隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速增長，我國航運(yùn)業(yè)和造船業(yè)取得了令人矚目的成就，但同時(shí)也付出了巨大的資源和環(huán)境代價(jià)，如何能夠合理利用能源、降低能耗已成為船舶行業(yè)最為關(guān)心的問題之一。
2011年7月，國際海事組織（IMO）通過了國際防止船舶污染海洋公約（MARPOL）附則VI“防止船舶污染大氣的規(guī)定”的修正案，在此修正案中新增加了船舶能效設(shè)計(jì)要求，從2013年1月1日起，能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）對新造船正式生效。這些船舶領(lǐng)域強(qiáng)制性的國際減排規(guī)則，對各國航運(yùn)和造船行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。面對越來越嚴(yán)苛的減排規(guī)則和高昂的燃油費(fèi)用，人們開始尋找更加行之有效的節(jié)能減排技術(shù)，而變頻技術(shù)作為一種高效節(jié)能技術(shù)在造紙、金屬、采礦、水泥、電力、化工等行業(yè)及生活領(lǐng)域取得了良好的效果，隨著船舶對節(jié)能減排要求的不斷提高，變頻技術(shù)在船舶領(lǐng)域也有了越來越多的應(yīng)用。
1、電力推進(jìn)系統(tǒng)
目前，船舶主要驅(qū)動(dòng)方式是柴油機(jī)通過軸系帶動(dòng)螺旋槳，這種驅(qū)動(dòng)方式有兩個(gè)顯著特點(diǎn)。首先，柴油機(jī)的燃油消耗率隨其額定轉(zhuǎn)速先降低再升高，而只有運(yùn)行在80%至90%的額定轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油消耗率才會達(dá)到最低值，這樣為了更好的燃油經(jīng)濟(jì)性，柴油機(jī)就需要工作在一定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)；其次，作為負(fù)載的螺旋槳在外界工況的變動(dòng)下，柴油機(jī)負(fù)荷不斷變化，導(dǎo)致其不能一直運(yùn)行在最佳工作區(qū)，尤其當(dāng)柴油機(jī)在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)，燃油消耗率變高，經(jīng)濟(jì)性嚴(yán)重下降。
將采用變頻驅(qū)動(dòng)的電力推進(jìn)技術(shù)引入到船舶推進(jìn)系統(tǒng)中，上述問題會大大改善，對同一功率的船舶而言，可以保證柴油機(jī)始終在最佳工作區(qū)內(nèi)，不僅燃油噴射和燃燒狀況良好，還有效減少了排放。此外，通過使用變頻器不僅可以有效提高電網(wǎng)功率因數(shù)，減少功率損失，還能實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軟起動(dòng)，降低起動(dòng)時(shí)對電網(wǎng)的沖擊。
近年來，各個(gè)國家對船舶變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究如火如荼，ABB、SIEMENS等公司都已陸續(xù)開發(fā)出成套產(chǎn)品。以ABB公司的ACS系列變頻器為例，其不僅具有標(biāo)準(zhǔn)化的通訊接口，靈活的編程功能，還具有多種應(yīng)用宏，使用方便，性能穩(wěn)定，并且其內(nèi)部集成了多種高性能變頻控制技術(shù)，如：U/f恒定控制技術(shù)，矢量控制（VC）技術(shù)，直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）技術(shù)等，這樣可以根據(jù)用戶的不同需求選擇不同的控制模式。據(jù)了解，今年1月中旬，ABB公司獲得麗星郵輪公司兩艘郵輪的推進(jìn)系統(tǒng)訂單，該推進(jìn)系統(tǒng)采用基于交流變頻技術(shù)的電力推進(jìn)系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)，其燃油消耗能減少20%至25%，據(jù)初步估算，這樣一周可節(jié)省的燃油約為65噸，減少的CO2排放量約為200噸，減少的NOX排放量約為3.8噸。
相比之下，我國在變頻技術(shù)的研究及應(yīng)用起步較晚，而且實(shí)現(xiàn)變頻技術(shù)的關(guān)鍵元器件如功率半導(dǎo)體、驅(qū)動(dòng)電路、電解電容等都要依賴進(jìn)口。目前，中船重工第七一二研究所已具備電壓等級為3300V，容量為5MVA變頻器的研制能力，還正在開發(fā)更高電壓等級、更大容量的產(chǎn)品。
2、冷卻水系統(tǒng)
為了保證船舶能在全球航行，冷卻水系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備往往根據(jù)最大冷卻需求及冗余等因素設(shè)計(jì)，然而在船舶實(shí)際運(yùn)行過程中，不同工況對冷卻水的需求量是不同的。由于傳統(tǒng)的冷卻水系統(tǒng)采用固定數(shù)量泵組，冷卻水泵的運(yùn)行臺數(shù)和實(shí)際的電力消耗一直是在額定工況下，不能夠根據(jù)實(shí)船主機(jī)負(fù)荷變化和海水溫度變化來調(diào)節(jié)所需的冷卻水量，這勢必會造成能源的浪費(fèi)。鑒于此，基于變頻技術(shù)的船舶冷卻水系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。
據(jù)悉，ABB公司已為中遠(yuǎn)船務(wù)造船廠在建的一艘30000載重噸的多用途船提供了船舶冷卻水系統(tǒng)變頻技術(shù)的解決方案（圖1），其中的主海水泵通過變頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。目前，變頻技術(shù)在冷卻水系統(tǒng)上的應(yīng)用還處于初步階段，國外一些集裝箱船，散貨船和少數(shù)油船已有應(yīng)用；但在我國僅有少數(shù)工程船，多用途船在冷卻水系統(tǒng)中采用變頻技術(shù)。
