液壓推進系統應用在DP定位上的可行性分析

安克揚，安 驥，王 科，張 杰

(上海海事大學，上海201306)

0 引言

目前，動力定位系統(DP定位)在船舶上得到廣泛應用，其優異的性能使得世界各海洋大國對其表現出濃厚的興趣[1]。船舶DP定位的傳動方式主要有直接傳動、用調矩槳、電力吊艙式傳動等3種，目前以使用電力吊艙式傳動為主流。本文提出1種新型DP定位傳動系統:液壓傳動推進系統，通過與上述3種定位方式的比較，探討其用在半潛式鉆井平臺上的可行性。

1 動力定位系統簡介

動力定位系統(Dynamic Positioning System，DP系統)是一種閉環的控制系統，其采用推力器來提供抵抗風、浪、流等對船位的干擾力，從而使船舶盡可能地保持在海平面上要求的位置，但定位成本不會隨著水深增加而增加，并且操作也比較方便。其工作原理是:根據位置參照系統測得的船位信息與DP傳感器測得的環境信息，經濾波后得到估算值，根據估算值與期望值進行比較和運算，然后經推力器分配模塊計算后發出對各推力器的指令[2]。

動力定位船推進系統負載的動態波動性比較大，在不同的工況下，推進負載差異很大。如風平浪靜的工況下推進負載幾乎沒有變化;在進行動力定位作業工況時，如果海況非常惡劣，則會出現各推進器接近滿負荷工作的情況，并且推進器需要經常變換工作方向，以此來保證鉆井平臺進行精確定位;但同時又要對推進負載進行動態的限制，以保證推進系統不受損壞[3]。

由于推進系統故障對海上作業會造成巨大的損失以及嚴重的后果，所以動力定位船的推進系統要求高安全可靠性、高冗余度及高靈敏度。

2 目前船舶常用的定位方式的特點

目前船舶常用的動力定位方式有艏側推、變矩槳和吊艙式電力推進等，其每一項都有各自的優缺點。比如在艏側推裝置中，機艙布置時，電動機、傳動軸以及螺旋槳中心線要在同一直線上，這對機艙布置極為不利，機艙空間得不到有效利用，傳動裝置慣性大，系統響應時間長，這使得船舶在定位過程中機動性變差。調距槳從設計到加工制造都比普通螺旋槳復雜很多，而且管理麻煩，不易維修。由于槳轂中的轉葉機構零件尤其是運動部件多，可靠性不及定距槳，并且調距槳設計之初的目的并不是進行船舶DP定位的，所以這2種方式不適合用在需要專門的定位系統的鉆井平臺上。另外特別指出，在鉆井平臺上之所以不直接用柴油機帶動螺旋槳進行定位，是因為柴油機的變速性能很差以及管理較麻煩。

第3種吊艙式電力推進方式可以專門用來進行DP定位，并且該方式目前已經在鉆井平臺上得到了廣泛的應用。電力推進方式:電力傳動是由主機帶動發電機發電，然后直接或經變頻器給推進電動機供電，由推進電機帶動推進器旋轉，使船舶運動[4]。本文主要通過對比液壓推進和電力推進的優缺點，進一步探究其用在鉆井平臺上的可行性。

3 電力傳動的優缺點

3.1 電力傳動的優點

首先電力傳動直接由穩定轉速的柴油機帶動發電機發電，因此推進用的電動機不受柴油機最低穩定轉速的限制，最低轉速每分鐘可達0.1轉。另外船舶電力推進系統的功率質量比要比直接推進方式大很多，所以船舶從正車至倒車只要很少的時間，這樣在面對負荷變化較大的船舶時，可有效降低油耗和維修量，降低營運成本。其次電力推進系統可通過增加冗余，減少系統單個故障弱點，增強系統對單個故障的抵抗力，將原來由1臺或2臺推進主機承擔的任務分擔至多臺發電機組。對主機而言，發電用的中、高速機相對大型低速柴油機重量要輕，體積也小，便于機艙布置，同時可有效增加倉儲容量。電力推進采用電纜傳送能量，便于船舶艙室的布局，可最大限度利用船舶有限的空間。最后，在電力推進中采用吊艙推進器，船舶制動距離和回轉半徑將進一步減小，機動性更好，安全性和效率更高[5]。以上這些優點在液壓推進系統中也可表現出來。

3.2 電力傳動的缺點

首先電力推進的效率在低負荷時比較高，在其他情況下比較低，因此電力推進系統只是在某種情況下節省燃油。其次，電動機、發電機和變壓器需要額外大的尺寸，較易發熱并且不易維護;電推系統在運行時一般達不到滿負荷設計點，在此過程中不可避免的會出現諧波問題并且有軸承損壞的現象[6];而且整個裝置的初期投資比較大，總體可靠性也不如直接傳動和液壓傳動。

4 液壓傳動推進系統的優缺點

液壓傳動推進系統是指利用柴油機帶動變量泵，變量泵帶動液壓馬達，然后液壓馬達再帶動螺旋槳旋轉。

4.1 液壓傳動的優點

液壓傳動相比其他的傳動方式最大的優點在于功率質量比較高，因為液壓傳動輸出力較大，所以在當今工業傳動設備中，液壓傳動具有不可替代的地位。在船舶上，將液壓馬達布置在吊艙內，可有效減小吊艙體積，使船體艉部流場更加均勻。如果采用殼轉式油馬達，螺旋槳和油馬達一體化設計，效果更好。因其功率質量比較高，可使船舶由正轉至反轉時間減少，以致系統響應快，船舶機動性更好。液壓系統的零件都是經過精密加工的，并且有良好的潤滑系統，所以運行平穩，振動小，噪聲低，系統隱蔽性較好。同時液壓系統的可靠性較高，所以船舶生命力較強[7]。

4.2 液壓傳動的缺點

液壓傳動與直接傳動和電力傳動相比，其傳動效率比較低。液壓傳動系統對工作液壓油的溫度及工作環境溫度的變化比較敏感，因此如果想要液壓傳動系統發揮良好的工作性能，就要保證液壓系統穩定的工作溫度。雖然液壓傳動系統中液壓油對整個液壓系統都有著良好的潤滑，液壓傳動系統的故障率低，但是液壓傳動系統產生故障的原因較多，一旦液壓傳動系統出現故障，不易及時排除，當液壓系統傳輸距離比較長時會造成時滯變長，控制易出現震蕩。

5 在傳動方面液壓系統與電力系統的對比

從所能達到的最大功率來看，液壓系統遠不如電力傳動系統。但在電力及液壓系統容量分別為2×150 kW時，液壓傳動推進系統的效率僅比電力系統小約5%。液壓傳動最突出的優點是重量輕，慣性小以及由此引出的響應速度快。

5.1 功率質量比大

輸出同樣功率的傳動系統，液壓系統體積小，重量輕，這是因為現有機電元件受到磁性材料飽和作用的限制，單位質量的設備所能輸出的功率比較小，液壓系統可通過提高系統的壓力來提高輸出功率，這時僅受到機械強度和密封技術的限制。在典型情況下，發電機和電動機的功率質量比為165 W/kg左右，而液壓泵和液壓馬達可達1 650 W/kg，是機電元件的10倍。

5.2 控制性能

液壓傳動在組成控制系統時，與電氣控制相配合，可較方便地實現復雜的程序動作和遠程控制。此外，流體傳動還具有傳遞運動均勻平穩，反應速度快，沖擊小，能高速起動、制動和換向，易于實現過載保護等優點。

5.3 成本及制造方面

相同功率的電動馬達的成本比液壓馬達高約21%，整個電力系統的成本比液壓系統高約26%[8]。而且流體控制元件標準化、系列化和通用化程度高，有利于縮短系統的設計、制造周期和降低制造成本。在使用過程中，液壓系統可靠性好，維護費用低，全壽命成本低。

6 智能化液壓傳動技術的影響分析

傳統的液壓馬達和使用配油軸或類似的部件實現馬達的連續單向運轉，而最近出現的液壓馬達取消了機械式的配油軸，以電磁閥取代，電磁閥的開關信號來源于軸的轉角傳感器。這種裝置的優點是簡化了馬達的結構，降低了造價，進一步提高了馬達的功率質量比。通過設計良好的流道，可以改變傳統的配油軸流道復雜，流動損失大的缺點。電磁閥的動作由計算機控制，可以根據不同的工況加以改變，例如當需要馬達換向時，可以迅速改變流向每個缸的流體流向，實現迅速換向剎車。這些優點對以換向迅速為最重要性能的DP定位系統十分重要，可大大提高系統的動態響應速度。

7 結語

DP定位系統目前主要以電力傳動為主，但是液壓傳動技術也具有其獨特的優勢，主要表現為功率質量比大，系統響應速度快，造價低。雖然目前的效率與電動系統相比低3%～5%，但是考慮到整個系統的造價和成本，以及高精度的控制，應當具有很強的競爭力。如果考慮到智能化的液壓馬達和液壓泵技術在近年來的迅速發展，這種競爭力會進一步得到提高。

[1] 何崇德.船舶動力定位系統的應用與實踐[J].中國造船，2004，45(B12):279－299.

[2] 盛利.深水半潛式鉆井平臺動力定位系統的研究[D].廣州:華南理工大學，2011.

[3] 夏俊明.動力定位船推進器過載保護及其功率管理研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2011.

[4] 張永林，王衛東.吊艙式電力推進實驗裝置研制[J].實驗室研究與探索，2010，29(5):33－35.

[5] 林治國.船舶電力推進系統的硬件在回路仿真[D].武漢:武漢理工大學，2011.

[6] 付品森.船舶電力推進原理及系統組成[J].江蘇船舶，2012，29(6):29－33.

[7] 曹國瑞.吊艙式液壓推進系統—艦艇推進新模式探討[J].中國艦船研究，2012，7(2):65－71.

[8] 左建民.液壓與氣壓傳動[M].北京:機械工業出版社，2011.

[9] 李洪波.船舶吊艙式液壓推進系統的設計研究[D].大連:大連海事大學，2012.