海洋工程半潛重載船電氣系統設計

何沁園 祝世奇 藍文昊 張海文

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

海洋工程半潛重載船作為一型特種海運工具，在海洋工程中承擔了運載大型海上石油鉆井平臺、大型艦船、潛艇、龍門吊、預制橋梁構件等無法分割吊運的超長超重海工設備的任務。與常規運輸船舶相比，半潛船因運載物件的特殊而具有與常規運輸船不同的特點。

本文是對本院研制設計四種規格的自航半潛重載船（90 000 t、50 000 t、30 000 t和 38 000 t）的共性和差異作一定的分析，以期獲得對該類船型電氣設計的了解和認識，并希望以此能引出更深入的討論和提出優化方案。

1 電推及DP的基本型態及優點

海洋工程半潛重載船在施工作業時一般需要進行定位。目前，使用較多的定位方式有多點錨泊定位和動力定位。其中，動力定位方式又因其不受定位海域水深的影響、定位響應速度快、精度以及自動化集成度高等優點在海洋工程半潛重載船上獲得了較廣泛的應用。在具有動力定位的船舶中，電力推進因其具有效率高、推進性能好、布置空間緊湊合理、環保節能、噪聲小、振動低等優點獲得了廣泛應用。半潛重載船的尾部多為工作甲板，不宜布置主機艙，因此基本都是電力推進及動力定位的船型，這也決定了半潛重載船基本上都采用中壓電力系統。

文中所分析的幾種規格半潛重載船的主推進均采用了尾軸推進器，低速電機直接驅動螺旋槳，或中速電動機通過齒輪箱減速驅動螺旋槳。首、尾側向推力器主要采用隧道式推進器，50 000 t半潛船首部還設置了可伸縮式全回轉推進器。根據實船航行情況，這種推進器的配置方案是合理可行的。與采用POD主推進相比較，這種配置方案維護性更好，也更加節約成本。［4-5］

30 000 t及38 000 t采用了DP-1附加標志的CCS船級社DP入級，50 000 t采用了DP-2附加標志的CCS船級社DP入級，90 000 t采用了DPS-2附加標志的DNV和CCS雙船級社DP入級。

圖1以及下頁的圖2和圖3為這三種規格的半潛重載船電力系統單線圖（38 000 t與30 000 t類似）。

2 航速與DP能力的兼顧要求及解決措施

對于半潛重載船而言，自由航行航速和動力定位能力是在主推進螺旋槳設計時相互制約的一個因素。在自由航行主推進器兼做動力定位推力器時，由于螺旋槳分別處于航行特性和系柱特性兩種負荷工況狀態，前者推力小、轉矩小，后者推力大、轉矩大，而螺旋槳在設計上較難做到完全兼顧轉矩與轉速的反比例工況變化，所以在螺旋槳設計時只考慮船舶的主要工況。若以動力定位工況為主，則推力要求必須達到DP能力分析中所規定的數值。此狀況下自由航行時，則采用提高轉速的方式來吸收盡可能大的功率以滿足航速要求。若以自由航行工況為主，則以滿足航速要求來設計螺旋槳，螺旋槳的參數以電動機的額定功率和額定轉速為基礎來決定。此狀況下動力定位時，電動機的轉矩因不能過載而只能被迫運行在比額定轉速更低的轉速值上。

電動機不能滿功率運行，其通過螺旋槳提供的轉矩（推力）也較小，這可能導致動力定位能力也相應減弱，即需要降低動力定位的環境條件。30 000 t、38 000 t以及90 000 t半潛船因其大部分時間處于運輸航行工況的特點，螺旋槳的設計則以航行工況為主，同時兼顧具有一定的動力定位能力；50 000 t半潛船的螺旋槳設計則根據系柱托力狀態和12 kn服務航速之間進行優化的特點，以滿足動力定位能力為主。

3 壓載系統的重要性及系統設計

海洋工程半潛重載船，顧名思義半潛是該船型的一個主要工況，如何實現半潛作業是該船型的設計重點。一般該船型會設有壓載排載系統，用壓載泵對壓載水進行注入、排出和調駁是使用較普遍的壓載調載方式；也有使用壓縮空氣排放壓載水等新型的壓載調載方式。半潛船下潛作業是通過調整船體的壓載水量來實現的：先將工作面甲板平穩地潛入到5～30 m的水下后，將需要裝運的貨物拖曳到位后，再將壓載水排出船體，使船身連同甲板上的貨物一起浮出水面然后進行運載［3］。

當前的大型半潛船一般會在工作甲板以下設置多層壓載水艙，并沿縱向和橫向分割成數量眾多的小壓載水艙。這樣既能滿足結構上裝載大型貨物的彎曲應力要求，又能提高半潛船在裝載和卸載貨物狀態下導致一艙破損時的安全系數。同時，在碼頭通過滑道裝載大型貨物時，分割為小的壓載水艙更利于實現復雜的調載過程。多層的壓載水艙使半潛船適應性更強，更容易保持良好的穩定性，這在裝載及運輸小型貨物和大型貨物時都十分重要：如在高海況下運輸小型貨物時為減少其橫向移動，可往上部的壓載艙注水以增加船體上部的質量；運輸大型貨物時，可往底部的壓載艙注水以降低全船的重心［2］。

為提高裝卸載效率和減少壓排載時間，一般會在半潛船上配備大功率的壓載泵。30 000 t及38 000 t半潛船采用了常規的壓載泵式壓載排載系統，全船設置了4臺315 kW的壓載泵和2臺110 kW的調載泵。50 000 t和90 000 t半潛船則采用了空氣壓載和泵壓載相結合的方式；50 000 t半潛船全船設置4臺500 kW的空氣壓縮機；90 000 t半潛船全船設置4臺634 kW的空氣壓縮機，用于對主甲板以下壓載水艙的壓排載（其中2臺用于首部主甲板以上壓載水艙的壓排載，另外2臺用于尾浮箱的壓排載）。

壓載系統是體現半潛重載船其特征的一套重要系統，除需要有壓載艙的布置、壓載量的計算及壓載水的管系設計以外，壓載泵或空壓機的驅動形式以及對系統中幾十只甚至上百只電動或電液閥的控制也是該系統的重要組成部分，這也是半潛重載船電氣系統的重要設計內容之一。同時，該系統電氣設計又因有著成百上千個監測報警I/O接口而增加了復雜程度。下頁圖4 -圖6是三種規格的半潛重載船壓載控制系統的網絡圖。可見，半潛船的壓載控制系統主要采用分布式的現場采集站形式，其主控制單元通過工業現場總線與所有分布式現場采集站進行通訊，并對數據進行采集和監控。主控制單元選用高可靠性的PLC控制器，而PLC控制器采用工業以太網與計算機操作站通訊的模式，實現人機對話。其中，30 000 t和38 000 t半潛船的壓載控制網絡結構比較相似；而在50 000 t半潛船的壓載系統中，增加了與4臺空壓機的通訊，各個空壓機與PLC控制器之間采用總線通訊，讀取空壓機狀態并遠程控制，電動閥采用了CANopen總線接口，直接與PLC控制器進行通訊；90 000 t半潛船則是將壓載控制系統集成在全船集成控制系統中。

4 深潛參數對推進裝置的密封影響及措施

在進行半潛作業時，由于下潛吃水一般超過20 m，所以水線以下與船體連接設備的密封性能因吃水深度遠遠超出常規范圍而成為需要特別關注的問題。常規標準的推進裝置的密封能力一般只能在2個大氣壓左右，即吃水深度不大于20 m。因此，半潛船的主推裝置采用了機械端面密封，密封裝置需為兩片組合，更換密封時無需拆軸，并設有在更換密封時應急氣囊密封裝置，此氣囊的氣源與主機啟動氣源需互鎖；而側推裝置的設計是設置兩套潤滑密封系統，在吃水大于20 m時，可采用壓縮空氣加壓的潤滑系統進行密封。對潤滑系統的合理控制還應引入吃水信號，使其能進行自動轉換。

5 集控室位置的思考

半潛船在下潛、上浮作業時，由于其穩性和浮力的脆弱性和操縱的限制性，船舶的安全在很大程度上取決于天氣情況，下潛、上浮作業具有很大的風險，因此作業時要求所有人員必須在最大下潛水深以上甲板［6］，這就引出了關于半潛船機艙集控室的布置是否需在最大下潛水深以上的問題。 由于各船級社的規范均沒有明確的規定，30 000和38 000 t自航半潛船由于整體布局較為緊湊，水線以上的位置無法考慮集控室的位置，因此機艙集控室是布置在位于下平臺甲板層（距基線6 m）的機艙區域，在半潛作業吃水深度將達到23 m時，集控室的位置會處于水線以下，為此在該船圖紙的送審過程中，CCS審圖人員對集控室的位置曾有疑義。中遠一型18 000 t和50 000 t半潛船機艙集控室設在了橋樓甲板的下一層，但看來也會帶來管理上等其他問題。而此后的50 000 t和90 000 t半潛船集控室都沒有設在下潛水線以上，也得到了船級社和船東的認可。我們考慮到半潛船的自動化系統設計時采用AUT-0入級標志，在駕駛室操作站設置齊備的全船設備監測、報警的功能和部分設備的控制功能，而且在駕駛室前、后控制臺均具有自動或手動遙控控制主推進器、側向推進器、舵、壓載泵、消防泵、閥門、定位絞車等設備的功能，可以看作是機艙集控室功能的延伸，一定程度上解決了以上矛盾。因此，建議船級社對這個問題的規范提出更明確的規定，將有利于設計觀點的認同和統一。

6 結 論

本文主要對半潛重載船的推進系統和壓載系統的電氣設計部分進行闡述和分析。在與常規船型的電氣設計比較中，針對半潛重載船因其半潛作業的特殊性，給出了滿足航行和作業要求的設計方案以及一些重要問題的解決措施。通過對比幾種規格的半潛重載船的設計，可以清晰了解它們的共同點和差異，從而為該類船的電氣系統設計提供一些參考。文章對推進設備的密封性能也提出了解決方案，同時針對集控室位置的設置提出一些思考。若既要達到安全的規范要求，又能滿足使用功能要求，后期仍需不斷研究和學習。

［1］ 中國船舶工業集團公司. 船舶設計實用手冊：電氣分冊［M］. 3版.北京：國防工業出版社， 2013.

［2］ 盛衛明，黃吉，仲偉東，等. 5萬t半潛船壓載水處理系統設計［J］.船舶與海洋工程，2015（2）：43-47.

［3］ 李志壘. 大型半潛船壓載水系統設計［J］. 船舶，2014（1）：53-57.

［4］ 楊帆，崔剛，王樂，等. 電力推進技術的發展及其關鍵技術分析［C］ //中國船舶與海洋工程焊接與涂裝技術發展論壇論文集，2012：74-77.

［5］ 郭國才，石艷，王屈平，等. 民船電力推進技術應用及發展方向［J］. 船電技術，2014（5）：1-4.

［6］ 張建浩，邱新涌.淺述新型半潛船的海務管理［C］//2008船舶安全管理論文集，2008：14-17.