9 600 HP海洋油氣增產作業船柴電混合推進系統設計

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(1.武船船舶重工集團有限公司,武漢 430064；2.湖北省海洋工程裝研究院有限公司，武漢 430064)

9 600 HP海洋油氣增產作業船柴電混合推進系統設計

鄧穎1,2，王小紅1,2，劉波1,2，盧俊1,2，黃羅朋1,2，秦江平1,2

(1.武船船舶重工集團有限公司,武漢 430064；2.湖北省海洋工程裝研究院有限公司，武漢 430064)

針對海洋油氣增產作業船的作業特點和波斯灣海域的環境條件，采用柴電混合推進系統，分析系統組成和工作模式。通過利用其軸帶發電和一機雙槳的多種工作模式相結合的方式，提高海洋油氣增產作業船作業時的靈活性和經濟性。動力定位能力仿真分析表明，該柴電混合推進系統能滿足船舶作業需求。

海洋油氣增產；柴電混合推進系統；軸帶發電模式；一機雙槳模式；動力定位；經濟性

隨著石油勘探開發技術的不斷進步，開發低滲油氣田，提高油氣開采產量已經成為海洋石油開采新的發展方向，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]。

9 600 HP(7 100 kW)海洋油氣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。配備了4臺2 250 HP和1臺600 HP的壓裂泵，總功率為9 600 HP，作業于波斯灣海域。根據波斯灣海域的特點，綜合船舶作業的操作性和經濟性，對9 600 HP海洋油氣增產作業船的推進系統進行設計應用分析，使得本船在安全作業的同時提高使用的經濟性。

1 環境條件分析

本船服務于波斯灣海域，該海域是世界上水溫較高的海域之一，屬于亞熱帶氣候，終年盛行西北風，風力變化無常，年平均風力達到5～6級，冬季風力超過7級大風頻率達到10%，夏季風力超過7級大風頻率達到20%，秋季有龍卷風，冬季多云霧，規律性不強。這表明，酸化壓裂作業船不僅僅要滿足年平均風力5到6級的環境需求，還需要滿足7級風的需求。因此需要選擇一種合適的推進方式，在滿足環境條件的前提下提高船舶使用的經濟性。

2 柴電混合推進系統動力配置

結合作業環境，充分考慮船舶操作的經濟性，本船采用柴電混合動力系統，在原有軸系推進的基礎上，通過引入可逆軸帶電機(PTO/PTI)來實現柴電混合推進的目的，見圖1，圖中深色部分為較傳統軸系推進增加的部分。

圖1 柴電混合推進示意圖

本船以最大航速12 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。

在航速為12 kn時，收到功率為3 200 kW，考慮到推進損失，本船選用2臺1 825 kW的主機，主機通過齒輪箱與艉部全回轉和可逆軸帶電機相連，可逆軸帶電機發電功率為1 500 kW，電動機功率為450 kW。為了提高本船的操縱性，艏部采用2臺827 kW的艏側推。在環境較惡劣時，可逆軸帶電機做發電機工作；在環境條件較好時，開啟1臺主機帶動螺旋漿和軸帶電機(PTO)運行，并且驅動另外1臺軸系的軸帶電機(PTI)，實現1機帶2槳；實現動力系統能量的充分合理利用。

2.1 軸帶發電模式(PTO)

如圖2所示，當環境條件較惡劣時，2臺主機同時工作，驅動2臺全回轉舵槳及軸帶電機。

圖2 軸帶發電模式示意

軸帶電機做PTO為艏部側推及全船其他負載供電，其中2臺艏側推功率為800 kW。全船其他負載約500 kW，由輔助柴油發電機供電。主機通過軸系帶動全回轉舵槳，2臺舵槳功率800 kW，此時，2臺主機均工作在經濟運行點。

2.2 一機雙槳模式

見圖3，環境條件較好時，僅開啟1臺主機，驅動本軸系螺旋槳和軸帶電機，該軸帶電機做PTO。另外1臺軸帶電機做PTI，驅動艉部全回轉舵槳。

圖3 一機雙槳模式示意

此時，作為PTO的軸帶電機給另外1臺作為PTI的軸帶電機及艏部側推供電，艏部側推功率為500 kW。全船其他負載約500 kW，由輔助柴油發電機供電。艉部2臺全回轉功率為350 kW，此時單臺主機工作在90%的MCR，主機能力得到了充分利用。

3 船舶定位能力仿真計算

船舶在進行增產作業期間，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[3]。本船推進系統配置如圖4所示：艉部設有2臺全回轉舵槳推進器，艏部設有2臺管道式側推裝置。

圖4 推進系統配置示意

在船舶2種工作模式下，對其動力定位能力進行仿真分析。

3.1 軸帶發電機模式(PTO)

該模式下2臺主機通過齒輪箱帶動艉部全回轉和可逆軸帶電機工作，軸帶電機為軸帶發電機為艏部側推提供電源。壓裂作業時，艉部2臺全回轉及2臺艏側推共同作用進行DP定位，且艉部全回轉及艏側推可用功率均為800 kW，仿真分析其動力定位能力,見圖5。

圖5 軸帶發電機模式動力定位能力

圖中徑向極坐標表示風向，同心圓表示風速，按照船級社規范規定的流速為北海[4]1.5 kn情況下生成該包絡線，表示所有推進器處于最優工作狀況下，推力綜合作用時船舶具有動力定位能力的臨界線。當某一風向的風速在該臨界線內時，船舶具備動力定位能力；當其風速超過該包絡線時，船舶將失去動力定位能力。

這種模式下船舶作業時，軸帶發電模式下定位能力仿真結果見表1。

表1 軸帶發電模式下定位能力仿真結果

可適應的海況為：風向90°時，風速42.9 kn，有義波高6.2 m，流速1.5 kn，完全能夠滿足波斯灣海域7級風對應的環境參數，船舶具有較強的動力定位能力。

3.2 一機雙槳工作模式

該模式下僅開啟1臺主機通過齒輪箱驅動本側的全回轉和可逆軸帶電機，該可逆軸帶電機做PTO，另外一側的可逆軸帶電機做PTI。壓裂作業時，艉部全回轉推進器和艏側推共同作用進行動力定位。此時，艉部全回轉推進器可用功率為350 kW，艏側推可用功率為500 kW，經過仿真計算，其動力定位能力見表2和圖6。

表2 一機雙槳模式下仿真結果

圖6 一機雙槳模式動力定位能力

由表2和圖6可以看出，此模式下船舶作業時可適應的海況為：風向90°時，風速34.1 kn，有義波高6.1 m，流速1.5 kn；完全能夠滿足波斯灣海域5～6級風對應的環境參數，船舶推進系統配置滿足船舶動力定位能力的要求。

4 柴電混合推進系統經濟性分析

假定本船在進行海洋作業時，單次作業時間為10 h，分別計算2種模式下的油耗。

4.1 軸帶發電機模式

當船舶工作在該模式下時，開啟2臺主機，驅動艏側推及艉部全回轉且其每臺功率為800 kW，考慮齒輪箱及軸系傳遞效率，每臺柴油機輸出功率為1 758 kW。同時，全船其他負荷500 kW，開啟2臺柴油發電機組，每臺300 kW，其作業時間內的油耗見表3。

4.2 一機雙槳模式

當船舶工作在該模式下時，開啟1臺主機，驅動本軸系軸帶電機做PTO給另外1臺軸帶電機PTI及艏側推，其中艉部全回轉舵槳工作功率為350 kW，艏側推工作功率為500 kW，考慮齒輪箱及軸系傳遞效率，柴油機輸出功率1 773 kW。同時，全船其他負荷500 kW，開啟2臺柴油發電機組，每臺300 kW，作業時間內的油耗見表4。

表3 軸帶發電機模式油耗

表4 一機雙槳模式油耗

可見，由于柴電混合推進系統較常規柴油機推進系統而言還具備一機雙槳的工作模式，通過2種模式的合理使用，海洋油氣增產作業時其油耗可得到有效控制，可大大提高作業的經濟性。

[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] 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.

[4] 中國船級社.鋼制海船入級規范[S].北京：人民交通出版社，2015.

Design of Diesel-electric Propulsion System for the 9 600 HP Well Stimulation Vessel

DENGYing1,2,WANGXiao-hong1,2,LIUBo1,2,LUJun1,2,HUANGLuo-peng1,2,QINJiang-ping1,2

(1.Wuchang Shipbuilding Industry Co. Ltd., Wuhan 430064, China;2.Chinese Institute of Marine & Offshore Engineering (HB) Co.,Ltd., Wuhan 430063, China)

According to the well stimulation vessel’s characteristic and the environment condition of the Persian gulf, the shaft with diesel-electric propulsion system was introduced and the system configuration and operation modes were analyzed. By using the shaft generator and two screw of one engine mode, the flexibility and the economy of the well stimulation vessel can be increased. The capability simulation results of DP positioning showed that the shaft with diesel-electric propulsion system can meet the requirement of operation.

well stimulation; shaft with diesel-electric propulsion; shaft generator mode; two screw of one engine mode; dynamic positioning; economy

U664.142

A

1671-7953(2017)06-0098-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.022

2017-01-10

2017-02-22

工業和信息化部項目(工信部聯裝【2013】419號)

鄧穎(1980—)，女，碩士，工程師

研究方向：船舶電氣工程