大功率海工輔助船混合推進(jìn)裝置應(yīng)用技術(shù)研究

胡 堅(jiān)

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 引 言

隨著海洋石油開采向深水和超深水區(qū)域挺進(jìn)，迫切需要大功率的深水三用工作船與之配套。由于不同作業(yè)工況和航行環(huán)境對(duì)其推進(jìn)功率的要求差異化加大，隨著船舶定位能力和機(jī)動(dòng)性要求的提高，迫使業(yè)界不斷探索考慮采用更加合理的動(dòng)力配置方案，以滿足日趨繁忙的深海作業(yè)需求。

1 船舶推進(jìn)裝置發(fā)展的簡要回顧

柴油機(jī)具有功率范圍廣，經(jīng)濟(jì)性好，重量輕、尺寸小，附屬設(shè)備少，外加負(fù)荷變化迅速等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其幾乎統(tǒng)治了船舶推進(jìn)動(dòng)力約一個(gè)世紀(jì)。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，其固有的缺點(diǎn)也不斷暴露，比如低速性能及過載能力均較差，工作環(huán)境因?yàn)檎駝?dòng)和噪聲變差，其排出的廢氣含有害物質(zhì)（NOx，SOx和CO2等）。

電力推進(jìn)作為船舶的新型推進(jìn)動(dòng)力，由于其高效率、高可靠性、高自動(dòng)化以及低維護(hù)，正成為新世紀(jì)大型水面船舶青睞的主推進(jìn)系統(tǒng)。同傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)方式相比，采用電力推進(jìn)的船舶在經(jīng)濟(jì)性、振動(dòng)、噪聲、船舶操縱、布置和安全可靠性等方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。但電力推進(jìn)也有其不足之處。如價(jià)格昂貴，系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，變頻器和變壓器等存在中間功率損耗；對(duì)采用全回轉(zhuǎn)舵槳或 POD吊艙式推進(jìn)器而言，其航向偏移和稍微改變航向都需要操縱功率較大的推進(jìn)器，而頻繁改變方向和負(fù)荷的推進(jìn)器有疲勞損害的風(fēng)險(xiǎn)；對(duì)操作管理要求高。

基于這一現(xiàn)狀，混合推進(jìn)的船舶動(dòng)力裝置的新模式隨之出現(xiàn)。它迎合了多功能深水海工輔助船作業(yè)工況復(fù)雜、對(duì)船舶推進(jìn)功率和定位能力要求的差異性大的特點(diǎn)。這種模式可大大提升船舶使用的經(jīng)濟(jì)性、機(jī)動(dòng)性、可靠性及定位能力。

2 深遠(yuǎn)海大功率海工輔助船的功能和發(fā)展前景

2.1 主要功能

深遠(yuǎn)海大功率海工輔助船集多種功能于一身，主要有：

1) 平臺(tái)值班守護(hù)，相當(dāng)于平臺(tái)守護(hù)船；2) 供應(yīng)海洋鉆井物資，如：鉆井物資和器材、鉆井鋼管、散裝水泥、鉆井水、鉆井泥漿、淡水、鹽水、燃油及生活用品等，相當(dāng)于平臺(tái)供應(yīng)船；3) 拋起錨作業(yè)，并能對(duì)儲(chǔ)油輪及到達(dá)的提油輪進(jìn)行拖帶和撈取油管作業(yè)，協(xié)助其進(jìn)行提油；4) 拖曳浮筒和石油平臺(tái)，以及進(jìn)行海上船、駁的拖運(yùn)；5) ROV（水下機(jī)器人）作業(yè)或水下工程設(shè)備安裝支持；6) 海面浮油回收或消油作業(yè)，相當(dāng)于環(huán)保船；7) 為海上平臺(tái)或建筑物實(shí)施救助作業(yè)；8) 對(duì)外消防作業(yè)，對(duì)遇難船舶和石油平臺(tái)進(jìn)行消防滅火作業(yè)。

2.2 發(fā)展前景

我國南海深水區(qū)域蘊(yùn)藏著豐富的石油資源，且絕大多數(shù)都位于2000～3000m水深區(qū)域。離開大陸架較遠(yuǎn)。

隨著海洋石油開發(fā)向深海發(fā)展，中海油近幾年造了一批深水裝備，包括半潛式鉆井平臺(tái)，深水起重鋪管船、物探船、勘察船等，但為這些大型裝備配套的專門用于深水海域的海工輔助船數(shù)量卻很少。由于單程距離遠(yuǎn)，以往一些功能單一的平臺(tái)供應(yīng)船、拋起錨船、大馬力拖輪、救助船、守護(hù)船和環(huán)保船等因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性和續(xù)航力的原因已經(jīng)無法勝任為深水海工裝備提供專業(yè)服務(wù)。

在這種狀況下，要求深遠(yuǎn)海大功率多功能海工輔助船的推進(jìn)裝置，既要滿足大功率拖曳或全速航行的大推進(jìn)功率，又能滿足長時(shí)間低負(fù)荷推進(jìn)工況和動(dòng)力定位情況下的大電站功率。因此需著力開發(fā)混合推進(jìn)裝置的技術(shù)模式。

3 混合推進(jìn)裝置的推進(jìn)方式和電站分配

作為混合推進(jìn)裝置的船舶，沒有完全摒棄傳統(tǒng)的柴油機(jī)齒輪箱軸系和可調(diào)槳等一系列設(shè)備，不同處在于可調(diào)槳可吸收的最大功率大于主機(jī)功率，齒輪箱除了主機(jī)的功率輸入外，還有PTI電機(jī)的功率輸入。也就是推進(jìn)電機(jī)和主機(jī)的功率之和才是可調(diào)槳可吸收的最大推進(jìn)功率。其典型配置模式見圖1。

圖1 混合推進(jìn)裝置的典型配置模式

這類船往往有大型甲板機(jī)械，如起重機(jī)和拖纜機(jī)等。同時(shí)，為了滿足動(dòng)力定位作業(yè)要求，除了設(shè)置左右對(duì)稱的2套主推進(jìn)螺旋槳以外，艏艉均設(shè)有1～3個(gè)側(cè)推或伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。這些機(jī)械需有一個(gè)大型電站供電，因此應(yīng)配置2臺(tái)主機(jī)軸帶發(fā)電機(jī)和3～4臺(tái)主輔柴油發(fā)電機(jī)組。

3.1 低速巡航模式

當(dāng)船舶執(zhí)行為平臺(tái)值班守護(hù)作業(yè)時(shí)，主推進(jìn)螺旋槳無需多大功率。此時(shí)主機(jī)可不工作，船舶推進(jìn)功率由主柴油發(fā)電機(jī)組并車對(duì)主配電板供電。主配電板通過變壓器、變頻器再對(duì)推進(jìn)電機(jī)供電，由推進(jìn)電機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)軸系及螺旋槳實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。這種工況實(shí)際上是電力推進(jìn)模式，由于此時(shí)主柴油發(fā)電機(jī)負(fù)荷率較高，故其經(jīng)濟(jì)性會(huì)比常規(guī)推進(jìn)更具優(yōu)勢。

3.2 全速航行模式

當(dāng)船舶執(zhí)行平臺(tái)供應(yīng)任務(wù)時(shí)，要求其具有一定的快速性，但對(duì)定位能力和系柱拉力則沒有特別要求。

此時(shí)，主推進(jìn)器僅需要吸收2臺(tái)主機(jī)的90%最大持續(xù)功率就能滿足該工況要求，其余推進(jìn)器均不工作。由于沒有大型用電設(shè)備，船上常規(guī)用電僅需開啟1臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組即可滿足。

作為供應(yīng)船，CCS（中國船級(jí)社）對(duì)船舶的能效設(shè)計(jì)指數(shù) EEDI有一個(gè)計(jì)算考核基準(zhǔn)線[1]。根據(jù)船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行EEDI的校核，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)：采用混合推進(jìn)配置比采用常規(guī)機(jī)械推進(jìn)配置能效設(shè)計(jì)指數(shù)降低約30g/t·n mile，即降低約22%。

3.3 最大速度航行或長距離大拖力拖帶模式

此種模式下，主推進(jìn)器將發(fā)出最大推進(jìn)功率，功率同時(shí)來自主推進(jìn)電機(jī)和主機(jī)，推進(jìn)電機(jī)和船上用電由船上主輔柴油發(fā)電機(jī)組提供。該工況也是此類船舶最大負(fù)荷的作業(yè)工況。

3.4 拋起錨模式

當(dāng)船舶執(zhí)行拋起錨作業(yè)時(shí)，由于大功率的拖纜機(jī)和A架的使用，需要船舶有很大的電站負(fù)荷。這時(shí)船舶的推進(jìn)動(dòng)力不需要很大。

采用混合推進(jìn)配置時(shí)，主機(jī)發(fā)出的功率，除了一部分用于驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳外，其余通過軸帶發(fā)電機(jī)分區(qū)供電方式驅(qū)動(dòng)前、后管狀側(cè)推和伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)裝置，以及船上其他輔助設(shè)備（如拖纜機(jī)液壓泵組單元）和生活區(qū)用電等。此時(shí)，主機(jī)負(fù)荷率達(dá)到80%，主柴油發(fā)電機(jī)組及主推進(jìn)電機(jī)（PTI）均不工作。

3.5 動(dòng)力定位模式

此工況為電力推進(jìn)狀態(tài)，即主推進(jìn)齒輪箱離合器為脫開狀態(tài)。主推進(jìn)器幾乎不需要功率輸出，其所需的推進(jìn)功率只要主推進(jìn)電機(jī)提供就足夠了，但對(duì)船舶的定位能力卻要求頗高。因此，船上的管狀側(cè)推和伸縮式推進(jìn)器都得用到，且拖纜機(jī)、絞車等甲板機(jī)械處于工作狀態(tài)，故整個(gè)電站功率就變得相當(dāng)大。

此工況常常用于執(zhí)行協(xié)助FPSO（浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油輪）[2]或穿梭油輪進(jìn)行提油作業(yè)、船舶從事ROV作業(yè)或水下工程設(shè)備安裝支持等，需要主柴油發(fā)電機(jī)組和軸帶發(fā)電機(jī)采用分區(qū)供電方式，通過多個(gè)匯流排分別向不同的大功率用電設(shè)備供電，功率分配比較靈活，冗余度得到極大提升。

3.6 其他作業(yè)工況

主要為對(duì)外消防作業(yè)、海面浮油回收作業(yè)和執(zhí)行為海上平臺(tái)或建筑物實(shí)施救助作業(yè)等工況。此類作業(yè)工況幾乎用不到多少推進(jìn)功率，且對(duì)船舶的定位能力也沒有什么特殊要求。

在這些作業(yè)工況下，采用混合推進(jìn)裝置，可以做到合理分配船舶電站，盡可能地少開柴油機(jī)的數(shù)量，提高柴油機(jī)的負(fù)荷率，從而有效降低柴油機(jī)的平均油耗。

4 混合推進(jìn)裝置的優(yōu)點(diǎn)

通過上述分析比較，混合推進(jìn)裝置與常規(guī)柴油機(jī)軸系推進(jìn)和純電力推進(jìn)相比，更適用于集多種海洋工程作業(yè)功能于一體的深水多功能海工輔助船型。其優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：在船舶主推進(jìn)總功率不變的前提下，可有效降低主機(jī)功率，使機(jī)艙布置更加靈活；電站功率分配更加靈活、合理；比其他推進(jìn)方式更具經(jīng)濟(jì)性；可提高柴油機(jī)負(fù)荷率，減少同時(shí)工作的柴油機(jī)數(shù)量，降低排放、零部件的磨損和柴油機(jī)低溫腐蝕現(xiàn)象[3]，明顯優(yōu)于其他推進(jìn)方式。

5 結(jié) 語

未來，混合推進(jìn)動(dòng)力裝置作為一種新型推進(jìn)方式，隨著海洋石油勘探開發(fā)向深海挺進(jìn)[4]，必將得到更為廣泛的應(yīng)用，并將受到更多的油公司和船東的青睞。

[1] MEPC 212（63），2012–關(guān)于EEDI計(jì)算規(guī)范[S].

[2] 周國平. 海洋工程裝備關(guān)鍵技術(shù)和支撐技術(shù)分析[J]. 船舶與海洋工程，2012，（1）：15-20.

[3] 內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力裝置[M]. 上海：同濟(jì)大學(xué)機(jī)械系動(dòng)力教研室編，1987.

[4] 海洋工程裝備[J]. 海洋工程裝備，2013.