混合動力推進系統(tǒng)在深海工作船的應(yīng)用

劉子健 張宇

摘 要：文章主要介紹和分析混合動力推進系統(tǒng)的組成、工作原理、技術(shù)要求和應(yīng)用推廣，并結(jié)合機械推進、電力推進等方式，得出混合動力系統(tǒng)在深海作業(yè)的工作船中的優(yōu)勢和發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：混合動力；深海工作船；推進方式

1 概述

根據(jù)質(zhì)地學(xué)家統(tǒng)計，海洋蘊藏著至少1500億噸石油，并且隨著海上石油勘探技術(shù)不斷發(fā)展，勘探區(qū)域從淺海逐步轉(zhuǎn)入深海。據(jù)統(tǒng)計，海上44%的油氣資源位于500米以上水域，這里海況惡劣，作業(yè)難度和風(fēng)險大，為其服務(wù)的工程船要求更苛刻，尤其是功能和動力系統(tǒng)。目前為深海區(qū)域服務(wù)的多用途工作船推進功率平均為15000馬力，集消防救生、拖帶、守護、供應(yīng)和海洋工程等多種功能于一體，續(xù)航能力強、自動化程度高，確保了海上作業(yè)的高效性、連續(xù)性、安全性。基于以上深海工程船的特點，擁有更好的經(jīng)濟型和環(huán)保型的動力推進系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用于深海作業(yè)工程船舶，以下我們介紹混合動力推進系統(tǒng)在深海工作船上的應(yīng)用，此種推進系統(tǒng)目前較成熟的船舶項目有哈佛845、848和UT786等。

2 船舶推進系統(tǒng)論述

2.1 機械推進系統(tǒng)

機械推進系統(tǒng)是比較傳統(tǒng)的推進方式，由柴油機作為原動機，通過軸系（齒輪箱）驅(qū)動螺旋槳做功。機械推進系統(tǒng)的功率傳遞效率很高，僅有3%的傳遞損失。多種船底形式的齒輪箱也可以避免推進功率不足的問題，目前機械推進系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，設(shè)備成本低，受到大多船東的青睞。然而，多數(shù)深海工作船的特點是大量時間在低負荷下運行，比如裝卸貨、守護等，在低負荷的狀態(tài)下，柴油機無法到達經(jīng)濟運行轉(zhuǎn)速，油耗量會大幅度提高。另外在主機恒速運轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)漿距來控制負荷增減，在槳葉全部合上，推力為零的情況下，柴油機仍有20%的功率消耗用于螺旋槳的機械損失。在低負荷運行時，柴油機燃油消耗會大幅度提高，目前國際油價瞬息萬變，各船舶運營商對此非常關(guān)注，柴油機的燃油消耗如無法長時間在經(jīng)濟轉(zhuǎn)速下運行，油耗問題會影響此類推進方式的選用。另外柴油機運行時氣缸內(nèi)的不充分燃燒會產(chǎn)生CO2、NOx和SOx等污染廢氣，歐盟和美國等組織制定了一些廢氣排放限制的規(guī)定，這就迫使船舶運營商為了無線航區(qū)的行駛，不得不去尋找更經(jīng)濟、更環(huán)保的推進模式。

2.2 電力推進系統(tǒng)

電力推進系統(tǒng)應(yīng)用于深水工程船僅30多年時間。一般由4臺發(fā)電機組驅(qū)動 2臺主推進器和2臺側(cè)向推進器運轉(zhuǎn)。通過變壓器、變頻器為電機提供動力。柴油機在定速模式下驅(qū)動發(fā)電機，PMS根據(jù)負載變化控制投入運行的發(fā)電機組數(shù)量。上個世紀末，電力推進已經(jīng)開始應(yīng)用于深水作業(yè)工作船。變速電機驅(qū)動主推進器和側(cè)向推進器，變壓器和變頻器為船舶電站提供電力。為了降低設(shè)計和建造的難度和成本，主推進器和側(cè)向推進器一般選用定距槳。電站通常4臺以上船用發(fā)電機組和一套電站管理系統(tǒng)（PMS）組成，柴油機在定速模式下驅(qū)動發(fā)電機，PMS根據(jù)運行負載變化自動控制投入運行的發(fā)電機組的數(shù)量。電力推進系統(tǒng)可以通過動態(tài)增減發(fā)電機數(shù)量調(diào)整運行的內(nèi)燃機在最佳工況點附近工作，以達到降低油耗和減少污染的效果。但是在深海工作船高負荷運行時，電力推進的低傳遞效率的缺點就顯露出來了，它的功率損失高達11%，而且電力推進設(shè)備成本很高，很多船東無法接受。

2.3 混合動力推進系統(tǒng)

混合動力推進系統(tǒng)用蓄電池組作為原動力，驅(qū)動螺旋槳啟動，在運行過程中，仍然使用高效率的機械推進。在深水工作船上應(yīng)用可分為以下三種運行模式：機械推進用于連續(xù)高負荷運行工況，功率在80%-100%之間，盡量達到柴油機經(jīng)濟轉(zhuǎn)速，降低油耗以及SOx和NOx的污染，此工況適用于工作船的中速拖航和起拋錨作業(yè)。電力推進用于低負載工況，其擁有良好的燃油經(jīng)濟性如：低速航行和靠近平臺時的動力定位等?；旌蟿恿ν七M用于實現(xiàn)最大系柱拉力的工況，比如惡劣海況的起拋錨和拖航等，首先由柴油機最大負荷驅(qū)動調(diào)距槳，槳葉開啟至最大功率，發(fā)電機驅(qū)動電動機通過齒輪箱軸系加力，使工作船整體的拖拽力達到最大。

3 各推進系統(tǒng)性能對比

機械推進系統(tǒng)適用于工作船的高負荷運行工況，燃油經(jīng)濟性和推進效率比較高，生產(chǎn)廠家多而且產(chǎn)品成熟，故障少，成本較低。但是在低功率工況下運轉(zhuǎn)推進效率低，油耗高，廢氣污染大。電氣推進系統(tǒng)在低負荷運轉(zhuǎn)時推進效率高，而且功率的損失量小。并且可以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整發(fā)電機的工作數(shù)量，保證柴油機的經(jīng)濟轉(zhuǎn)速運行，有效地降低油耗和廢氣排放。但是在高負荷運轉(zhuǎn)時工作效率較低，可以和機械推進系統(tǒng)互補。在建造成本上相比機械推進也比較高?；旌蟿恿ν七M系統(tǒng)中可以在高負荷運轉(zhuǎn)使用機械推進，低負荷運轉(zhuǎn)使用電力推進，提高了燃油經(jīng)濟性的同時也降低了廢氣排放，提高了整個推進系統(tǒng)的工作靈活性。但是整個系統(tǒng)的設(shè)計、安裝、操作的難度比較大，對使用人員的要求比較高。

4 混合動力推進系統(tǒng)的技術(shù)方案創(chuàng)新以及實例分析

4.1 電力/機械推進功率分配合理

工作船在同一作業(yè)時對功率的需求不是恒定的，如起錨作業(yè)時，瞬間拉力上升到150噸，然后再回到低負荷。類似船舶的電動機功率太小，模式的轉(zhuǎn)換也要在零螺距或低負載時完成，操作者直接選擇了機械推進或混合推進模式，這就失去電力推進最根本的意義?；旌蟿恿ν七M系統(tǒng)的工作船可以選擇兩臺4000kW的變頻電機，在機械推進系統(tǒng)工作時，可以完成絕大多數(shù)的作業(yè)，在電力推進系統(tǒng)工作時也都可以完成。因此，深海工作船的操作者可以使用電力推進系統(tǒng)完成所有作業(yè)。這樣既降低了低負荷作業(yè)的成本，也增加了工作船的工作靈活性。

4.2 機槳配合的優(yōu)化

根據(jù)以上三種不同推進方式，螺旋槳可以對應(yīng)柴油機轉(zhuǎn)速設(shè)定不同螺距的數(shù)值，該數(shù)值配合了機槳曲線，保證了螺旋槳的高效運轉(zhuǎn)，同時設(shè)置增速齒輪箱，在推進模式互相轉(zhuǎn)換的過程中，可以減小轉(zhuǎn)移負荷對各設(shè)備的磨損。

4.3 實例分析

根據(jù)上述推進方式的介紹，我們對混合動力推進系統(tǒng)有了一定的了解，下面以哈弗845為例詳細論述混合動力推進系統(tǒng)的技術(shù)方案和特點。哈弗845配置了2臺主柴油機6000kW@720rpm，4臺柴油發(fā)電機組2100kW/臺，690V 60Hz，2臺軸帶發(fā)電機4680kW/臺，690V 60Hz，2臺電動機2600kW/臺，690V 60Hz，2套CPP直徑4600mm最大軸功率為8500kW，1臺艏部全回轉(zhuǎn)推進器1500kW，直徑2050mm，1臺艏側(cè)推1200kW，直徑2450mm，2臺艉側(cè)推，分別為1200kW直徑2050mm和1000kW直徑2050mm。當(dāng)船舶在兩個工作點之間航行時，功率需求比較低，我們采用電力推進，運行一臺主柴油機，帶動本側(cè)的軸帶發(fā)電機給配電板供電，從而帶動電動機運行以此驅(qū)動螺旋槳。大大降低了燃油消耗和廢氣污染。當(dāng)船舶進行起錨或者拖帶作業(yè)時，需要很大的系柱拉力，我們采用混合動力推進，二臺主柴油機同時運轉(zhuǎn)驅(qū)動螺旋槳，發(fā)電機組向配電板供電，帶動電動機給螺旋槳加載，此時螺旋槳的功率可高達17000kW，同時配合全回轉(zhuǎn)推進器，拉力可達到284噸。該船舶可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境來選擇不同的推進形式，降低污染排放和機械磨損，提高燃油經(jīng)濟性和動力模式下的安全性。

5 混合動力推進系統(tǒng)的發(fā)展前景和應(yīng)用推廣

綜上所述，傳統(tǒng)的機械推進系統(tǒng)和電力推進系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足船舶營運者的需求，混合動力推進系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)合了兩者的優(yōu)點規(guī)避了缺點：工作船不同作業(yè)工況，保證推進效率的前提下，提高了燃油經(jīng)濟性又降低了廢氣污染，設(shè)備成本也可以讓船東們所接收。結(jié)合目前深海油氣需求量日益增加的背景，混合動力推進系統(tǒng)在今后的深海工作船中一定能被廣泛應(yīng)用，各船舶營運商也需要培訓(xùn)一批能夠熟練使用混合動力系統(tǒng)的操作者。對于船廠而言，根據(jù)不同作業(yè)的工作船，混合動力推進系統(tǒng)的多樣設(shè)計和安裝也需要進一步的研究和革新。

參考文獻

[1]瓦錫蘭在2009年新加坡海洋工程輔助船技術(shù)論壇中的報告[Z].

[2]ABB在2009年新加坡海洋工程輔助船技術(shù)論壇中的報告[Z].

[3]ABB電力推進技術(shù)[Z].