深水三用工作船動力系統(tǒng)研究

池波，李永富

?

深水三用工作船動力系統(tǒng)研究

池波，李永富

（中海油田服務(wù)股份有限公司，北京 101149）

首先介紹了深水三用工作船動力系統(tǒng)的主要作業(yè)工況；其次，對深水三用工作船目前的動力形式進(jìn)行了分析，并對電力推進(jìn)形式在三用工作船中的應(yīng)用進(jìn)行了論證，最后結(jié)合國內(nèi)配套設(shè)備的技術(shù)水平，指出在不遠(yuǎn)的將來電力推進(jìn)形式可能率先實(shí)現(xiàn)深水三用工作船的動力系統(tǒng)國產(chǎn)化。

三用工作船 推進(jìn)系統(tǒng) 混合推進(jìn) 電力推進(jìn)

0 引言

深水三用工作船(Deep Water Anchor Handling Tug Supply Vessel，簡稱DW-AHTS)是用于為海上油氣勘探、開發(fā)、生產(chǎn)提供各種水深的起拋錨、拖航就位、鉆采物質(zhì)運(yùn)輸供應(yīng)、守護(hù)、ROV(Remote Operated Vehicle)支持、消防、回收等服務(wù)的專用船舶[1]。

隨著我國在南海以及其他作業(yè)區(qū)域的海洋石油、天然氣開發(fā)工程不斷發(fā)展，新一輪大型海洋工程建設(shè)，特別是海洋石油、天然氣深水作業(yè)工程建設(shè)高潮的到來，對多功能三用工作船的需求日見增長。同時，由于海洋石油開采工作正不斷朝著深水海域擴(kuò)展，因此對于三用工作船的操控性能也有了更高的要求，進(jìn)而對動力系統(tǒng)的性能提出了更新的要求[1]。

本文將結(jié)合海洋石油681/682號深水三用工作船推進(jìn)系統(tǒng)情況，分析目前深水三用工作船動力系統(tǒng)的工況要求、使用特點(diǎn)以及未來的技術(shù)發(fā)展方向。

1 深水三用工作船動力系統(tǒng)

海洋石油681/682號是由羅爾斯羅伊斯集團(tuán)（Rolls-Royce）旗下的Rolls-Royce Marine AS公司設(shè)計的UT788系列深水三用工作船。UT788是目前世界上最新型三用工作船，采用X-BOX型船身設(shè)計，混合推進(jìn)（Hybrid Propulsion），用于3000m深水作業(yè)，不僅滿足中國船級社CCS相關(guān)海洋工程船規(guī)范要求，還滿足挪威船級社DNV的相關(guān)海洋工作作業(yè)特殊入級符號要求，其主要使用工況：

1.1 作業(yè)工況

1）航行工況：提供最高18節(jié)航速為海上深水石油平臺供應(yīng)多種物資和材料，或低速巡航于海上石油平臺附近，隨時隨地聽平臺召喚，進(jìn)行守護(hù)、值班；

2）拖曳工況：對大型石油平臺、大型船舶、海上工程設(shè)施漂浮物、以及浮筒等提供拖曳作業(yè)，能作為遠(yuǎn)距離拖航的主拖船；

3）拋起錨工況：在1500水深內(nèi)對大型石油平臺、浮式裝置的大型錨或錨淀、錨泊系纜提供3000kN拋起錨作業(yè)，并進(jìn)行平臺的移位、就位等作業(yè)；

4）動力定位工況：提供DP2級動力定位為船舶進(jìn)行水下工程、海底設(shè)備安裝、檢修提供作業(yè)支持。

1.2 機(jī)械直接推進(jìn)形式

傳統(tǒng)的深水三用工作船一般采用：推進(jìn)主機(jī)＋齒輪箱＋軸系＋帶導(dǎo)流管可調(diào)槳CPP的推進(jìn)方式。該方式結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)備成熟、系柱拉力高、能夠很好滿足深水三用工作船各種工況的要求（如下圖1所示）[2]。

圖1 三用工作船機(jī)械直接推進(jìn)形式單線圖

如圖1所示，這種機(jī)械直接推進(jìn)形式系統(tǒng)由D1、D2、 D3、D4柴油機(jī)直接驅(qū)動CPP主推進(jìn)器，可用于拖航和高速移航；同時，D2、 D3連接有相應(yīng)的軸帶發(fā)電機(jī)G3、G4，可與輔助發(fā)電機(jī)組G1、G2并網(wǎng)為側(cè)推進(jìn)器以及船上的其它電力負(fù)荷供電。

然而該種推進(jìn)形式在低速工況和動力定位工況下，主機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性較差，浪費(fèi)了大量的能源，既不經(jīng)濟(jì)也不符合當(dāng)今越來越嚴(yán)的環(huán)保要求。

1.3 混合推進(jìn)形式

混合推進(jìn)形式是機(jī)械直接推進(jìn)與電力推進(jìn)技術(shù)中間的一種折中方案，如下圖2所示。由于當(dāng)前大功率電力推進(jìn)設(shè)備的成本還較高，當(dāng)船舶推進(jìn)功率較大時，采用混合推進(jìn)系統(tǒng)的成本相對較低，又能夠發(fā)揮大部分電力推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢[3] -[4]。

如圖2所示，這種混合電力推進(jìn)系統(tǒng)可以有三種工作模式。

1)全電力推進(jìn)模式（Full-Electric Mode）：由G3、G4 、G5、G6發(fā)電機(jī)組供電，經(jīng)變頻調(diào)速M(fèi)1、M2主推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動主推進(jìn)器，M3、M4、M5電機(jī)驅(qū)動船艏/艉隧道式推進(jìn)器，M6、M7電機(jī)驅(qū)動可收放式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，此時非常適合低速機(jī)動操縱、移航和動力定位工況。

2)全機(jī)械推進(jìn)模式（Full-Mechanical Mode）：由D1、D2柴油機(jī)直接驅(qū)動主推進(jìn)器，可用于拖航和高速移航；在負(fù)荷有余時，可通過軸帶發(fā)電機(jī)G1、G2與任一輔助發(fā)電機(jī)組G3、G4 、G5、G6并網(wǎng)為側(cè)推進(jìn)器以及船上的其他電力負(fù)荷供電。

3)混合推進(jìn)模式（Hybrid-Electric Mode）：由G3、G4 、G5、G6發(fā)電機(jī)組供電， M1、M2、D1、D2同時通過齒輪箱驅(qū)動主推進(jìn)器，M6、M7作為輔助推進(jìn)，電力設(shè)備充當(dāng)機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的助推器，以獲得最大系樁拉力。

根據(jù)混合推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)，該解決方案特別適合海洋石油支持船中大噸位三用工作船的運(yùn)行工況。因此，目前建造的海洋石油681/682號深水三用工作船均采用上述方案，配置有：

? 推進(jìn)主機(jī)D1、D2：2×8000 kW；

? 主推進(jìn)電機(jī)M1、M2：2×3000 kW；

? 隧道式側(cè)推電機(jī)M3、M4、M5：3×1000kW；

? 全回轉(zhuǎn)側(cè)推電機(jī)M6、M7：2×1500 kW

? 軸帶發(fā)電機(jī)G1、G2：2×5000 kVA；

? 輔助發(fā)電機(jī)G3-G6：4×2780 kVA；

推進(jìn)系統(tǒng)提供29000HP的推進(jìn)功率，系柱拖力高達(dá)3000 kN。

2 動力發(fā)展方向-——電力推進(jìn)技術(shù)

在以往的船舶中動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是相對對立的兩個系統(tǒng)。動力系統(tǒng)通常由常規(guī)的熱機(jī)和其它機(jī)械裝置構(gòu)成；電力系統(tǒng)一般作為輔助電源，由獨(dú)立的中小功率發(fā)電機(jī)組供電，與船舶的推進(jìn)并沒有直接的關(guān)聯(lián)。綜合電力推進(jìn)技術(shù)是將推進(jìn)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相結(jié)合，即動力系統(tǒng)與輔機(jī)電站合二為一，是船舶推進(jìn)最近二十年發(fā)展的新技術(shù)[5]。

2.1 電力推進(jìn)形式

綜合電力推進(jìn)系統(tǒng)一般由：發(fā)電機(jī)組、主配電板、推進(jìn)變壓器、推進(jìn)變頻器、推進(jìn)電機(jī)、推進(jìn)器、功率管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。如圖3所示，電力推進(jìn)系統(tǒng)根據(jù)主推進(jìn)電機(jī)M1、M2和其它用電設(shè)備的實(shí)時負(fù)荷大小，動態(tài)調(diào)整G1、G2、G3、G4發(fā)電機(jī)組的投入數(shù)量；控制系統(tǒng)對各臺推進(jìn)電機(jī)實(shí)施快速的平滑轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。

圖3 三用工作船電力推進(jìn)形式單線圖

2.2 電力推進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢

相對于機(jī)械直接推進(jìn)形式，電力推進(jìn)形式具有諸多優(yōu)勢[6-8]：

1）布局靈活、有效空間多

由于與螺旋槳軸/推進(jìn)電動機(jī)無機(jī)械連接，主機(jī)可隨意安裝在緊湊艙中最佳位置，—根電纜就是大功率的多用途電力傳輸介質(zhì)，因而船上大型機(jī)械設(shè)備布置更加靈活、有效空間更多。

2）運(yùn)行可靠、生命力提高

驅(qū)動螺旋槳的推進(jìn)電動機(jī)由船舶電網(wǎng)供電，而電網(wǎng)則一般由多臺的發(fā)電機(jī)組供電。使用多臺發(fā)電機(jī)組，增加了設(shè)備選擇的靈活性；當(dāng)部分發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障時，其余的機(jī)組仍能照常工作，單一的發(fā)動機(jī)故障不會引起任一螺旋槳的功能停止，因而單點(diǎn)故障降低，提高了船舶的生命力。

3）操縱靈活、機(jī)動性能好

采用電力推進(jìn)的船舶易于實(shí)現(xiàn)駕駛室遠(yuǎn)程集中遙控操縱，自動化程度高，人機(jī)界面好，電動機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)響應(yīng)更快，控制精度更高，還可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，快速逆轉(zhuǎn)。易于獲得理想的拖動特性，如：恒轉(zhuǎn)矩特性、堵轉(zhuǎn)特性、低速特性等。

4）減小振動和噪聲、環(huán)境更舒適

電氣設(shè)備之間的軟連接和可彈性地安裝可以方便實(shí)現(xiàn)原動機(jī)的隔音和降噪處理，使得船員工作的環(huán)境更舒適。

2.3 電力推進(jìn)技術(shù)存在的問題

盡管電力推進(jìn)形式具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但目前為止全世界馬力大于16800BHP三用工作船基本上沒有電力推進(jìn)船型建造記錄。目前世界上最大的電力推進(jìn)三用工作船是ULSTEIN Design& Solutions AS正在設(shè)計中的AX104船型。該船主要參數(shù)：總長84.9 m，型寬18.5 m，吃水7.0 m，航速17.0節(jié)，系柱拉力180噸，主發(fā)電機(jī)功率11800 kW(約16000BHP)，配備400噸主拖纜機(jī)。

綜合分析三用工作船的使用工況，本文認(rèn)為：暫時在現(xiàn)階段深水三用工作船仍不宜采取電力推進(jìn)形式，主要原因如下：

1) 深水三用工作船主推進(jìn)功率要求一般很大。如果采用電力推進(jìn)形式常配置的舵槳式A-Z（Azimuth Thruster）推進(jìn)器，在目前的技術(shù)條件下，功率大于8000 kW的A-Z可選產(chǎn)品較少，也相當(dāng)?shù)陌嘿F。

2) 若采用吊艙式（POD Propulsion）電力推進(jìn)方式，但由于三用工作船作業(yè)特性，推進(jìn)器必須配備導(dǎo)流管，設(shè)計建造船艉部線型造構(gòu)十分困難，基本也是不可能的。吊艙式電推不僅更昂貴，而且比傳統(tǒng)式A-Z電推方式對船體外部安裝空間要求更大。

3) 若采用基于傳統(tǒng)的軸系和帶導(dǎo)流管CPP槳的電力推進(jìn)結(jié)構(gòu)，當(dāng)船在使用動力定位作業(yè)或低速航行時，這種推進(jìn)方式的確能夠節(jié)省燃油。但大功率電推設(shè)備只有國外進(jìn)口，整體費(fèi)用比較高；在高功率使用范圍內(nèi)，燃油節(jié)省費(fèi)用和投資增加的附加費(fèi)用相比并不經(jīng)濟(jì)。同時，采用CPP槳的形式后，電力推進(jìn)調(diào)速性好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢未能體現(xiàn)，系統(tǒng)反而更加復(fù)雜。對于大系柱拖力的三用工作船，設(shè)計公司一般不推薦采用電機(jī)－柴油機(jī)推進(jìn)方式，除非工作船長期是一種特別作業(yè)方式（如長期使用動力定位作業(yè)），使得具有真正意義的經(jīng)濟(jì)可行性。

雖然電推技術(shù)在三用工作船應(yīng)用不多，但在其它海洋工程船方面，如平臺供應(yīng)船（PSV）、工程支持船(OCV)、多功能供應(yīng)船（MPSV）、ROV支持船由于工況適合，近年來歐洲一些在行業(yè)處于領(lǐng)先地位的公司普遍推薦采用電力推進(jìn)形式。

3 動力系統(tǒng)國產(chǎn)化

目前，深水三用工作船無論采用哪一種推進(jìn)形式，其動力系統(tǒng)均要由國外全套進(jìn)口，存在著價格高、訂貨周期長、服務(wù)不及時等諸多問題。2000年來，國家大力推行“國船國造”思路，通過引進(jìn)、吸收、自主研發(fā)的方式著力船舶工業(yè)本土配套率，特別是電力推進(jìn)形式的設(shè)備取得了長足的進(jìn)步，其中[9]：

1） 原動機(jī)

在中、高速柴油機(jī)方面，目前國內(nèi)陜柴重工、河柴重工先后引進(jìn)生產(chǎn)了德國MTU956、MTU396、TBD620，法國PA6-280STC系列機(jī)型。這些引進(jìn)機(jī)型覆蓋轉(zhuǎn)速范圍1000-1500 rpm，單機(jī)最大功率從2560-8910 kW，同時國產(chǎn)化率普遍達(dá)到85%以上。

2） 發(fā)電機(jī)

國內(nèi)汾西重工、鎮(zhèn)江中船現(xiàn)代引進(jìn)的西門子1FC2/1FC5/1FC6系列690 V電制發(fā)電機(jī)已經(jīng)能夠提供單機(jī)3000 kVA的供電能力。

3） 船用變頻器和推進(jìn)電機(jī)

中船重工武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所生產(chǎn)BP系列船用變頻器和推進(jìn)電機(jī)的功率已經(jīng)覆蓋1000 kW-10 MW，并且已經(jīng)擁有了1000 kW和3000 kW兩種功率等級的實(shí)船運(yùn)營業(yè)績。

以上電力推進(jìn)配套設(shè)備的國內(nèi)技術(shù)突破將可能首先解決單軸4000 kW以下平臺供應(yīng)船、守護(hù)船等船型的動力設(shè)備進(jìn)口問題。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)陸上油氣資源的開采空間有限，海洋石油開采將是未來緩解我國油氣資源緊張的途徑之一，特別是我國南海深水油氣田的開發(fā)。雖然我國已經(jīng)是位居世界前列的造船大國，然而我國海洋工程類船舶配套技術(shù)的落后，大大限制了我國在深水油氣田資源的開發(fā)。電力推進(jìn)形式與機(jī)械直接推進(jìn)形式相比，對原動機(jī)功率要求相對較低、國內(nèi)技術(shù)差距不大，有可能在不遠(yuǎn)的將來率先以電推的方式實(shí)現(xiàn)深水三用工作船動力系統(tǒng)的國產(chǎn)化。

[1] 林文錦. 海洋石油支持船特殊操縱性及其性能指標(biāo)研究[J]. 航海技術(shù), 2010(2), 2-5.

[2] 陳華清,徐定海.艦船動力的發(fā)展和研究熱點(diǎn)[J].艦船論證參考,2003(2),5-10.

[3] 周國平.電力推進(jìn)油田守護(hù)船設(shè)計研究[J].中國造船,2009(9),18-32.

[4] 蔡鈿. 電力推進(jìn)技術(shù)在海洋石油支持船中的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2012(12), 62-65.

[5] Alf Kare Adnanes. Reduction of fuel consumption and environmental footprint for AHTS and OSV using electric or hybrid propulsion[J]. World Ships& Boats, 2008(7), 32-34.

[6] 郭國才,石艷等. 民船電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展方向[J]. 船電技術(shù), 2004(5), 31-35.

[7] 黎南,劉曉冰等. 高性能船舶動力定位系統(tǒng)技術(shù)分析[J]. 熱能動力工程, 2005(5), 539-542.

[8] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向—綜合電力系統(tǒng)[J]. 海軍工程大學(xué)學(xué)報, 2002(12), 1-7.

[9] 肖楊婷,趙躍平等. 國內(nèi)外綜合電力系統(tǒng)技術(shù)研究動態(tài)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2010(8), 24-29.

Research of Propulsion System in Anchor Handling Tug Supply Vessel

Chi Bo, Li Yongfu

( China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China)

TM728

A

1003-4862（2012）06-0062-04

2012-07-29

池波（1978-），男，工學(xué)碩士。專業(yè)方向：電氣工程。