高性能物探船推進動力系統配置分析

王 波饒廣龍李 銘賈旭東

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011； 2.中海油田服務股份有限公司 天津300000）

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高性能物探船推進動力系統配置分析

王 波1饒廣龍1李 銘2賈旭東2

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011； 2.中海油田服務股份有限公司 天津300000）

［摘 要］文章結合物探船的工作特點,分析比較多種推進動力系統配置。通過對已在發達國家服役的高性能物探船推進動力系統實例進行分析比較以及發展方向的探討，為今后國內設計新型物探船動力系統提供較好的方向和思路。

［關鍵詞］物探船；工況；推進系統；動力配置

饒廣龍（1988-），男，碩士，工程師，研究方向：輪機工程。

李 銘（1974-），男，工程師，研究方向：物探專業。

賈旭東（1972-），男，工程師，研究方向：輪機工程。

引 言

動力系統為船舶提供推進動力及為船上各種輔助設備提供電力。動力系統的設計對物探船的技術性能和造價具有重要的影響。本文結合物探船的工作特點，分析比較多種推進動力系統配置，為今后物探船的設計工作提供參考。

1　物探船的工作特點

物探船最主要類型是地震船，它利用地震勘探技術從事調查作業。作業時尾部拖帶擴展器、槍陣、電纜等水下設備，通過震源空壓機供氣、槍陣放炮、水下電纜回收震源波獲取地質資料信息。其主要運行工況為物探作業和航行工況，具有以下工作特點［1］：

（1）航速。從出發港到作業海區或在作業海區之間調遣時，要求航速約為15 kn，功率主要用于船舶推進；物探作業時，航速約為5 kn，拖帶水下電纜、炮纜和驅動大型物探空壓機的功率占主導。

（2）拖力。即有效推力與船舶總阻力之差。一般認為，拖力隨航速增大而減少，當航速為零時，拖鉤牽引力達到最大值，即等于系柱拖力；當拖鉤牽引力為零時，有效推力等于船舶總阻力，船舶處于自由航行狀態。物探船在最大拖航采集作業工況下，需達到要求的最大拖力。此時，作業船尾部拖帶多根電纜和槍陣作直線航行，作業水域較寬闊，航區內應沒有障礙物，保持正確的航向及5 kn穩定航速。如航速太快，拖帶的電纜張力超限，容易將電纜拉斷。

（3）工況多變。物探作業時，拖帶的電纜數量和長度以及其與之相匹配的槍陣排數、震源容量會不相同。一艘12纜物探船，最大拖帶12根電纜，根據不同工作水域海況特性，它有時僅拖8纜、6纜不等。即需要的拖帶功率范圍變化大，震源空壓機的電動機功率的大小也隨之變化。

（4）水下噪聲。水下噪聲對物探船數據采集準確性至關重要，任何船舶行進中的干擾都會使震波勘探數據處理復雜化。船舶拖帶航行水下噪聲指標需滿足物探采集作業要求。

（5）推進冗余。多纜物探船拖帶電纜根數多，主推進一旦失去動力后，航速即刻下降，導致昂貴的勘探拖帶電纜下沉海底并纏繞，從而造成嚴重經濟損失。主推進需要有一定的冗余，確保船上的任何故障不會導致超出50%前行動力的損失。這對保持5 kn航速，保護高成本的氣槍和拖纜是及其重要的。所以，物探船多采用雙軸、雙槳推進，其首部大多配備有可伸縮槳作為輔助推進裝置。

（6）工作機械負荷大。有用于物探的多臺液壓拖帶設備：大型炮纜絞車、大型電纜絞車、擴展器牽引絞車等，液壓動力泵站的功率較大。配備有多臺震源空壓機，震源空壓機一般為較大功率電機驅動。屬于具有大功率工作機械負荷的船舶。

物探船動力系統配置需滿足上述工作特點。由于其主要設備在不同工況時所要求功率不一樣，這就要求動力系統設計必須合理兼顧各種不同的工況，分析船上輔助設備和物探專用設備的使用情況，配置既能滿足物探等大功率需求的電站，又能在自由航行、作業準備及停泊等低負荷工況時保證機組的使用處于合理的負荷狀態，避免某一工況下柴油機負荷過低。

圖1　物探船工作狀態概覽

2　物探船動力系統配置型式

高性能深水物探船由于其船型、布置等不同，動力系統的配置型式也不同。為滿足航行和物探作業兩種主要工況的要求，它的槳一般采用帶導管調距槳，主機采用不可逆轉調速柴油機。國內外同類型船通常選用以下幾種推進系統。

2.1機械推進驅動方式

柴油機通過齒輪箱驅動調距槳和軸帶發電機，軸發恒頻恒速向電網供電。可調速主機帶軸發時，工作在恒速模式下，螺旋槳推力大小及方向通過調距槳角度調節實現；不帶軸發工作時，主機可調速。

2.2混合驅動方式

柴油機、電力混合動力裝置。柴油機通過齒輪箱驅動調距槳和軸帶電機，軸帶電機PTO輸出時作為發電機，PTI輸入時作為電動機驅動螺旋槳。軸發PTO輸出恒頻恒速向電網供電， PTI輸入時，可采用恒頻恒速，也可變頻變速，據項目的具體情況及要求。其中，混合驅動方式可細分為以下4種工況［2］：

（1）主柴油機功率全部用于驅動螺旋槳，軸帶電機不帶負荷。

（2）主柴油機驅動螺旋槳和軸帶電機，軸帶電機作為發電機，進行發電運行，把電能回饋給電網。

（3）螺旋槳由主柴油機與軸帶電機共同帶動；軸帶電機作為電動機，電站將富裕功率用于驅動螺旋槳。

（4）螺旋槳由軸帶電機帶動（此時主柴油機與螺旋槳脫開），進行低速航行；軸帶電機作為電動機由電網電能驅動。

2.3全電力推進方式

推進電動機通過齒輪箱驅動螺旋槳。柴油機發電機組將機械能轉化為電能。螺旋槳專由推進電動機帶動。主發電機組除供電給推進電動機外，還通過船舶電網給全船其他設備供電。

各種推進方式有不同的特點，適合不同船型和配置的船舶。由于物探船的功率范圍跨度大、工況多，柴油機通過齒輪箱僅驅動調距槳配置，低負荷時柴油機的效率低，新建造的大型物探船上已被上述三種驅動方式取代。

3　機械推進驅動方式

物探船作業工況時，航速低、拖力大，此時主機負荷最大；在正常航行及其他工況時，主機負荷并不大。船用軸帶發電機充分利用船舶主推進裝置的軸上冗余功率驅動軸帶發電機發電，使船舶主機既能在最佳工況運行，又能同時帶動軸帶發電機發電以滿足船舶正常航行的電力需要，從而提供船舶整體運行的經濟性。

另外，大功率的工作機械震源空壓機在作業工況時也需工作。過去建造的一些物探船上，每臺震源空壓機由各自的柴油機直接驅動，將會導致震源空壓機間溫度高，易發生火災；震源空壓機排氣管從物探設備甲板上穿出布置也十分困難。隨著國際防污染公約排放控制要求的提高，每臺震源空壓機的柴油機排氣需裝后處理裝置，布置更加困難。震源空壓機由電機驅動越來越多，震源空壓機若采用變頻電機驅動，機艙內除需布置主推進柴油機外，還需布置大功率的柴油發電機組供震源空壓機的用電。這樣，可節約運行費用及改善機艙管理運行條件的軸帶發電裝置以其特有的優越性被引入。

3.1帶軸發實例及分析

為滿足物探船工況多變的要求，多種形式的齒輪箱、調距槳和軸發組成各種形式的推進器。就單根軸系而言，有單機單槳帶軸發（1臺主機帶槳和軸發）、雙機單槳帶軸發（2臺主機帶槳和軸發），可帶1臺軸發，也可帶2臺軸發。軸發可帶在齒輪箱的主動端，也可帶在從動端。

通過推進齒輪箱驅動的PTO有兩種傳動方式：（1）初級傳動PPTO（Primary-PTO）

螺旋槳與主機分離時，軸發仍然被驅動。對無離合器的齒輪箱，PTO也被認為是初級傳動，軸發帶在齒輪箱離合器的驅動端。

（2）次級傳動SPTO（Secondary-PTO）

如螺旋槳脫開，軸發也同時脫開，軸發帶在齒輪箱離合器的輸出端。

圖2　初級傳動模式和次級傳動模式

采用什么驅動方式來帶軸發，應根據各個船的需要。如果軸帶電機作為發電機和電動機雙重用途，它就應作為次級傳動，當主機出現故障，離合器脫開時，電動機可驅動螺旋槳軸，將船舶駛回港。

3.2雙機單槳帶軸發分析

四機雙齒輪箱雙軸系驅動調距槳推進方式，即兩組雙機單槳帶軸發配置，在物探船舶上應用較多。每兩臺柴油機飛輪端分別通過高彈性聯軸節，將功率輸入一臺多功能齒輪箱（配內置式離合器、推力軸和推力軸承），再經軸系與調距槳聯接。可一臺主機工作也可兩臺主機同時工作。軸帶發電機帶在齒輪箱的輸入端，為初級傳動PTO。驅動軸帶發電機功率軸上不設離合器。齒輪箱主推部分的兩臺主離合器控制每臺主機與推進軸系的結合或脫開。

帶雙臺軸發的圖3為初級傳動（PPTO）模式，即離合器不合排時，兩側主機均可帶軸發，作為單獨的發電機組。

圖3　初級傳動（PPTO）模式

它可以有多種工況：

（1）左主機帶左軸發，右主機帶槳、右軸發跟轉（右離合器合排）。

（2）右主機帶右軸發，左主機帶槳、左軸發跟轉（左離合器合排）。

（3）左主機帶左軸發，右主機不工作。

（4）右主機帶右軸發，左主機不工作。

（5）左、右主機同時工作（左、右離合器合排），帶兩臺軸發和槳。

這種配置靈活多變，且基于以下考慮：由于“一拖二”主機帶調距槳和軸發的驅動方式，在船舶低航速時，螺旋槳的轉速并不能降下來，因為軸發轉速必須恒定。為把船速降下來，只有調整螺旋槳的螺距。螺距降低，轉速并沒降，槳轂對水擾動很大。對于調距槳在零螺距時需消耗主機12%～15%，有些調距槳轂設計大的甚至達到20%。而定距槳是主機直接帶螺旋槳，槳的轉速隨主機轉速可調。它在沒有推進的情況下，槳轉速為0，不消耗功率。所以，同一航速下，船舶在低航速段調距槳所需要的推進功率比定距槳多，其效率比定距槳低。船速在高速段兩者比較接近（見圖4），四機雙槳的推進，船航速低時，將用于推進的主機和帶軸發的主機通過齒輪分開，帶軸發側主機離合器不合排，與主推進部分脫離，恒轉速運行，作為發電機組用。推進主機側離合器合排可調速，靠調節主機轉速，改變船舶航速，調距槳可當定距槳用。在船舶低航速時，螺旋槳的轉速也可以降低，槳轂對水擾動小，是提高效率的很好方法。所以，現在這種多工況的船舶，通過改變齒輪箱的設計，使船舶在各種工況下都能高效率運行。

圖4　調距槳/定距槳船的航速與槳消耗的功率對比曲線

以上這種雙機單槳帶軸發的形式對于多種工況的船舶是非常靈活的，一艘雙軸系的船共有4臺推進主機，它通過不同的組合，2臺、3臺或者4臺主機工作，每臺柴油機都能在最佳工況下運行，燃油耗率低。功率選擇范圍大，在任何時候都能達到功率最佳配置，平均效率高。而且系統的安全裕度高，提高了船舶作業的安全性，增強了船舶生命力。

下頁表1中列舉了幾個典型的機械推進實例。不同的配置形式及功率的大小是根據船舶在各種工況下所需主推功率和電站功率的大小，進行計算、分析比較獲得。

表1　帶軸發驅動方式實例

4　全電力驅動推進

4.1全電力驅動推進分析

全電力驅動的推進形式是近十年發展起來并被得到廣泛應用的一種推進形式。它是一種由柴油發電機組及配電設備組成電力系統，并通過電動機驅動推進器的推進方式。

電力推進方式的設計理念主要是考慮船舶運營過程中使用大功率電負載的情況較多，且不同時使用。通過不同工況下的電力需求調整在網運行的發電機數量，從而使每臺柴油機都能在最佳工況，最低油耗下運行，達到很好的經濟效率。

船舶綜合電力系統就是將船舶電力系統和船舶電力推進系統兩者有機地組合在一起，把動力機械能源轉換的電力，通過電站功率管理系統提供給推進設備和船上的其他設備使用，使船舶日用供電和推進供電一體化，實現全船電力的綜合利用和統一管理，減少船舶的裝機容量，并且在運營過程中柴油機的起停實現自動化［3-4］。尤其對于工況多變的物探船的震源空壓機，液壓拖帶設備需要大量電能，可與電力推進裝置一起從主發電機組獲得電能。因此，裝船動力的綜合利用方面更具優越性。

4.2常規電力推進實例

下頁表2中的“Geo Caribbean”船以及“Polar Adira”船都是雙軸系船舶，“Polar Adira”船是2臺電動機通過齒輪箱驅動1根推進軸系。“Ramform Titan-class”為三推進軸系船。下頁圖5為挪威PGS公司自主設計的Ramform系列第五代寬船尾Ramform W系列，船寬70 m，由日本三菱重工建造，可容納24～26纜。

表2　電力推進實例

圖5　Ramform W

5　柴油機、電力混合驅動

該類型的動力配置為每臺主柴油機飛輪端通過1個高彈性聯軸節和1臺內置摩擦離合器的推進齒輪箱驅動1套可調螺距螺旋槳裝置。推進齒輪箱的輸出端設有1個動力輸出輸入軸（PTO/PTI），通過高彈性聯軸節驅動軸帶電機運行。通常，軸帶電機工作在PTO模式，即作為發電機使用。當電站功率富裕或者推進柴油機出現故障，無法正常運行時，軸帶電機工作在PTI模式，作為電動機用，從電網供電作為推進助力［5］。

PTO/PTI的推進方式，基于傳統的軸帶電機系統，無需更多的投入，成本低，附加設備少，操作方便，卻較大程度地提高了船舶作業的安全性，增強了船舶生命力，可實現不同作業要求時的多種操縱模式，是非常安全靈活、具有盈余的系統。

下頁圖6為Rolls—Royce UT830WP項目混合推進動力系統配置圖。具體配置及運行工況如下：

（1）配置情況。主柴油發電機2×2 430 kW；推進柴油機 2×4 500 kW；軸帶電機（恒頻恒速） 2臺，PTO輸出功率2 400 kW，PTI輸入功率2 000 kW；輔機1×900 kW。

（2）運行工況。該船分為航行工況、作業工況Ⅰ、作業工況Ⅱ和電推工況。

5.1航行工況 （軸發模式）

2臺主機功率供主推進軸系和軸帶發電機。2臺軸帶發電機供全船用電。1臺輔發作為全船供電的備用機。2臺主發不工作。

5.2作業工況Ⅰ

2臺主機功率供主推進軸系和軸帶發電機。2臺軸帶發電機供全船用電。1臺輔發作為全船供電的備用機。2臺主發不工作。

圖6　Rolls-Royce UT830WP 配置圖

5.3作業工況Ⅱ

2臺主機功率供主推進軸系，螺旋槳螺距和轉速可調。軸帶發電機不工作。1臺主發電機和1臺輔發電機供全船用電。另1臺主發電機作為全船供電的備用機。

5.4電推工況（柴電模式）

2臺主發電機和1臺輔發電機工作向軸帶電機及主配電板供電。軸帶電機PTI輸入帶2個螺旋槳。該工況下的所有用電負載均由主、輔發電機提供。2臺主機不工作。

6　物探船典型應用分析

6.1帶導管調距槳在物探船上的應用分析

物探船最主要的兩個工況為物探作業和自由航行工況。在各種拖力變化前提下的拖航采集作業工況，和非作業時段的海區間遷移往返工況兩者之間，應選擇拖航采集作業工況作為物探船螺旋槳參數的設計點，即應將提供足夠大的拖纜力，與水下噪聲指標控制在物探采集作業允許的范圍作為首要考慮。同時，在拖纜需要的推進功率范圍內，盡量使船舶達到較大的航速。帶導管調距槳能更好滿足這種變負荷、大拖力工況的要求。雖然調距槳與定距槳相比，由于調距裝置復雜，轂徑比較大，螺旋槳效率略低3%～4%，但優點在于：

（1）與拖航工況的重負荷匹配時，按照預先設計的螺距比，既可使拖力達到最大，又可使噪聲指標控制在采集作業允許的范圍。

（2）在非拖航工況時，通過加大螺距（噪聲有較大的增加）， 將與拖航工況相當的功率充分發揮，達到最大航速。

（3）安裝導流罩可提高船舶推力的原理是：由于水流過導流罩前、后的速度變化而引起的壓力差作用在導流罩上產生一定的推力。在船舶航行速度很高時，由于對水流的擾動過大，它所產生的阻力會大于增加的推力，所以對于航速要求高的船舶一般不會安裝導流罩。物探船航速并不高約為15 kn。為螺旋槳安裝導流罩，合理的匹配螺旋槳和導流罩的設計，增加導流罩內水的流速。在相同的主機功率下，可增加5%～10%的船舶推力。在5 kn拖帶航速下，拖力提高更多。

6.2動力定位在物探船上的應用分析

國內建造的物探船一般未配動力定位系統。作業時，用導航儀定位，船在航行途中受潮汐、水流影響經常會偏離既定航向，需要操縱人員隨時觀察進行船位修正。通過查詢國外相關資料，挪威Polarcus Limitd大型物探公司， 2012年建造的2艘14纜物探船Adira和Amani以及2010年建造的2 艘12纜物探船Asima和Alima均配有DPⅡ，4艘船均由Ulslein設計。另外，“Polarcus Marquis”輪2000年首制是作為多用途工作船，后于2014年改裝成16纜物探船同樣具備DPⅡ動力定位系統。我們分析，物探船的推進設備常規配置已基本具備動力定位能力，僅增加1套動力定位電氣系統和各推進設備之間的接口即可實現。物探船具備動力定位系統后，船舶可自動修正船位，按預定航線航行，減輕操縱人員工作強度，同時，其功能可進一步擴展，并作為布纜船、平臺供應船。動力定位系統在物探船上獲得越來越廣泛應用，應引起重視和注意。

6.3軸系驅動方式在電推物探船的應用分析

電力推進根據與槳軸的組合形式，可分常規電力推進、吊艙式推進和Z推等；從查找的物探船資料來看，電推的物探船沒有使用吊艙式推進和Z推，一般采用常規帶軸系螺旋槳的電力推進系統。

分析主要原因是物探船對于船舶的水下噪聲要求高，吊艙式推進和Z推在其水下噪聲、振動性能方面不及常規軸系推進。吊艙式推進的推進電機在水下，電機的水下噪聲會影響物探船回收震源波的精確度，而且常規軸系系統結構簡單、技術成熟，在價格方面更具有明顯優勢。

6.4水下噪聲、最大拖力、航行航速間的平衡

船舶拖帶航行時，水下噪聲對物探船數據采集至關重要。水下噪聲過大，影響采集數據的精度，無法進行分析，從中得到海底地質情況。

DNV2014規范中對于其水下噪聲測量條件、試驗方法、最大噪聲等級都有相關要求。

船舶發出的水中噪聲量級應在設計拖帶工況、100%MCR（螺旋槳功率）、航速為5 kn時測量［6］。

最大噪聲等級：

（1）在1/3倍頻程段，頻率范圍3～250 Hz：168 dB re.1 μPa/m（噪聲等級測定是參考聲壓1 μPa，離聲源距離1 m條件下測得）。

（2）在頻率范圍3～300 Hz：175 dB re.1 μPa/m。

當螺旋槳推進功率和噪聲指標一定時，將噪聲值控制在較小范圍內，盡量采用較小螺距、較大直徑，減小螺旋槳噪聲。換言之，如果要滿足對于噪聲的控制指標，當直徑一定時，對應的螺距也就受到了限制，不能僅靠無限制加大螺距來獲得拖力；而當螺距、直徑同時受到限制時，拖力就可能不一定滿足需要。因此，推進功率、螺旋槳直徑、螺距三者之間要同時達到一種平衡，才能滿足最大拖纜采集作業工況的需要（實際螺旋槳設計過程，往往在經驗與計算的基礎上，通過水池試驗最終修定相關的參數）。

控制噪聲的其他方法還有：在直徑一定時增加螺旋槳的葉片數，如四葉改為五葉；螺旋槳的局部形狀修正，如對葉梢部位的修正、對于槳葉厚度的修正；采用阻尼材料的螺旋槳，或者是阻尼涂料的螺旋槳等。

7　結 論

物探船的動力配置無論是機械推進、混合推進還是電力推進，各有其優勢和不足。動力配置的選擇需根據項目的技術形態要求、技術適宜性、初始投資、運營成本（包括設備的維護保養、燃油費以及人員成本等）以及作業可靠性、維護方便性等方面綜合考慮，以達到最大經濟節能效益。

［參考文獻］

［1］ 葉錦文，金余.高性能物探船的設計和建造［C］.第七屆長三角地區船舶工業發展論壇論文集.上海：浙江省科學技術協會，2011.

［2］ 胡堅.大功率海工輔助船混合推進裝置應用技術研究［J］.船舶與海洋工程，2014（3）：35-37.

［3］ 張元瑋，王良秀，王碩豐，等.海洋工程船舶綜合電力推進系統關鍵技術分析［J］.船舶工程，2014（3）：75-80.

［4］ 吳剛.電力推進科考船總體設計要點綜述［J］.船舶與海洋工程，2013（3）：1-5.

［5］ 鄭文軍，聶延生.勞斯萊斯軸帶電機的應用及其優越性［J］.船電技術，2013（1）：53-57.

［6］ DNV. Rules for Classification of Ships， Silent Class Notation ［S］. 2015.

Collocation of propulsion power system for high-performance seismic vessel

WANG Bo1RAO Guang-long1LI Ming2JIA Xu-dong2
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. China Oilfi eld Services Limited, Tianjin 300000, China)

Abstract:The design of a propulsion power system has great influence on the technical performance and cost of seismic vessels. Various propulsion power systems are analyzed and compared, combined with the working characteristics of seismic vessels. It analyzes and compares the propulsion power systems of high-performance seismic vessel operated in the developed countries, and discusses the development trends. It can provide the better directions and concepts for the future design of the propulsion system on the new seismic vessel.

Keywords:seismic vessel; working condition; propulsion system; power collocation

［中圖分類號］U664.1

［文獻標志碼］A

［文章編號］1001-9855（2016）02-0058-08

［收稿日期］2016-01-29；［修回日期］2016-03-08

［作者簡介］王 波（1960-），女，高級工程師，研究方向：輪機工程。