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湖南能源学会

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日志

 
 

舰船综合电力系统发展现状和前景  

2014-03-17 18:59:04|  分类: 电力主题 |  标签: |举报 |字号 订阅

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    舰船综合电力系统发展现状和前景
    舰船综合电力系统(以下称“舰船电力系统”)代表着当今舰船动力的发展方向,其主要特点是将推进动力与电站动力合二为一。现代的舰船综合电力推进已不是早期意义上的电力推进,而是将日用电和推进用电结合在一个电力系统内,其意义不亚于舰船由风帆动力转为蒸汽机动力,它是造船技术发展史上的又一个革命性的跨越.
1、舰船电力系统现状
    舰船电力系统是舰船的新型推进动力方式。与以柴油机和汽轮机直接推进的传统型舰船动力装置相比,具有提升性能、优化船型、降低噪音、节约维修保养费、增加船舱可利用空间、优越的灵活性等显著优势,能够为舰船提供更先进和更灵巧的“心脏”,
     舰船电力系统优点就在于:第一,安装的发电机少,它们之间的电功率可以互相挪用;第二,运行经济性好,发电机组可根据推进和日用电力的当时需要,合理地控制它们的运行,且每台发电机组都可以运行在经济工况;第三,推进电机使用的轴系很短,各发电机组可以布置的很合理;第四,所用的推进感应电机虽然比其他的如永磁推进电机尺寸小、重量大,但比机械推进系统推进部分(如轴系、轴承等附件加齿轮箱)要小得多;第五,其调频使用了脉冲宽度调制变换器。用这种拓扑作大功率调频可使操纵性好。
    随着舰船推进系统功率需求的不断增大,由于低压设备的容量有限,中压系统日益成为电力推进的发展趋势。随着舰船的吨位不断大型化,舰船综合电力推进系统发电功率已达2--4万kW,单机可达5000kW。目前大型舰船出现了高功率、高参数、高电压电力系统,电网电压达3-6kV,为适用船用电力系统小型化,
     美国海军于1980年建立了综合电力驱动计划,希望通过将船舶日用电力系统和推进电力系统合而为一,进一步提高战舰的性能。1990年后,美国海军将注意力转到提高船舶的能购
性上,研究计划转为综合电力系统(IPS:Integrated Power System)项目。针对当时水面战斗
舰艇(SC-21,现转型为DD(X))的概念设计,美海军完成了费用和效能评估。2002年4月29日,美国海军宣布英格尔斯造船公司、诺斯罗普格鲁曼船舶系统公司为DD(X)的设计主承包商,设计承包合同总价款为28亿多美元,执行期至2005财政年度。DD(X)设计合同的签署意味着美国海军水面舰艇革命性变革的开始。综合电力系统强调的主要技术目标为增加可操作性和支持柔性设计。美海军计划2003年开始,用3年多时间完成11个工程开发模块的建造和试验,并通过充分的陆试和海试去降低技术风险,争取2005年技术定型。2012年装船。美国超导有限公司2003年3月3日宣称,美国海军研究局已选定该公司作为总承制方,组织力量为电力舰艇设计制造一台36.5兆瓦高温超导推进电动机的原型样机。目前美国海军驱逐舰装备的发电机组已经从最初的3-4千瓦发展到9000千瓦,而DDG-1000驱逐舰的发电能力则达到78000千瓦。
    英国的45型驱逐舰采用了全电力推进,45型驱逐舰采用了以WR21燃气轮机为发电机组,以先进感应电机为推进电机和以脉冲宽度调制变换器为驱动装置的全电力推进系统。这是国外海军发展水面舰艇燃气轮机综合电力系统以来的首次实用。
    英国海军计划将综合电力技术用于未来的新型护卫舰和轻型航空母舰上。这种新型护卫舰排水量为5000吨,航速30节,电力系统将使用WR-21燃气轮机作为原动机,采用永磁发电机。该型护卫舰预计在2008~2010年左右服役,建造数量可能为20~25艘;采用综合电力系统的轻型航母计划在2010~2012年服役
    20世纪90年代初,我国研制出中国新型舰船的第一代电力集成发电机,2000年获得国家科技进步一等奖。不久第二代电力集成发电机获得成功应用。这种同时发出交流和直流电的双绕组发电机为国际首创,被评为中国2002年度公众关注的十大科技事件、中国高校十大科技进展之一。随着电力推进舰船的发展和高能武器舰载化对大容量电力的需求,2005年,我国研制了“高速感应蒸发冷却发电系统”(舰船的第三代电力集成发电机),可为长约100多米的舰船供给相当于一个中等城市所需的电量。
   2013年4月由舰船重工第712研究所研发的首套具有自主知识产权的舰船中压3兆瓦级电力推进系统及核心设备研制成功。能按照客户的要求进行适当定制,在舰船和海洋工程领域具有重大的应用前景。其主要技术指标达到国际先进水平,标志着我国已经具备了舰船大容量中压电力推进系统的设计和制造能力,实现了“零的突破”,成为世界上少数几个掌握此项技术的国家之一。
   同年8月712研究所研制了以变频器、推进电机、推进变压器、功率管理系统、操纵控制系统为核心的推进系统,实现了单轴推进功率20MW以下船舶电力推进系统的全部国产化
    近日,中国航天科技集团9院全光纤直流电流测量装置产品顺利通过海军舰船综合电力系统直流断路器系统联调,所有技术指标均满足系统总体要求。
    我国虽然在舰船综合电力系统一些前沿技术上有所突破,但与英美相比,特别是在燃气轮机发电机运用技术上仍有不小的差距。
2、舰船电力系统与陆上电力系统相比的差异
1)舰船发电站的容量小
    由于舰船发电站的容量小,而某些大负载容量可与单台发电机容量相比,当这样的负载启动时,对电网将造成很大的冲击,因而对舰船电力系统的稳定性提出了较高的要求。
    舰船一般采用两个发电站,一组汽轮发电站(艉电站),另一组柴油发电站(艏电站),一组发电站有两台发电机组,同组发电机可长期并联运行。为提高可靠性,艉艏两电站主配电装置跨线联接,非战时,用转换开关控制由一个发电站对舰船供电,战时,由两个发电站对舰船分区供电,重要战位由两个发电站同时供电,当一个发电站断电时转换开关转换到另一个发电站继续供电。
2)舰船电网输电线路短
    因为舰船容积的限制,电气设备比较集中,电网长度不长并都采用电缆,所以对发电机和电网的保护比陆上系统的简单。
3)舰船电气设备的工作环境恶劣
    环境温度高、震动大、相对湿度高等等,都能造成电气设备的损坏、接触不良或误动作
由此可见,船用电气设备必须满足船用条件。
3、舰船电力系统
   舰船电力系统分为230-400V低压和3-6kV中压两类,分别用于中小功率推进和中大型舰船的主推进和电站动力。
3.1 组成
   舰船电力系统主要是由电源、配电装置、电网、负载组成的。
   电源:是将机械能、化学能、等能源转变成电能的装置。船上常用的电源装置是柴油发电机组和蓄电池。
   配电装置:是对电源和负荷进行分配、监视、测量、保护、转换、控制的装置。配电装置可分为主配电板、应急配电板、分配电板、充放电板。
   电网:是全船电缆电线的总称。是联系发电机、主配电板、分配电板和负荷见的中间环节,是将电源的电能输送到负荷端的媒介。 电网根据连接的负荷性质可分为:动力电网、照明电网、应急电网、低压电网、弱电电网。
负荷:舰船负荷大体可以分成舱室机械、甲板机械、舰船照明、通导设备及其他用点设施。
3.2 舰船电力系统的基本参数
   主要是电流的种类、额定电压、额定频率
电流分为直流、交流;交流舰船的电气设备在维护、保养等方面工作量比直流船要少很多,且交流电机结构简单、体积小、重量轻、运行可靠,起相应的设备也简单。交流舰船又分成单相交流电、三相三线绝缘系统、三相四线系统。
   三相三线绝缘系统应用最普遍。这种方式安全可靠,照明电网与动力电网间没有电的直接联系,互相影响小;电网对地绝缘好的时候,船员不小心碰到电网的任何一根线时,不至于造成触电伤亡事故;发生单相接地时,并不形成短路,仍可维持电气设备的正常运行。
   三相四线系统,因不是绝缘系统,船员碰到任何一根电网线时,容易发生触电伤亡事故;当发生单相接地故障时,即形成短路,有可能会发生跳电试图,因而舰船较少采用。
    舰船电力系统额定电压的大小直接影响到电力系统中所有电气设备的重量及尺寸、价格等技术经济指标和人身安全问题。目前运行中的或是正在建造中的远洋舰船主电站动力电网额定电压不是380V就是440V的,照明电网额定电压不是220就是110,临时应急照明电网与弱电电网一般采用24V的。
    般民用船频率均选用陆上的标准等级为50HZ 60HZ。由于提高频率在一定范围内可提高自动化系统动作的快速性,可减少电机、变压器、换能器、自动化元件的重量和尺寸,因此各国开始在舰船上采用中频或局部设备由中频发电机供电,近年来,国外有些军舰采用400Hz中频,我国舰船规范也推荐优先采用400Hz。
3.3 舰船电网的结线方式
   一般民用船的电压等级均在500V以下,结线方式主要有馈线式(放射式)和干线式。
馈线式结线的每一根电缆都是由主配电板直接引出,各自独立且只向一个用电设备或一个分配电板供电。这种方式的好处是便于集中控制,一条支路馈电线路出现故障只影响这条支路供电的一个用电设备或这一分配电箱的供电,其他支路仍能正常工作。缺点是主配电板尺寸大,馈电电缆需求大,成本高。大型军用舰船主配电板要放在装甲区域,小型舰船布置在中心位置。具有两个主配电板的巨型舰船要相互远离,其距离要超过爆炸点的半径。
   干线式是有主配电板引出几根干线电缆,所有用电设备是由串联在干线上的分接线盒供电。好处是主配电板尺寸小,用的电缆少,造船成本低。缺点是当干线馈电电缆发生故障时,这个干线供电的所有用电设备均要停电,因此供电可靠性差。
   海上运输舰船的一次配电网络通常采用馈线式供电,2次配电网络中动力电网也是采用馈线式供电,照明电网大多采用干线式供电。
3.4 电网的保护
3.4.1 过载保护
   由于民用船电力系统为单主电站形式,军用船电力系统为多主电站形式,舰船电网大多是放射形馈线式配电网络,馈电线截面又都与发电机及用电设备的容量相融合,所以对电网的过载保护,一般不需要特殊考虑和装设专门的保护装置。
   发电机与主配电板间的供电网络。因为这一段电缆截面是按发电机额定容量选择的,电缆过载即发电机过载,所以这一段电缆过载保护是有发电机过载保护装置来负责的。
各级配电板间的电缆   他们过载的可能性比较小,因为他们的截面是按分配电板上所有负荷电流并考虑同时工作系数计算的到的,因此个别负荷的过载不至于引起这段电缆的过载,所以这段电缆不设过载保护装置。
用电设备到主(分)配电板间的电缆,这段电缆的截面是按用电设备的额定容量选择的,用电设备都有过载保护装置,同样这一装置也对电缆起过载保护作用。
3.4.2 短路保护
   由于舰船电力系统中发电机和用电设备的短路保护装置,都尽量设在靠近电源侧的出线端,所以对电网的短路保护,也不需要装设专门的保护装置。
   舰船电网短路保护的最重要问题是指保护装置的选择性,也就是当故障发生时保护装置只切除故障部分电路,前一级保护装置不应该动作,这样就保证了其他没有故障的设备能继续正常工作 。
3.5 配电装置
   分为主配电板、应急配电板、充放电板、岸电板、分配电箱
  主配电板是有  发电机控制屏、负载屏、并车屏、汇流排(母线)组成
6.岸电供电
   舰船进厂及靠港检修时,或某些舰船靠港装卸作业或停泊时,可以用陆地的电源来供电,称为“岸电”。
   接岸电的注意事项
   1)接岸电时岸电与船电的电流种类一致 
   2)接岸电时岸电的额定频率、额定电压应与船电相一致 
   3)当岸电为三相四线时,需要将岸电的中性线接到岸电箱上接船体的接线柱上,只有船体和岸电中性线相连后,才可接通岸电。
   4)合上岸电箱上的开关,只有当岸电相序与船电相序一致时才可到主配电板前进行转接岸电操作  
   5)舰船接岸电时,严禁舰船发电机合闸供电,只有在岸电切除后发电机才可以合闸供电,同样船电供电时严禁岸电开关合闸供电。     
这里值得注意的是:对于三相三线绝缘系统的舰船,一旦换接三相四线制的岸电后,此时舰船动力电网对地已不是个 绝缘系统,故应关闭电网绝缘监测仪。
3.6 监测和报警的功能
    故障报警:各种设备是否正常,是有其一些相关参数是否处于允许的上、下限范围内来判定的。大多数设备一旦发生故障,其相关参数越限后,将无法
自动恢复正常,只有将设备修复后,才能使其参数恢复正常。这一类故障称为通常故障或长时故障。有些重要设备常配备2套,一套运行,一套备用,且具有自动切换功能。当一台发生故障并发警报后,自动切换备用系统运行,故障消失,在短时间内运行参数恢复正常,把这类故障称为短时故障。
   参数显示与报警指示:常用的显示仪表有指针式显示仪表、数字式显示仪表和CRT显示器
打印记录:  定时制表记录和召唤记录;闭锁报警:如主机停车后,相关数据出现异常,延伸报警:无人机舱,将警报传送到公共场所失职警报:值班警报:交接班的房间转换警报;试灯按钮;功能实验按钮;延时报警和功能实验指示功能。
4、舰船电力系统发展前景
     舰艇上的各类电子设备、探测设备现在越来越多,有的水面舰艇甚至在未来还要装备电磁武器。未来航空母舰还要装备电磁飞机弹射系统和电磁飞机回收系统。对舰上的供电需求日益增大,
    据统计,如果按单位排水量的用电量来表示这种需求的增加,那么,对驱逐舰,单位排水量电功率已经由过去的0.56千瓦/吨增加到1.07千瓦/吨,对护卫舰,单位排水量电功率已经由过去的0.846千瓦/吨增加到1.03千瓦/吨。
    目前解决的办法当然是提高舰上电站的装机容量。例如,美海军新建的航空母舰CVN21,其电站装机容量就是"尼米兹"级的3.5倍。但是只用增加电站容量来解决用电量增加的问题并不是最好的办法,因为它增加了电站设备的重量,还占据舰上许多重要的空间。新出现的办法就是水面舰艇和潜艇采用综合电力系统。综合电力系统由于舰艇和潜艇的电力推进系统和日用电系统结合在一起共同使用一个电网,且推进系统需要的用电在大部分时间里没有用足,所余的相当数量电力完全可以挪用以满足日用设备的需要,特别短时和瞬时的急需,如对需要时才开动的雷达搜索、电子探测、电磁轨道炮,以及飞机弹射等等。
     因此美海军希望改进舰上电力的存储、产生和输出能力,从而适应以指数级增长的电力需求。电力需求增长的主要原因是激光、电磁导轨炮和计算机技术的应用。   
    美国想把激光炮等新型武器搭载海军舰艇上,但美国国会的最新报告称,目前水面舰艇的动力系统没有额外动力供激光炮消耗。从而使舰船电力系统无法同时满足激光炮和推进系统的需求。因此,有必要对海军未来的造舰计划进行重新考虑,兼顾到舰载激光武器的需求。
    随着即将来临的舰载激光武器大范围部署,美国需要比以前性能更强的发电系统和电力管理系统,同时相关设备的体积还要更小。 
  2013年4月初,美国海军作战部长乔纳森格林纳特宣布激光武器系统(LaWS)将首次部署在“庞塞”号两栖舰上,2014年将在波斯湾接受测试。该声明强调了对容易获得的高功率发电设备的需求,这些发电设备将能够满足激光系统和其他高功率武器系统对于电力的需求。  
   近期,美国海军电力舰船项目办公室主管称,美国海军海上系统司令部最近发布了一份名为《海军电力系统技术开发路线图》的计划文件,要求开展研究以寻求舰上电力产生和存储方法。电力系统在舰船装备中的重要性正在日益提高。舰上电力和电气系统负责支持诸如通信设备、灯光、声纳、雷达和武器系统对于电的需求。电动机还是船用替代推进技术,如混合动力辅助推进系统(已用于海军“马金岛”号两栖攻击舰、并计划用于“美国”号和“的黎波里”号)的关键组成部分。
    该路线图的发布旨在鼓励学术界、国防部与海军开展合作,寻找改进舰上集成电力系统所需的方法。文件称,长期发展存在不确定性,但可以预计的是,随着定向能武器、高功率声纳、电磁导轨炮不断增多,其体积和能力的不断提升,舰船要想同时运行这些系统将需要更多的电力。文件还希望能够建立一种通用方法,为不同类型的海军舰船开发和安装电力系统。
    文件还提出了一些应对挑战的建议,包括开发能量“弹仓”技术,向诸如激光和导轨炮这样的武器提供瞬时高强度电力。
    美国海军研究局的科研人员正致力于开发先进电力技术,其中包括基于碳化硅的晶体管、变压器以及电力转换器等。海军研究局动力与能源科学技术负责人表示,碳化硅能够显著提高电源品质,同时能够减少部件最多90%的尺寸和重量。碳化硅是海军未来水面作战舰艇所需的关键技术,海军未来水面作战舰艇需要大量高度可控的电力来驱动各类先进传感器、推进系统和武器系统,如激光器和电磁导轨炮上舰。
    电源功率提升、性能增强、体积缩小、成本降低是对舰船电力系统未来的期望。经改进的电力系统将可能使军事工业获益不少 同时对民用电网领域也会造成重大影响。一定程度上可确保在电力系统方面的领先地位。

  
  

 

 

  

   


 

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