电力推进教学课件.pptx

1、电力推进电力推进第1页/共67页第2页/共67页第3页/共67页第4页/共67页第5页/共67页第6页/共67页第7页/共67页第8页/共67页第9页/共67页 MEPS is a propulsion system in which propellers are driven by electric motorsEnergysources：FossilAtomicPropellersMotorGeneratorPrimeengine：DieselTurbine.Fuel CellOther loadsMechanicalEnergyElectricenergy第10页/共67页第11页/共6

2、7页 发展情况 第一代电力推进 第二代电力推进 吊舱的诞生与发展第12页/共67页1920s:First Generation:Turbo-Electric Machinery Electrical Synchronous Propulsion Motors Variable Generator Frequency One-to-One Generator-Propulsion1980s:Second Generation Diesel-Electric Power Plant,later also Turbo-Electric Fixed frequency Electric Power D

3、istribution AC/DC and AC/AC Power Conversion1990s:Breakthrough for Electric Propulsion Dominating in Cruise,Ice breakers,Offshore Oil Exploration Podded Propulsion第13页/共67页14 19世纪末期，在德国和俄国最先开始了开展许多以蓄电池为能量源的电力推进应用试验，此后第一代电力推进1920年代投入使用，结果在减小客船横渡大西洋时间上效果明显。第一代电力推进 20世纪初期，电力推进曾一度成为舰船动力的新潮方案。从20世纪初至20世纪

4、40年代，各国建造了大量电力推进舰船，从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，都有采用电力推进系统的。二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰，采用的就是蒸汽轮机-发电机-电力推进系统。第14页/共67页 电力推进系统能在20世纪初期迎来“第一次第一次浪潮浪潮”，主要原因是当时的舰船日益大型化。在2万吨甚至3万多吨的战舰上，如果采用传统推进装置，长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度，而采用电力推进系统可以绕过这一难题。15第一代电力推进兴起的主要原因第15页/共67页 随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装

5、置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。16第一代电力推进衰落的主要原因第16页/共67页对于FPP可变速驱动器允许零推力时对应0转速。AC/DC and AC/AC Power ConversionLight high/medium speed diesel engines船尾型线得以改善，提升船尾流场品质，使得推进器在比较理想的伴流中工作，可使船体流体性能充分改进，提高水动力性能。Operation of the diesel machinery plant(power management)通过

6、增加冗余，增加系统对某单个故障的抵抗性；从20世纪初至20世纪40年代，各国建造了大量电力推进舰船，从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，都有采用电力推进系统的。DE Propulsionwe are moving forward to embrace a technology,Historical Development-Electric PropulsionHydrodynamics吊舱推进器扩大了电力推进的适用范围中国是造船大国,并非造船强国。Field Support VesselsShaft Line Propulsion4-Stroke Medium or High SpeedOff

7、shoreservice vesselsManeuverability20世纪70年代后，电力部件向大功率方向飞速发展，功率一体积比不断提高。电力推进船舶的市场趋势Electric Propulsion 20世纪70年代后，电力部件向大功率方向飞速发展，功率一体积比不断提高。以开关技术为基础的功率电子技术不但不断提高了开关的频率，而且朝着智能化、模块化方向发展，具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用，然后又逐步应用到了舰艇上，功率电子技术彻底改变了舰艇能量变换的面貌。80年代以后，进入实用阶段的永磁电机可以给舰艇电力推进设备带来更小的体积和重量，加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面

8、世，这使得电力推进的“复辟”有了技术上的可行性。17第二代电力推进兴起的主要原因第17页/共67页18第二代电力推进兴起的主要原因第18页/共67页第19页/共67页 电力推进是一个能满足不同需求的领域。成功的电力推进解决方案被应用于基于建筑、操作、经济性等方面考虑的海军舰船、液压及推进工程、电力工程等方面。第20页/共67页 电力推进采用蒸汽透平或柴油机带动发电机，采用不同的配置形式，已应用于数以千计的各种船型。此外在潜艇和水面舰只中，电力推进系统也有不少潜在的装机容量。第21页/共67页 随AZIMUTH侧推器和吊舱式推进装置的引入，电力推进系统的配置应用在不同的船型中以满足运输、机动、定

9、位等目的。目前，电力推进主要应用在以下船型：游轮、渡轮、动力定位的钻井船、侧推辅助定位锚泊的生产设施，油轮，布缆船，铺管船，破冰船，其它冰区航行船舶，供给船，战舰。在已存在和新的应用领域中新造船舶中适用电力推进的研究和评估工作正在进行。吊舱推进器扩大了电力推进的适用范围吊舱推进器扩大了电力推进的适用范围第22页/共67页第23页/共67页第24页/共67页Electric PropulsionConventional Propulsion第25页/共67页 原动机与推进器机械连接的系统在很多场合已经不能满足船东对船舶功能及指标的需求 大型主机及其轴系占据了巨大空间，其刚性的连接，制约了全船的布

10、置，例如小水线面船、滚装船、豪华邮轮等都不能接受这种系统。集装箱船会因此而损失装箱空间，而舰艇则需要更多的武器弹药空间。第26页/共67页system that comes with it,to drive Navy ships.能量流分析1990s:Breakthrough for Electric PropulsionElectric Propulsion1920s:First Generation:Historical Development-Electric PropulsionFuel ConsumptionConventional PropulsionVariable Genera

11、tor Frequency不同推进方式船舶操纵性能对比中国是造船大国,并非造船强国。在柴油机电力推进系统中，电站由多台小功率的柴油发电机组组成，总的运行台数可以选择使得每台运行机负载最优。能量流分析噪音小，震动小，因为轴系变短，原动机转速固定，采用拖曳式桨伴流均匀，空泡少，减小气蚀。Light high/medium speed diesel enginesFuel ConsumptionOffshoreservice vesselsMarine engineering books电力推进系统的发电柴油机工作在定速和高负荷区对应的燃油效率较高而机械推进系统原动机燃油效率随负载变化差异很大等。P

12、odded Propulsion+Improved life cycle cost by reduced fuel consumption and maintenance,especially where there is a large variation in load demand,e.g.in DP vessels+Reduced vulnerability to single failure in the system and possibility to optimize loading of prime movers+Light high/medium speed diesel

13、engines+Less space consuming and more flexible utilization of the on-board space increase the payload of the vessel+Flexibility in location of thruster devices+Improved maneuverability+Less propulsion noise and vibrations-Increased investment costs-Additional components between prime mover and prope

14、ller increases the transmission losses at full load-A higher number and new type of equipment requires different operation,manning,and maintenance strategy第27页/共67页优越性：通过减少油耗（？）和维修量，改善生命周期成本。特别是负荷变化较大的船舶，比如许多动力定位的船舶，他们的操作图谱中，运输和定位操作的时间几乎均等。通过增加冗余，增加系统对某单个故障的抵抗性；中、高速机重量轻；占用空间少，增加仓储容量；推进装置布置灵活，推进器供电采用

15、电缆；布置独立于原动机的布置；采用AZIMUTH和吊舱推进器，机动性好；噪音小，震动小，因为轴系变短，原动机转速固定，采用拖曳式桨伴流均匀，空泡少，减小气蚀。第28页/共67页DP(Dynamic Positioning)第29页/共67页Pipe laying vesselGeological surveyROV operationsCable laying vesselVibration controlof marine risersHeavy lift operationsPosition mooringPipe and cable laying第30页/共67页不足：初投资增加。然而，

16、事物在不断发展，总装置数不断增加，成本会逐步下降。额外增加的部件（电力设备-发电机，变压器，推进器及电机），在原动机和螺旋桨间增加了损耗。谐波问题必须面对。对新涉足本领域的人来说，大量的新型设备需要掌握不同的操作、管理及维护策略。第31页/共67页PoutPinGeneratorSwitchboardTrans-formerFrequencyconverterElectricMotorPoutPinPower lossesP O W E R F L O WlossesoutoutinoutPPPPP+0.960.9990.9950.9850.960.90第32页/共67页 能量流分析 对每个部

17、件，电效率可以计算出来，在满载时，效率的典型值是发电机效率0.950.97，配电板0.999，变压器0.99-0.995，变频器0.98-0.99,电机0.95-0.97。柴油机-电力推进系统的效率，从柴油机轴到推进电动机轴，满负荷时正常情况下在0.88-0.92。效率随系统负载而变。第33页/共67页 能量流分析 原动机到推进轴系中增加了额外的设备，导致差不多10%的损耗，电力推进系统的节能潜力并不是由于采用电力设备部件。节能?第34页/共67页 电力推进节能原因分析 节能原因一、可调速的定距桨比定速可调螺距桨的水动力效率高。节能原因二、电力推进系统的发电柴油机工作在定速和高负荷区对应的燃油

18、效率较高而机械推进系统原动机燃油效率随负载变化差异很大等。差别在较低推力的时候，比如DP和机动航行非常明显。注意：对于绝大多数时间工作在设计工况的船舶来讲，电力推进是不节能的，除非有其他方面特殊需求，否则决不会采用。第35页/共67页 节能分析第36页/共67页Passenger VesselsLess space consuming and more flexible utilization of the on-board space increase the payload of the vessel电力推进船舶的市场趋势二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰，采用的就是蒸汽

19、轮机-发电机-电力推进系统。推进装置布置灵活，推进器供电采用电缆；从20世纪初至20世纪40年代，各国建造了大量电力推进舰船，从民用的客轮、货轮、油轮到军用舰艇，都有采用电力推进系统的。第二代电力推进兴起的主要原因very fundamental step.Podded Propulsion二战期间战功卓著的美国海军“列克星敦”级大型航空母舰，采用的就是蒸汽轮机-发电机-电力推进系统。总的额定功率也可以调整到适合船舶的可能的运行工况，使得针对多数的运行模式和时间内都可能找到一个优化的配置。1980s:Second Generation据测算，经过优化后的船型效率比使用常规桨可提高15%左右，优

20、化设计后的POD推进器可使推进器的流体性能比常规桨提高约4%；船尾型线得以改善，提升船尾流场品质，使得推进器在比较理想的伴流中工作，可使船体流体性能充分改进，提高水动力性能。judged that the technology is ripe enough to reach it.Applications:Small and medium size shipsA higher number and new type of equipment requires different operation,manning,and maintenance strategy通过增加冗余，增加系统对某单个故

21、障的抵抗性；随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。DE Propulsion 节能分析 柴油机最大的燃油效率在负荷的60%-100%之间，这就造成了传统机械推进和柴油机电力推进在功率消耗上的最大差异。在柴油机电力推进系统中，电站由多台小功率的柴油发电机组组成，总的运行台数可以选择使得每台运行机负载最优。总的额定功率也可以调整到适合船舶的可能的运行工况，使得针对多数的运行模式和时间内都可能找到一个优化

22、的配置。第37页/共67页 节能分析第38页/共67页 节能分析 直接跟驱动柴油机相连的可调螺距桨与可变速调节的定距桨相比，水动力效率损失随工况不同差异明显。在低负荷工况下，尤其明显。零负荷下，CPP的水动力损失约15%。而可调速的定距桨损失近似0。在多数的CPP配制中，桨速要求为定速，转速一般较高。即使是在推力为0时也如此。对于FPP可变速驱动器允许零推力时对应0转速。CPP的优越性是螺距比在很大的转速范围内水动力效率还算不错的。第39页/共67页vs.AB第40页/共67页 水动力性能分析 船尾型线得以改善，提升船尾流场品质，使得推进器在比较理想的伴流中工作，可使船体流体性能充分改进，提高

23、水动力性能。据测算，经过优化后的船型效率比使用常规桨可提高15%左右，优化设计后的POD推进器可使推进器的流体性能比常规桨提高约4%；POD的螺旋桨比常规螺旋桨小，产生空泡现象的临界速度高，可改善振动与噪声性能；POD推进器可以在船体灵活布置，以获取最佳的推进性能。第41页/共67页 项目机械推进常规电力推进POD推进回转直径120%100%75%零航速回转180度所需时间118%100%41%全速回转180度所需时间145%100%42%全速到停止所需时间280%100%42%零航速至全速所需时间210%100%90%第42页/共67页Vessel LoadsPropulsion Auxil

24、liaries第43页/共67页By platform/ROV,11%Transit,11-12 knots 40%Standby40%Anchor handling,6%At quay,6%第44页/共67页vs.AB第45页/共67页 包括核动力在内的新一代军用舰船将大量采用电力推进及综合电力系统。美国会已经通过听证，同意弗吉尼亚级核潜艇采用综合电力系统。美海军部长美海军部长Danzig说：说：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance.Thus,we are moving forw

25、ard to embrace a technology,electric drive technology,and.the integrated power system that comes with it,to drive Navy ships.This is a very fundamental step.Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it.”第46页/共67页electric drive technology,and.发展情况Diesel-Electric P

26、ower Plant,later also Turbo-ElectricSmall chem carriers在已存在和新的应用领域中新造船舶中适用电力推进的研究和评估工作正在进行。DE Propulsion在2万吨甚至3万多吨的战舰上，如果采用传统推进装置，长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度，而采用电力推进系统可以绕过这一难题。One-to-One Generator-Propulsion节能分析Improved maneuverability目前，我国的电力推进研究处于起步阶段，所选用的关键设备，全部采购自发达国家。Capesize BCField Support Ves

27、sels电力推进船舶的市场趋势Reduced vulnerability to single failure in the system and possibility to optimize loading of prime movers零负荷下，CPP的水动力损失约15%。Field Support Vessels80年代以后，进入实用阶段的永磁电机可以给舰艇电力推进设备带来更小的体积和重量，加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面世，这使得电力推进的“复辟”有了技术上的可行性。电力推进节能原因分析Cable laying vessel第47页/共67页 油价的高企可能使电力推进迅速用于新的领域

28、 将广泛应用于滚装船、邮轮、化学品及LNG船、高速船、离岸工作船（钻井船）等.第48页/共67页玛丽女王二号第49页/共67页玛丽女王二号第50页/共67页破冰船第51页/共67页破冰船第52页/共67页海洋平台第53页/共67页半潜船第54页/共67页 现代电力电子技术已经彻底改变了船舶能量转化的面貌，而且使得原先船舶电力推进存在的一些缺点发生根本性转变，优点和长处得到进一步发扬。进入实用阶段的永磁电机使舰船电力推进设备体积更小、重量更轻；超导技术和燃料电池的研究已经在某些技术领域有了一定的进展。这些技术一旦有所突破，将给电力推进带来更加深刻的变化，使电力推进形成压倒原动机直接传动推进的绝对

29、优势。第55页/共67页四年制轮机工程专业本科课程分布第56页/共67页Historical Development-Electric Propulsion教材：Maritime Electrical Installations And Diesel Electric Propulsion by Alf Kre dnanes ABB AS Marine在2万吨甚至3万多吨的战舰上，如果采用传统推进装置，长达近百米的主轴和大型机械减速装置在制造上相当有难度，而采用电力推进系统可以绕过这一难题。ROV operationsPassenger Vessels节能分析Electric Propulsi

30、onOne-to-One Generator-Propulsion能量流分析judged that the technology is ripe enough to reach it.Alternative Ship DesignsApplications:Small and medium size ships电力推进节能原因分析不同推进方式船舶操纵性能对比Podded PropulsionElectrical Synchronous Propulsion MotorsOperation of the diesel machinery plant(power management)采用AZIM

31、UTH和吊舱推进器，机动性好；Applications:Small and medium size ships电力推进节能原因分析ResearchOffshoreservice vesselsSmall chem carriersSmall LPG ReefersParcelCruiseVessel SizeComplexityVLCCLarge containershipAframaxSuezmaxtankersFerriesLPGCLNGCSmall container shipProd.tankersSmall bulkersPanamax BCCapesize BCDrilling v

32、esselsSemi-subsJack-up rigsFPSOFPSO第57页/共67页 中国是造船大国,并非造船强国。电力推进是新技术、新发展方向。目前，我国的电力推进研究处于起步阶段，所选用的关键设备，全部采购自发达国家。我们缺乏大量的研发人员和技术维护人员。你做好准备了吗？第58页/共67页第59页/共67页第60页/共67页第61页/共67页1920s:First Generation:Turbo-Electric Machinery Electrical Synchronous Propulsion Motors Variable Generator Frequency One-to

33、-One Generator-Propulsion1980s:Second Generation Diesel-Electric Power Plant,later also Turbo-Electric Fixed frequency Electric Power Distribution AC/DC and AC/AC Power Conversion1990s:Breakthrough for Electric Propulsion Dominating in Cruise,Ice breakers,Offshore Oil Exploration Podded Propulsion第6

34、2页/共67页 随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。63第一代电力推进衰落的主要原因第63页/共67页 20世纪70年代后，电力部件向大功率方向飞速发展，功率一体积比不断提高。以开关技术为基础的功率电子技术不但不断提高了开关的频率，而且朝着智能化、模块化方向发展，具有代表性的几种功率电子器件首先在陆上电网得到了应用，然后又逐步应用到了舰艇上，功率电子技术彻底改变了舰艇能量变换的面貌。80年代以后，

35、进入实用阶段的永磁电机可以给舰艇电力推进设备带来更小的体积和重量，加上大功率、低油耗的新型燃气轮机面世，这使得电力推进的“复辟”有了技术上的可行性。64第二代电力推进兴起的主要原因第64页/共67页 节能分析第65页/共67页 包括核动力在内的新一代军用舰船将大量采用电力推进及综合电力系统。美国会已经通过听证，同意弗吉尼亚级核潜艇采用综合电力系统。美海军部长美海军部长Danzig说：说：“Changes in propulsion systems are fundamental and offundamental importance.Thus,we are moving forward to

36、 embrace a technology,electric drive technology,and.the integrated power system that comes with it,to drive Navy ships.This is a very fundamental step.Were taking it because weve judged that the technology is ripe enough to reach it.”第66页/共67页Alternative Ship DesignsApplications:Small and medium siz

37、e shipsLight high/medium speed diesel enginesVibration control20世纪初期，电力推进曾一度成为舰船动力的新潮方案。Turbo-Electric MachineryLarge containership随着技术的进步，主要海军大国已经可以研制生产满足大型战舰要求的超长主轴和大型齿轮减速装置，而电力推进装置由于增多了能量变换环节，带来了设备昂贵、传动效率低、维护保养工作量大等一系列缺点，故大型舰船又重新回到了采用传统轴系的直接推进技术。One-to-One Generator-Propulsion要求：1、预习2、认真听讲3、做好笔记4

38、、独立思考5、踊跃回答6、文献查阅judged that the technology is ripe enough to reach it.Fuel Consumption能量流分析DE PropulsionOne-to-One Generator-PropulsionJack-up rigs目前，我国的电力推进研究处于起步阶段，所选用的关键设备，全部采购自发达国家。不同推进方式船舶操纵性能对比Cable laying vessel差别在较低推力的时候，比如DP和机动航行非常明显。油价的高企可能使电力推进迅速用于新的领域 将广泛应用于滚装船、邮轮、化学品及LNG船、高速船、离岸工作船（钻井船）等.第67页/共67页