混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)在深海工作船的應(yīng)用

劉子健 張宇

摘 要：文章主要介紹和分析混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的組成、工作原理、技術(shù)要求和應(yīng)用推廣，并結(jié)合機(jī)械推進(jìn)、電力推進(jìn)等方式，得出混合動(dòng)力系統(tǒng)在深海作業(yè)的工作船中的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：混合動(dòng)力；深海工作船；推進(jìn)方式

1 概述

根據(jù)質(zhì)地學(xué)家統(tǒng)計(jì)，海洋蘊(yùn)藏著至少1500億噸石油，并且隨著海上石油勘探技術(shù)不斷發(fā)展，勘探區(qū)域從淺海逐步轉(zhuǎn)入深海。據(jù)統(tǒng)計(jì)，海上44%的油氣資源位于500米以上水域，這里海況惡劣，作業(yè)難度和風(fēng)險(xiǎn)大，為其服務(wù)的工程船要求更苛刻，尤其是功能和動(dòng)力系統(tǒng)。目前為深海區(qū)域服務(wù)的多用途工作船推進(jìn)功率平均為15000馬力，集消防救生、拖帶、守護(hù)、供應(yīng)和海洋工程等多種功能于一體，續(xù)航能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高，確保了海上作業(yè)的高效性、連續(xù)性、安全性。基于以上深海工程船的特點(diǎn)，擁有更好的經(jīng)濟(jì)型和環(huán)保型的動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)越來越多的應(yīng)用于深海作業(yè)工程船舶，以下我們介紹混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)在深海工作船上的應(yīng)用，此種推進(jìn)系統(tǒng)目前較成熟的船舶項(xiàng)目有哈佛845、848和UT786等。

2 船舶推進(jìn)系統(tǒng)論述

2.1 機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)

機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)是比較傳統(tǒng)的推進(jìn)方式，由柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過軸系（齒輪箱）驅(qū)動(dòng)螺旋槳做功。機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)的功率傳遞效率很高，僅有3%的傳遞損失。多種船底形式的齒輪箱也可以避免推進(jìn)功率不足的問題，目前機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展比較成熟，設(shè)備成本低，受到大多船東的青睞。然而，多數(shù)深海工作船的特點(diǎn)是大量時(shí)間在低負(fù)荷下運(yùn)行，比如裝卸貨、守護(hù)等，在低負(fù)荷的狀態(tài)下，柴油機(jī)無法到達(dá)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行轉(zhuǎn)速，油耗量會(huì)大幅度提高。另外在主機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)漿距來控制負(fù)荷增減，在槳葉全部合上，推力為零的情況下，柴油機(jī)仍有20%的功率消耗用于螺旋槳的機(jī)械損失。在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，柴油機(jī)燃油消耗會(huì)大幅度提高，目前國際油價(jià)瞬息萬變，各船舶運(yùn)營商對(duì)此非常關(guān)注，柴油機(jī)的燃油消耗如無法長(zhǎng)時(shí)間在經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，油耗問題會(huì)影響此類推進(jìn)方式的選用。另外柴油機(jī)運(yùn)行時(shí)氣缸內(nèi)的不充分燃燒會(huì)產(chǎn)生CO2、NOx和SOx等污染廢氣，歐盟和美國等組織制定了一些廢氣排放限制的規(guī)定，這就迫使船舶運(yùn)營商為了無線航區(qū)的行駛，不得不去尋找更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的推進(jìn)模式。

2.2 電力推進(jìn)系統(tǒng)

電力推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用于深水工程船僅30多年時(shí)間。一般由4臺(tái)發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng) 2臺(tái)主推進(jìn)器和2臺(tái)側(cè)向推進(jìn)器運(yùn)轉(zhuǎn)。通過變壓器、變頻器為電機(jī)提供動(dòng)力。柴油機(jī)在定速模式下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，PMS根據(jù)負(fù)載變化控制投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)量。上個(gè)世紀(jì)末，電力推進(jìn)已經(jīng)開始應(yīng)用于深水作業(yè)工作船。變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)主推進(jìn)器和側(cè)向推進(jìn)器，變壓器和變頻器為船舶電站提供電力。為了降低設(shè)計(jì)和建造的難度和成本，主推進(jìn)器和側(cè)向推進(jìn)器一般選用定距槳。電站通常4臺(tái)以上船用發(fā)電機(jī)組和一套電站管理系統(tǒng)（PMS）組成，柴油機(jī)在定速模式下驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，PMS根據(jù)運(yùn)行負(fù)載變化自動(dòng)控制投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組的數(shù)量。電力推進(jìn)系統(tǒng)可以通過動(dòng)態(tài)增減發(fā)電機(jī)數(shù)量調(diào)整運(yùn)行的內(nèi)燃機(jī)在最佳工況點(diǎn)附近工作，以達(dá)到降低油耗和減少污染的效果。但是在深海工作船高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，電力推進(jìn)的低傳遞效率的缺點(diǎn)就顯露出來了，它的功率損失高達(dá)11%，而且電力推進(jìn)設(shè)備成本很高，很多船東無法接受。

2.3 混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)

混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)用蓄電池組作為原動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)螺旋槳啟動(dòng)，在運(yùn)行過程中，仍然使用高效率的機(jī)械推進(jìn)。在深水工作船上應(yīng)用可分為以下三種運(yùn)行模式：機(jī)械推進(jìn)用于連續(xù)高負(fù)荷運(yùn)行工況，功率在80%-100%之間，盡量達(dá)到柴油機(jī)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速，降低油耗以及SOx和NOx的污染，此工況適用于工作船的中速拖航和起拋錨作業(yè)。電力推進(jìn)用于低負(fù)載工況，其擁有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性如：低速航行和靠近平臺(tái)時(shí)的動(dòng)力定位等?；旌蟿?dòng)力推進(jìn)用于實(shí)現(xiàn)最大系柱拉力的工況，比如惡劣海況的起拋錨和拖航等，首先由柴油機(jī)最大負(fù)荷驅(qū)動(dòng)調(diào)距槳，槳葉開啟至最大功率，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)通過齒輪箱軸系加力，使工作船整體的拖拽力達(dá)到最大。

3 各推進(jìn)系統(tǒng)性能對(duì)比

機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)適用于工作船的高負(fù)荷運(yùn)行工況，燃油經(jīng)濟(jì)性和推進(jìn)效率比較高，生產(chǎn)廠家多而且產(chǎn)品成熟，故障少，成本較低。但是在低功率工況下運(yùn)轉(zhuǎn)推進(jìn)效率低，油耗高，廢氣污染大。電氣推進(jìn)系統(tǒng)在低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)推進(jìn)效率高，而且功率的損失量小。并且可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的工作數(shù)量，保證柴油機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速運(yùn)行，有效地降低油耗和廢氣排放。但是在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)工作效率較低，可以和機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)互補(bǔ)。在建造成本上相比機(jī)械推進(jìn)也比較高。混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)中可以在高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)使用機(jī)械推進(jìn)，低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)使用電力推進(jìn)，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也降低了廢氣排放，提高了整個(gè)推進(jìn)系統(tǒng)的工作靈活性。但是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、操作的難度比較大，對(duì)使用人員的要求比較高。

4 混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)方案創(chuàng)新以及實(shí)例分析

4.1 電力/機(jī)械推進(jìn)功率分配合理

工作船在同一作業(yè)時(shí)對(duì)功率的需求不是恒定的，如起錨作業(yè)時(shí)，瞬間拉力上升到150噸，然后再回到低負(fù)荷。類似船舶的電動(dòng)機(jī)功率太小，模式的轉(zhuǎn)換也要在零螺距或低負(fù)載時(shí)完成，操作者直接選擇了機(jī)械推進(jìn)或混合推進(jìn)模式，這就失去電力推進(jìn)最根本的意義?；旌蟿?dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的工作船可以選擇兩臺(tái)4000kW的變頻電機(jī)，在機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)，可以完成絕大多數(shù)的作業(yè)，在電力推進(jìn)系統(tǒng)工作時(shí)也都可以完成。因此，深海工作船的操作者可以使用電力推進(jìn)系統(tǒng)完成所有作業(yè)。這樣既降低了低負(fù)荷作業(yè)的成本，也增加了工作船的工作靈活性。

4.2 機(jī)槳配合的優(yōu)化

根據(jù)以上三種不同推進(jìn)方式，螺旋槳可以對(duì)應(yīng)柴油機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定不同螺距的數(shù)值，該數(shù)值配合了機(jī)槳曲線，保證了螺旋槳的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)設(shè)置增速齒輪箱，在推進(jìn)模式互相轉(zhuǎn)換的過程中，可以減小轉(zhuǎn)移負(fù)荷對(duì)各設(shè)備的磨損。

4.3 實(shí)例分析

根據(jù)上述推進(jìn)方式的介紹，我們對(duì)混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)有了一定的了解，下面以哈弗845為例詳細(xì)論述混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的技術(shù)方案和特點(diǎn)。哈弗845配置了2臺(tái)主柴油機(jī)6000kW@720rpm，4臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組2100kW/臺(tái)，690V 60Hz，2臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)4680kW/臺(tái)，690V 60Hz，2臺(tái)電動(dòng)機(jī)2600kW/臺(tái)，690V 60Hz，2套CPP直徑4600mm最大軸功率為8500kW，1臺(tái)艏部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器1500kW，直徑2050mm，1臺(tái)艏側(cè)推1200kW，直徑2450mm，2臺(tái)艉側(cè)推，分別為1200kW直徑2050mm和1000kW直徑2050mm。當(dāng)船舶在兩個(gè)工作點(diǎn)之間航行時(shí)，功率需求比較低，我們采用電力推進(jìn)，運(yùn)行一臺(tái)主柴油機(jī)，帶動(dòng)本側(cè)的軸帶發(fā)電機(jī)給配電板供電，從而帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行以此驅(qū)動(dòng)螺旋槳。大大降低了燃油消耗和廢氣污染。當(dāng)船舶進(jìn)行起錨或者拖帶作業(yè)時(shí)，需要很大的系柱拉力，我們采用混合動(dòng)力推進(jìn)，二臺(tái)主柴油機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)螺旋槳，發(fā)電機(jī)組向配電板供電，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)給螺旋槳加載，此時(shí)螺旋槳的功率可高達(dá)17000kW，同時(shí)配合全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，拉力可達(dá)到284噸。該船舶可以根據(jù)作業(yè)環(huán)境來選擇不同的推進(jìn)形式，降低污染排放和機(jī)械磨損，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力模式下的安全性。

5 混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展前景和應(yīng)用推廣

綜上所述，傳統(tǒng)的機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)和電力推進(jìn)系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足船舶營運(yùn)者的需求，混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)規(guī)避了缺點(diǎn)：工作船不同作業(yè)工況，保證推進(jìn)效率的前提下，提高了燃油經(jīng)濟(jì)性又降低了廢氣污染，設(shè)備成本也可以讓船東們所接收。結(jié)合目前深海油氣需求量日益增加的背景，混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)在今后的深海工作船中一定能被廣泛應(yīng)用，各船舶營運(yùn)商也需要培訓(xùn)一批能夠熟練使用混合動(dòng)力系統(tǒng)的操作者。對(duì)于船廠而言，根據(jù)不同作業(yè)的工作船，混合動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)的多樣設(shè)計(jì)和安裝也需要進(jìn)一步的研究和革新。

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