYV.PIDfuzzylogichybridcontrollerforadigitallycontrolledDCDCconverter[C]//GreenComputing，CommunicationandConservationofEnergy（ICGCE），2013InternationalConferenceon.IEEE，2013：362366.

[7]SEOKW，CHOIHH.SimplefuzzyPIDcontrollersforDCDCconverters[J].JournalofElectricalEngineering&Technology，2012，7（5）：724729.

[8]GUOL，HUNGJY，NELMSRM.EvaluationofDSPbasedPIDandfuzzycontrollersforDCDCconverters[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2009，56（6）：22372248.

[9]王萍，辛爱芹，邹宇.高性能模糊PID控制DC/DC变换器[J].电力电子技术，2007，41（8）：102103.

[10]deCNJT，SALAZARAO，deARAUJOFMU，etal.DSPbasedfuzzycontrollerappliedtoaDCDCboostconverter[C]//IntelligentSignalProcessing（WISP），2013IEEE8thInternationalSymposiumon.IEEE，2013：5459.

[11]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2006：4243.

[12]张方华，朱成花，严仰光.双向DCDC变换器的控制模型[J].中国电机工程学报，2005，25（11）：4649.DOI：10.3321/j.issn：02588013.2005.11.009.

[13]韩旗，黄一民，张纪元，等.船舶能量管理系统技术[J].船舶工程，2009，31（S）：102104.

混合动力船舶 篇4

双向DC-DC变换器广泛应用于直流能量双向流动的场合, 在电动汽车中已经应用比较广泛[1,2,3]。双向DC-DC变换器的拓扑多种多样[3,4,5,6], 主要分为隔离性和非隔离型两种。一般情况下, 在电压差很大的情况下选择使用隔离型双向DC-DC变换器比较合适, 而在电压差相对较小的情况下选择使用非隔离型的双向DC-DC变换器比较合适。与混合动力汽车相比, 混合动力船舶的直流电网电压要高出许多, 而电压和功率较大的动力电池价格非常昂贵。考虑到动力电池输出电压与混合动力船舶双向DC-DC变换器母线侧电压差距较大的问题, 本文选择了隔离型全桥双向DC-DC变换器[4,7]。

双向DC-DC变换器作为一种“一机两用”设备, 设计参数时要兼顾两种拓扑, 然而这往往又是难以做到的[8,9,10]。参数设计直接关系到系统的性能好坏, 其难点就是变压器和电感等磁性元件的设计。当双向DC-DC变换器处于Buck模式时, 电感元件是滤波元件;当双向DC-DC变换器处于Boost模式时, 电感元件又是升压元件。因此, 既要要根据滤波的要求进行设计, 还要考虑升压的因素[8,9,10]。

针对双向DC-DC变换器不同工作模式时两种拓扑参数设计存在的问题, 提出了“占空比-变压器-电感”匹配设计法来解决该问题。并根据双向DC-DC变换器工作在不同模式时的小信号模型, 设计出适用于不同模式的电压单闭环控制系统。Buck模式的闭环控制系统, 保证输出端电压稳定, 从而采用恒压模式为动力电池充电, 以保证动力电池充电安全。Boost模式的闭环控制系统设计, 保证母线侧电压恒定, 从而防止直流母线电压波动。本文采用Simulink搭建整个系统的模型, 从而验证设计的合理性。

1 双向DC-DC变换器的拓扑及其控制策略

1.1 双向DC-DC变换器的拓扑

如图1所示的拓扑是一种隔离型全桥双向DC-DC变换器, 又称双有源桥[4,11]。该拓扑采用高频变压器能够实现电气隔离, 系统具有更高的可靠性;两侧的开关管均能实现软开关控制, 系统损耗小;高频变压器取代了传统的工频变压器, 有效减小了系统体积和重量, 提高了系统的功率密度。除此之外, 变压器的使用可以使电压电流在大范围内变换, 有效地保证了低电压或低电流输入实现大电压或大电流输出。电动机在低负荷或者超负荷运行时都是低效率的, 不但会产生过量的排放, 还会减少他们的使用寿命, 进而增加维护成本。混合动力船舶双向DC-DC变换器不仅可以通过充放电的控制来维持母线电压稳定, 还可以回收船舶再生制动的能量[3], 使得混合动力船舶按照运行工况最优化的配置能源, 高效运行、减少排放。此外, 双向DC-DC变换器可回收制动能量, 节约能源。

1.2 双向DC-DC变换器的控制方法

双向DC-DC变换器的控制方法主要有双极性控制、有限双极性控制 (单极性控制) 、移相控制三种, 其中移相控制应用最为广泛[4,8,9,10,11,12], 本文也是采用该控制方法。图2是Buck模式下不考虑变压器二次侧占空比丢失时双向DC-DC变换器的理论波形, Boost模式的波形与Buck模式类似。

如图2所示, Buck模式下变压器原边每个桥臂均为180°互补导通。Q1和Q3组成超前桥臂, Q2和Q4组成滞后桥臂, 且Q1和Q3的驱动信号分别比Q2和Q4的驱动信号超前一个相位, 这个相位就称为移相角δ, 其大小为:

移相角δ越小, 输出电压越高;反之, 移相角δ越大, 输出电压越低。移相角改变输出的本质也是改变占空比, 所以后面在研究系统的小信号模型时, 仍然采用占空比作为控制变量。虽然都是以占空比为控制变量, 但是不同的控制方法, 小信号模型并不相同[12], 所以这里详细介绍了控制方法。

2 双向DC-DC变换器系统参数设计

下面以一个例子说明如何设计系统参数, 可以预先确定的参数是:V1=110 V, V2=48 V, 开关频率fs=20 k Hz, 系统最大运行功率Pmax=600 W, 额定运行功率P0=500 W。

2.1 感性元件设计

变压器的变比是根据输入电压最小值与输出电压最大值的比值来确定的, 但是双向DC-DC变换器有两种工作模式:Buck模式时V1是输入, V2是输出;Boost模式时, V2是输入, V1是输出。

当处于Buck模式时, V1最小值V1min=104 V, V2最大值V2max=52 V, 考虑到死区的问题, 最大占空比D1max为0.8。又考虑到二次侧占空比丢失问题, 占空比不能过小D1min=0.3, 为了保持PID调节时占空比有一定的调节裕度, 故正常工作占空比D1=0.35~0.75, 计算时可取0.5, 则V1minD1V2 max=1 n=1, n=1。

当处于Boost模式时, V2最小值V2min=44 V, V1最大值V1max=116 V, 考虑到死区的问题, 最大占空比D2max为0.8。考虑占空比丢失问题, 占空比不能过小D2min=0.3, 故正常工作占空比D2=0.35~0.75, 在不考虑升压电感的作用时, V2minD1V1 max=1 n=0.196, n=5.1。在实际的实践中, 变比n是一个固定值。n的值过大, Buck模式时占空比会很小, 并不利于控制策略的实现;n值较小, Boost模式时, 升压电感就需要很大, 但是只要占空比-变压器-电感匹配仍可实现所需的变换。下面通过“占空比-变压器-电感”匹配设计法来解决这问题。

“占空比-变压器-电感”匹配设计法首先确定两种工作拓扑的占空比, 本文占空比均取0.5。然后确定n的值。通过以上的分析得知, 为了保证Buck模式下占空比在0.5左右, n=1。占空比为0.5, n=1时, 为了保证Boost模式可以实现升压的要求, 下面需要对电感进行精心设计。

需从滤波和升压两个方向进行设计, 首先从比较简单的滤波开始考虑, 滤波电感公式如下[10,11,12]:

式中:ΔI2是输出电流纹波, 平均输入电压I2=P0ηV2, 假设效率η为80%, I2=13 A。纹波电流取平均输入电流的2%, 即ΔI2=0.26 A, 代入计算参数可得Lout=2.6 m H。

从升压电感的设计考虑, 升压电感设计公式:

代入参数计算可得Lout=3.6 m H, 综合考虑滤波与升压的要求, 电感值选用较大值Lout=3.6 m H。

2.2 容性元件和电阻负载设计

滤波电容计算公式如下:

式中:D是工作时的占空比;T是工作时的开关周期;I是输出端电流;ΔU是输出电压纹波, 取0.2%输出电压。Boost模式时, V1端是输出端, 代入参数可得Cout=3 390μF;Buck模式时, V2是输出端, 代入参数可得Cin=1 500μF。代入参数得出的电容值只是选择的最小值, 实际选择时要采用较大的电容, Cout=5 000μF, Cin=2 000μF。漏感Lk=20μH, 纯电阻负载R2=3.6Ω, 纯电阻负载人R1=8.5Ω。

3 双向DC-DC闭环控制系统设计

本文采用Matlab自带的工具箱Sisotool对闭环控制系统进行设计。

3.1 Buck模式闭环控制系统设计

占空比d̂对输出电压v̂的传递函数[7]:

式中, Rd=4n2Lkfs, Lk为漏感, fs是工作频率, n为变压器变比。将参数带入到控制系统的小信号模型中, 可以得到具体的传递函数如下:

并将其导入Sisotool中, 得到图3所示开环传递函数的Bode图与根轨迹图。

开环传递函数的阶跃响应如图4所示, 从图4中观察幅频特性, 可以看出低频增益有点低, 系统静态误差比较小, 但需要增大比例系数。可以拖动幅频特性中的图形使其增益大于一定数值, 使阶跃响应无静态误差。在增加微分环节, 增加相位裕度, 减少超调量。

图5是调整后的传递函数Bode图与根轨迹图。图6是增加PID环节后闭环系统的阶跃响应, 得到的PID控制模块的传递函数为:

3.2 Boost模式闭环控制系统设计

占空比对输出电压的传递函数[9]:

式中, Rd=4n2Lkfs, Lk为漏感, fs是工作频率, n为变压器变比。设计过程同Buck模式相同, 将参数代入小信号模型, 可以得到具体传递函数如下:

将模型导入Sisotool中, 可以得到图7所示的开环传递函数的Bode图与根轨迹图。

如图8所示, 系统的阶跃响应是发散的, 故需加入积分环节加以调整, 调整后仍然存在静态误差, 经调整后可以得到图9所示的闭环传递函数Bode图和根轨迹图。

图10是增加PID环节后闭环系统的阶跃响应, 得到的PID控制模块的传递函数为:

4 双向DC-DC变换器的仿真结果

在设计好控制器后需要验证控制器设计的合理性, 本文通过Matlab/Simulink仿真软件搭建闭环控制系统的仿真模型, 图11为Buck模式示波器显示的结果, 图12为Boost模式示波器显示结果。

从图11与图12的示波器显示结果可以看出:系统的响应曲线基本不存在静态误差, 超调量极小, 响应时间极短。图11的结果表明闭环控制系统设计合理, 能够保证当系统处于Buck模式时, 动力电池恒压充电;图12的结果表明闭环控制系统设计合理, 能够保证当系统处于Boost模式时, 母线电压稳定。

5 结论

针对全桥双向DC-DC变换器不同模式参数设计要求不同的问题, 采用提出的“占空比-变压器-电感”匹配设计法, 获得了较好的效果。对全桥双向DC-DC变换器的两种工作模式进行了建模。分别对不同模式设计了闭环控制系统并进行了仿真, 仿真结果表明:Buck模式的闭环控制系统能够使动力电池恒压充电, Boost模式的闭环控制系统能够使母线电压恒定。

参考文献

[1]WANG K, LIN C Y, ZHU L, et al.Bi-directional DC to DC converters for fuel cell systems[J/OL].[2011-05-11].wenku.baidu.com/view.

[2]DU Yu, LUKIC Srdjan, JACOBSON Boris, et al.Review of high power isolated bi-directional DC-DC converters for PHEV/EV DC charging infrastructure[J/OL].[2012-09-16].http://www.doc88.com/p-4327.

[3]LAI Ji-sheng, NELSON D J.Energy management power converters in hybrid electric and fuel cell vehicles[J].Proceedings of the IEEE, 2007, 95 (4) :766-777.

[4]严仰光.双向直流变换器[M].南京:江苏科技出版社, 2004.

[5]顾亦磊, 吕征宇, 钱照明.DC/DC拓扑的分类和选择标准[J].浙江大学学报, 2004, 38 (10) :1375-1379.

[6]JANG Su-Jin, LEE Tae-Won, LEE Won-Chul, et al.Bi-directional DC-DC converter for fuel cell generation system[J].Power Electronics Specialists Conference, 2004, 35 (6) :4722-4728.

[7]ZAHEDI Bjian, NEBB Ole Christian, NORUM Lars Einar.An isolated bidirectional converter modeling for hybrid electric ship simulation[C]//Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC) .[S.l.]:IEEE, 2012:1-6.

[8]PRASANNA U R, RATHORE A K.Analysis and design of zero-voltage-switching current-fed isolated full-bridge DC/DC converter[C]//2011 IEEE Ninth International Conference on Power Electronics and Drive Systems (PEDS) .[S.l.]:IEEE, 2011:239-245.

[9]PRASANNA U R, RATHORE A K.Novel zero-currentswitching current-fed half-bridge isolated DC/DC converter for fuel-cell-based applications[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49 (4) :1658-1668.

[10]SABATE J A, VLATKOVIC V, RIDLEY R.B, et al.Design considerations for high-voltage high-power full-bridge zerovoltage-switched PWM converter[C]//Proceedings of APEC.[S.l.]:APEC, 1990:275-284.

[11]ZHANG Xin, RUAN Xin-bo, CHEN Wu.Small signal model for boost phase-shifted full bridge converter in high voltage application[C]//Energy Conversion Congress and Exposition.[S.l.]:IEEE, 2009:2980-2984.

浅谈船舶动力系统现状及发展趋势 篇5

摘要：随着船舶技术快速发展，船舶动力系统的性能显得越来越重要。作为船舶航行的主要核心部分，船舶动力系统的优缺点影响着整个船舶的性能。文章主要对现代船舶动力系统的发展现状进行了分析，讨论了常规船舶动力系统的优缺点，同时介绍了几种新型的船舶动力系统。

关键词：新型船舶；动力系统；混合动力

中图分类号：U664 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）20-0005-02

在船舶航行过程中，船舶的动力系统是船舶最主要的技术部分。现在许多的研究主要围绕着动力系统的性能来进行。船舶动力系统的主要部分由主机、轴系和推进器等组成。在整个船舶的建造过程中动力系统的成本占整个船舶设备总成本的三分之一以上。船舶的动力系统类型主要有柴油机动力系统、燃汽轮机动力系统、电推进动力系统和混合动力系统等。在经济快速发展的现代船舶动力系统的性能关系到整个国家船舶运输效率的高低，船舶动力系统的研究也成为了整个造船行业技术研究的重点。

1 常规动力系统的类型以及特点

现代船舶动力系统主要有柴油机动力系统、燃汽轮机动力系统和电力推动系统，本文对它们具体的特点进行了分析。对于柴油动力系统主要的性能特点有以下几点：柴油机作为内燃机在启动时能够比较迅速，而且它的负荷运转性能好，安全可靠技术成熟。在现代船舶建造行业中船舶主机和电站多采用柴油机。自20世纪中叶柴油机就代替蒸汽机成为最主要的船舶动力。柴油机动力系统按驱动形式的不同主要分为柴油机直接驱动和齿轮传动两种形式，按照转速的高低分为二冲程柴油机和四冲程柴油机。二冲程柴油机主要应用在大中型远洋运输船舶上，具有转速低动力持久等特点，四冲程柴油机主要应用在中小型船舶（客船、豪华游船以及军船等）上，相比二冲程柴油机它主要具有转速高等特点。从全球柴油机动力系统船舶产品的市场占有份额上来看，我国的船舶柴油机通过技术引进和自主研发已经形成了较强竞争力。接下来对燃气轮机动力系统的特点进行分析。燃气轮机相比柴油机在质量和尺寸方面占有绝对的优势，它具有良好的加速性能和很低的污染气体排放，被很多高速客船舰艇等所采用。它的缺点主要在于燃油经济性上不能够做到充分燃油，尤其在部分工况的情况下此现象更为严重。而且燃汽轮机需要燃用干净清洁、价格昂贵的蒸馏油，价格比较昂贵。对于电力推进系统它主要的特点如下：船舶电力推动系统相对柴油机动力系统来说，由于其主要运用电能来提供动力经济性比较好，同时电推进系统的操控性相比柴油机更加稳定，而且它的体型比较小能够有效的节省空间，在电动机转动的过程中产生的噪声以及污染气体比较少。电力推进系统根据推进器的不同可分为轴桨推进和全回转推进器两类。其中全回转推进器具有很高的操作性能，主要应用于要求动力定位的海工船。在船舶航行过程中可以合理地选择柴油机、柴油机发电机和电动机的数量来实现节能、减排的目的，更加有效地提高整个船舶航行的经济性。在电推进动力系统中吊舱式电力推进系统是当今备受关注和重视的推进方式。吊舱式电力推进是一种全方位转动的装置，电动机直接驱动螺旋桨，具有良好的操作性能和很高的推进效率。而且它由于不需要轴承等辅助推力设备，能够大大地减小整个动力机的空间，减轻了自身重量，降低了噪声和振动的大小。

2 混合动力以及特种推力装置的发展及应用

现代船舶的动力系统中，混合动力系统主要被应用于军用船。它主要包括柴—燃、柴—电、柴—电/燃气轮机推进系统等。混合动力系统能够大大地提高船舶的运行的可靠性，其中最简单的系统是以柴油动力系统为主。在柴油动力系统的基础之上采用轴带发电机和可调桨配置来实现整艘船舶的动力推进。当船舶在航行过程中遇到故障停车时，主推进柴油机停止工作轴带电动机驱动螺旋桨低速航行，从而能够保证船舶的正常航行。目前此系统主要被运用到单机单桨系统的船舶，主要用于集装箱和多用途货船、化学品船。除了混合动力系统之外，现代船舶建造中越来越多的特种推进装置被采用。由于不同船舶它们作业性能的要求（例如海洋工程船、调查船、勘探船等），它们的动力推动系统具有独特的性能。主要的特种推进装置有可调桨推进系统、大功率的全回转推进器和大功率喷水推进系统。可调桨推进系统由于具有操作性能好、节能环保等优点被广泛地应用于大型的船舶和中速柴油机推进系统中。可调桨推进系统能够充分发挥主机的功率，实现更好的机桨匹配，达到节能降耗的目的。同时当一些船舶作业需要多工况运行和定位时，也会广泛地用到可调桨推进技术。通过和西方国家技术的合作以及自主研发创新，中国的可调桨厂家近年来推出了具有自主知识产权的可调桨产品，逐渐在世界造船行业中得到认可，取得了很大的进步。大功率的全回转推进器的发展，随着海洋工程的快速发展，船舶由近海不断的向远海转移，能够适应于深水作业的工作船的需求量不断的上升。大功率的全回转推进器能够良好地满足船舶在海洋中的定位，提升船舶作业过程中的操作可靠性。越来越多的大功率全回转推进器被应用到以上船舶的动力系统中去。大功率喷水推进系统的发展，大功率喷水推进系统主要利用超高压水流喷射产生推力来驱动船舶，以前被广泛应用于舰艇特别是潜艇的动力推进。随着大型客船、客滚船的发展，大功率喷水推进系统也纷纷在船舶的建筑过程中出现，澳大利亚、日本、意大利等国家都有典型的产品。它的主要优点是快速性很好，能够实现船舶的快速航行，缺点在于轮机系统的维护比较麻烦。在现代船舶航行技术的发展中大功率、高效率的喷水推进装置必将成为越来越多船舶动力系统的选择。

3 结语

上文对现代几种船舶动力系统的特点以及发展趋势进行了详细的分析，主要对柴油机动力推进系统、燃汽轮机动力系统、电推进动力系统、混合动力系统、混合动力以及特种推力装置等各个推进系统不同的功能以及特点进行了介绍。在特种船舶和海洋作业船舶快速发展的今天，性能可靠、节能环保的动力系统越来越受到人们的关注。国内的造船企业也意识到了新型动力系统的巨大潜力，新型动力系统的研究越来越受到人们的重视。

参考文献

[1] 冯明志，等.船舶大功率柴油机的发展与技术创新

[J].柴油机，2007，29（2）.

[2] 江康源，等.船舶动力装置发展的新趋势[J].船舶工程，1999.

[3] 秦立新.船舶综合电力推进系统的发展及应用[J].舰船科学技术，2009.

[4] 刘承江，等.喷水推进研究综述[J].船舶工程，

2006.

[5] 彭国勋，肖正扬.自动机械的凸轮机构设计[M].北京：机械工业出版社，1990.

[6] 詹启贤.自动机械设计[M].北京：中国轻工业出版社，1994.

船舶动力系统的发展趋势研究 篇6

关键词：船舶,动力系统,发展趋势

引言

船舶动力系统是现代化船舶中最重要、最主要的设备。通常而言,它的价值约占船舶设备总成本的35%以上,占船舶总造价的20%以上[1]。由于船舶是能源消耗的大户,也是当前环境污染与温室气体排放的主要源头之一。因此,船舶动力系统未来发展的一个重要方向,应当从节能降耗的角度出发,通过积极应用与发展新能源技术,以促进我国船舶能不断向着绿色化、节能化与先进化的方向迈进。

1 船舶动力系统概述

船舶动力系统的主要功能:一是发出一定的功率以推动船舶在预定的航向与速度下航行;二是根据各种作业需要,将燃料的化学能转换为相应的机械能、热能、电能等二次能源。因此,根据船舶动力系统的以上两个功能,可将其结构分为推进装置与辅助装置两部分。

1.1 推进装置

推进装置也通常被称为主动力装置,是提供船舶正常航行所需推进力的一整套设备,其典型结构如图1所示。

推进装置主要由以下设备组成:

(1)主发动机。主发动机也被简称为主机,包括提供推进动力的原动机以及为其服务的辅助设备与管系结构。原动机的类型主要有蒸汽轮机、柴油机、燃气轮机、汽轮机等。

(2)推进器。它是一种能量转换装置,可将原动机中提供的能量转换为船舶正常航行的推动力。推动器的类型主要有螺旋桨、直翼推进器、明轮、泵喷射推进器等。

(3)传动设备。它是将原动机提供的动力传递到推进器中的设备,并能起到一定的减速、转向、减振的功能。传动设备主要包括减速器、离合器、联轴器、轴系设备、管系设备等。

1.2 辅助装置

船舶动力系统中的辅助装置,主要是产生除推动力以外的二次能源,以供船舶各种作业及船员生活所需。

辅助装置主要包括:

(1)发电机组。它用于供应全船所需的电能,主要由柴油发电机组、汽轮发电机组以及为其服务的设备与管系组成。

(2)辅助锅炉。它用于供应全船加热、供暖所需的热能,主要由辅助锅炉、余热锅炉以及为其服务的设备、管系及阀件组成。

(3)自动化控制装置。近年来,为实现对船舶动力系统的远程操纵与控制,在现代化船舶中都普遍装设了自动化控制装置,主要包括自动控制系统、自动调节系统、远程监测系统等,以更好地保障动力系统的运行质量与运行水平。

2 船舶动力系统未来发展趋势

目前,我国船舶动力系统未来主要的发展方向,一是对现有动力系统进行不断优化与改进;二是探索与发展新能源动力系统的应用。

2.1 现有动力系统的优化与改进

表1即为上文分析的三种动力系统在1000t商用船舶应用时,其性能参数的对比表。

从表1中可以看出,在这三种船舶动力系统中,柴油机动力系统除噪声与振动较大外,在燃油经济性、可靠性、操纵性、单位重量以及功率选择范围方面都具有较明显的技术优势。因此,在现代化船舶中,柴油机动力系统的应用最为广泛。据统计,目前以柴油机作为原动机的船舶占船舶总数的90%以上,因此对柴油机动力系统的不断优化与完善,也是船舶动力系统未来的主要发展趋势之一。

当前,柴油机动力系统的一个重要发展方向,就是通过机内净化技术的应用,在不断提高船用柴油机经济性与燃烧效率的同时,还能有效控制CO2、CO等有害气体及碳烟微粒的排放量,以实现对自然环境的有效保护。常用的船用柴油机机内净化技术,主要包括增压中冷技术、高压喷射技术、燃烧室改进技术、燃料优化技术等[3]。

2.2 发展新能源动力系统

2.2.1太阳能动力系统

因太阳能的清洁、环保、无地域限制、资源丰富等优点,太阳能发电技术已被越来越被广泛地应用于各工业领域及生活领域。太阳能动力系统,即是利用太阳能发电技术,将太阳能电池作为船舶主动力或辅助动力的动力系统。

尽管太阳能发电技术在日常生活中的应用已较为普及,但是作为船舶动力能源的研究仍处于起步阶段,其技术尚不成熟。在实用化应用方面,太阳能动力系统主要用于中小型的游览船以及大型的运输船舶中。

在国外,美国、欧洲和日本等国对太阳能船舶动力系统的研究最多,并已有成功应用的经验。在2000年,美国即建成了利用太阳能、风能以及燃油的小型混合能源船舶。该船舶共有8片太阳能电池板,并可作为船舶的风帆,船体共可搭载120人;在2006年,美国与日本还合作设计了利用太阳能动力系统的大中型游览船,该船体可共搭载500人[4]。

在我国,太阳能船舶动力系统也已逐渐进入到了实用化的阶段。在2010年,我国独立设计的第一艘太阳能、燃油的混合动力游览船在黄埔江上正式起航。该船舶的太阳能电池板共12块,并共同构成了船舶的“太阳翼”,其高度与宽度分别为10m和5m,还可以根据光照条件随着阳光进行旋转。

对太阳能船舶动力系统的未来发展进行展望,一是尽可能发展新型的光转换材料,以提高光电技术的能量转化效率;二是在太阳能电池板的设计上,应在保障船舶正常航行和作业需要的基础上,尽量加大太阳能电池板的表面积,从而提高船舶的航行里程与航行时间。

2.2 燃料电池动力系统

燃料电池动力系统,即是利用燃料电池作为船舶主动力或辅助动力的动力系统。燃料电池是一种通过电化学反应,将化学物质转换为电能的高效转换装置。我们常见的太阳能、风能、地热能等新能源,在实践应用中往往容易受到外界环境、气候变化的影响,而无法持续为船舶的航行提供动力能源。而燃料电池不仅有着很高的能量转换率与持续性的供电保证,而且具有节能环保的特点,因此近年来受到了航运界的广泛青睐,并逐渐被应用于船舶动力系统中。

目前,燃料电池技术在船舶动力系统中的应用已进入到实用化阶段。由于其所具有的噪音低、无污染、能效高等优势,在国内外的部分LNG船、科学考察船、军用船舶、中小型游览船或客船的动力系统中,都已采用燃料电池作为船舶的主动力或者辅助动力。然而,燃料电池的价格偏高、燃料供应与提取难度较大、技术成熟度不高等问题,也成为了限制燃料电池动力系统大规模应用与普及的重要难题。

对燃料电池动力系统的发展进行展望,一是通过不断提高燃料电池的燃料提取水平,以及加强燃料供应网络与供应站的建设,从而降低船用燃料电池的使用成本;二是加强对燃料电池技术不断研究与发展,以提高燃料电池的使用寿命与可靠性,确保燃料电池动力系统运行中的安全与可靠。

3 结束语

船舶是能源消耗的大户,也是当前环境污染与温室气体排放的主要源头之一。因此,船舶动力系统未来发展的主要方向,应当是从节能降耗的角度出发,通过不断对原有动力系统进行优化与改进,以及不断发展新能源技术,以促进我国船舶能不断向着绿色化、节能化与先进化的方向迈进。

参考文献

[1]严新平,徐立.船舶清洁能源技术[M].北京:国防工业出版社,2012:13-16.

[2]冯明志,吴惠忠.船舶大功率柴油机的发展与技术创新[J].柴油机,2013,(2):126-128.

[3]江康源.船舶动力装置发展的新趋势[J].船舶工程,2012,(2):225-227.

混合动力船舶 篇7

刺激了汽车产业的整体变革

在新能源刚刚在汽车行业诞生的时候, 一些评论家就指出, 能源变革为中国汽车工业追赶传统汽车工业强国提供了一条捷径。新能源和新的技术将会对整个世界汽车工业进行一次重新洗牌, 这就为中国汽车工业跳跃式增长, 占领新的细分市场提供了难得的机遇, 可能在未来可预计的几十年, 中国的老百姓花几千人民币就可有买到一辆品质好、技术优的节能环保车。

此次北京奥运会“绿色奥运, 科技奥运”的理念也强烈的促进中国汽车的能源和技术改革。民族品牌奇瑞A5 ISG的优秀表现, 不但增强了中国消费者对民族汽车的自豪感和自信心, 也为中国汽车工业的新能源发展注入了一剂强心剂, 势必推动整个行业提高新能源技术研究开发的力度。

汽车消费的责任感和环保意识

奇瑞A5混合动力首先带给我们的是汽车消费的责任感和环保意识, 在建设绿色环保型城市的征程中, 驾乘混合动力车将成为最为有效的解决方法之一。

众所周知, 中国的大中城市由于车辆较多、交通拥堵, 很多时候车辆都处在低速行驶的状态。在这种情况下, 奇瑞A5/ISG将主要保持电力驱动状态, 而此时奇瑞A5/ISG的汽油发动机关闭, 车辆的尾气排放为零。据专业人士推测, 奇瑞A5/ISG的尾气排放要比同等排量的传统车型低一半左右。

节约型汽车消费

其次, 混合动力的诞生将带我们走上节约型汽车消费的轨道。奇瑞A5/I S G由于采用了汽油发动机和电动机的协同工作模式, 其配备的144V动力电池与电机能进行快速能量交换, 再加上有519M T变速箱的辅助, 燃油济性得到了大幅度的改善。排量为1.3L的奇瑞A5/ISG达到了相当于奇瑞A5 1.6L的动力性能, 而其综合工况的油耗仅为4.9L, 比发改委公布的奇瑞Q Q 5.8L的综合油耗还要低0.9L, 如此低的油耗显然已经突破了国内汽车省油的极限。奇瑞A5/ISG的低油耗不仅为车主省了钱, 也是对宝贵的石油资源的节约。在建设节约型社会的征程中, 混合动力车的研发和投入市场无疑将起到里程碑的作用。

目前所提到的新能源汽车或者替代能源汽车主要有:氢燃料电池汽车、纯电动汽车、混合动力汽车、清洁柴油汽车、燃料电池汽车五大类型。奇瑞A5 ISG混合动力汽车作为自主品牌在新能源汽车研究领域的一大突破, 以及将在奥运会这个世界窗口上的高调亮相, 无疑让行业和消费者对奇瑞的这款汽车上市充满了期待。而正在芜湖接受全面测试的奇瑞A5混合动力出租车按照常理, 新车经过出租车测试后, 就将转入小规模批量生产, 随后便可投放市场。乐观估计奇瑞A5混合动力车能在2008年年底上市, 对于崇尚节能环保的汽车用户而言, 省油带来的省钱才是无疑是最大的实惠。

混合动力为何在华的发展非常迟缓?

混合动力, 所有包含两种或两种以上的驱动系统的技术。目前市场上主流的是汽油内燃机和可充电电动机的混合型, 与纯粹用汽油内燃机作驱动力的普通汽车相比, 混合动力型汽车的内燃机功率通常要小得多。当混合动力汽车在低速行驶或是停车空转无需较高的输出功率时, 内燃机可以关闭, 完全依靠电机来提供驱动力, 从而避免内燃机在低速运转时的低效率燃烧。高速行驶时, 汽油内燃机燃烧充分, 是以电动机可以完全关闭, 而只依靠内燃机的输出功率来行驶。在北京这个交通早高峰与晚高峰完美结合的城市中, 在需要不断起步、刹车中, 汽油和电动马达之间切换的混合动力技术能够给驾驶者带来更多的燃油经济性, 这就是它最大的诞生意义。

起初这种社会意义、诞生意义并存的混合动力, 也并不受到欧美几大汽车厂商的重视, 相比之下功率输出更强大的柴油机是他们的主力, 但是在普锐斯成功登陆美国后, 他们看到了这一潜力股。为了抢占美国和亚洲丰厚的市场, 他们不得不宣布在环保节能方面做更大的投入。而中国市场的环境则有些不同, 我们国民的环保意识相对薄弱一些。这不是在灭自己的威风, 只能说是我们国家发展到现阶段的一个必然情况吧。那么, 普锐斯这一款在全球内具有良好口碑的节能车, 进入中国的普及意义要远远大于它的销售成绩。

有专家在评价普锐斯时这样说:“一个美好的环保动机, 一个成功的科技设计, 一个在中国政府决不给予补贴的市场, 一个老百姓绝对无法承担的价格。”在2005年底刚刚上市的时定位在28万左右, 加之对它的不了解, 使得它基本处于滞销的状态, 大街上见到普锐斯简直是中了大奖一般。高定价背后的主要原因有三:国产化率低、政府没有补贴、产量小这些原因, 在它身上只有风挡玻璃和轮毂是国产的, 根据目前国家的相关政策, 像这样用进口大件组装生产的整车, 将按整车来收税, 还有一项重要的原因就在政府部门。

据了解, 在日本、美国针对普锐斯这样的环保车, 政府有一定的补贴, 如普锐斯在美国的售价比同级车大概高了20%, 但可获得美国联邦税务局税收减免2000美元的补贴, 在日本, 政府将补贴普锐斯高出其同级别车部分的1/4。有些政府人士对此表示不屑, “我们没有必要为汽车厂商挣钱”, 一话道出了心声, 但是有没有必要为了北京的蓝天降低进口物品的关税呢, 对于这部分支出, 有必要呼吁一下。

新动向——液压驱动方式

不是所有的混合动力车辆都要依靠电动发动机、电池和电线。有些车辆是靠液压发动机、铃线和蓄能器的联合作用来驱动的。

最近的汽油价格达到了创纪录的历史新高, 让站在加油泵面前的消费者胆颤心惊。但是, 与重型卡车运输车队的经营者相比, 这些消费者的痛苦只能算是小痛小痒了。

这些混合动力系统不像丰田公司的Prius车型一样, 使用的是电动发动机、电池和电线, 而是利用液压泵发动机、高压铃线和蓄能器的联合作用来驱动车辆。

这类液压混合动力中最激进的型号完全摆脱了传统的机械动力传动系统。在这些车辆上, 柴油发动机驱动液压泵发动机, 而液压泵发动机再为高压蓄能器蓄能。蓄能器驱动后轮上的斜轴式液压泵发动机从而驱动车辆。一个低压储备器用于收集液体, 然后把液体再送回到第一个液压泵发动机中, 这样就形成了一个完整的液压循环系统。

与电动混合动力发动机一样, 液压混合动力发动机也有提供再生制动的能力。货物运送车辆和渣土运输车经常要制动刹车, 当车辆制动时, 液压泵发动机会为高压蓄能器蓄能。当卡车再次启动前行时, 储存在蓄能器中的能量可以用来减少柴油引擎的负载。这些能量也可以限制引擎关闭时推进力的迸发, 比如说在室内操作车辆时。

对一般消费者或某些工程师来说, 在这样一个电气化程度不断提高的世界里, 液压发动机技术看上去有些落伍。但是, 液压泵发动机和蓄能器可以提供一种应用扭矩和存储能量可靠的、低成本途径, 这也正是混合动力车辆所需要的。并且液压发动机与电动系统相比具有明显的功率密度优势, 至少现在是这样。“液压发动机好像非常有效, 至少对大多数重型卡车系列来说是这样的, ”环境保护基金会 (Environmental Defense) 高级汽车策略会成员、机械工程师John DeCicco博士这样评价。

当今的液压混合动力系统主要有三种方式, 并且都处在发展之中。美国环境保护署 (U.S.Environmental Protection Agency, 英文缩写EPA) 交通与空气质量办公室 (Office of Transportation and Air Quality, 英文缩写OTAQ) 的研究者们与Eaton Corp公司、美国西南研究院 (Southwest Research Institute, 英文缩写SwRI) 和其他合作伙伴联合开发了一种混合动力系统。从2006年6月开始, 这套系统开始由UPS公司的配送卡车在底特律市进行测试运行。美国环境保护署也与Parker Hannifin公司签订了一个单独合作研发协议, 着手液压混合动力方面的设计。

Eaton Corp和Parker Hannifin两家公司也都各自进行了自主知识产权的液压混合动力系统的开发。Eaton公司开发的是一个液压启动辅助的并行系统, 但是其主要的推进力仍然是来自于机械动力传动系。Parker Hannifin公司在过去的一年半的时间里研发出一种新型的液压混合动力设计, 其中一些负载循环数据来自于Waste Management公司。

不同的声音

技术短板

混合动力虽然有其无可比拟的省油优势, 但是自身仍然具有无法避免的劣势。

(1) 混合动力车价高出同级别传统汽车许多, 仅制造成本开始就高出传统汽车20%～30%, 还不包含研发成本, 高昂的成本使得大多数工薪阶层的消费者不能接受。

(2) 混合动力车维修费用偏高与传统汽车相比, 混合动力汽车多了一套混合动力系统, 平常不需要保养。在维修费用方面, 混合动力车则比同级别的传统汽油车高出许多, 厂商要投入专项资金来改善4S的条件以便能支持混合动力的保养和维修, 这些成本最终都是转嫁到消费者身上。

(3) 国内汽车生产企业在混合动力车技术上还没取得重大突破按照目前的情况, 我国混合动力车需要的关键零部件产品开发还不成熟, 要想建立完善的混合动力车产业化工业基地以及售后服务体系, 还需要很长一段时间。

所以, 国内汽车厂商应该理性的看到混合动力技术, 不激进, 并且这事也急不来, 还是踏踏实实的做好本职工作。

市场疲软

(1) 高价格——消费者难以埋单令用户产生这种担忧的, 是难以降低的生产成本和由此导致的高昂售价——“比普通汽油发动机制造成本高出近2万元, 而要达到强度混合动力, 售价最少上升4万元”。

长安汽车在其杰勋车型上实现了中度混合, 并用同样的2万元单车成本换来了20%的节油效果。照此估算, 杰勋HEV的售价也将达到空前的18万元。

按照目前的油价水平, 即便是2万元, 也需要行驶10年, 节省的燃油才能抵消增加的购车成本。不用太过精明, 买家也能判断出这是否划算。

相同的困境让丰田和本田——这两个拥有最成熟混合动力技术的厂商也无从回避。在中国上市两年以来, 与2.5L皇冠售价相仿的1.5L丰田普锐斯共卖出2500辆, 而本田CIVIC的混合动力车型2008年1～3月销量不足百辆。

(2) 高成本——车企面临三选一尽管丰田和本田均表示, “目前销量并不重要”, 然而在价格的作用力下, 由于推广混合动力车型的不同策略, 丰田和本田走上了完全相反的方向。

“在丰田品牌和雷克萨斯之间, 我们倾向于先让后者普及混合动力系统”, 雷克萨斯一位工程师说。在丰田看来, 有能力购买雷克萨斯的车主不会计较为混合动力系统多花上几万元钱。而本田最高端的雅阁混合动力版本已经停产, 他们正在为混合动力专门研制一种比Civic更小的全新车型。“新车型将具有消费者更能接受的价格, 我们会在2009年推出”, 本田技研中国透露, “混合动力更适合中小型汽车, 这是本田尝试之后得出的结论”。因为本田认为, 制造让更多的人能够接受的、价格适中的混合动力车型, 不仅能实现节能环保的初衷, 更可以由生产规模带动制造成本的下降。

事实上, 这正是一对看上去无法快速扭转的矛盾——价格高居不下, 难以形成市场规模;而小批量生产更加无法降低成本。“我们的年产能至少达到3万辆才能勉强收回成本”, 一汽丰田销售公司副总经理董海洋这样回答关于普锐斯何时能够盈利的提问。

(3) 高技术——关键部件赖进口售价相对低廉的国产混合动力就要来了, 会有多少消费者愿意成为“小白鼠”, 尤其当自主品牌还未普遍脱离技术含量低、故障率高的发展时期, 这是一个极为现实的问题。通过网络进行的调查结果显示, 除高昂的价格以外, 技术不成熟成为消费者不愿购买混合动力车型的首要因素, 五成受访者这样表示。

“与简单的轻度混合相比, 中度混合要实现发电机、电池与汽油发动机的匹配, 复杂、困难得多”。事实上, 电子控制器、电池等核心零部件的采购被德国博世、美国江森自控、联合电子等外资牢牢掌控。依赖进口, 这为自主品牌混合动力技术的产业化制造了更大的障碍。

“我国还没有形成可靠的混合动力零部件供应链”, 长安汽车股份有限公司董事长尹家绪表示, “混合动力电机、控制器、电池及其管理系统等关键零部件仍依赖国外进口, 尚不能形成规模生产, 这直接影响了混合动力车的产业化进程。”

正以近乎“狂热”的状态投入自主研发的上汽, 其总裁陈虹的态度也同样迫切, “在研发试制等环节政府应加大配套政策的支持力度, 并重点培养几家有潜力的混合动力汽车核心零部件企业”, 陈虹说。

(4) 高风险——政策支持力度弱不算研发, 长安汽车仅在杰勋“中混”轿车产业化项目的投入就达近1.5亿元, 这一动作伴随的是开发投入大、新增成本高与现实市场小的巨大风险。看上去, 似乎到了政府出台扶持政策的时候。

众所周知, 在美国、日本、欧洲等地区, 混合动力汽车的生产商和购买者都得到了来自政府的支持。

美国能源部决定在2008～2009年度, 拨款2000万美元加强对插入式混合电动汽车的先进电池研发;对混合动力汽车按照油耗改善程度确定减税额度的大小;此外, 混合动力汽车可以在美国任何道路上行驶。而日本政府对购买混合动力汽车的消费者实行差价补贴, 最高可达与传统车相比购置差价的50%, 并大幅下调燃油税。

“我们建议国家设立混合动力汽车产业化专项发展基金, 通过税收减免、财政补贴、国债贴息贷款和融资担保等措施, 支持自主品牌混合动力汽车生产企业的产业化运作”, 力帆集团董事长尹明善日前表示, “免除混合动力汽车的车辆购置税、上牌费、养路费、过路过桥费, 并可以考虑借鉴欧洲一些国家的经验, 减免混合动力汽车个人消费者一定期限的个人所得税。”

不过, 这在专家看来, 短期内难以实现。

LNG燃料动力船舶建造检验要点 篇8

1. LNG管路

LNG管路系统通常由注入管路、供气管路、透气管路以及通风管路构成。为保证管路性能良好, 应认真分析审批图纸, 并遵照其技术要求对管路的制作、安装、密闭性以及实效进行严格的技术检验。具体检验标准流程如下:

第一, 布置管路之前, 应对热形变现象、气罐位移以及船体构件位移所产生的应力的影响考虑进来。

第二, 为避免膨胀街头的形变, 如过度膨胀或压缩, 应对相邻管系采取合理的加固措施。尤其是波纹管膨胀接头, 需另加支撑使其免受机械损伤;对于法兰接头, 为避免发生螺母松动, 应另设加固构件, 如防松垫圈[1]。

第三, 如果当前需要对气罐与船舶整体间保持绝缘, 可通过电器接地的方法进行隔离, 无论是管路还是气罐。都需对其接头进行电器接地处理。

第四, 对于供气管路而言, 应尽可能避免使用软管、法兰, 并严禁接入滑动式膨胀接头[2]。

第五, 应控制好管路与船舶外板的间距, 至少应保证在800毫米左右。

第六, 在安装过程中, 应保证管路具备足够的挠性, 为避免过度膨胀或压缩情况的出现, 可利用U型膨胀弯, 或直角型膨胀弯, 保证管系的稳定。

第七, 应使用统一颜色标识管系。同时, 所使用的颜色应尽量醒目, 与附近的舱壁, 其他设备等有显著区别, 如红色、黄色等[3]。

第八, 在材料选择方面, 应使用不锈钢管材, 以保证其具有良好的耐低温性, 常用的管材有304、308、316奥氏体不锈钢, 选择之后应对其焊接工艺方案进行提交审核。整个建造期间, 包括运输、存放、加工等所有环节, 应注重对不锈钢管进行维护, 从而避免晶间腐蚀。

第九, 如果焊接工艺方案已经通过审核, 无损探伤范围需符合要求[4]。

2. 充装处所 (燃料充装)

燃料充装部位最主要的构件就是管路及阀件, 如果因操作不当而发生LNG泄漏, 就会给整个船舶带来低温损伤, 在LNG挥发的条件下, 形成的气体具有可燃性, 给周围设备和场地增加严重的安全隐患。因此, 为最大程度地保证安全, 其关键在充装过程的密闭性, 防止LNG泄漏造成低温损害, 给设备和人员带来危险, 因而需在充装过程中加大控制力度。目前通常的做法是, 充装前首先对船舶结构通过水幕保护 (water curtain) 进行隔离, 或者加设防护罩来隔离;充装过程中, 往往会涉及到监测, 报警, 应急措施, 以及通讯等多个环节, 以保证加注船只与被加注船只之间有良好的协调性[5]。同时, 在船体防火方面, 与充装站相应位置的起居场所、服务场所等的舱壁应进行隔热处理, 等级为A—60级, 但如果使用了钢质舱壁, 形成严密的围蔽, 只保留一处与外界沟通的开敞, 或者充装站能够与这些场所保持合理的距离, 就可将等级下调至A—0级。在这一过程中, 应对C型气罐严加防范, 并对LNG气罐的额定充满率进行控制, 使其不得超过90%。

3. 结语

本文通过对LNG燃料动力船舶建造检验要点进行论述和分析, 指出了LNG燃料动力船舶的良好发展前景, 分析了LNG动力船舶的优势。同时为保证其具有足够的安全性, 应严格遵守技术规范, 本文对LNG管路以及燃料充装两方面的操作要求进行了较为详尽的说明。

参考文献

[1]徐立, 邓儒超, 徐楚, 张笛, 方军庭.船舶核动力装置二回路故障分析及安全性研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2014, 20 (01) :300-301.

[2]李学军, 高占峰, 刘辉, 李杰, 姚丹丹.小型LNG运输加气船的经济性分析研究[J].船舶标准化工程师, 2014, 15 (04) :179-180.

[3]楼海军, 阚安康, 康利云, 刘红敏.船舶舱室空调热舒适性评价指标及其微气候参数优化[J].船舶工程, 2014, 17 (01) :125-126.

[4]孙迪, 李国宾, 魏海军, 廖海峰, 柳霆.磨合磨损过程中摩擦振动变化规律研究[J].哈尔滨工程大学学报, 2013, 20 (02) :215-217.

混合动力船舶 篇9

一汽技术中心从“九五”期间开始进行红旗混合动力轿车的开发, 并开发出了性能样车。在“十五”期间一汽技术中心承担了国家“863”计划电动汽车重大专项项目——解放牌混合动力城市客车研究开发和红旗牌混合动力轿车研究开发。

从2002年开始, 一汽技术中心承担国家“十五”“863”电动汽车重大专项解放牌混合动力客车研究开发项目, 到2008年近7年的时间, 一汽技术中心成功开发了双轴并联混合动力构型, 该构型具备发动机怠速停机、低速纯电动、发动机单独驱动、联合驱动行驶以及制动能量回收等主要功能。

在整车集成技术、控制技术、机械式自动变速箱 (AMT) 、电机和电池关键部件及整车试验方面取得了一系列科研成果。取得相关授权专利12项, 发表相关学术论文30多篇。动力总成分别为一汽大柴电控发动机、自主开发的机械式自动变速器、整车控制系统, 及与国内企业联合开发的电机和电池系统。

整车共进行了功能样车、性能样车和产品定型样车的三轮开发。匹配了三种混合动力客车车型, 分别为10米CA6100SH8、11米CA6113SH8、12米CA6124SH8等城市公交车主力车型。

混合动力客车整车技术指标达到了有关的标准。整车最高车速90km/h, 0-50km/h的加速时间小于25s, 国家城市综合循环工况下比传统客车节油大于25%, 北京工况下节油大于30%。排放降低20%, 优于国Ⅳ标准。

2008年5月, 一汽12辆12米低地板混合动力客车

混合动力轿车问世

交付北京公交集团进行奥运会示范运行。作为T5车队运行在奥运公交专线1路。2008年7月11日参加了科技部举办的“奥运节能与新能源汽车示范运行交车仪式”, 2008年7月20日一汽提供的12辆混合动力客车正式上路运行, 整车运行效果良好。

在混合动力整车集成技术、控制系统开发、部件及整车试验方面取得了一系列科技成果, 共取得授权专利14项。动力总成分别为一汽自主开发的4缸电控汽油发动机、自主开发的机械式自动变速器、整车控制系统, 以及与国内联合开发的电机和电池系统。

奔腾混合动力轿车整车技术指标达到了有关标准。整车最高车速>180km/h, 0-100km/h的加速时间小于13.8s, NEDC循环工况下比传统轿车节油大于42%, 排放降低30%, 达到国Ⅳ标准。

2008年5月, 一汽6辆奔腾B70HEV混合动力轿车交付北京万泉寺出租车公司运行。2008年7月11日参加科技部举办的“奥运节能与新能源汽车示范运行交车仪式”, 2008年7月20日一汽提供的6辆混合动力轿车正式保点运行, 整车运行效果良好。

一汽混合动力汽车奥运示范的顺利进行, 标志着一汽技术中心在当今世界混合动力高技术开发能力和成果上达到了一定水平, 是一汽高技术自主创新的具体体现。随着研究的继续深入和大量试验的不断开发, 一汽混合动力技术将更加成熟, 将加快推进批量化生产进程。

船舶动力机械中螺旋桨的维修与养护 篇10

关键词：船舶；动力机械；螺旋桨；状态监测；推进器 文献标识码：A

中图分类号：U672 文章编号：1009-2374（2015）15-0108-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.15.056

1 船舶动力机械中螺旋桨概述

船舶动力机械中的螺旋桨是船舶上普遍使用的一种推进器，就是推动船舶运动的一个装备，通过将船舶动力机械发出的功率转化为推动力，从而保证船舶的航行。螺旋桨作为船舶行驶的重要组成部分，其主要包括桨叶和桨毂，根据两者嵌合的形式，螺旋桨有整体式和组合式的划分。整体式的螺旋桨，桨叶和桨毂是铸成一体的，因此为整体式。而组合式螺旋桨，桨叶和桨毂是分别进行铸造，然后通过螺栓将两者相互连接，发挥螺旋桨的整体作用。两种形式的螺旋桨在螺距上有一定的差别，根据不同需要，桨叶的数目也存在差异，一般为3～6个。螺旋桨形状是比较复杂的，由于其尺寸和重量都比较大，因此螺旋桨的加工和制造也具有一定的难度。其中桨叶需要采用多种工具进行加工，包括砂轮、风铲等，多为手工槽子，生产效率也比较低。船舶螺旋桨桨叶和桨毂连接好后，还需要与尾轴也就是螺旋桨转动时的轴相连接，才能保证螺旋桨的顺利运行。该种连接主要有三种方式，首先是较传统的一种方式，即机械连接，也就是用传动键将两者连接起来。该种方法虽然容易引起裂纹或者断轴，但也是一种沿用至今的方法。其次就是环氧树脂胶黏剂连接，是采用有键环氧树脂胶黏剂进行胶合连接，该种方法主要应用中、小型船舶。最后是油压无键套合连接，也就是将桨毂锥孔内表面直接嵌装在螺旋桨尾轴上，该种方法比较可靠，且拆装较为方便。

2 船舶动力机械中螺旋桨的检修

船舶动力机械中螺旋桨的重要性显而易见，因此对其进行维护和检修也是进坞检查时日常船舶维护中不可缺少的部分。船舶动力机械螺旋桨常出现的故障一般发生在桨叶，主要表现有桨叶面的腐蚀、断裂、裂纹以及变形等，这些异常故障的发生不仅影响螺旋桨的寿命，还会引发船舶安全故障。因此，船舶动力机械中的螺旋桨需要定期进行检查和修理，检查的内容主要包括：首先是螺旋桨桨叶的表面检查，主要观察桨叶是否有裂缝、锯齿或者缺陷等，当发现有缺损，需要马上进行修复，一般是原地修复或者拆下修复。其次要检查螺旋桨拆下后的锥孔接触面。保证修复好的桨叶能够重新安装。最后还要注意桨叶面的螺距、厚度以及尺寸等是否满足船舶行驶中的要求。检查好螺旋桨后，就需要对螺旋桨进行焊补修理，记录修理的具体情况，提交修理文件和检验文件。综上为螺旋桨检修的整个过程，下面将对螺旋桨的修理进行具体的阐述，主要包括四大部分：

2.1 螺旋桨桨叶片裂纹的修理

螺旋桨桨叶片裂纹的修理主要采用的是补焊的方法，但是对于该方法的采用也有一定的原则，也就是说，叶片的裂纹需要满足可补焊的裂纹程度，当裂纹过大或者过长，都不能采用补焊的方法。因此，当桨叶片的裂纹较为严重且出现断叶的现象，则需要进行叶片的换新，这样才能保障螺旋桨的安全性能。对于满足补焊条件的叶片，进行修理时需要根据叶片的材料选择补焊的方法。如铜质螺旋桨就需要用铜焊丝来进行气焊法焊补。需要注意的是，在焊补后，要将叶片凿平磨光，将焊补留下来的夹渣等去除，并仔细进行检查，确保无裂纹。

2.2 螺旋桨桨叶片变形的修理

螺旋桨桨叶长期使用过程中，由于材料的物理性质和环境的变化，很容易出现桨叶片变形的状况，因此在螺旋桨的修理中，叶片弯曲的修理也是较为常见的现象。修理主要是对叶片进行矫正，采用的方法有冷态矫正和热态矫正。冷态矫正适用于桨叶尖和桨叶边缘厚度较小的部位，将温度加热到205℃以下进行矫正。而热态矫正则比较适用于任何情况。矫正的方法主要有：在一定温度下，采用重锤敲打、压力机矫正、平板上用压板矫正、多压板矫正以及叉形撬棒矫正等方法。

2.3 螺旋桨桨叶边缘腐蚀和锯齿的修理

螺旋桨桨叶边缘腐蚀和锯齿的修理主要采用的是修复的手段，在可修复范围内，对叶片腐蚀部位和锯齿部位进行补焊和填补的方法来进行修复，具体的方法需要根据腐蚀的程度、部位以及扩散的范围等来进行处理。

2.4 螺旋桨桨叶片局部挖补的修理

螺旋桨桨叶片局部如叶片的叶梢部分出现磨损，利用以上方法是无法进行修复的，因此需要采取镶配的方法来处理，也就是说，将磨损部位的尺寸等进行大致范围的确定，并设计图纸按照尺寸设计出木模，然后进行镶配，最后进行焊接固定。

3 船舶动力机械中螺旋桨的养护

船舶动力机械中的螺旋桨工作的条件是比较差的，因此也比较容易出现故障，在平时的使用和保存中需要加强对其的养护管理。除了定期的进坞检查，平时的养护也是至关重要的。主要可以通过以下三个方面来展开养护工作：（1）螺旋桨安装时的清理养护。在对螺旋桨进行进坞检查时，安装时要注意螺旋桨轴管内进入污物，并且进行油封处理，保证螺旋桨桨毂内孔和尾轴进行很好的贴合。由于船舶的螺旋桨的工作环境多为潮湿，因此安装时还要保证各个部件相互结合的螺帽旋紧并符合规定；（2）定期的抽轴检验。螺旋桨除了桨叶的维护，桨轴也是维护的重点。一般来说，船级检验对螺旋桨采用的是5年或者5年内进行一次抽轴检验，除此之外，还需要加大针对性和准确性，才能确保检验的有效性和可靠性，保证其安全；（3）实现设备的状态监测。对螺旋桨进行状态监测是目前较为新型的养护手段，主要是对螺旋桨的运行状态实现实时监控，并且自动记录下螺旋桨运行的参数，当参数出现异常时，自动报警的一种监测方式。该种方式省去了大量维修人力和费用，对于螺旋桨的养护起到至关重要的作用。

4 结语

螺旋桨是船舶动力机械中的重要组成部分，是保证船舶安全行驶远航的关键设备。螺旋桨在船舶业中是比较广泛运用的推进装置，对于其的维修和养护是船级检验的重要程序。在日常的螺旋桨应用中，经常出现螺旋桨故障问题，如叶片变形、产生裂纹、锯齿等现象，不仅影响了螺旋桨的推进能力，还会导致船舶在航行过程发生安全事故，因此，必须要加强螺旋桨的日常维修和养护。

参考文献

[1] 王希民.船舶螺旋桨几起事故分析[J].世界海运，2011，34（7）.

[2] 张建国，岳金，宋春生，等.碳纤维复合材料螺旋桨铺层角度研究[J].武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2014，（2）.

[3] 杨兆军.某型定距螺旋桨故障分析及修理[J].西部大开发（中旬刊），2011，（2）.

[4] 王吉江.船舶动力机械中螺旋桨的维修与养护[J].中国化工贸易，2014，（34）.

作者简介：薛海（1986-），男，山东烟台人，烟台中集来福士海洋工程有限公司工程师。