船舶综合电力推进技术研究及展望

2019-01-18伍赛特

传动技术 2019年4期

伍赛特

(上海汽车集团股份有限公司，上海 200438)

0 引言

目前应用的推进系统主要有两类：机械式直接推进(柴油机、燃气轮机、热机联合直接推进)和电力推进[1-2]。电力推进又分为：采用独立的推进动力电站为推进电动机供电的传统电力推进和采用综合电站同时为推进电动机和其他用电设备(武器)供电的综合电力推进[3-4]。

随着计算机技术、电力电子技术的飞跃发展，大型专业设计、计算、仿真软件提供的辅助设计手段加快了设计进程。功率器件容量的不断提高使大功率变频调速得以实现[5-6]；先进制造和新材料技术的跨越正不断克服大型船用设备的加工难题，以上进展使新型船舶采用综合电力推进技术具备了发展前提。顺应这种技术进步，新型船舶实现全船电气化的基础―“综合电力推进”技术走向成熟。

1 综合电力推进技术

综合电力推进系统是一种全新的系统，其采用现代数控技术、大功率电子技术等先进技术，可大幅提高全舰能源利用和变换的效率，为动力和电力机械领域提供了最新研究成果。综合电力推动系统可以实施高度的模块化和通用化，因而，既能发扬电力推进的长处，又能提高电网供电的可靠性，为船舶作战使用带来更大的灵活性，使总体设计更能够满足未来船舶的各种需求。

2 国外船舶综合电力推进技术应用发展状况

1838年，俄国科学家雅柯宾首次用直流电动机和蓄电池，做了一条小船的动力试验，形成“电力推进”的概念。1908年，美国芝加哥市第一艘电力推进消防船开创了船舶电力推进技术应用的先河，解决了当时热机转速高、单机容量小、调速困难以致使内燃机无法直接应用于船舶推进的难题，从而使电力推进的应用迅速发展，并在第二次世界大战期间得以广泛应用于各类型军用舰艇。

第二次世界大战后，由于机加工技术的进步，大型齿轮加工工艺趋于成熟以及内燃机和汽轮机的大型化、船用化，使电力推进技术的应用退居到主要应用于特种船舶的地位。20世纪80年代，随着电力推进相关技术的进步以及对船舶动力系统要求的提高，电力推进又进入了新的发展时期。

2.1 民用船舶综合电力推进的应用发展

在新的发展时期，综合电力推进的应用已突破了特种船舶的局限，快速向各类型船舶应用扩展。特别是运输船类，因更多地追求营运的经济性和环境的舒适性，迫切地趋向于采用综合电力推进，促进了世界知名公司加大综合电力推进技术的研发投入，并首先在民用船舶上取得突破性进展。

2.2 综合电力推进在军用舰艇上的应用和发展

电力推进在民用船舶，特别是大型游轮以及23型护卫舰上的应用，促使英、美开始探索和研发综合全电力推进用于新型水面舰艇。

1986年，美国根据新时期全球战略需求，需全面提升海军舰队的综合能力，装备新型高能武器，提高作战能力，改进动力系统，提高机动能力，降低特征信号采取有效防护措施，提高隐身能力，改善能源水平，提高对陆支援能力等。早在1988年美国海军即已明确提出海军下代水面战舰将采用电力推进。

由美国水面战舰计划可明显看出，2010年以后，采用综合电力推进的新型战舰DD(X)、LCS、CG(X)等将逐步取代机械式直接推进的舰艇[7]。

英国在23型护卫舰采用巡航电力推进之后，加大投资开发未来船舶上的先进电力推进技术。其中包括一种中型航空母舰CVF、一种核动力攻击型潜艇、两种水面战舰―45型防空驱逐舰和未来水面战舰FSC，军辅船也将采用“综合全电力推进”系统。

德国根据本国以防卫和护航为主的战略思想，水面战舰的发展以护卫舰为重点，船舶的推进系统完全摒弃了主轴系统。另一个特点是发电系统采用燃气轮机发电机组与燃料电池的混合系统[8-10]。

法国、荷兰、瑞典、俄罗斯以及澳大利亚，都根据战略需求和本国的国情，开展了相应的全电力舰艇的研究开发工作。

上述情况充分证实了“综合全电力推进”及“综合电力系统”是未来海军战斗舰艇及军辅船动力系统的发展趋势。

2.3 国外船舶综合电力推进技术特点

2.3.1 制定综合发展计划，系统地开展综合电力推进技术研究

从20世纪80年代起，欧美等国就根据战略和未来战争的需求及现代技术发展的支撑，提出了相应的发展计划。

美国自1986年提出“海上革命”计划后，制定了专项“综合电力系统”(IPS)计划。组织海军研究机构、大学“电力船舶研发联盟”、通用电气公司、洛克希德?马丁公司等，形成研发体系并投入926亿美元，开展综合电力推进系统及设备的研究。

英国于1996年提出了“综合全电力推进”(IFED)发展计划和“全电力舰艇”(AES)方案，与法国联合，组织罗尔斯?罗依斯公司、阿尔斯通公司、热蒙公司等，实施“电力舰艇艇”计划，总投资约10亿美元。

德国于1999年制定了FDZ-2020项目计划，组织HDW船厂、西门子公司、MTU公司等实施未来护卫舰计划，投入3.37亿欧元进行先期开发。

2.3.2 更新研究设计手段、设计理念，完成了由“经验和试验设计”向“模型设计”的过渡

世界各大知名公司，已利用现代计算机技术、信息技术、软件技术的成果，开展综合电力推进系统及设备的仿真研究，建立了模型体系；综合利用基础研究和应用开发过程中积累的大量数据，建立比较完善的数据库；建立了以系统和设备“模型”为主体，在数据库支持下的设计软件系统和工程选型软件系统，可将原来需要5～10年的全新系统研究设计周期缩短到一年甚至几个月，并大幅度提高设计精度。完成了由“经验和试验设计”向“模型设计的过渡。

2.3.3 重视演示验证系统建设，开展演示验证研究

美国为了开发综合电力推进系统，并验证基础技术的可行性、有效性、降低技术风险，分别在普渡大学和密苏里大学建立了推进和供电系统的半物理试验平台，与英、法国防部联手于1996年在费城建立了工程实比例陆上试验站。英、法联合在位于英格兰的阿尔斯通研究中心建立了“电力舰艇艇”技术单轴系全尺寸演示验证中心，通过实验验证系统设计软件的置信度和可靠性。

2.3.4 既重视基础研究的同吋，又注重先期技术开发，提高应用技术储备能力

各国在执行“电力舰艇”计划中，都包含有系统和设备的先期开发，为进一步提高系统性能做必要的技术准备。如美国在执行“综合电力系统”计划中就包含了横向磁通永磁电机的研究，并投资约1.4亿美元研究高温超导电机等，为进一步提高综合电力推进系统的功率密度做出了前瞻性工作。

2.4 国外船舶综合电力推进技术发展趋势

当前国外技术发展趋势主要表现在以下几个方面：

(1) 大容量系统技术。为提高动力和作战能力，动力系统的容量不断增大，民用船舶实现了单机功率达44 MW，军用舰艇中美国DDG-1000舰单机功率可达36.5 MW。

(2) 设备高功率密度技术。为减轻动力系统设备的质量，缩小体积，除合理设计系统结构外，利用新材料、新技术提高主要设备的功率密度，如西门子公司IFR6839径向永磁电机的转矩密度达448 kN·m/t(一体化结构，含调速设备)，阿尔斯通新型感应电机转矩密度高达11.928 kN·m/t。

(3) 综合利用能源技术。从能量管理入于，通过合理调整工况的系统结构，使系统始终处于“最佳”状态，达到节能目的。

(4) 供电系统的中高压技术。中大型船舶系统电压不断提高，一般系统电压在6.6 kV以上，民用船舶最高电压已达11 kV，美国DDG-1000的系统电压为138 kV。

(5) 智能自动化系统技术。智能化是当前系统自动化的技术发展途径，可以减少船员，提高系统运行自动化水平，是适应“信息战”的主要手段。

(6) 工程设计的通用化、系列化、组合化技术。以简化设计、减少系统全寿命费用，并为技术更新提供基础条件。

(7) 高性能储能技术。储能技术是应改善船用电网电能供应需求及高能武器的能量供应而提出的，同时也为动力系统的生命力提供了保障途径。

3 我国船舶综合电力推进技术的发展状况

目前，我国只能够自行设计传统电力推进系统并在少量军民用船舶中服役。其主要特点是采用直流低压(<1 000 V)技术，其应用对象一般限于2 000 t级以下的特种船舶(主要是潜艇)。面对当今世界快速发展的新型绕合电力推进技术，我国尚处在一个重大技术转型期的起步准备阶段。

3.1 我国电力推进船舶发展历程和现状

3.1.1 民用船舶

从建国起到20世纪末，国内建造的电力推进相关的民用船舶只有两艘：一艘是1962年江南造船厂自行设计制造的“浦江号”火车渡轮，采用的是直流电力推进系统，由于技术不成熟等诸多因素的影响，仅运行了一年多就退役；另一艘是1987年大连造船厂为国外船东建造的穿梭油轮，推进系统仍是机械式直接推进，虽然采用了新型电力系统为全船供电，但该电力系统是由ABB公司提供的系统设计和设备[11]。

进入21世纪，在市场需求的牵引下，我国对船舶综合电力推进技术的关注度日渐提升。近年来，国际上采用综合电力推进技术船舶的增长势头加快，国内造船企业的制造订单也逐渐增多。近年来，国内建造电力推进船型种类已得以显著扩充。我国船舶总体设计单位逐渐参与新型船舶的系统设计，分别在集装箱船、半潜式起重船、烟大铁路渡轮、水声测量船、海洋考察船等船型上开展总体设计中取得了一定的经验。但是，相比国外，国内对民用船舶综合电力推进技术处在被动跟进状态[12]。

3.1.2 军用舰艇

自20世纪60年代初，我国在苏联转厂制造常规动力潜艇动力装置的基础上，研制了三代常规潜艇电力推进系统，即一代研仿；自行设计第一代常规动力潜艇电力推进系统和第一代核动力潜艇的应急电力推进以及巡航电力推进系统。进入八九十年代，自行设计了新一代常规动力潜艇电力推进系统。水面船舶只有消磁船，小型军辅船采用低压直流电力推进。同时，国内还开始了永磁电力推进系统的预先研究工作，同期研制的采用直流永磁电机的电力推进系统已装备于船舶作深潜器；还设计研制了深潜救生艇的PWM型异步电动机电力推进系统(包括主推进器和侧推)等[13]。21世纪以来，我国装备预研以采用综合电力系统的新型护卫舰、驱逐舰、潜艇为目标，启动并开展了“船舶综合全电力推进系统关键技术研究”。

3.2 国内与国外的技术差距分析

我国船舶综合电力推进技术与国外的差距主要表现在基础研究能力、系统设计能力、试验验证能力等方面。没有形成自主研发体系，导致技术发展落后，基础科研能力和创新能力不强。现对国内外差距分述如下。

3.2.1 基础研究能力方面

在国外，大学和科研机构主要承担基础研究工作，如美国的密苏里大学、普渡大学、BWX技术公司(洛斯·阿拉莫斯国家安全小组四成员之一)、兰德国防研究所、英国宇航系统公司(BAE)、法国舰艇建造局(DCN)、 Converteam(Alstom)公司、德国亚琛工业大学、西门子公司、ABB公司等。

国内近阶段进行的基础研究主要有：大容量高功率密度电力推进系统的基础研究；仿真模型和虚拟试验平台研究；新型船舶的电气传动和动力系统基础研究；高可靠性电力推进系统控制和数据通信网络的基础研究；脉冲电源和负载模拟的基础研究；动力系统减振降噪研究、燃料电池(PEM)；大功率元器件集成；电力、热能、机械及控制的动态系统分析软件等[14-15]。

在基础研究领域，已形成对船舶综合电力推进系统技术发展的支撑能力。国内高校和科研机构现有“电力电子与电力传动”、“电力系统及其自动化”、“电机与电器”、“高电压与绝缘技术”、“电工理论与新技术”等研究方向，并且开展了如船舶综合电力推进系统计算机仿真、多相电机拖动系统的理论体系、船用中压电网监测、限流器设计方法、动力定位技术、超级电容器储能技术研究等，但是总体来看，研究比较分散，基础研究能力依然有待提升。

3.2.2 系统设计能力方面

在综合电力推进系统设计能力上，我国与国外的差距主要表现在科研组织体系、系统(集成)设计技术、设备设计技术和设计手段四个方面。

美、英、法、德等海洋大国都于20世纪90年代通过实施有关船舶综合电力推进系统的发展计划，组织研究设计单位、企业、大学等开展了系统的基础研究和应用研究工作；在掌握综合电力推进系统设计方法的基础上，已可对各种新型船舶所需综合电力推进系统开展系统设计和工程应用，并形成了系统和设备的仿真设计、工程设计系列软件，以及整套的设计规范和标准体系[16]。目前，绝大多数综合电力推进系统及设备是由国外几家大公司集成供货，主要包括电力推进领域内的三大跨国电气公司：ABB、阿尔斯通和西门子以及传统的系统集成商如 IMTECH等，它们在系统集成设计方面占有绝对的市场垄断地位。

国内的研发工作处于“萌芽”期，未形成系统的“合力”；在系统设计方法上还处于学习和摸索阶段，基本的工具软件、仿貞软件高级模块、系统设计软件受制于国外，国内尚没有自己的设计规范和标准；初步开展的设备设计工作，仍存在不少技术难题；国内仅有个别综合电力推进系统集成的工程业绩，但都局限于小功率等级船舶。

3.2.3 试验验证能力方面

在试验验证能力上，我国与国外的差距主要表现在研究性实验、工程化验证试验两个方面。

发达国家已于20世纪90年代陆续建成了综合电力推进系统仿真实验室以及全尺寸工程试验站。进入21世纪后，其系统仿真试验的结果已通过实船验证(Superstar豪华游轮)，且全尺寸陆上工程试验已用于实船系统设备联合调试并装船试航(45型驱逐舰)。

国内除系统和设备仿真软件存在较大差距外，通过近年来的保障条件建设投入，实验室仿真硬件条件和小比例样机试验条件基本具备；全尺寸陆上工程试验条件正在建设中。另外，在生产制造能力上，目前国外可面向各种船型，全套提供各种功率等级的中、低压电力推进设备；国内可对中小型船舶提供柴油发电机组、低压配电屏和变压器等，新型材料和大功率器件更多向国外购买。在售后服务能力方面，国外可提供全球化现场服务；我国主要对沿海和内河船提供维修服务。

3.2.4 人才、科研组织体系方面

船舶综合电力推进系统涉及多学科、多专业技术。国外在开展综合电力推进技术研究时，都建立了一个由国家科研管理机构、科研院所、企业、大学、海军科研机构等单位构成的科研组织体系。其中，国家科研管理机构通过制定政策法规以及管理科研经费的手段担负着基础科研和技术进步的宏观调控职能；企业根据市场的需求和生存竞争的需要成为高新技术研发的主力军；大学和专门科研机构则构成了基础研究和前沿科学研究的主要基地。国内船舶的设计和研制由科研院所、大学、企业、海军科研机构等单位承担，但还未形成科研组织体系，尚未开展系统全面的研究工作。

3.3 造成差距的原因

国外的船舶综合电力推进技术早在20世纪期间即已经历了10～15年的历程，自21世纪以来已进入实用化、产品化阶段。其在技术发展过程中，以本国为主注重国际合作，联合开发研究，逐步形成具有本国(或本公司)特色的系统和设备技术，实现了共性技术应用和产品标准化，以利开展模块化设计和系统集成。在军用领域，美、英、法等国更是注重国际合作，用最少的投资获取最优势的设备，在进行基础研究的同时完成试验场地等保障条件建设，争取用最短的时间完成新型作战舰艇的研制。

通过对比分析，我国在船舶综合电力推进技术的总体上与国外的差距明显，形成差距的主要原因有：

(1) 缺乏船舶综合电力推进技术发展思路和发展规划研究，没有形成国家支持下的长期稳定发展计划。长期以来，军用舰艇重点发展潜艇动力需要的传统电力推进技术，而对民用船舶和水面舰艇综合电力推进新技术研发应用关注不够。近年来，国内有关单位开始了船舶综合电力推进系统的预研工作，但仍然缺乏整体规划和宏观布局。

(2) 缺少船舶综合电力推进技术研究投入，影响深入系统的基础研究。多年来，预研、科研投入的有限经费主要是为解决型号急需，未注重基础技术研究的投入。研究力量分散，缺少相应的组织协调，缺乏相应的规范、标准，使得研究的总体水平受到影响。

(3) 设计研究和试验验证平台的建设较晚，影响自主研发设计体系建设。长期以来，研究试验的条件建设均以装备的工程型号为背景，没有从专业技术发展所需系统地考虑基础条件建设，未形成配套的设计软件和数据库，缺乏系统设计所必要的系统仿真分析软件、在线实时检测的试验设备和大容量的系统试验平台等自主研发体系建设的必备条件。针对这题，国家有关部委正在加大投入，不久的将来在设计研究和试验验证能力上将大大缩小与国外的差距。

(4) 人才队伍的培养急待加强。综合电力推进技术涉及的专业技术领域广而新，研发一线十分缺乏经过实践锻炼的复合型人才。在设计理念、基础研究创新能力发展上不利。我国目前对系统集成设计的研究才刚刚起步，可提供工程应用的新型推进设备几乎是空白，因此要缩短与国外的差距，必须有一段逐渐积累经验的路要走。

4 加速发展国内船舶综合电力推进技术的必要性

4.1 我国对综合电力推进技术发展的迫切需求

4.1.1 民用船舶需求

进入21世纪，随着运输业和旅游业需求的日益增长，给我国船舶行业带来了新的发展机遇。我国的船舶工业的快速发展，给船舶配套设备发展带来重要发展机遇。但是，目前利润丰厚的船舶配套设备仍然大多依赖进口。面对航运市场竞争，我国迫切需要高技术船舶发展综合电力推进系统的应用将是重要因素之一。

进入21世纪，国外综合电力推进船舶中，推进功率等级1～7.5 MW的中小型船需求量接近65%。国内近几年已基于国外技术建造了一些新型电力推进船舶，加快我国船舶综合电力推进技术研究和应用开发，从沿海和内河中小型电力推进船舶综合电力推进系统入于，实现系统集成设计和配套设备国产化可以成为我国综合电力推进近期目标；大型民用电力推进船舶如海洋工程平台、远洋货轮的推进功率等级一般在10～20 MW以上，特别是家华游轮属技术含量很高的高端产品，可作为二期目标满足需求。

4.1.2 军用舰艇需求

军用舰艇动力系统的性能直接影响着海军武器装备的作战效能，世界各海军强国都在争先发展综合电力系统技术。为维护和平和祖国统一、适应现代战争的需要，研发和建造具有世界先进水平的综合电力推进舰艇将是我国海军快速提升作战能力的重要举措。依据我国海军的发展目标，要不断提高军用舰艇的动力性能，必须加快综合电力推进系统研发。

4.2 加快综合电力推进技术发展的必要性

船舶配套业是船舶工业的重要组成部分和做大做强的基础，船舶配套业发展水平是影响船舶工业综合实力的重要因素。我国船舶配套业落后，严重制约着海军武器装备的升级换代和民用船舶产业国际竞争力的提高。进入21世纪以来，随着造船业的快速发展，船舶配套发展滞后问题变得日益严峻。作为船舶配套重要项目之一的船舶综合电力推进技术与世界先进国家相比差距史大，因此必须尽快采取措施改变落后状态。为此需充分认识加快船舶综合电力推进发展的必要性。

加快发展船舶综合电力推进技术，是落实科学发展观，建设创新型国家的需要。发达国家于20世纪80年代以来快速发展的综合电力推进技术，已成为新型船舶动力技术的一种主流发展趋势。我国尚未充分掌握船舶综合电力推进技术，且技术上的存量资源不足，这在新的国际竞争环境中处于十分不利的地位，因此必须尽快启动船舶综合电力推进技术基础研究，加快和加大研究工作的步伐和力度，才能跟上新技术的发展，提高核心竞争力。需通过全面、持续的科研投入，坚持以打基础、建体系为目的的反复多轮的研究、试验验证和总结提高，形成研究设计平台、试验验证平台和应用评估平台，支撑自主研发先进船舶综合电力推进技术的研发体系。抢抓机遇，集中解决船舶配套瓶颈，提升我国船舶工业综合竞争力的战略任务。

加快发展船舶综合电力推进技术，是实现军民结合产业化、推动国民经济发展的需要。船舶综合电力推进技术是典型的军民结合产品，市场的需求推动了技术的快速发展，技术的发展又促进了军民用船舶的广泛应用。综合电力推进技术对国内其他行业发展还将起到带动作用。通过综合电力推进技术研究，可以加快大容量变频拖动系统技术的发展，带动与之配套的电力电子、材料、机械加工等制造业的技术进步，支持国家经济和其他产业发展。

在国际市场竞争及军备竞赛的环境中，发达国家对我国新型船舶的技术限制和技术封锁随处可见。在核心技术受国外制约的现实情况下，单靠引进不可取。在民用船舶方面，由于国外大公司垄断了系统集成设计技术，其设计费用极高，达到设备费用的1.5倍。同时，相关的设备必须由外国公司指导采购，使船舶建造的国际竞争力受到极大影响。因此，必须加快发展自己的综合电力推进技术，才可冲破制约，避免长期处于被动地位，以满足我国船舶发展需要。

5 未来发展船舶综合电力推进技术的研究方向

5.1 制定国家船舶综合电力推进技术发展计划

世界先进国家船舶综合电力推进技术发展迅速，民用船舶、军用舰艇的需求旺盛。各发达国家在十几、二十年前就根据自身的需求和基础，制定了相关发展计划，促进了综合电力推进技术的进步。我国起步晚，技术落后，严重制约了我国船舶动力技术的现代化，影响了我国造船业和海军装备的发展。建议国家尽快根据我国国情，制定我国船舶综合电力推进技术基础研究项目计划，组建专项协调委员会，组织计划的实施，组建专家委员会，开展顶层设计，专业项目技术咨询与评估工作。

5.2 建设和完善船舶综合电力推进技术的研究开发体系

我国船舶动力技术发展已有数十余年历史，在潜艇和军辅船电力推进系统和设备方面积累了一定的经验。近十余年来，国内采用综合电力推进的民用船舶逐渐增多，总体设计及系统集成技术研究已起步。部分大学开展了相关的研究工作，锻炼和培养了一定的专业研究设计人才。

根据军工科研生产任务的需求，国家逐步加大了国防科研和生产基础设施的建设投入，目前基本具备开展船舶综合电力推进技术研究条件。需在船舶综合电力推进技术迅猛发展的形势下，急需抓住机遇，充分利用和整合现有资源，结合我国的国情，相对紧密地将有关企业、研究院所和院校联合起来，组成军民需求结合、基础研究与设计开发结合的技术研究开发，逐步形成完善的船舶综合电力推进技术的研究开发体系。