海洋工程輔助船動力裝置簡介

摘 要：海洋工程輔助船是集成多種功能的為海洋石油鉆采平臺提供服務的專用船舶。根據不同功能海洋工程輔助船主要分為：平臺供給船（PSV）和操錨供應拖船（AHTS）兩大類，并根據業主不同需求有針對性增加功能性設備如：水下機器人收放、海面溢油回收、直升機起降等。下面進行詳細的分析與總結。

關鍵詞：海洋工程輔助船；動力裝置；研究分析

1 海洋平臺輔助船動力裝置

平臺輔助船動力裝置具有使用工況多負荷變化大等特點，以一條70m總長的AHTS為例其使用工況分為：低速航行、正常航行、拖帶拖航、靠離平臺、對外供給作業、海面溢油回收、對外消防作業：

低速航行，螺旋槳推進所需功率2060kW+輔助設備耗電279.6kW，Total 2339.6kW。

正常航行，螺旋槳推進所需功率4378kW+輔助設備耗電279.6kW，Total 4657.6kW。

拖航拖帶，螺旋槳推進所需功率5150kW+輔助設備耗電426.1kW，Total 5576.1kW。

對外消防，螺旋槳推進所需功率2060kW+機帶消防泵所需功率1626kW+輔助設備耗電265.6kW+艏側推1耗電557.5kW+艏側推2耗電369.6kW+艉側推耗電369.6kW+輔助設備耗電434.5kW，Total 5248.3kW。

靠離平臺，螺旋槳推進所需功率500kW+輔助設備耗電426.1kW+艏側推1耗電557.5kW+艏側推2耗電369.6kW+艉側推耗電369.6kW+輔助設備耗電434.5kW，Total 2231.2kW。

補給作業，螺旋槳推進所需功率500kW+輔助設備耗電426.1kW+艏側推1耗電557.5kW+艏側推2耗電369.6kW+艉側推耗電369.6kW+輔助設備耗電740.9kW，Total 2537.6kW。

溢油回收，螺旋槳推進所需功率500kW+輔助設備耗電379.6kW，Total 879.6kW。

在選型時為滿足拖帶航行動力裝置裝機容量要滿足最大負荷，但在船舶慢速航行工況時，設備負載率會處于較低水平。而動力裝置處于低負荷運行（尤其是柴油機）對系統穩定性及使用壽命都會造成一定的影響，為此海洋工程輔助船舶動力裝置有如下幾種配置。

2 柴油機推進，雙機雙可調槳及軸帶發電機動力裝置

如圖1所示中速或中高速柴油機通過減速齒輪箱驅動可調螺距螺旋槳，并通過減速齒輪箱上的動力輸出分支（PTO，Power Take Off）帶動軸帶發電機組。

可調螺距槳可以在轉速不變的情況下通過調整螺距而改變推力大小使柴油機負荷在較大范圍內變化時轉速保持恒定，進而使軸帶發電機輸出電的頻率及電壓穩定。

在螺旋槳需要發出大推力時，主機的大部分或全部功率都用于船舶推進；而在螺旋槳只需發出較低推力時，主機輸出的功率除少部分用于推進外，其余可用于驅動軸帶發電機為全船其他設備供電。這樣既能保證主機在低推進工況下的負荷水平較理想，同時也可減少柴油發電機組的使用率而降低燃料消耗：

雙推進柴油機+雙減速齒輪箱+雙軸帶發電機+雙CPP槳動力裝置

主機：8L26 2720kW@1000rpmx2sets；軸帶發電機：1000kWx2set

s；發電機組：280ekWx2 sets；軸系及調距槳x2 sets；艏側推：610kWx1 set+400kWx1 set：艉側推：400x1 set。

低速航行：單主機運行負荷86.01%+單軸帶發電機運行負荷27.96%。

正常航行：左舷主機運行負荷90.76%+軸帶發電機運行負荷27.96%。

右舷主機運行負荷80.48%。

拖航拖帶：主機雙機運行用于推進，負荷率為94.67%x2。

發電機組全部運行供電，負荷率為76.09%x2。

對外消防：雙主機運行負荷67.75%x2+雙軸帶發電機運行負荷78.12%x2。

靠離平臺：雙主機運行負荷41.01%x2+雙軸帶發電機運行負荷86.56%x2。

補給作業：雙主機運行負荷40.61%x2+雙軸帶發電機運行負荷85.46%x2。

溢油回收：單主機運行負荷32.34%+單軸帶發電機運行負荷37.96%。

使用軸帶發電機組彌補了主機在低推進負荷時的單機負荷率水平，但在靠離平臺、供給作業和溢油回收工況下仍然較低，只占額定負荷的30%～40%。

3 電力推進，發電機組加全回轉舵槳動力裝置

電力傳動省去了推進軸系不僅節省了機艙艉部空間，同時也解決了軸系扭震引起的振動。電力推進船舶廣泛采用了全回轉推進器，即推進器可實現在與螺旋槳盤面垂直的平面內360°回轉。較典型的電力推進系統配置為：柴油發電機組、變頻器及控制系統、驅動電機和全回轉推進器。

由于艉部安裝有全回轉推進器，當進行動力定位操作需要向船艉及船艉側向同時產生推力時，之前由推進螺旋槳+舵系及艉側推同時運行的效果，現在通過艉部的兩臺或單臺全回轉推進器根據控制系統計算出的合力及合力作用方向按所需角度發出相應推力實現。

同時，由于控制系統可將全船電網所需負荷平均分擔到每臺發電機組上，并可根據每臺發電機組實際分擔的負荷自動對發電機組進行自動啟停、卸荷、并網等操作，確保了每臺機組的負荷率保持在較理想的水平。

4 全回轉舵槳電力推進動力裝置

主發電機組：8M20C 1300ekW@900rpmx5sets；全回轉推進器：2500kWx2 sets；艏部固定側推：610kWx1 set+艏部收放式全回轉側推：400kWx1 set。

低速航行：主發電機組運行負荷89.98%x2；

正常航行：主發電機組運行負荷89.57%x4；

拖航拖帶：主發電機組運行負荷85.79%x5；

對外消防：主發電機組運行負荷94.45%x4；

靠離平臺：主發電機組運行負荷76.28%x2；

補給作業：主發電機組運行負荷88.07%x2；

溢油回收：主發電機組運行負荷67.66%x1；

在各種工況下不僅每臺柴油發電機組的負荷率水平較理想，而且由于船艉用兩臺全回轉推進器取代了推進螺旋槳及艉側推，在靠離平臺和供給作業工況下，船舶所需總負荷均有所降低。

電力推進動力裝置系統需要解決的技術問題在于推進器驅動電機的變速控制。由于海洋工程輔助船電力推進系統中驅動電機的單機功率不很高（基本小于5MW），因此多采用異步（感應）形式的驅動電機。而系統中用于將發電機組輸入船舶電網的固定電壓與頻率按照電機調速要求轉換為可變的電壓與頻率的變頻器，多采用電壓源逆變器的布局形式。電壓源逆變器由整流器、帶穩壓電容器的直流環節及作為核心器件的逆變器裝置組成。直流環節必要時還可配備斬波器以消耗因航速劇變或船舶急停狀態下的螺旋槳自轉慣性力所產生的反饋能量。

5 基于軸帶發電/助動電機的柴-電混合推進動力裝置

柴-電混合動力裝置的一種形式，是在雙柴油機雙軸系調距槳及軸帶發電機動力裝置基礎上，通過可雙向使用的軸帶發電/助推系統實現。此系統中的軸帶發電機既可以由推進柴油機動力分支輸出（PTO）驅動對電網進行供電，同時也可以由船舶電網對其供電作為動力分支輸入（PTI）單獨或與主柴油機合力驅動螺旋槳推進。

6 柴-電混合動力推進裝置（PTI/PTO）

主機：8L26 2720kW@1000rpmx2sets；軸帶發電機（PTI/PTO）：1200kWx2sets；發電機組：900ekWx3 sets；艏側推：610kWx1 set+400kWx1 set 艉側推：400x1 set

低速航行：發電機運行負荷86.65%x3，并驅動軸帶助動電機（PTI）運行負荷85.83%；

正常航行：左舷主機運行負荷90.76%+軸帶發電機（PTO）運行負荷27.96%；

右舷主機運行負荷80.48%；

拖航拖帶：主機雙機運行用于推進，負荷率為94.67%x2；

發電機組運行負荷47.34%x1

（發電機組剩余負荷可用于降低主機負載至燃油經濟點或增大拖航推力）；

靠離平臺：發電機運行負荷82.64%x3，并驅動軸帶助動電機（PTI）運行負荷41.66%；

補給作業：發電機運行負荷93.99%x3，并驅動軸帶助動電機（PTI）運行負荷41.66%；

溢油回收：發電機運行負荷97.73%x1，并驅動軸帶助動電機（PTI）運行負荷41.66%；

對外消防：雙主機運行負荷96.48%x2+雙軸帶發電機運行負荷65.10%x2；

從上可以看出其動力配置與柴油機推進雙機雙槳配置相比較，僅增加了柴油發電機組的裝機容量以及軸帶發電/助動電機的容量和相應控制系統。在低速航行、靠離平臺、供給作業工況下，可只運行柴油發電機組通過控制系統為軸帶發電/助動電機供電驅動螺旋槳推進和為全船電網供電，即電力推進模式；在正常航行及對外消防作業工況時可只運行主推進柴油機、減速齒輪箱及調距槳推進系統，并通過主機PTO驅動軸帶發電機供電，即柴油機推進模式；在拖航拖帶工況下船舶需要達到足夠的系柱拉力，主柴油機運行的同時增開柴油發電機組為設備供電。

基于以上動力裝置形式的Hybrid Shaft Generator技術，使船舶調距槳的推進效率及燃油消耗均有進一步的改善。如上所述在配有軸帶發電機的動力裝置中，為使軸帶發電機輸出的電能可以持續穩定的并入船舶電網為全船供電，主柴油機的轉速需要保持恒定，推進器發出推力大小的控制僅通過改變其螺距實現。而螺旋槳在不同螺距下配以不同的轉速，其推進效率才能達到最佳狀態。另外，通過主機與螺旋槳的聯合曲線也可以看出，在一定范圍內主機轉速不變的情況下，燃油消耗率隨著輸出功率的下降而增加的。

主機在一定負荷下驅動螺旋槳并帶動軸帶發電機運行時，當螺旋槳轉速不變而螺距減小軸帶發電機負荷不變時，主機的油耗率隨輸出功率的減小而增加。只有當主機轉速也隨之減小到相應轉速下，油耗率才會隨之減小，但主機轉速的改變勢必會引起軸帶發電機輸出電能的不穩定而無法并網。

Hybrid Shaft Generator技術即解決了這一問題，該系統可以通過變頻控制裝置在較大范圍內彌補因主機轉速的變化引起的軸帶發電機輸出電能的不穩定。同時當軸帶發電機作為助動電機使用時，還可以將電網的固有頻率轉換為根據螺旋槳螺距達到最佳推進效率所需轉速時的頻率。

作者簡介：黃柏凱（1984-），男，天津人，工作單位：上海中遠船務工程有限公司，職務：設計師，研究方向：船舶及海洋工程。