船舶动力系统现状及发展趋势

2013-10-14陈永道

机械制造与自动化 2013年2期

陈永道

（南京高精船用设备有限公司，江苏南京 211103）

0 引言

船舶动力系统是船舶航行的核心部分，主要由船舶主机、轴系、轴系附件、传动设备和推进器（螺旋桨）组成。作为主要船舶设备，船舶动力系统的价值为所有设备成本的35%，就船舶总价而言，动力系统约占20%。此外，还需考虑系统的可靠性、节能、经济等因素。因此，船舶动力系统的发展已经成为了全球造船业关注的重点，也是世界主要造船国家竞争的关键。

1 船舶常规动力系统的现状

1.1 柴油机动力系统

柴油机作为内燃机，具有启动迅速、部分负荷运转性能好、安全可靠、功率范围大、效率高、技术成熟等优点。船舶主机和船舶电站多采用柴油机。自20世纪60年代起，柴油机全面取代往复式蒸汽机和蒸汽轮机，成为最主要的船舶动力。

根据二冲程柴油机和四冲程柴油机做主机的不同，柴油机动力系统又分为柴油机直接驱动和柴油机齿轮传动。由于二冲程柴油机转速低，可以直接驱动螺旋桨，实现机桨匹配，主要应用在大中型远洋运输船舶上。四冲程柴油机由于转速高，需经过齿轮箱降速，再驱动轴系和螺旋桨，它主要由中速柴油机（单机驱动或多机驱动）、齿轮箱、轴系和螺旋桨（可调桨）组成，主要应用在中小型货船、客船、滚装船、豪华游船、海洋工程辅助船和军船上。目前以柴油机为动力的船舶占世界商船队的95%以上，其中，柴油机直接驱动占55%，柴油机齿轮传动占39%。此外，柴油机还是船舶燃气轮机推进系统和电力推进系统的主要设备。

从全球柴油机产品市场占有率来看，以MAN公司和WARTSILA公司为代表的欧洲老牌柴油机制造商占据了大部分市场份额。近年来，MAN公司通过向日本、韩国、中国的柴油机生产厂转让生产许可证，得到了迅速发展。除此之外，MAN和瓦锡兰具备整体提供主机、齿轮箱、轴系和螺旋桨的能力，具备很强的系统集成设计实力和市场竞争优势。我国船舶柴油机通过技术合作、专利或许可证引进及自主开发研制，在国内已经形成了较强的生产能力。尽管近几年我国船舶柴油机生产已有较快发展，但我国造机企业与世界前三名造机企业的差距还非常大，企业综合竞争能力仍较弱［1］。

1.2 燃气轮机动力系统

2000年，皇家加勒比公司（RCCL）旗下的Celebrity Cruises公司在法国大西洋船厂接受了第一艘采用燃气轮机与蒸气机联合装置（GOGES）组合电力推进系统的大型游轮。该轮总吨为90 000 GRT，配置2台GELM2 500燃气轮机，驱动2台Mermaid吊舱式电力推进器，推进功率2×19 500 kW，服务航速24节。燃气轮机在质量和尺寸方面占有绝对的优势，加上它优良的加速性能、可靠性和很低的NOX排放量，因而被舰艇和高速客船等所推广采用。与柴油机相比，燃气轮机的不足之处是其低下的燃油经济性，尤其在部分工况。不仅燃气轮机油耗高，还要燃用干净清洁、价格昂贵的蒸馏油，这很难被大多数航运公司所接受，因而也是未被广泛采用的重要原因之一。

但是，燃气轮机质量轻功率大、动力响应性好，如再配上柴油机组成联合动力装置（CODAG）可以克服低工况油耗高的缺点，是高速船最合适的动力装置，实践还表明燃气轮机机组可靠性达99.5%，具备96.5%可使用性，热效率已达39%加上其特有的低排污，特别适应渡船的使用环境〔2〕。

2 船舶动力系统的发展趋势

2.1 柴油机动力系统发展趋势

a）常规柴油机的发展趋势

作为供给船舶推进动力的主要动力来源，在将来的发展趋势为越来越大的单缸输出功率、低排放、低污染和高可靠性。同时，柴油机的工作形式越来越趋于智能化，并具有高综合经济效益。

b）常规柴油动力系统集成供货被船厂、船东和设计院广泛接受。

国外主要船舶配套厂家，如MAN B＆W公司、Wartsila公司等公司，根据船东的要求和船舶的基本参数，采用模块化设计方法，提供主推进系统完整解决方案，由厂家集成制造出船舶主推进系统，使设计、制造、安装调试和维修服务等集成化，大大提高了主推进系统的总体技术性能、可靠性和船舶的生命力。国内部分研究所和设备厂家也陆续开始进行动力系统集成设计和供货，但是，由于国内部分研究所和设备厂家不设计生产船舶动力系统的主要关键设备或未实现主机、齿轮箱、轴系和螺旋桨等全套动力系统的自主设计和供货，因此动力系统的集成设计能力与国外主要动力系统配套厂家还有一定差距。

c）双燃料发动机出现

近年来，国际海事组织（IMO）对船用发动机废气排放的管制越来越严格，为此，世界船用发动机厂商纷纷加紧进行技术研发，寻找满足该标准要求的技术解决方案，并将液化天然气（LNG）作为船机的新型燃料进行重点攻关，使得气体燃料发动机成为当前的研发热点。事实上，自2003年瓦锡兰集团推出50DF双燃料发动机以来，已经有越来越多的世界知名船用发动机厂商加入到双燃料发动机的研制行列中，如曼公司、卡特彼勒公司等，部分厂商已取得了突破性进展，已经或即将向市场推出双燃料发动机产品。

2.2 电力推进系统

a）常规电力推进系统

常用船舶电力推进装置一般由下述几部分组成:原动机、发电机、电动机、变频器、推进变压器和推进器以及控制调节设备等组成。电力推进系统根据推进器的不同，可分为常规的轴桨推进，如可调桨和定距桨（图1）。同时对操纵性要求高的船舶，特别是要求动力定位的海工船，推进器通常采用全回转推进器。电力推进相对柴油机推进具有经济性好、操纵性优良、节省空间、噪声低和节能环保等优势。特别是对于一些多工况特种船舶如海洋工程船等，在低航速和低负荷工作时，可以合理选择柴油发电机组的台数和负荷，有效提高船舶的经济性。相同推进功率的船舶电力推进要比柴油机推进油耗减少10%左右。

图1 常规轴桨电力推进系统图

b）吊舱式电力推进系统

吊舱式电力推进系统是当今备受推崇的一种推进方式。它是一种全方位转动的装置，电动机位于吊舱内，直接驱动螺旋桨。该系统的操纵性能和推进效率非常好，而且由于不需要轴系、舵及助推器，节省了大量的空间，减轻了自身质量，降低了噪声和振动，机动性能更佳，安装也更方便。

目前在全球电力推进系统市场上，ABB集团、科孚德公司和西门子集团是最主要的供货商。此前，这种系统主要应用在科考船、豪华游船以及军船领域。然而，近年来，ABB集团Azipod吊舱式电推系统开始在钻井船、近海工程船、破冰船及液化天然气（LNG）船上大量应用。在开拓市场的同时，ABB还对该系统的设计方案进行了更新。在操控方面，新一代系统完全采用电动机操舵，其控制系统也经过了升级，采用操纵杆和舵轮来控制整个吊舱。

c）电力推进系统的发展趋势

随着技术的进步，交流变频调速技术得到迅速发展，从而使得电力推进系统具有布置方便、工作噪声低、节能、易于实现自动控制等优点，在船舶电力推进系统中得到越来越广泛的应用。

船舶电力系统和船舶电力推进系统一体化供电的船舶综合电力系统是未来发展的新趋势，该系统将船舶的电力系统和推进系统有机的组合在一起，把动力机械能源转换为电力，提供给推进设备和船上的其他设备使用，使得船舶日用供电和推进供电一体化，实现电力的综合利用和统一管理［3］。

2.3 混合动力系统

混合动力系统主要包括柴-电推进系统、柴-燃推进系统、柴-电/燃气轮机推进系统等，主要用于军用船舶。然而，近几年来商用船舶也逐渐开始采用混合动力系统。最简单的混合动力系统是具有PTH功能（take me home）的柴油机动力系统，该系统在常规柴油机动力系统的基础上，采用轴带发电机和可调桨配置。主推进柴油机故障停车的情况下，轴带发电机作为电动机驱动螺旋桨低速航行，该系统目前越来越多地运用在单机单桨系统的船舶，如集装箱、多用途货船和化学品船等商用船舶上，从而大大提高了系统的可靠性。目前最先进的混合动力系统一般运用在多工况工程船上，如Ustein集团建造的多用途海洋工程船“奥利匹克赫拉”号交付船东，该船既可由柴油机直接推进，也可由柴-电推进系统提供动力，成为海事界的关注焦点。

2.4 特种推进装置的发展和应用

随着特种船舶，如海洋工程船、调查船、勘探船、多用途拖轮和高速客滚船的大量出现，为满足此类船舶操纵性能的要求，特种推进器的装船率逐步提高。

a）可调桨推进系统

可调桨推进系统具有节能环保，操纵性好等优点，目前国外中速柴油机推进系统普遍配置可调桨和轴发。一些大型船舶采用低速柴油机也开始配置可调桨和轴带发动机，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。由于低速机普遍推进功率大，因此可调桨朝着大功率大型号的方向发展。MAN公司最大型号的可调桨为VBS2150，可配套50 000 kW的主机。此外，为满足特种船舶的作业要求，特别是一些船舶作业时需动力定位和多工况运行，可调桨也得到广泛的应用。

通过与欧洲厂家的合作，国内可调桨厂家如南京高精船用公司在消化吸收欧洲可调桨技术的基础上，推出具有自主知识产权的可调桨产品，无论技术和品质已达到欧洲产品的水准。随着国内可调桨技术的成熟，国内高端客户也逐渐接受国产可调桨，开始了逐步替代进口的进程。

b）海洋工程高的发展对大功率的全回转推进器和侧推需求量增加

随着海洋工程由近海向远海的转移，深水工作船和平台需求的日益增长。在深水中工作的船舶必须配置动力定位系统和大功率的全回转推进器和侧推，从而满足船舶在作业时的操纵性和定位要求。例如，中集SSCVⅡ项目是集海上重型起重作业、甲板货物储存及生活居住功能为一体的非对称半潜海洋平台（图2）。此平台按照ABS DP-2动力定位标准进行设计，配备8台3 860 kW主机，6台3 800 kW的全回转推进器，以及两台全回转甲板起重机（单机起重能力为1 800 t，并可联合起升3 600 t），可实现西非和墨西哥湾海域的作业要求。

图2 中集半潜海洋平台

除此之外，乌斯坦最新开发的XDS3600型自航式钻井船总长208 m，船宽35 m，航速14节，排水量 46 500 DWT，船尾3台4 500 kW全回转推进器，船首2台3 300 kW伸缩式全回转推进器，船首2台2 500 kW（图3）。

图3 XDS3 600型自航式钻井船

c）高速船出现推动大功率喷水推进系统的发展

随着大型客船、客滚船的航速趋高，促进了喷水推进系统向大功率方向发展。近年来，大型高速渡轮（客滚船）纷纷出现，澳大利亚、日本、意大利和北欧都有代表型产品，如意大利MDV300木星型高速渡船，145 m长，可载客1 800名、汽车460辆，航速达到40 n。由两台22 000 kW燃气轮机驱动两套喷水推进装置。随着船舶航速的提高，未来在高速船领域内对喷水推进装置的需求必将扩大，而增大功率、提高效率、减轻质量将成为喷水推进装置的发展趋势。随着整个系统的进一步优化喷水推进将会更广泛地应用于各类船舶〔4〕。