15 000 HP海洋油氣增產作業船推進系統設計及動力定位能力分析

盧俊，王小紅，羅敏莉，鄧穎，盧本才

(武昌船舶重工集團有限公司 湖北省海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430063)

15 000 HP海洋油氣增產作業船推進系統設計及動力定位能力分析

盧俊，王小紅，羅敏莉，鄧穎，盧本才

(武昌船舶重工集團有限公司 湖北省海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430063)

針對海洋油井增產船的工作特點及規范相關要求，確定船舶的推進及定位方式，考慮渤海海域的海洋環境條件，進行船舶航行及定位工況下的功率需求計算，并通過仿真手段對船舶定位能力進行驗證，確定本船推進系統的功率配備。

油氣增產作業；電力推進；動力定位

隨著石油勘探開發技術的不斷進步，以酸化壓裂為主要手段的儲層改造技術已經成為開發低滲油氣田、提高單井產量的主體技術，海洋油氣增產船是為實現酸化壓裂等油氣增產作業而設計的專用船舶[1-2]。

11 000 kW(15 000 HP)增產作業船以國際上先進的某型海洋工程船為基礎，結合海洋壓裂作業的功能需求和作業特點而自主設計，配備5臺2500型壓裂泵，總功率11 000 kW，最大排量(清水)12 m3/min，支撐劑混合能力7 m3/min，儲存壓裂液總量約2 000 m3，具備壓裂、酸化、防砂在內的多種增產作業能力，服務于國內渤海灣油井。

為保證船舶作業的安全性和穩定性，高效的動力定位能力是增產作業船應具備的基礎功能，本文對11 000 kW增產作業船的推進系統進行了計算設計，對定位能力進行仿真分析，使得船舶滿足服務海域增產作業的需求。

1 推進方式及定位方式確定

通過對國外已有同類船舶推進系統的分析，發現已有船舶的推進方式均為電力推進。與常規推進方式相比，電力推進具備良好的燃料經濟性、較弱的噪聲及震動、靈活的空間布置、穩定的操控性和機動性，是提升船舶智能化、信息化及自動化程度的基礎。隨著國際海事組織對船舶的能效方面提出新的要求，電力推進系統將成為未來船舶動力發展的方向[3]。基于上述優點，為迎合未來市場需求，確定本船推進系統為全電力推進系統。

船舶在進行增產作業時，需在鉆井平臺附近連續不間斷作業。作業期間，船舶艉部將引出高壓軟管與井口相連，為防止船舶受環境影響與平臺或附近設施發生碰撞，保持船舶艉部與井口的相對位置，船舶需具備精確的定位能力[4]。船舶常用定位方式有錨泊定位與動力定位兩種，考慮到平臺附近布置有復雜的采油或輸油管路，錨泊定位方式不適用于本船，確定本船的定位方式為動力定位[5]。

根據CCS《油井激活劑(增產劑)船指南(2013)》的要求，本船動力定位系統需滿足《鋼質海船入級規范》DP-2要求[6]：“安裝有DP-2動力定位系統的船舶，在出現單個故障(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)后，可在規定的環境條件下，在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向?！睘闈M足規范要求，本船推進系統的配備如圖1所示：艉部設有2臺全回轉舵槳裝置，提高船舶的艉部機動性；機艙設有4臺主發電機組，增強電力系統的供電靈活性；艏部設有2臺管道式側推裝置，保證船舶首向。

3 工況及輔助用電量分析

油氣增產作業船的主要工況分為航行工況及作業工況。定義船舶用電由“推進用電”及“輔助用電”兩部分組成：推進用電包括全回轉舵槳裝置用電和側推裝置用電；輔助用電包括船舶固有輔助設備用電和增產作業設備用電。

不同工況下的電力負荷組成如圖2所示，增產船的輔助用電量主要與主尺度、航速及作業能力有關。通過對相似主尺度及航速的母型船進行電力負荷分析，統計出船舶固有輔助設備用電量約為300 kW；通過對壓裂設備研制廠家進行調研，獲得11 000 kW作業能力的增產設備所需提供的電量約為2 400 kW。

4 最高航速推進功率需求計算

本船以最大航速16 kn進行設計，以母型船模型試驗數據為基礎，進行推進功率需求計算,船舶收到功率曲線見圖3。船舶在16 kn航速下，收到功率為5 608 kW,考慮推進損失，所需推進功率約為5 841 kW。

5 動力定位能力分析

5.1 工作海域環境分析

渤海是中國大陸最大的一個近封閉的內海，三面環陸，受陸地影響較大，加上水深較淺，其天氣氣候特征具有明顯的季節變化。多年氣象資料統計表明，渤海海區年平均6級以上的大風日數在渤海中部一帶為50～60 d，遼東海和萊州灣為60～80 d，渤海海峽一帶約為80～100 d，且最近多年，渤海海區的大風日期明顯減少，渤海海面的月平均風速在5～10 m/s。

渤海特殊的地理位置和渤海海面風的特征決定了渤海波浪分布的基本特征，渤海海域的浪主要以風浪為主，涌浪和近岸浪不明顯，風浪多為3～4級，每年的平均波高為1.0～1.5 m。

渤海流主要為風海流和潮流，其中，渤海風海流流向比較穩定，流速0.10～0.15 m/s，由于海水淺，風海流相對較弱，潮流作用影響更大，潮流的流速相當于平均風海流的10倍左右，最大潮流在0.5～1.5 m/s。

根據渤海灣氣象統計數據可知，該海域的常遇海況不超過4級[7-9](風級5～7級，波高1.25～2.50 m)。本船動力定位能力按照適應4級海況進行設計時，便可保證全年作業需求。

5.2 動力定位推進功率需求計算

在對動力系統進行設計時，需對船舶受到的環境載荷進行計算。本船在實際施工過程中，受到的環境力主要有風、浪、流，均為不規則、不定常載荷，難以精確計算。在設計初期，通過簡化計算模型，引入經驗系數及經驗公式，對風力、波浪力及海流力進行估算。

1)風力計算。將風力作為定常力進行計算，計算公式如下[10]。

Vs=1.2Vo

(1)

Vw=0.6Vo+0.4Vs

(2)

(3)

式中：Vo為平均風速，m/s；Vs為陣風，m/s；Vw為計算風速，m/s；Rw為風阻力，N；εa為無因次風力系數；ρa為空氣質量密度，kg/m3;A為受風投影面積，m2。

2)海流力計算。將流力作為定常力進行計算，計算公式如下。

(4)

(5)

(6)

式中：Vwf為風海流速度，m/s；Vtf為潮流速度，m/s；Vf為海流速度，m/s；Rf為海流阻力，N；εtf為經驗系數；εwf為經驗系數；Atf為濕表面積，m2;Awf為水下投影面積，m2。

3)波浪力計算。根據多年來對實船測試數據的統計分析，波浪力一般占環境載荷的5%～10%，即：

(7)

式中：Rb為波浪力，N。

將上述計算得到的作用力視為定常力，風阻力作用點為船舶側受風面積的形心，海流阻力作用點為船舶水下側面積的形心，波浪力作用點為船舶設計水線的中點，力的作用方向定為對船舶影響最大的受力方向，根據力矩平衡，估算推進裝置的功率需求，以4級海況作為輸入條件，計算結果如表1所示：艏部側推所應具備的總推力約為274.7 kN，查詢相關廠家設備手冊，單臺側推所需輸入功率約為827 kW。

表1 動力定位能力推進功率估算表(4級海況)

5.3 定位能力仿真驗證

以上述計算所得的推進器功率作為輸入條件，結合船舶主尺度及總體性能要求，利用推力利用率包絡線進行定位能力驗證，將在一定范圍內保持船的定位所需的推力與船可提供的最大推力相比較，所得的比值可以作為風向的函數。推力的利用率小于等于100%時，船舶可以實現定位能力。如果比率超過100%，船舶的動力定位能力減弱，船舶位置發生漂移。

船舶推進器正常運行時，船舶推力利用率包絡線見圖4。曲線代表100%推力利用率曲線，曲線內區域比率小于100%，曲線外區域比率大于100%，同心圓曲線表示風速大小，徑向線表示風向，具體數據見表2。在船舶進行全力動力定位時，船舶能滿足的海洋環境載荷為：風速40.9 kn，風向90°，有義波高5.9 m，流速1.5 kn。該海況遠超過4級海況對應的風、浪、流參數，船舶的推進裝置所配備的功率滿足船舶動力定位能力的需求。

環境參數角度/(°)速度/kn力xX/kN力yY/kN力矩N/(kN·m)推力參數推進器利用率/%推力/kN角度/(°)推力xX/kN推力yY/kN力矩N/(kN·m)功率/kW風9040.90-199-1264T11009990 0993276 827浪905.90-121-39T210099900992949827流901.50-79-25T39441415401104-25862692T494413166-40197-23112676匯總0-399-1328039913287022

6 結論

經分析，11 000 kW增產作業船推進系統將設4臺主發電機組，單臺功率約2 100 kW；艏部設2臺側推裝置，單臺最大輸入功率約為827 kW；艉部設2臺全回轉舵槳裝置，單臺最大輸入功率約2 960 kW，設備冗余度滿足DP-2要求，設備能力滿足航速及服務海域4級海況下的動力定位需求，為后期實船詳細設計及建造奠定了基礎。同時，本文仿真計算結果驗證了估算結果的正確性，進而驗證了本文所述的估算方法的有效性，為同類船舶動力定位能力的計算提供了一種前期估算方法。此外，本文估算公式中采用了一定數量的經驗系數來簡化模型，系數的準確性直接影響計算結果，行業人員應在實船運營過程中，對數據進行不斷采集、分析、積累，以校正經驗系數、精確計算結果。

[1] 寧波，關利永，王顯莊，等.海洋油氣增產作業船現狀分析[J].石油機械，2011,39(增刊):121-123.

[2] 江懷友，李治平，盧穎，等.世界海洋油氣酸化壓裂技術現狀與展望[J].中外能源，2009,14(11):45-49.

[3] 鄭安洪.船舶電力推進系統特點及應用分析[J].珠江水運，2014,19:61-63.

[4] 薄玉寶.海上油氣田工程壓裂作業船及裝備配置技術探討[J].海洋石油，2014,34(1):98-102.

[5] 徐志海，羅良.國內首艘海上油田增產作業支持船的研發設計[J].船舶設計通訊，2015,(z1):1-4.

[6] 中國船級社.油井激活劑(增產劑)船指南[S].人民交通出版社，2013.

[7] 王增全.渤海氣象海況環境對客滾船航線的影響及對策研究[D].大連：大連海事大學,2012.

[8] 中華人民共和國國家軍用標準.艦船通用規范GJB4000[S].中國人民解放軍總裝部,2000.

[9] 何進輝，張海彬.動力定位能力分析中的風速和波高關系研究[J].船舶，2012,23(2)：11-16.

[10] 高捷，譚家華.浮式生產儲油輪動力定位功率計算[J].上海交通大學學報,1996,30(10):53-57.

Propulsion System Design and Dynamic Positioning Capability Analysis for 15 000 HP Well Stimulation Vessel

LU Jun, WANG Xiao-hong, LUO Min-li, DENG Ying, LU Ben-cai

(Institute of Marine & Offshore Engineering, Wuchang Shipbuilding Industry Co., Ltd., WuHan 430063, China)

According to the well stimulation vessel’s characteristic and relative rules, the propulsion model, dynamic positioning model and the weather condition of working area were analyzed. The power requirements of the propulsion equipments were calculated, and the simulation analysis method was used to ensure the DP capacity. The power distribution of the propulsion system was confirmed also.

well stimulation; electric propulsion; dynamic positioning

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.032

2016-06-01

工業和信息化部項目(工信部聯裝[2013]419號)

盧俊(1986—)，男，碩士，工程師

U674.38;U664.81

A

1671-7953(2017)02-0135-04

修回日期：2016-06-16

研究方向:輪機工程