丁浩炜 王宏波 华丽娴

摘要：随着经济和航运业的发展，人们对于船舶的动力要求越来越高。船舶动力装置作为船舶的心脏，其性能与质量直接影响着船舶的推进性能与质量。本文基于效率、安全性和环保性，对船舶动力装置的历史、现状进行论述，并对船舶动力装置在新能源以及智能化方面的发展前景进行展望。

Abstract： As an important body of world shipping and all kinds of offshore operations and operations， with the development of economy and technology， ships also have higher and higher requirements for various properties of ships. As the heart of ships， the performance and quality of power drive devices directly affect the propulsion performance and quality of ships. With the continuous development of technology， the ship power plant is constantly updated. This paper mainly introduces the history and future development of ship power drive device.

关键词：船舶动力装置;发展趋势;能源

Key words： ship power plant;development trend;energy

中图分类号：U662.3                         ;             文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）16-0206-03

0  引言

为了满足船舶作业需要以及其安全性能，人们在不同的历史时期都会使用不同的动力进行推进。经历了漫长的时代发展，船舶动力最初由使用人力、风力驱动发展到使用机械动力后再进行齿轮驱动，经历了大型蒸汽混合动力、内燃混合动力、燃气混合动力、以及新型混合燃气动力等当今具有重大时代性和代表性的各种动力。

1  船舶动力装置发展历史

1.1 蒸汽轮机动力装置

自十九世纪，蒸汽时代的到来，利用蒸汽机作为船舶新动力，交通运输领域的一大进步。蒸汽机和轮船动力取代了工业帆船，机器动力取代了工业人力和船用风力，宣布了船舶动力学的发展进入了一个新的的时代。复式涡轮蒸汽机和复式蒸汽轮机分别是蒸汽机主要的两种传动类型，由于复式蒸汽机的最大功重效率比和传动效率比都要远远高于复式涡轮蒸汽机，所以复式涡轮蒸汽机已经被复式蒸汽所取代[1]。

1807年，美国学者富尔顿建成了第一艘完全采用麦克明伦动力推进的新式蒸汽机船“克莱蒙脱号”;1897年，查尔斯帕森斯建造了蒸汽轮船“透平尼亚号”，航速竟然达到了34.5节，这表明蒸汽轮机的工作效率已经远远超过传统往复式蒸汽机。蒸汽轮机主要由冷凝器、锅炉、汽轮机组成，燃料在锅炉中燃烧，锅炉中的水变成水蒸气从而推动汽轮机转动。蒸汽轮机具有工作平稳、可靠性高、热效率低、油耗高、单机功率大、经济性差等特点。

1.2 柴油机动力装置

1897年，德国狄塞尔制造厂推出了当今世界上第一台使用压缩机点火的柴油内燃机——“狄塞尔”内燃机，从而彻底翻开了我国柴油机工业发展的历史新篇章。柴油机上的动力系统驱动控制装置是一种利用大型柴油为主要燃料的大型內燃机，以其工作运行稳定状态可靠、热效率高、结构紧凑和传动功率大等诸多优点等而著称，在其迅速发展的一百多年来，经久不衰。在上世纪60年代，就已经开始研究利用新型柴油机技术取代传统蒸汽轮机，成为当时世界上最主流的大型船舶柴油动力系统驱动控制装置，到目前，应用最普遍的仍然为通用柴油机上的动力系统驱动控制装置。

柴油机传动可以分为四冲程和两冲程，四冲程转速高，一般应用于军舰，小型运输船上，两冲程则运用于大中型远洋运输船舶上[2]。

1.3 燃气轮机动力装置

燃气轮机是以空气为介质，通过燃烧，将空气升温加压，推动压气机叶轮旋转当前主要在客轮、军用舰船和快速渡轮中使用燃气轮机[3]。在上世纪60年代，燃气轮机就开始广泛应用于船舶动力和发电领域，相较于前文中所提到的柴油机动力系统而言，燃气轮机动力系统应用于船舶动力系统领域中的优势主要体现在整体质量以及尺寸这两个方面，并且其加速性能理想，能够适用于高速客船的应用需求。但其成本高，对制造材料和工艺要求高，并且油耗高。

2  船舶动力装置现状

现代大型船舶柴油机推进装置热效率最高一般只有45%～50%，燃料燃烧产生接近一半的热量未被利用，这些热量以各种形式排向大气，这不仅是能量的浪费，更是对环境的污染[4]。随着世界船舶工业的不断进步、科技的不断发展创新，船舶动力装置的主流逐渐向节能环保能源以及混合装置发展。

2.1 核动力装置

核动力装置是以核反应堆来产生蒸汽，将原子核裂变能作为推进动力，装置不断地冷却并粘附产生的巨大能量，然后将能量传递下去，最终实现整个动力装置的运转。首先核燃料具有较高的能量密度，会使船舶具有更高的续航力。其次基于核动力功率大，耗费燃料少的特点，使得核动力装置在核燃料的供应、运输和装载量等方面具有优势。核动力装置与上述的三种动力装置相比较，其最大的优点就是十分环保，随着社会的发展和绿色生活的兴起，环保的核动力装置将会有巨大的发展潜力。鉴于其在船舶推进的应用中体现出功率大、耗费少、稳定性、易控性以及环保性等特点，所以核动力是符合现代船舶发展的理想动力。现阶段，全世界广泛采用核动力装置，核动力装置的应用逐步扩大至大功率船舶、大吨位船舶以及潜艇领域中，整体有着相当积极的发展前景[5]。不过核动力装置技术要求高，维护和保养成本高以及核燃料的反射性污染是我们在使用时需要考虑的问题。

2.2 燃料电池动力装置

燃料电池（FC）是将化学燃料直接转化为电能的电化学装置，燃料电池在船舶中的应用主要是指利用电化学反应实现化学物质自电能转换。1992年，荷兰就明确规定了使用熔融后的碳酸燃料电池系统作为今后20年的船舶推进动力装置设计方案[6]。而目前的燃料电池大多数是使用氢气作为主要燃料，其工作原理主要是将氢气正极运送电子到电池负极，经过催化剂作用，氢原子的两个正极电子就会分离，被正极电流吸引，电子经过外部整流电路时产生电流。此燃料电池转换效率高，因为氧气可以从空气中获得，不用提供，只要不断给负极提供氢，就可以保持持续供电。

燃料氢化电池产品具有良好的品质：节能环保、寿命长、易于操作、高能效、低噪音等性能特点，被广泛应用于中小型水上游览使用船舶、军事使用船舶、LNG船舶、以及科学考察船舶动力系统中。但是燃料电池仍然存在着制造成本高、燃料电池的供给难度系数相对较大、储氢和脱硫技术成熟程度不够等一些问题，在一定程度上限制了其动力装置的广泛应用。

2.3 混合动力装置

随着船舶动力装置技术的不断发展，新型混合动力装置成为当前热门的船舶动力装置。混合式船舶动力系统是一种泛指同时应用两种及两种以上的动力能量综合资源或动力存储设备，为大型船舶航行提供动力推动和作用力的综合支撑。它于20世纪70年代从传统轴带式柴油发电机的设计基础上逐渐开始发展。新型现代混合动力装置是通过传动耦合柴油机（气体机）与电机来驱动，或者具有一种以上电力来源（如柴油机发电、气体机发电、燃料电池、太阳能、风能、锂电池、超级电容等）的电动机来驱动[7]。混合动力装置在目前技术条件支持下，发展空间与潜力是非常巨大。但是针对混合动力系统关键技术的研究还不够完善，如变频器的应用、机桨匹配特性、安全保护和监测控制系统等。

3  船舶动力装置发展趋势

在遭遇资源与环境污染双重危机的今天，随着科学技术的更新与发展，如何促使船舶实现节能减排这个问题迫在眉睫。减少对海洋的污染、降低船舶在海上航行中的成本和缓解对不可再生能源的影响，这些问题目前正被作为船舶开发与研究的课题重点，以下介绍两种较为有发展前景的船舶动力装置。

3.1 锂电池动力系统

磷酸铁锂具有良好的电化学性能和热稳定性，其具有高安全性和长循环寿命的优点。结合船舶对安全性要求高、对空间重量要求相对温和的实际应用特点，磷酸铁锂电池在未来将成为船舶动力的主流选择。而三元锂电池具有高能量密度和高电压等特点，可满足有高能量密度需求的船舶。锂电池在船上的应用将是混合动力系统和纯电池动力系统并行发展的局面。混合动力方面，基于内燃机的混合动力系统将向基于燃料电池的混合动力系统发展;纯电池动力方面，将从以磷酸铁锂电池为主向磷酸铁锂电池、三元锂电池及其他新型电池并存的格局发展[8]，具有综合性能和成本双重优势的多元材料逐渐被学者关注，逐步超越磷酸铁锂和锰酸锂成为主流的技术路线，其在未来具有应用于船舶动力发展的潜能。但是动力锂电池在船舶上的应用仍然缺乏普遍性，全电池动力船舶大多尚属试验性应用，相关船舶规范也处于不断推出并完善的阶段[9]。但随着航运业节能及环保要求的提高，锂电池动力船舶将会有广阔的发展前景。

3.2 钠离子电池动力系统

由于锂源的有限以及其不断上涨的价格，限制了未来锂电池动力系统大规模应用在船舶动力装置中。从降低材料的成本和考虑可用金属储量的角度来看，为了实现能源可持续发展的战略，发展新型的可替代锂电池的动力系统迫在眉睫。

钠离子电池（Sodium-ion battery），是一种二次电池（充电电池），主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言儲量更丰富，价格更低廉。而且由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品。因此，发展钠离子电池来替代锂电是非常合理并具有可行性的方案。不过现有钠离子电池的最大缺点是，要太长时间充电和放电。放电慢供应不了高功率的应用。一般，充/放电率和容量之间有个权衡，企图增加充/放电率，会引起容量严重下降。

上海交通大学马紫峰教授研究小组从工业化应用角度出发，采用氧化石墨烯对[Na2/3[Ni1/3 Mn2/3]O2电极进行修饰改性，制备了无粘结剂的高电导特性的柔性电极，在0.1C至10C充放循环条件下，获得良好的容量和循环性能。在国际上首次将该材料与硬碳负极材料制备了储能型钠离子电池的原型电池，其能量密度达到了81.72Wh/kg，是铅酸电池的2倍，为储能型钠离子电池工业化奠定良好的技术基础。

随着动力系统的发展，人们对二次电池的要求也从小型电子设备向高能量密度，大功率的需求迈进。相信在未来，发展成熟的钠离子电池动力系统将会在船舶中得到普遍应用。

3.3 LNG动力系统

伴随着现代社会人们环保意识的不断提高和增强，对于我国船用动力系统废气排放量的限制也日益严格，学者们在对船舶动力设备的研究上不断地深入研究，寻求新理念和技术方面的突破，船舶动力设备相关理论的探讨将液化天然气（LNG）作为了新理念和技术的关键。在2003年， sodf双燃料涡轮增压发动机被瓦锡兰集团公司引入，之后，又有越来更多的全球性和国际知名发动机造船厂商，例如卡特彼勒公司、曼公司等纷纷参与了进入双燃料发动机设计和生产工程中，并且已经取得了一定的实践和成绩。目前，利用少量的双燃料发动机在船舶动力装置中[10]。此外，选用天然气为主要驱动载体，将会大大提高船舶的环保性能。此外，价格上也比传统的燃料便宜，天然气引擎和柴油机相比，更加安全和经济，天然气发动机具有很高的保值率，在今后必定会得到更高的突破。但是由于LNG动力系统技术设计、审验和应用经验不足，加之各设备厂家独立生产供货，导致在建造或改造LNG燃料动力船舶过程中存在问题，限制了船舶应用LNG技术的广泛应用。

4  总结

船舶动力装置在船舶建造中占着较大比重，其建造与设计关系着船舶的航行、安全、经济性能。船舶动力装置的研究发展是推动船舶的发展的重要因素之一，是船舶建造的核心内容，在未来的发展，相信船舶动力装置在新能源利用以及智能化方面会大放异彩。

参考文献：

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[2]ZongmingYang，Huabing Wen，Xinglin Yang，Viktor Gorbov，Vira Mitienkova， Serhiy Serbin. Marine Power Plant[M]. ：2021-02-26.

[3]陳重万.船舶动力装置发展的新趋势[J].电子世界，2013，18（09）：228.

[4]李晓宁，吕唐辉，王铭昊，林国良，饶昊.船舶柴油机余热利用系统性能优化[J].广东海洋大学学报，2021，41（02）：123-130.

[5]彭敏俊.船舶核动力装置[M].原子能出版社，2009.

[6]YMA Welaya，M Mosleh， NR Ammar. Thermodynamic analysis of a combined gas turbine power plant with a solid oxide fuel cell for marine applications[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering， 2013.

[7]张益敏，陈俐，朱剑昀.混合动力船舶动力装置及能量管理研究综述[J].舰船科学技术，2018，18（3）：1-7

[8]罗肖锋，吴顺平，雷伟，涂环，秦傲寒.船舶能源低碳发展趋势及路径[J].中国远洋海运，2021（03）：46-51.

[9]于全虎.动力锂电池与电力推进船舶发展分析[J].交通节能与环保，2020，16（02）：29-35.

[10]李强.基于船舶动力装置发展的新趋势分析[J].中国水运：下半月，2014，14（7）：139-140.