0 引　言

海洋占地球表面积71%，蕴藏着丰富各种能源。21世纪是海洋的世纪，面对日趋枯竭的地球资源，世界各军事发达国家把海洋资源的争夺由近海逐渐推向深远海，我国政府也适时做出了海军装备发展由“近海防御”向“远海防卫”的战略决策。近几年来，随着远航考察、试验和执法任务的急剧增多，国家也加大投入力度建造了多型多艘深海考察船、试验船以及公务执法船，如具有代表性“科学”号、“向阳红01”船等。这些船舶的投入建造和陆续交付使用，一方面保证了国家深远海考察、试验和执法任务的顺利开展和完成，但同时也带来了船舶运行的经济性、环境保护等方面问题。特别是在船舶设计、建造技术高速发展的今天，其“先进性、经济性、可维性”的使用理念深得用户的一致认可，而且在推进船舶建造技术发展进程中具有重要意义。

本文通过对大连测控技术研究所目前现有试验船推进系统应用情况的综合分析和对船舶交流组网电力推进系统与直流组网电力推进系统组成、技术性能进行比较，探讨更适合执行特殊作业船舶的推进方式，为后续深海装备特种试验船推进系统方案设计、确定提供必要的参考。

1 现有试验船推进系统简介

大连测控技术研究所通过多年国家固定资产投资项目投入，先后建造了各型试验船12艘，其中以高性能船型为代表的穿浪型双体船型（“东远01”船）、小水线面双体船型（“东远02”船）、单体多用途船型（“东远03”船）以其良好的适航性、操纵性和经济性得到了使用部门和来所参试的行业内外用户的一致好评。这些试验船因使命任务、功能要求不同，选用推进系统方式也有差异。

1.1 “东远01”试验船

“东远01”试验船2007年9月开工建造，2009年12月交付并投入使用。该船采用的是穿浪双体船船型，全铝合金结构，推进方式采用高速柴油机—四机四泵喷水泵推进，也是目前我国目前同型船排水量最大的船舶。较其他高性能船相比，具有快速性、兴波阻力小、耐波性好、装载容积大、稳性及操纵性好等诸多优点，能够实现原地360°回转。

1.1.1 主要技术指标 1.1.2 推进系统

由于作业工况需要，“东远01”试验船推进系统选用4台TBD620V16高速柴油机作为推进主机，通过高弹性联轴节、齿轮箱、传动轴带动4台进口MJP750混流式喷水泵推进，4套推进装置之间相互独立，总功率约8 000 kW，进水流道为玻璃钢材质。该系统具有大功率、高航速、灵活机动性强等的优势，同时在尾部设置航向稳定系统，使得船舶在高速航行过程中具有很好的稳定性。主要指标如表2所示。

1.2 “东远02”试验船

“东远02”船于2005年12月开工建造，2008年4月建成交付并投入使用。该船是我国自主知识产权的第1艘千吨级小水线面双体船。推进系统采用交流组网电力推进方式，钢质结构。该船具有耐波性好、操纵性好、油耗低、作业甲板宽敞、特装技术先进等优点，可在低航速下开展试验、海洋工程施工、海上救援等任务。

1.2.1 主要技术指标

“东远02”试验船主要技术指标见表3。

1.2.2 推进系统

“东远02”是我国第1艘动力采用交流组网电力推进方式的船舶。推进系统分别选用2台1 000 kW型号为CCFJ1000、2台400 kW型号为CCFJ400柴油发电机组做为主推进电站，变频器、推进变压器均由德国西门子引进，2台西门子电动机作为主推进电机，通过高弹性联轴器、止推轴承、推力联轴器进行推进，电站总功率约2 800 kW，单轴推进功率约1 000 kW。该推进系统具有油耗低、噪声小、节能环保等优点，可在低速下开展调查试验。主要指标如表4所示。

1.3 “东远03”试验船

“东远03”船是单体钢质多用途试验船，2000年12月建成交付并使用，动力采用中速柴油机直接推进方式，双机双桨。该船具有推进系统稳定、操纵性好、改装裕度大、作业甲板宽敞、特装技术先进等优点。2012年通过改装油舱、水舱，提升了船舶的续航力、自持力等主要技术指标。

1.3.1 主要技术指标

“东远03”试验船主要技术指标见表5。

1.3.2 推进系统

“东远03”船推进系统采用常规柴油机直接推进。选用2台型号MAK-6M453C单台功率2 200 kW的低速柴油机，通过2根传动轴带动桨叶直接推进方式，总功率约4 400 kW。推进系统具有运行稳定、推进功率大、推进效率高等优点。主要指标见表6。

上述3种推进技术广泛应用于目前国内建造的科考、海洋调查等船舶。其中交流组网电力推进技术应用较多，形式如直推、吊舱式等，相关配套设备基本实现国产化，并且实船应用效果较好。但就从柴油机等重要设备使用来看，进口设备相对国产设备而言运行更加稳定、故障率更低。

2 船舶交流组网电力推进技术的现状、发展

从1995年以来，国际造船市场出现了船舶动力由电力推进系统取代传统柴油机直接推进方式的一个明显的技术发展趋势。就国外军品应用为例，英国主流T45型驱逐舰在全部使用交流组网电力推进系统，其电力推进总承供应商为通用电气公司（GE）。之后的加拿大、美国、澳大利亚的类似船型几乎全部采用交流组网电力推进系统。

国内“东远02”船在2004年开展方案设计时，通过反复论证和国内外推进系统的多方案比较，最终采用了以交流组网电力推进为动力的技术方案，这也开启了我国交流组网电力推进技术在实船应用的先例。由于受当时国内技术发展的限制，其推进系统的核心硬件设备如变频器、变压器、主推进电机等均需要从国外进口。近些年，随着电力推进技术在国内船舶市场的飞速发展，交流组网电力推进技术已广泛应用试验船、科考船、调查船、海工平台、钻井船、平台供应船、平台工程船、风电安装船、挖泥船、铺管船等众多领域。

典型的交流组网电力推进系统的能量传动路线如图4所示。

这种配置形式的优势和特点如下：

1）无论推进螺旋桨工作在任何转速下，可以通过动态分配柴油机的台数甚至转速从而保证柴油机运行在较高效率曲线上，燃油效率比传统机械式推进模式节约10%以上；

2）推进动态特性、操控性能更好，能够满足DP2甚至更高的动力定位系统要求；

3）柴油机和螺旋桨无须布置在同一根主轴上。相应的上图中所示的系统更多的需要采用电缆进行连接，而电缆连接的灵活性要远远超过了机械轴的连接，因此客观上降低了机械布置的难度，同时增加了机械布置的灵活性；

4）减少了机械传动装置，从而降低噪声。

随着海工技术对船舶动力定位及操控性能的要求越来越高，以及国际上对于船舶排放量的要求越来越严格，交流组网电力推进技术作为绿色船舶的典型技术的应用越来越广泛，市场前景也越来越被看好。

在1995-2010年期间，船舶电力推进方案基本都采用交流组网技术，以1个4台发电机组系统为例，采用传统的交流组网技术的单线图请参见图5。

从图5中可看到，交流组网电力推进技术和普通的陆用组网系统一致，区别仅仅在于交流电源的输入不是固定的电网，而是由若干柴油机组通过配电板组成的弱电网。显而易见，由于各个发电机组的频率必须一致，所以船用电站的频率和电压幅值是固定的。

那么在不同的发电机组互相之间需要一个并网开关，配电板在保证交流电压的频率、相位和幅值都相等的前提下，才能闭合开关，实现发电机组的并网（增机）。

通过一个交-直-交的变频器（交-直部分称为整流器，恒定的交流电压变换成直流电，直-交部分称为逆变器，将直流电再变换成交流电），将恒定的船用电站频率转化成可调的频率，驱动推进器。实现对于推进器的调速功能，同时需要在变频器的输入侧增加一个变压器，保证实现电气上的隔离。

在近20年的实际应用过程中，交流组网电力推进的应用广泛，技术发展也非常成熟。但本身也存在一定的局限性，最明显的一点在于系统需要增加额外的电气设备包括：发电机、配电盘、整流变压器、变频器、推进电机等，会带来相应设备体积、重量的增加，安装、布置困难，以及额外增加冷却通风设备等一系列问题。一定程度地影响了船舶的舱容空间以及带来船舶使用经济性和设计改装难度。

目前国际上的船用电力推进的发展方向是尽可能避免在电力推进系统中额外增加电气设备和相应的计算、改装工作量。

3 船舶直流组网电力推进技术现状、发展

船舶直流组网电力技术由德国E-MS公司最先研发，系统命名为E-PP。第1套系统在2007年研发成功，并在2009年首次在邮轮“维京”号得到应用。整套技术应用成功后被世界海工领域发行量最大的行业杂志《海事报道》、《海工混合及电力推进技术》等十数家媒体争相报道，引起业内轰动。从2009-2015年，E-PP直流组网电力推进系统实现大量应用，截止到2015年，已经有50艘船舶交付使用并且正在运行直流组网电力推进系统，得到广大用户好评。在德国蒂森·克虏伯海事系统公司基尔造船厂建造的“白珍珠”号豪华邮轮也应用了直流组网技术，目前已经完成试航，其高效、清洁的推进系统是该船重要亮点之一。直流组网电力推进技术在国内属于刚起步阶段，上海泰和集团旗下的2 100 t小水线面双体船首先采用该技术，目前已进入设备研制阶段。

以1个4台发电机组的系统为例，1个典型的直流组网系统的单线图可参见图7。

直流组网电力推进系统具有如下特点：

1）尽管整个系统的组网方式是直流电网，但是发电机组仍然是交流发电机组，通过整流器将交流电压变换成直流电压，组建1个直流电站。驱动系统也仍然是传统的逆变器，即将直流电压转换成了可变频率的交流电压驱动交流电动机。从另一种角度来说，直流组网中的交-直-交变频器的交-直整流器转移到发电机侧，经过整流后将直流母线作为公共连接点，以取代原有的交流发电机侧的交流母线公共连接点；

2）直流电网的连接不存在频率和相位的匹配，因此不需要传统的配电板进行相关的控制，所以可以去除发电机组之间的交流并网开关，甚至整个交流配电板；

3）所有的发电机组通过整流模块和直流电网相连接，因此理论上每组发电机组可以工作在不同的转速下。这样显著增加了系统的灵活性；

4）直流电网不能直接通过变压器给船用220 V负载提供电源，而是需要1个逆变器将直流母线转换成交流电源，然后连接变压器给负载供电。由于逆变器采用正弦波滤波器，输出电压的波形质量比传统交流发电机所产生的电源更为清洁，引入的谐波污染更小。

与交流组网系统相比，直流组网电力推进系统具有如下的显著优势：

1）直流组网系统的最大优势在于其系统集成度更高，由于省去了配电板和部分变压器，整体系统的体积和重量都会大大降低，相对于传统的交流系统组网技术，可以节省30%的体积和40%的重量；

2）直流组网系统中的柴油发电机组可以根据不同的负载条件调整转速，以保证系统工作在最优的能耗曲线上，这样可以提升整体系统的效率，降低能耗和排放。相对于传统的交流系统组网技术，一般认为整体的效率提升可以达到10%甚至更高；

3）直流母排和各种储能设备以及变频甲板机械具有更优的技术兼容性。设备的接口更简单，相应接口设备体积和重量皆有明显降低；

4）直流组网的经济性更优，尽管直流组网的变频配电设备的成本高于传统方案，但去除了配电盘、变压器等设备，直流组网系统的总计设备成本略低于传统交流方案。但由于简化了相应设备，其配电盘、变压器等设备相应的冷却、通风及安装施工费用被节省，相应的电缆费用降低，再加上直流组网油耗上的优势将大幅降低船舶的运行费用。因此，综合考虑直流组网系统的经济性具备明显优势。

在基于直流组网的电力推进系统广泛得到应用后，国际上的几大知名电气厂商也开始计划研制这种技术，并开始逐步推出类似系统。例如：2013年ABB公司在首艘“狄娜星”平台供应船上应用了基于直流网的电力推进系统 Onboard DC Grid并作为其低压电力推进系统包括400V，690V的主推方案。ABB公司就公布的资料表明总共交付了4艘直流组网电力推进的船舶。

西门子公司几乎也在同时推出了BlueDrive PlusC的基于直流网的电力推进系统。在2015年上海海事展中也明确提出将直流组网作为其优先推行的技术路线，西门子就公布的资料表明总共交付了13条直流组网的电力推进系统，另外还有若干艘船舶已经获得商务合同。

与此同时，由于基于E-PP的直流网系统的成功应用，以及西门子、ABB等公司的后续研发，越来越多的国际知名船舶柴油发动机供应商也开始推出适用于直流组网的变速柴油机产品组合。如：曼恩公司推出了自己的变速柴油机组以及直流组网系统，康明斯公司也推出了针对直流网的变速柴油机型号QSK50-Variable speed，其他柴油机供应商如MTU、卡特彼勒也推出了相应的改型产品。

因此，就市场需求以及船舶行业的其他船舶配套单位的技术路线来看，已经充分证明了基于直流组网电力推进系统确实是船舶综合电力推进系统的未来发展趋势。

4 未来试验船采用直流组网技术的优势

“深海装备综合试验船”采用了双体小水线面船型，航速不小于15 kn，总电站功率约9.5 MW，单轴功率约3.3 MW。这种高航速特殊船型对船舶推进动力和总体设计提出了更高要求。受小水线面特殊船型的限制，船体水线以下可利用面积较小且线型不规则，给推进系统设备选型、舱室布置提出了较苛刻要求，同时该船型对重量重心控制也是船舶设计的难点，要求装船设备重量轻、体积小。如采用直流组网电力推进方式，相比传统交流电力推进系统而言，能够节省推进变压器、变频器等装置，整合配电设备，在设计上更有利于船舶总体布置，也大大减少设备装船重量和推进系统综合造价。

“深海装备综合试验船”在试验期间因需要大量精密测试设备仪器装船，因此，对船舶本身电站谐波控制有较高要求。在这一点上采用E-PP技术直流组网电力推进技术与传统交流组网电力推进技术相比较，可解决谐波对船载科研仪器设备带来的冲击和影响。目前，该技术已经被系统内专业厂家引进消化，并已开启实船应用的先河。因此，“深海装备综合试验船”如采用直流组网电力推进技术，不仅解决总体布置难、重量重心控制、电站谐波、节能环保等诸多设计关键问题，同时能够为我国后续类似船型研制提供有力借鉴。

总之，未来船舶推进系统的发展将是多元化的，基于直流组网的电力推进技术可以认为是继柴油机机械传动推进、传统交流组网电力推进技术之后的又一次新技术变革，同时也是第3代船舶推进动力系统的前沿技术路线，应用潜力十分巨大。