海洋技术▏电力推进技术在海洋科考船上的应用
随着地球资源日益匮乏，各国对资源的争夺愈演愈烈。面对所剩无几的陆地资源，人们开始把目光投向海洋和两极地区。通过对国内外海洋资源调查研究予以了解，确定各个国家正在积极建设海洋科考船，意在通过科考船一系列的海上作业，对海洋资源进行全面的、详细的、深入的调查，了解海洋资源，为进一步开发和利用海洋资源创造条件。回顾分析我国海洋科考船建设实际情况，确定与美国、俄罗斯等海洋大国有一定的距离，我国科考船的动力系统还未达到国际上主流科考船均采用电力推动系统的局面。对此，积极引用电力推动技术来创新和优化我国科考船至关重要，能够实现电力推动系统代替常规柴油机直接驱动螺旋桨系统，提高科考船的动力系统水平。
一、国内外科考船的发展概述
据相关数据分析，现阶段全球拥有科考船的国家有40多个，其中美国所拥有的科考船占全球总量的17%；其次是俄罗斯、挪威、德国等国家。这充分说明了无论哪个国家都已经高度重视科考船的研究与开发，希望通过有效利用科考船来探寻海底的秘密，获得海洋资源，促进本国更好更快的发展。立足于国内，对我国海洋科考船研究和发展实际情况予以分析，虽然在这一方面已经有了长足的发展，但与美国、俄罗斯等国家相比还有很大差距，这体现在数量、各种配套设备及动力形式等方面，也就是说现阶段我国海洋科考船的探测设备及科研仪器更新程度比较落后，整体配套设备不完善，这使得科考船在具体应用的过程中难以满足实际需求，不能在海上作业的过程中充分发挥现场资料处理和资源传输功能、及时处理和跟踪处理的功能、与陆地实验室同步联合处理的功能。除此之外，我国还未达到国际上主流的科考船运用电力推进系统的实际情况，而是采用传统的动力系统，其存在振动噪声大、操纵性不强等不足。所以，积极引用电力推动技术来优化和创新我国海洋科考船是非常重要的。
二、科考船动力系统特殊需求及电力推进技术优势
⒈海洋科考船动力系统特殊需求
因科考船建设的目的是调查海洋资源，所以要求所建设的海洋科考船具有各种科学的调查能力，每一能力对应着各自独特的调查手段。为了能够做到这一点，需要科考船根据调查能力定位的需求而合理的操作运行。为此，海洋科考船动力系统需要满足的特殊要求是：
⑴动力定位能力。因为海洋科考船在具体进行海上作业的过程中，需要释放水下机器人或者释放海底取样装置，如柱状取样器、箱形采泥器等，以便能够获得与海洋生物、海洋地质等方面相关的资料，所以，做到精准定位是非常重要的，也就是根据不同的作业能力要求对船舶的位置及航向予以控制，尽量不要离水下仪器释放位置太远，以保证及时收回调查作业设备，从而获得相关资料。
⑵灵活的操作性能。出于有效调查海洋资源的考虑，科考船需要携带各种科考仪器设备，以便在海上作业的过程中能够灵活的、有效的释放各种科考仪器设备，使之能够进行不同方面的调查，最终顺利的收回仪器设备，获得有效的科考资料。为了能够真正做到这一点，要求科考船动力系统的操作性能具有较高的灵活性。
⑶低航速航行性能。为了保证科考船的海洋地球物理调查系统、海洋环境探测系统等调查能力能够充分发挥出来，还需要科考船具有较好的低航速航行性能。
⑷电站的冗余度。科考船上配置了几大系统的科考设备，意在有效的、灵活的运用各种科考设备来支持海上作业，尽量获得丰富的、详细的、真实有效的科考资料，所以保证各种科考设备的电力供应良好是非常必要的。而要想真正做到这一点，需要确保电站具有一定的冗余度。
⑸低噪声、低振动性能。科考船携带大量探测设备，如若探测设备的噪声较大、振动较高，那么会直接影响船舶探测设备的精准度，不利于获得有效的科考资料。所以，还需要要求科考船动力系统具有低噪声、低振动性能。
⒉电力推动技术有效应用于海洋科考船中的优势
电力推进系统的主要特征是利用同一套船舶综合电站向全船提供推进动力、辅助设备电力和日用电力，利用电能实现船舶机动和完成相关任务的一个完整的系统。相对于常规柴油机直接驱动螺旋桨系统来说，电力推进系统具有多种优势，具体表现为：
⑴经济性好。基于电力推动技术的海洋科考船，能够将电力系统与动力系统合二为一，实现能量的统一调配，加之公共电站一般是由多台发电机组组成的，所以全船电站在网发电机组的数量可以根据不同工况下的负荷来决定，这就意味着科考船海上作业情况的改变，网发电机组的运行也会随之调整，避免不必要的能源浪费。从这一方面来说，电力推进系统能够发挥的优势之一是经济性好。
⑵操纵性强。科考船电力推动系统实施的情况下，会在驱动螺旋桨的推进电机处安装变频装置，使之发挥转速控制精度高、响应速度快，在正反转各种转速下都能提供恒定转矩的特点，从而保证工作特性最佳。这势必会大大增强科考船的操作性效果。从这一方面来说，电力推进系统应用还能够发挥操作性强的优势。
⑶可靠性佳。总结分析以往柴油机直接驱动螺旋桨转动的科考船，发现其主机重要部件或者舵机、轴系出现故障，那么会直接导致科考船瘫痪，无法正常航行，致使海洋资源调查无法进行。但将电力推进系统应用于科考船中，其电力机组有两套以上且互为冗余，如若发生以上故障现象，那么科考船能够在另一套发电机组支持下正常航行，相应的海洋资源调查得以顺利进行。
⑷舒适度高。电力推进很大的一个优势是用旋转设备代替了大功率的往复式设备，并且取消了轴系，对采用低速电机方案的船舶来说，甚至也可以取消齿轮箱，这样可以大大减少振动。虽然电站容量会增加，但因为电站采用中速机，所以其震动较小，能够增强船舶的舒适性。
三、电力推进技术在海洋科考船上的应用
基于以上内容的分析，确定电力推进技术具有较高的应用价值，将其科学合理的应用于海洋科考船之中，能够代替常规柴油机直接驱动螺旋桨系统，提高科考船的航行效果。那么，如何将电力推进技术有效的应用于海洋科考船之中呢？笔者参考相关资料并总结自身工作经验，认为应当强化系统设计和核心电气设备这两方面。
⒈系统设计
为了提高电力推进系统的有效性和适用性，在具体设计该系统的过程中，应当强化以下几方面：合理设置电站，根据科考船航行实际需求，综合考虑最大用电工况的总功率需求、各用电工况下负荷平衡、航速特殊要求、发电机备用、电站初投资、未来功能扩展等，从而确定技术重点和难点，科学、合理的设置电站总功率及大小发电机组。采用电力推进的科考船，电站通过配电板分配给推进器的输出功率与航速预估时得到的推进器所需输入功率之间存在传递过程中电力模块的功率损失，需区别对待。所以，设计人员考虑和分析降低整个电站传递损失的有效做法，以保证科考船的安全性、可靠性及经济性。
⒉核心电气设备
因电力推进的科考船的发电机组是中速机，所以科考船可能面临高频噪声和高频振动问题，而要想保证科考船能够在海洋资源调查中充分发挥作用，就要具有低噪音、低振动性能，所以解决以上问题是非常必要的。为此，需要科学合理的设置和应用核心电力设备。
⑴推进变压器的设置。合理设计推进变压器能够有效降低推进变频器前端整流所产生的谐波，进而降低其对电力推动系统的影响。基于此，在具体设计推进变压器的过程中，设计人员应当综合分析和考虑如何降低推进变频器前端整流所产生的谐波、如何降低设备本身的机械振动噪声、如何增强对电磁噪声的隔离效果，进而合理设计推进变压器的结构及参数，提高推挤变压器的可行性。
⑵推进变频器的设置。推进变频器直接决定了推进电机的动稳态特性以及船舶的操纵性能，此外还对电网的谐波含量、电磁干扰等有重要影响。所以，推动变频器能否良好运行，关系到科考船高噪声、高振动问题能否有效的解决。设计人员应当着重研究推进变频器与推进电机的电磁参数匹配，优化设置开关频率、输出波形谐波频谱特性、特征参数等，使之与推进电机进行针对性匹配。
⑶推进电动机的设置。推进电机是对系统的振动噪声有重大影响的电气设备，所以为了能够有效的解决科考船高噪声、高振动问题，需要对推进电动机进行超静音低速设计，严格按照推进电机与推动变频器的参数匹配予以优化设计与设置，尽可能的保证推动变频器能够更加精准的、有效的调节推进电机，将推进电机运动控制在实际工况需求的范围内。
四、结束语
面对当前我国海洋科考船水平未能达到国际上主流科考船标准的情况，应当积极引用电力推进技术并有效的应用于科考船中，使科考船有电力推进系统的支持，如此势必能够保证科考船更加灵活操作，有效的调查，为获得更多海洋资源资料创造条件。基于本文一系列分析，确定要想真正做到这一点，需要在具体应用电力推进技术的过程中，强化电力推动系统及和核心电气设备的设计，使电力推动系统满足科考船航行实际需要，如此才能真正提高我国科考船航行水平。
【作者简介】文/朱永兵，1976年出生，男，湖北仙桃人，广州海洋地质调查局，工程师，研究方向为科考船机械仪器与电气自动化；本文来自《科技创新与应用》（2018年19期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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