可移動平臺的助航系統選型研究

余 捷，于 超，孫海防，翟 東，劉雷宇

（中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300457）

0 引言

可移動平臺是一種大型海洋裝備，可在不同井位間移動，用于海上石油鉆探和生產。可移動平臺一般在建造初期投資一套推進系統用于轉場，或者不配備動力系統，單純依靠拖輪拖航以實現其在多個作業場景間轉場的工作需求[1]。但是如果配備推進系統的可移動平臺，長時間不轉換作業地點，那么就會造成推進系統使用率的低下，導致建設成本過高和資源浪費；可移動平臺不帶動力系統，則依靠拖輪拖航實現多個作業場景間轉場，從而造成投資和生產成本累計增加[2]。當前石油行業受到全球疫情影響，油價低迷的現狀使各大石油企業不得不采取措施降本增效，若可移動平臺配備由舵槳系統和其動力系統組成的助航系統，由助航系統實現短距離不同作業場景的轉場，而在不需要使用的時候可拆卸助航系統以節省平臺空間，從而降低生產成本，具有廣闊的應用前景。目前針對可移動平臺助航系統僅有甲板搭載型舵槳裝置的研究，雖然能夠靈活拆裝，但是占據甲板空間大，需要在甲板上預留鉆孔，露天的布置對舵槳裝置的壽命損害較大,且轉軸軸距長，推進效率低。本文通過對比分析，總結了多種推進系統、動力系統和推進器布置方案的優缺點，對助航系統進行選型設計，在滿足平臺轉場需求的同時切實達到了降低生產成本、布置靈活、節省平臺空間的目的。

1 助航推進系統選型

為了滿足作業需求，可移動平臺需要具有良好的機動性能和定位功能。當前應用在船舶上的推進系統大多為全回轉舵槳推進系統，可向全方位發出推力，使船舶可向四周任意角度轉向，也有應用于高速船舶的表面舵槳推進系統，舵槳受到的水阻力小，推進效率高。

1.1 全回轉舵槳推進系統

全回轉舵槳推進系統是將原動機發出的功率通過機械轉軸將動力傳遞給舵槳單元，同時可以通過轉舵電機發出指令控制螺旋槳的前進方向[3]，實現任意的四周轉向，從而使螺旋槳在任何方向上均可以獲得最大推力。

全回轉舵槳推進系統主要優點有船舶操縱性好、制動距離短、機動性能好，加減速性能優越、轉舵性能優越、維護成本低[4]。總結特性如表1所示。

表1 全回轉舵槳推進系統特性

1.2 表面槳推進系統

表面槳推進系統是一種有部分螺旋槳葉露于水面上的推進系統，該系統大多用于淺水區域船舶航行，經過多年的改進，由于其推進效率高、所受阻力的特性，現在表面槳推進系統大多用于高速航行的船舶[5]。

船只在航行中，若采用常規的螺旋槳，槳葉會受到海水腐蝕、水中氣流阻力的影響[6]。而采用表面槳葉，可以減少海水對槳葉的腐蝕，一部分暴露在空氣中的槳葉可以不受水流阻力的影響，最大化提高推進效率。

1.3 推進系統對比

根據可移動平臺對推力和航速性能要求以及具有DP定位要求，表面槳推進系統更適用于高速航行的船舶，而全回轉舵槳推進系統占據空間小、安裝簡單、維護成本低，特別是該系統集成程度高，并且都在廠家車間內進行調試和裝配，可以減少在船廠安裝舵槳時的工作量，更符合可移動平臺助航系統的實際需求。

1.4 推進系統集成化可拆裝設計

可移動平臺在作業場地定位生產時并不需要使用推進系統，而傳統的推進系統放置于船艙中無法拆卸，占據了大量空間，作業時降低了平臺的空間利用率。通過對比將全回轉舵槳推進系統中的傳動模塊、轉舵模塊、潤滑模塊、零舵角模塊、舵角反饋模塊、應急舵角操作模塊集成在舵槳推進器上的優缺點，對全回轉舵槳推進系統進行集成化設計，便于拆裝、吊裝，可以減少平臺作業時占用空間，也更便于安裝，減少工作量。舵槳各模塊集成優缺點如表2所示。

表2 舵槳各模塊集成與分置設計優缺點

2 助航動力系統選型

由于可移動平臺需要在不同的作業場景下進行轉場，適應多種作業環境下的工況，其動力系統要擁有高機動性、操控性和足夠的定位精度。基于節能和減排的考慮，動力系統在保證足夠推進性能的情況下，又要提高經濟效益，降低生產成本。

2.1 柴油機直驅

柴油機直驅動力系統一般采取Z 型傳動總成設計，通過高彈性聯軸節、中間軸、萬向軸、離合器及全回轉上下齒輪箱內兩對螺旋錐齒輪傳遞到螺旋槳產生推力[7]，能夠通過控制手柄完成全回轉控制、主機轉速控制以及槳葉正反轉控制。

采用柴油機直驅的優點是結構簡單、成本低，管理、維護方便，在設計工況下效率高。其缺點是當處于非設計工況時，系統效率低，油耗高。

2.2 發電機-電機驅動

發電機-電機驅動系統是將船舶動力用電和船載設備用電集成統一的動力系統。根據現場實際工況可將動力推進和設備能耗用電進行綜合統籌調度，各發電機組能夠有序運轉，既節約了電能又能充分保障船舶推進動力需求，同時還使各動力機組運行在最佳工況下，是一種高性價比的動力推進方案[8]。

采用發電機-電機驅動的優點是較高的設備可靠性、穩定性、易維護性以及良好的經濟性[9]。由于設計結構相對簡單，不需要柴油機直驅時用于連接主機的推進軸，極大地提高了主機布置的靈活性和船舶推進的安靜性[10]。同時鑒于此種設計結構高速摩擦組件較少，電機維護便捷，因此其綜合使用壽命可達4萬h以上。

2.3 動力系統對比

考慮到可移動平臺作業工況多變，使用柴油機會導致系統效率低且油耗過高，增加生產成本，而電機驅動可以實現無極調速，具有一定的靈活性，因此建議采用發電機-電機驅動作為動力系統。

3 助航系統舵槳推進器布置選型

1.1節已經提到將全回轉舵槳推進系統進行集成化可拆裝設計，節省生產時所占平臺空間。在此通過對主流的3 種舵槳推進器布置形式優缺點對比，選型出最便于拆裝、占據空間小且滿足需求的舵槳推進器布置方式。

3.1 甲板組合型舵槳推進器

甲板組合型舵槳推進器是一種集成原動機、齒輪箱、軸系、舵槳單元、遙控系統的推進器模式，主機、齒輪箱、軸系、控制系統均集成在集裝箱罩殼內，該形式舵槳主要放在主甲板上面，常應用于舊船改造以及原船沒有動力后續加裝推進器的船型上。如圖1所示。

圖1 甲板組合型舵槳推進器

甲板組合型舵槳推進器集成化高，安裝模塊單元比較少。但是相比艙內推進器，占用主甲板比較大的面積，由于整體均放在甲板上面，按照船規要求，電機、變頻器、本地控制箱需要單獨放置在一個處所內，對集裝箱的防腐要求高[11]，對電機，變頻器啟動柜、控制箱等等的絕緣等級要求高，所帶來的成本高，同時對甲板的壽命有影響。如果選用甲板組合型舵槳推進器，集裝箱密封性能要大大提高，而且電機輸入軸距離槳葉中心線加大，運行效率低，對推進器的壽命是一個考驗。

3.2 L型舵槳推進器

L 型舵槳推進器是一種集成電機、高彈、舵槳單元、遙控系統的推進器模式，主電機垂直放置，直接安裝在舵槳單元上部[12]，電機直接驅動下齒輪箱的一對螺旋傘齒輪進行力的傳遞。該形式舵槳主要放在船艙內部。

L 型舵槳推進器沒有上齒輪箱,電機垂直放置，電機直接驅動下面的一對螺旋傘齒輪進行力的傳遞，如圖2所示。L 型舵槳推進器布置方式水平空間要求小，電機底座坐落在舵槳上面，傳動效率高，但是在垂直方向需要比較大的安裝空間，由于船艙高度有限，采用L 型布置容易導致維修操作空間過小。

圖2 L型舵槳推進器

3.3 Z型舵槳推進器

Z 型舵槳推進器是一種集成原動機、高彈、舵槳單元、遙控系統的推進器模式，舵槳包含上下兩對螺傘，動力輸入水平，主電機與舵槳間彈性軸連接[13]。該形式舵槳主要放在船艙內部，是目前應用最廣泛的一種舵槳推進器。

Z型舵槳推進器包含上、下2對螺傘，主電機與舵槳間彈性軸連接，如圖3 所示。Z 型舵槳推進器應用最廣泛，與電機彈性連接，運行效率損失不大，鑒于電機水平放置，擁有足夠的維修空間，電機與舵槳彈性連接的方式也更便于拆裝。

圖3 Z型舵槳推進器

3.4 推進器對比

結合可移動平臺的艙內布局，通過對比，Z 型舵槳推進器在性能、效率、空間結構等方面具有一定的綜合優勢，滿足平臺轉場需求的同時節省了船艙內部空間，可使平臺高效轉場，同時安裝拆卸簡單，可以將整套推進器拆卸，或是重新利用到其他作業平臺上，提高利用率。3種推進器布置的對比如表3所示。

4 結束語

隨著疫情在全球的蔓延，石油生產企業不得不降低生產成本來應對油價不斷下跌的趨勢。此前可移動平臺的轉場大多通過拖航或自帶推進系統實現，生產成本較高，轉場速度慢，相比而言，采用Z型布置、電機驅動、可拆裝的助航系統，在平臺轉場時可節省等待拖輪的時間，擁有更高的推進效率，并大幅度降低拖航成本，在生產時能夠通過舵槳實現DP定位，還可通過平臺吊機拆卸助航系統，節省平臺空間和船舶吊裝成本。隨著可移動平臺在海洋石油行業中的發展，本文提出的可拆裝助航系統將會具備十分廣闊的市場應用空間。

表3 推進器布置優缺點對比