電力推進系統在半潛式海洋生活平臺上的應用

宋坤

摘 要：雖然近年來我國的海工制造企業增長迅猛，但是油價的不斷下挫導致鉆井船的訂單大大減少，對海工企業的發展提出了很大的挑戰，建造海洋生活平臺成了海工企業的另一條發展路線。文章對電力推進技術獨有的性能優勢進行了分析，并分析了其在特海洋生活平臺中應用，希望能夠增強我國海工制造企業的國際競爭力。

關鍵詞：電力推進系統；半淺式海洋生活平臺；應用

引言

由啟東中遠海工負責建造的半潛式海洋生活服務平臺“高德1號”全長95米，型寬67米，型深35.7米，平臺高度接近60米，采用荷蘭GUSTO MSC公司提供的OCEAN 500船型。平臺最大吃水20米，最大排水量33000噸，配備目前主流的DP3動態定位系統和8點錨泊輔助定位系統等。平臺可供750名船員生活居住，并且還預留240人的生活模塊安裝位置，最多可以容納990人居住。它不僅滿足國際海事組織船舶噪聲級規則和A468（XII）決議，還同時滿足 DNV（挪威船級社）、IMO（國際海事組織）、ILO（國際勞工組織）和UKCS（英國大陸架）的相關標準，以及ABS（美國船級社）和美國海岸警衛隊規范要求，是目前世界同類產品中滿足規范最多、要求最高、設備設施最先進的半潛式海洋生活服務平臺。

1 電力推進系統在海洋生活平臺應用的主要優勢

傳統的海洋生活服務平臺的動力系統和電力系統是相對獨立的2個系統，電力系統一般作為輔助電源，推進用柴油機組直接與帶動螺旋槳的軸系相連，為平臺提供主要推力。電力推進作為目前比較先進的船舶推進方式，它的主要技術優勢主要體現在。

（1）大氣污染小，節約油耗，提高了平臺的環保性能和經濟性能。電力推進系統的核心是公共電站，它能夠根據整個電纜系統中功率的變化控制發電機組的并入和斷開，從而控制單臺發電機組在較高的負荷運轉，提高發電機組的燃油效率。這樣既降低了油耗，也減少了污染物的排放。隨著人們對環境保護的日益重視，建造既節能又環保的平臺已經成為大家的共識。

（2）使生活平臺更加舒適。海洋生活平臺作為移動的“海上賓館”，船東對平臺的舒適性要求很高。如果采用常規的柴油主機推動，在主機加速或者“突增突卸”的時候會產生很大的噪音和振動，這對生活平臺來說是不能容忍的缺陷。而在電力推進系統中，柴油機組只是帶動發電機轉動，并不承受來自螺旋槳的推力，轉速基本也是恒定的，這給現場的安裝帶來很大的便利。例如我們可以將柴油機安裝在彈性塊上，避免硬性連接，也不用刻意加強機組底座的強度，這大大降低了生活平臺的噪音和振動。同時在早期設計時使發電機組遠離結構共振點，減少因推進系統運轉引起共振的可能性。

（3）平臺有較好的操縱性能。推進器由電動機驅動，便于調節電機轉速。推進電動機無論是正轉還是反轉，轉動的扭矩都是不變的，這對配備全回轉推進器的生活平臺來說，無疑增加了操控性能。采用電動機的另一個好處還在于它的調速是“線性”的，能夠使推進器的調速很平順，就像具備“無級調速”功能的汽車那樣。

（4）使海洋平臺更加安全。該海洋平臺配備了6臺發電機，6臺推進器，1-2臺發電機或推進器發生故障，都不會讓全船陷于癱瘓狀態一，至少還能保持低速航行。此外，由于發電機組一直以恒定的轉速運行，不像常規柴油機組那樣經常處于“加速減速，突增突卸”的工況中，故障率比常規系統的柴油機組小，使用壽命也有所延長。

（5）設備布置更加靈活，平臺結構得到很好的優化。在常規系統中，為了減少推進軸的長度，機艙往往需要離推進器很近，每個推進器都很分散，增加了機艙的布置難度，空間也很難得到有效的利用，而在電力推進系統中，機艙和動力設備的布置能得到很大的改善。例如在“高德一號”中，總共布置了3個機艙，3個配電間，6個推進器艙。推進器艙布置在PONTOON（浮筒），機艙和配電間布置在DECK BOX（甲班包），從而避免將發電機組布置在狹小的浮筒里，減少了施工的難度，使空間得到合理的利用。每個機艙和配電間相鄰，減少了電纜敷設的長度，降低了平臺的人工成本和材料成本，平臺的總體布置也得到優化。

2 電力推進系統的主要構成

如圖1所示，電力推進系統的核心設備主要由發電機組、配電屏、變壓器、變頻器、推進電動機、全回轉型推進器等組成。下面將對這些設備進行一一介紹。

2.1 發電機與配電屏

“高德一號”平臺共配備6臺“西門子”6.6kV，4800W/6000kVA的發電機，由6臺“瓦錫蘭”柴油機驅動。加上3組6.6kV的“西門子”高壓配電屏，組成一個高壓配電網，作為整個平臺電力推進系統和其他主要設備的電源。同時還有3組440V的中壓配電屏和230V低壓配電屏確保電力的分配。變壓器、變頻器和推進電機的控制電源都是由他們提供的。推進器專用的變壓器從6.6kV配電屏得到電源后，通過變頻器將電力送到推進電動機，由電動機驅動推進器，從而實現推進系統的動力供給。

2.2 高壓變壓器與變頻器

在“高德一號”項目上，每組高壓配電屏連接2臺6.6/2*2.2kV，4530kVA的變壓器，每臺變壓器再與1臺變頻器（VFD）相連，每組變頻器驅動一臺推進電動機，保證了每臺推進器的獨立性。本平臺采用的西門子公司生產的變頻變壓器和變頻器。變頻變壓器的作用在于能夠為為中高壓變頻器提供多相整流電源。變頻變壓器是經過特殊設計的，能夠與變頻器配合使用，它通過多個不同的移相角二次繞組，可以組成等效相數為9相、12相、18相以及27相等整流變壓器，這主要依據的是延邊三角形移相原理。整流電源通過變頻功率單元組合后可以有效抵消諧波干擾，改善變頻器的輸出波形，它還能夠根據整個電網的情況調節變頻器，保持變頻器和整個電網的電隔離。

在電力推進系統中，還有個核心設備就是推進變頻器。變頻器不僅能改變電壓，還能改變頻率。對于大功率的電動機而言，變頻器是不可忽缺的一個重要設備，它的主要優點在于降低電動機的啟動電流，實現零速零電壓啟動，延長電動機的使用壽命，降低電動機啟動時電網的電壓波動，并且能夠精準的調節轉矩極限，實現電動機的無極調速。變頻調速是電力推進系統的核心，沒有變頻器，采用電力推進的平臺將沒有任何優勢可言。變頻器在運行的時候會產生很大的熱量，一般功率較大的船用變頻器都采用水冷的方式。變頻器內部一般有自帶的冷卻單元，與平臺上專用的推進器外部淡水冷卻水管相連，通過變頻器內的熱交換器，來進行冷卻。變頻器的冷卻水一般采用純凈水，變頻器本身還自帶漏水檢測傳感器，可以避免各種原因導致的漏水。

2.3 推進電動機

推進電動機為推進器提供動力，需要具備可靠性高，功率大，低速時轉矩大，高效節能，可控性好，振動噪聲小的特點。目前推進電機種類很多，可大致分為普通電機和特種電機兩大類。

普通電機主要有直流電動機，交流同步電動機和交流異步電動機。直流電動機由于有換向器和電刷的存在，無法將功率做的很大；交流異步電動機結構簡單，維護方便，效率高，極限容量大，是目前主流的推進電動機；交流同步電機相對于異步電機而言，造價高，維護成本高。“高德一號”采用的就是功率3700KW，轉速720轉/分的三相異步電動機。

特種電機主要分為永磁同步電動機和高溫超導電動機。永磁同步電機相比交流異步電機，效率高，功率因數大，結構簡單，操作方便，但是造價貴，啟動困難；高溫超導電動機體積小、結構緊湊，效率高、噪音小、易維護、操作靈活、單機極限容量大，尤其是在低速時的效率很高，是近年來各國爭相研制的新型推進電動機，具有很好的市場前景。

2.4 吊艙式全回轉推進器

吊艙式全回轉推進器就是將電動機和螺旋槳直接相連，形成一個獨立的結構并懸掛在平臺的底部，且能360度旋轉。這種設計最大的好處是取消了舵機系統和舵機操縱機構，能夠隨意調節推進方向。吊艙式推進器與傳統推進器相比主要優點在于能夠360度旋轉，操縱和機動性好，機構簡單可靠，安裝維護方便，并且不占用較多的艙室容積。目前主要分為外置電機推進器和內置電機推進器。兩者之間最大的區別在于內置電機推進器是將電動機和螺旋槳軸密封在吊艙中，縮短了電動機和螺旋槳的傳動鏈，效率要比外置電機推進器高，結構也更加簡單可靠。內置電機推進器可以采用海水冷卻，省去了冷卻系統并提高了效率。

3 結束語

電力推進技術以其獨有的性能優勢特別適合在海洋生活平臺中應用，然而由于我國海工配套技術的發展相對滯后，很多關鍵設備都被國外廠家壟斷，導致國內的企業利潤很低。如果國內的海工配套企業能夠在中高壓發電機、中高壓配電屏、變頻變壓器、推進變頻器和推進器等電力推進系統的核心設備上取得突破并實現國產化，必將大大降低海工類平臺的建造成本，增強我國海工制造企業的國際競爭力。