Дизельный выход, электрический вход: корабельные энергосистемы заменяются двигателями

Мировая судоходная отрасль переживает исторический поворотный момент. В связи с введением Международной морской организации (ИМО) все более строгих правил по выбросам углекислого газа и глобальным императивом устойчивого судоходства традиционная система питания дизельных двигателей претерпевает глубокую трансформацию. В основе этих изменений лежит развитие систем электропривода и технологий двигателей, которые фундаментально меняют архитектуру корабельной энергетики и направляют отрасль к более эффективному и чистому будущему.

​Смена парадигмы: от механической трансмиссии к интегрированной электрической силовой установке​

На протяжении более столетия дизельные двигатели доминировали в качестве абсолютного источника энергии для судов, ценясь за свою надежность и высокую удельную мощность. Однако их недостатки очевидны: высокие выбросы, значительный шум, ограниченный потенциал оптимизации энергопотребления и негибкая компоновка сложных систем механической трансмиссии.

Современные системы электропривода произвели революцию в этой сфере. Их основной принцип — разделение производства электроэнергии и движения:

• Перводвигатели (такие как дизельные двигатели, газовые турбины и даже топливные элементы) ориентированы на эффективное производство электроэнергии.

• Электроэнергия гибко распределяется по кораблю через электрическую сеть.

• Двигатели действуют как исполнительные механизмы, преобразуя электрическую энергию в механическую для приведения в движение пропеллеров или различных вспомогательных механизмов.

Эта «интегрированная энергосистема» предлагает революционные преимущества: чрезвычайно гибкую компоновку, значительно улучшенную энергоэффективность, открывает путь к новым источникам энергии, таким как литиевые батареи и водород, и значительно повышает маневренность и комфорт корабля.

​

Core Power: разнообразные инновации в судовых двигателях​

Двигатели больше не являются простыми силовыми устройствами, а являются узкоспециализированными основными компонентами, адаптированными к различным функциональным требованиям корабля. Превосходная производительность систем электропривода основана на этой разнообразной технологии двигателей:

• ​Главные гребные двигатели: «Электрическое сердце» корабля​

  В качестве источника энергии, заменяющего главный двигатель при непосредственном приводе воздушного винта, современные маршевые двигатели могут достигать номинальной мощности в десятки мегаватт. Чтобы обеспечить большую тягу в ограниченном пространстве машинного отделения, они часто используют источники питания среднего напряжения (например, 3,3 кВ, 6,6 кВ, 11 кВ), многополюсные низкоскоростные конструкции и интегрируют передовые технологии водяного или гибридного охлаждения. Например, композитная схема охлаждения «внутренняя циркуляция + внешняя циркуляция», принятая некоторыми ведущими производителями, успешно решает проблемы рассеивания тепла при высокой плотности мощности, существенно уменьшая объем и вес двигателя, одновременно значительно увеличивая удельную мощность, отвечая строгим требованиям к компактным силовым установкам на больших круизных лайнерах и контейнеровозах.

• ​Двигатели маневрирования и позиционирования: маневренные «электрические рулевые»​​

  Сюда входят двигатели для носовых и азимутальных подруливающих устройств (Azipod®). Эти двигатели отличаются высоким крутящим моментом, быстрым динамическим откликом и точным управлением, что обеспечивает маневренность управления судном и динамическое позиционирование (DP). Обычно они представляют собой вертикальные конструкции с исключительной приспособляемостью к окружающей среде, способные стабильно работать в условиях высокой вибрации, влажности и даже экстремальных холодов.

• ​Двигатели вспомогательного оборудования: «бесшумные краеугольные камни» общекорабельной системы​

  От насосов и вентиляторов до компрессоров и палубных механизмов — вспомогательное оборудование на корабле все чаще приводится в движение высокоэффективными двигателями. Тенденция заключается в использовании двигателей с постоянными магнитами или асинхронных двигателей с частотно-регулируемым приводом, позволяющих подавать электроэнергию по требованию. Это исключает потери энергии при «использовании большого двигателя для небольшой нагрузки» и является ключом к снижению энергопотребления корабля при «гостиничной нагрузке».

​

Сценарии применения судовых двигателей​

На крупных судах устанавливаются самые разнообразные двигатели, насчитывающие сотни и даже тысячи, которые играют решающую роль в двигательных, маневренных и различных вспомогательных системах. Например, первый большой круизный лайнер отечественной постройки оснащен более чем 20 000 комплектами моторного оборудования, охватывающими 136 подсистем, от систем отопления, вентиляции и кондиционирования до пожарных насосов.

Безопасная навигация и ежедневная эксплуатация во многом зависят от нормального функционирования этих двигателей. Отказ любого отдельного двигателя может повлиять на двигательную установку или критическое оборудование, потенциально ставя под угрозу рейс. Таким образом, морские двигатели, как правило, должны обладать высокой надежностью и способностью выдерживать суровые условия окружающей среды. Из-за высокой влажности, коррозии солевым туманом, а также сильной вибрации и ударов на море морские двигатели должны иметь специальные конструкции для обеспечения влагостойкости, коррозионной стойкости и виброустойчивости.

Многие морские двигатели работают непрерывно круглый год во влажной и вибрирующей среде. Неправильное техническое обслуживание может привести к таким неисправностям, как старение изоляции или износ подшипников. При проектировании и использовании необходимо уделять особое внимание регулярному осмотру, техническому обслуживанию, улучшенному охлаждению и виброизоляции для обеспечения стабильной и надежной работы двигателя. Судовые двигатели широко используются в главных силовых установках, электродвижительных установках, подруливающих устройствах/носовых подруливающих устройствах, палубных механизмах, насосах, системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и других системах. Их производительность напрямую связана с общими характеристиками и безопасностью судна.

​

Технологический рубеж: будущее «зеленого» судоходства​

В настоящее время технологическое развитие судовых двигателей и систем электропривода сосредоточено по трем основным направлениям:

• ​Сверхвысокая эффективность и постоянное намагничивание​

  Повышение эффективности двигателя — прямой путь к сокращению выбросов. Сверхэффективные двигатели класса IE4/IE5 стали предпочтительным выбором для новостроек. Среди них синхронные двигатели с постоянными магнитами (PMSM)​, обладающие высокой удельной мощностью, высоким КПД и высоким крутящим моментом, набирают обороты в производстве силовых установок и электроэнергии, становясь основой нового поколения «зеленой энергии».

• ​Системная интеграция и интеллект​

  Современные системы электропривода представляют собой высокоинтегрированное целое. Двигатели глубоко интегрированы с преобразователями частоты, трансформаторами и системами управления энергопотреблением (EMS). Интеллектуальные системы мониторинга, основанные на цифровых двойниках и Интернете вещей (IoT), могут анализировать состояние двигателей в режиме реального времени, обеспечивая профилактическое обслуживание и максимизируя эксплуатационную надежность и эффективность.

• ​Адаптация к разнообразным источникам энергии​

  Энергетика будущих кораблей будет гибридной. Системы электропривода, благодаря присущей им совместимости, могут легко интегрировать дизельную генерацию, литиевые батареи, топливные элементы и даже береговую электростанцию. Двигатели, служащие унифицированным портом вывода мощности, позволяют кораблям достигать оптимальных ходовых характеристик независимо от используемого основного источника энергии.

​

Типы и технические характеристики судовых моторов:​​

В зависимости от различных потребностей судовых систем судовые двигатели превратились в многочисленные специализированные типы:

• ​Главные тяговые двигатели:​​ Являясь основным источником двигательной энергии для судов, диапазон их мощности может достигать нескольких мегаватт. Обычно это высоковольтные и мощные двигатели со стандартными уровнями напряжения, включая 690 В, 3 кВ, 6 кВ, 10 кВ, а номинальная мощность достигает тысяч или даже десятков тысяч киловатт. Чтобы обеспечить огромную мощность в ограниченном пространстве, в маршевых двигателях часто используются высокополюсные низкоскоростные конструкции (750–1200 об/мин) и эффективные методы охлаждения. Большинство основных крупных гребных двигателей оснащены системами водяного или комбинированного охлаждения для повышения эффективности отвода тепла. Определенный тип маршевого двигателя, разработанный отечественными производителями, стал пионером гибридной технологии перекрестного охлаждения «внутренняя циркуляция + внешняя циркуляция + воздух + морская вода». Это успешно решило проблемы с отводом тепла для сильноточных и мощных двигателей в условиях низкого напряжения, уменьшив вес и объем двигателей той же мощности до 60% от исходного и повысив общий КПД примерно на 20%. Такие инновационные конструкции эффективно повышают удельную мощность двигателей, удовлетворяя строгие требования больших круизных лайнеров и других судов к мощным и компактным маршевым двигателям.

• ​Двигатели маневрирования и позиционирования корабля:​​ К ним относятся двигатели для носовых подруливающих устройств (боковые подруливающие устройства) и азимутальных подруливающих устройств (Азипод). Эти двигатели обычно имеют вертикальную установку и имеют конструкцию с высоким крутящим моментом, обеспечивающую быстрый пуск-остановку и регулировку скорости для удовлетворения требований маневренности судна. Они должны обладать превосходной влагостойкостью, виброустойчивостью и устойчивостью к низким температурам, чтобы выдерживать воздействия сырости и ударов в местах, подверженных воздействию влаги и ударов, например, носовые отсеки, и оставаться надежными даже в ледяных условиях во время полярной навигации. Конструктивно эти двигатели обычно компактны, что обеспечивает удобство установки в ограниченном пространстве корпуса и удобство обслуживания.

• ​Вспомогательное оборудование Двигатели:​​ Большое количество вспомогательного судового оборудования, в том числе различные насосы, вентиляторы, компрессоры, лебедочные краны, приводятся в движение электродвигателями малой и средней мощности. Они делятся на категории низкого и высокого напряжения в зависимости от требований к нагрузке. Низковольтные вспомогательные двигатели в основном работают в диапазоне напряжений 380–690 В, мощностью от нескольких киловатт до нескольких сотен киловатт, обычно имеют полностью закрытую конструкцию с вентиляторным охлаждением (TEFC), что подчеркивает простоту и надежность. Высоковольтные вспомогательные двигатели обычно работают при напряжении 3–6 кВ и имеют мощность до нескольких тысяч киловатт и используются в тяжелых условиях эксплуатации, например, в крупном насосном и компрессионном оборудовании. Обычно они используют усовершенствованные конструкции охлаждения, такие как канальная вентиляция или водяное охлаждение. В некоторых особых условиях, таких как высокотемпературные машинные отделения или погружные насосы, требуются специализированные двигатели с рубашками водяного охлаждения или взрывозащищенными корпусами для обеспечения безопасной работы в условиях высоких температур, взрывозащищенности или под водой. С развитием технологий в практическое применение вступают новые виды морских двигателей, в том числе СДСМ для двигательной установки и выработки электроэнергии, высокоскоростные двигатели для специального вспомогательного оборудования и двигатели постоянного тока на судах специального назначения. Такой разнообразный ассортимент продукции позволяет ведущему предприятию часто охватывать продуктовую линейку, насчитывающую более 30 серий и 2000 разновидностей морских моторов для удовлетворения потребностей различных судов.

​

Тенденции развития морских моторных технологий:​​

В настоящее время индустрия морских двигателей ускоряет инновации по трем основным направлениям: эффективность, экологически чистые технологии и интеллект, при этом появляются различные новые технологии и возможности сотрудничества:

• ​Двигатели класса высокой эффективности, энергосбережения и сверхвысокого КПД:​Повышение эффективности двигателей для снижения энергопотребления и выбросов является основной тенденцией отрасли. На международном уровне были представлены сверхэффективные двигатели класса IE5, эффективность которых намного превосходит традиционные двигатели, что ускоряет энергосберегающую трансформацию судостроительной отрасли.

• ​Синхронные двигатели с постоянными магнитами и новые топологии двигателей:​Благодаря высокому КПД, высокой удельной мощности и хорошему регулированию скорости двигатели с постоянными магнитами привлекают все большее внимание в морской отрасли. СДСМ мегаваттного класса постепенно становятся основным оборудованием, особенно в крупных полностью электрических или гибридных двигательных установках. Значительных прорывов добились и отечественные предприятия: продукция полностью соответствует строгим классификационным требованиям. По сравнению с традиционными двигателями эти мощные двигатели с постоянными магнитами обладают выдающимися преимуществами, такими как высокая эффективность, экономия энергии, высокая удельная мощность и стабильная работа, эффективно снижая общее энергопотребление судна и выбросы углекислого газа, что соответствует требованиям эпохи к устойчивому развитию портовой и судоходной отрасли. В практических приложениях использование PMSM для таких сценариев, как генерирование вала, может значительно повысить эффективность использования энергии. Испытания показывают, что добавление валогенератора с постоянными магнитами мощностью 3 МВт может сэкономить от 4% до 10% расхода топлива для всего корабля. Ожидается, что в будущем, благодаря достижениям в области магнитных материалов и технологий управления, PMSM найдут более широкое применение в главных двигательных установках, электрических двигательных установках и крупном вспомогательном оборудовании, став жизненно важной опорой «зеленой энергии» корабля.

• ​Специальное охлаждение и технологии материалов:​Чтобы решить проблему увеличения мощности в ограниченном пространстве кораблей, отрасль внедряет инновации в области охлаждения двигателей и материалов. Вышеупомянутый двигатель с гибридным охлаждением является одним из примеров, когда продуманная конструкция комбинации воздушного и водяного охлаждения значительно снижает удельную мощность двигателя, удовлетворяя необходимость установки мощных двигателей в узких машинных отделениях больших круизных лайнеров. Высокие солевые брызги и перепады температур морской среды также стимулируют модернизацию защитных материалов для производства двигателей. Компании вкладывают значительные средства в исследования и разработки для решения проблем с адгезией и сроком службы антикоррозионных покрытий, разрабатывая покрытия «антикоррозионной брони», устойчивые к солевому туману, что значительно повышает долгосрочную надежность двигателей в морской среде.

• ​Интеллект и цифровизация:​​ Поскольку современные корабли все чаще используют интеллектуальные операции, морские двигатели также развиваются в сторону интеллектуального мониторинга и управления. Крупные производители двигателей сотрудничают с верфями и электротехническими компаниями для разработки устройств мониторинга и защиты двигателей на базе Интернета вещей. Они интегрируют данные о работе двигателя в систему управления энергоэффективностью судна, обеспечивая мониторинг в реальном времени и раннее предупреждение о состоянии двигателя.

• ​Промышленное сотрудничество и сертификация стандартов:​Высокие технические барьеры и требования к индивидуальной настройке, предъявляемые судовым автомобилестроением, делают сотрудничество между компаниями и авторитетными органами тенденцией. Интеграторы целостных систем, поставщики оборудования и производители двигателей укрепляют совместные разработки.

​

Заключение: необратимая волна электропривода​

«Дизель ушёл, электричество пришло» — это не просто лозунг, а реальность, происходящая во всем мировом автопарке. От роскошных круизных лайнеров и больших паромов до морских судов и даже океанских грузовых судов, системы электропривода, обладающие беспрецедентной гибкостью, преимуществами эффективности и экологическим потенциалом, становятся стандартом в современном судостроении.

Двигатели, служащие «мышцами и суставами» этой системы, с каждым технологическим достижением — более высокой удельной мощностью, большей адаптацией к окружающей среде, более разумным управлением — продвигают эту революцию в более глубокие и широкие измерения. Для судовладельцев, верфей и проектировщиков понимание и внедрение технологии электропривода больше не является просто выбором для соблюдения нормативных требований, а стратегической необходимостью для победы в будущей рыночной конкуренции. Электрическое будущее судоходства уже прозвучало и отплыло.