海洋工程輔助船動(dòng)力裝置簡(jiǎn)介

摘 要：海洋工程輔助船是集成多種功能的為海洋石油鉆采平臺(tái)提供服務(wù)的專用船舶。根據(jù)不同功能海洋工程輔助船主要分為：平臺(tái)供給船（PSV）和操錨供應(yīng)拖船（AHTS）兩大類，并根據(jù)業(yè)主不同需求有針對(duì)性增加功能性設(shè)備如：水下機(jī)器人收放、海面溢油回收、直升機(jī)起降等。下面進(jìn)行詳細(xì)的分析與總結(jié)。

關(guān)鍵詞：海洋工程輔助船；動(dòng)力裝置；研究分析

1 海洋平臺(tái)輔助船動(dòng)力裝置

平臺(tái)輔助船動(dòng)力裝置具有使用工況多負(fù)荷變化大等特點(diǎn)，以一條70m總長(zhǎng)的AHTS為例其使用工況分為：低速航行、正常航行、拖帶拖航、靠離平臺(tái)、對(duì)外供給作業(yè)、海面溢油回收、對(duì)外消防作業(yè)：

低速航行，螺旋槳推進(jìn)所需功率2060kW+輔助設(shè)備耗電279.6kW，Total 2339.6kW。

正常航行，螺旋槳推進(jìn)所需功率4378kW+輔助設(shè)備耗電279.6kW，Total 4657.6kW。

拖航拖帶，螺旋槳推進(jìn)所需功率5150kW+輔助設(shè)備耗電426.1kW，Total 5576.1kW。

對(duì)外消防，螺旋槳推進(jìn)所需功率2060kW+機(jī)帶消防泵所需功率1626kW+輔助設(shè)備耗電265.6kW+艏側(cè)推1耗電557.5kW+艏側(cè)推2耗電369.6kW+艉側(cè)推耗電369.6kW+輔助設(shè)備耗電434.5kW，Total 5248.3kW。

靠離平臺(tái)，螺旋槳推進(jìn)所需功率500kW+輔助設(shè)備耗電426.1kW+艏側(cè)推1耗電557.5kW+艏側(cè)推2耗電369.6kW+艉側(cè)推耗電369.6kW+輔助設(shè)備耗電434.5kW，Total 2231.2kW。

補(bǔ)給作業(yè)，螺旋槳推進(jìn)所需功率500kW+輔助設(shè)備耗電426.1kW+艏側(cè)推1耗電557.5kW+艏側(cè)推2耗電369.6kW+艉側(cè)推耗電369.6kW+輔助設(shè)備耗電740.9kW，Total 2537.6kW。

溢油回收，螺旋槳推進(jìn)所需功率500kW+輔助設(shè)備耗電379.6kW，Total 879.6kW。

在選型時(shí)為滿足拖帶航行動(dòng)力裝置裝機(jī)容量要滿足最大負(fù)荷，但在船舶慢速航行工況時(shí)，設(shè)備負(fù)載率會(huì)處于較低水平。而動(dòng)力裝置處于低負(fù)荷運(yùn)行（尤其是柴油機(jī)）對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及使用壽命都會(huì)造成一定的影響，為此海洋工程輔助船舶動(dòng)力裝置有如下幾種配置。

2 柴油機(jī)推進(jìn)，雙機(jī)雙可調(diào)槳及軸帶發(fā)電機(jī)動(dòng)力裝置

如圖1所示中速或中高速柴油機(jī)通過(guò)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng)可調(diào)螺距螺旋槳，并通過(guò)減速齒輪箱上的動(dòng)力輸出分支（PTO，Power Take Off）帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)組。

可調(diào)螺距槳可以在轉(zhuǎn)速不變的情況下通過(guò)調(diào)整螺距而改變推力大小使柴油機(jī)負(fù)荷在較大范圍內(nèi)變化時(shí)轉(zhuǎn)速保持恒定，進(jìn)而使軸帶發(fā)電機(jī)輸出電的頻率及電壓穩(wěn)定。

在螺旋槳需要發(fā)出大推力時(shí)，主機(jī)的大部分或全部功率都用于船舶推進(jìn)；而在螺旋槳只需發(fā)出較低推力時(shí)，主機(jī)輸出的功率除少部分用于推進(jìn)外，其余可用于驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)為全船其他設(shè)備供電。這樣既能保證主機(jī)在低推進(jìn)工況下的負(fù)荷水平較理想，同時(shí)也可減少柴油發(fā)電機(jī)組的使用率而降低燃料消耗：

雙推進(jìn)柴油機(jī)+雙減速齒輪箱+雙軸帶發(fā)電機(jī)+雙CPP槳?jiǎng)恿ρb置

主機(jī)：8L26 2720kW@1000rpmx2sets；軸帶發(fā)電機(jī)：1000kWx2set

s；發(fā)電機(jī)組：280ekWx2 sets；軸系及調(diào)距槳x2 sets；艏側(cè)推：610kWx1 set+400kWx1 set：艉側(cè)推：400x1 set。

低速航行：?jiǎn)沃鳈C(jī)運(yùn)行負(fù)荷86.01%+單軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷27.96%。

正常航行：左舷主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷90.76%+軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷27.96%。

右舷主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷80.48%。

拖航拖帶：主機(jī)雙機(jī)運(yùn)行用于推進(jìn)，負(fù)荷率為94.67%x2。

發(fā)電機(jī)組全部運(yùn)行供電，負(fù)荷率為76.09%x2。

對(duì)外消防：雙主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷67.75%x2+雙軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷78.12%x2。

靠離平臺(tái)：雙主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷41.01%x2+雙軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷86.56%x2。

補(bǔ)給作業(yè)：雙主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷40.61%x2+雙軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷85.46%x2。

溢油回收：?jiǎn)沃鳈C(jī)運(yùn)行負(fù)荷32.34%+單軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷37.96%。

使用軸帶發(fā)電機(jī)組彌補(bǔ)了主機(jī)在低推進(jìn)負(fù)荷時(shí)的單機(jī)負(fù)荷率水平，但在靠離平臺(tái)、供給作業(yè)和溢油回收工況下仍然較低，只占額定負(fù)荷的30%～40%。

3 電力推進(jìn)，發(fā)電機(jī)組加全回轉(zhuǎn)舵槳?jiǎng)恿ρb置

電力傳動(dòng)省去了推進(jìn)軸系不僅節(jié)省了機(jī)艙艉部空間，同時(shí)也解決了軸系扭震引起的振動(dòng)。電力推進(jìn)船舶廣泛采用了全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，即推進(jìn)器可實(shí)現(xiàn)在與螺旋槳盤面垂直的平面內(nèi)360°回轉(zhuǎn)。較典型的電力推進(jìn)系統(tǒng)配置為：柴油發(fā)電機(jī)組、變頻器及控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。

由于艉部安裝有全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，當(dāng)進(jìn)行動(dòng)力定位操作需要向船艉及船艉側(cè)向同時(shí)產(chǎn)生推力時(shí)，之前由推進(jìn)螺旋槳+舵系及艉側(cè)推同時(shí)運(yùn)行的效果，現(xiàn)在通過(guò)艉部的兩臺(tái)或單臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器根據(jù)控制系統(tǒng)計(jì)算出的合力及合力作用方向按所需角度發(fā)出相應(yīng)推力實(shí)現(xiàn)。

同時(shí)，由于控制系統(tǒng)可將全船電網(wǎng)所需負(fù)荷平均分擔(dān)到每臺(tái)發(fā)電機(jī)組上，并可根據(jù)每臺(tái)發(fā)電機(jī)組實(shí)際分擔(dān)的負(fù)荷自動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)啟停、卸荷、并網(wǎng)等操作，確保了每臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷率保持在較理想的水平。

4 全回轉(zhuǎn)舵槳電力推進(jìn)動(dòng)力裝置

主發(fā)電機(jī)組：8M20C 1300ekW@900rpmx5sets；全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器：2500kWx2 sets；艏部固定側(cè)推：610kWx1 set+艏部收放式全回轉(zhuǎn)側(cè)推：400kWx1 set。

低速航行：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷89.98%x2；

正常航行：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷89.57%x4；

拖航拖帶：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷85.79%x5；

對(duì)外消防：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷94.45%x4；

靠離平臺(tái)：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷76.28%x2；

補(bǔ)給作業(yè)：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷88.07%x2；

溢油回收：主發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷67.66%x1；

在各種工況下不僅每臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率水平較理想，而且由于船艉用兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器取代了推進(jìn)螺旋槳及艉側(cè)推，在靠離平臺(tái)和供給作業(yè)工況下，船舶所需總負(fù)荷均有所降低。

電力推進(jìn)動(dòng)力裝置系統(tǒng)需要解決的技術(shù)問(wèn)題在于推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變速控制。由于海洋工程輔助船電力推進(jìn)系統(tǒng)中驅(qū)動(dòng)電機(jī)的單機(jī)功率不很高（基本小于5MW），因此多采用異步（感應(yīng)）形式的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。而系統(tǒng)中用于將發(fā)電機(jī)組輸入船舶電網(wǎng)的固定電壓與頻率按照電機(jī)調(diào)速要求轉(zhuǎn)換為可變的電壓與頻率的變頻器，多采用電壓源逆變器的布局形式。電壓源逆變器由整流器、帶穩(wěn)壓電容器的直流環(huán)節(jié)及作為核心器件的逆變器裝置組成。直流環(huán)節(jié)必要時(shí)還可配備斬波器以消耗因航速劇變或船舶急停狀態(tài)下的螺旋槳自轉(zhuǎn)慣性力所產(chǎn)生的反饋能量。

5 基于軸帶發(fā)電/助動(dòng)電機(jī)的柴-電混合推進(jìn)動(dòng)力裝置

柴-電混合動(dòng)力裝置的一種形式，是在雙柴油機(jī)雙軸系調(diào)距槳及軸帶發(fā)電機(jī)動(dòng)力裝置基礎(chǔ)上，通過(guò)可雙向使用的軸帶發(fā)電/助推系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。此系統(tǒng)中的軸帶發(fā)電機(jī)既可以由推進(jìn)柴油機(jī)動(dòng)力分支輸出（PTO）驅(qū)動(dòng)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行供電，同時(shí)也可以由船舶電網(wǎng)對(duì)其供電作為動(dòng)力分支輸入（PTI）單獨(dú)或與主柴油機(jī)合力驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)。

6 柴-電混合動(dòng)力推進(jìn)裝置（PTI/PTO）

主機(jī)：8L26 2720kW@1000rpmx2sets；軸帶發(fā)電機(jī)（PTI/PTO）：1200kWx2sets；發(fā)電機(jī)組：900ekWx3 sets；艏側(cè)推：610kWx1 set+400kWx1 set 艉側(cè)推：400x1 set

低速航行：發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷86.65%x3，并驅(qū)動(dòng)軸帶助動(dòng)電機(jī)（PTI）運(yùn)行負(fù)荷85.83%；

正常航行：左舷主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷90.76%+軸帶發(fā)電機(jī)（PTO）運(yùn)行負(fù)荷27.96%；

右舷主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷80.48%；

拖航拖帶：主機(jī)雙機(jī)運(yùn)行用于推進(jìn)，負(fù)荷率為94.67%x2；

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷47.34%x1

（發(fā)電機(jī)組剩余負(fù)荷可用于降低主機(jī)負(fù)載至燃油經(jīng)濟(jì)點(diǎn)或增大拖航推力）；

靠離平臺(tái)：發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷82.64%x3，并驅(qū)動(dòng)軸帶助動(dòng)電機(jī)（PTI）運(yùn)行負(fù)荷41.66%；

補(bǔ)給作業(yè)：發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷93.99%x3，并驅(qū)動(dòng)軸帶助動(dòng)電機(jī)（PTI）運(yùn)行負(fù)荷41.66%；

溢油回收：發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷97.73%x1，并驅(qū)動(dòng)軸帶助動(dòng)電機(jī)（PTI）運(yùn)行負(fù)荷41.66%；

對(duì)外消防：雙主機(jī)運(yùn)行負(fù)荷96.48%x2+雙軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷65.10%x2；

從上可以看出其動(dòng)力配置與柴油機(jī)推進(jìn)雙機(jī)雙槳配置相比較，僅增加了柴油發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量以及軸帶發(fā)電/助動(dòng)電機(jī)的容量和相應(yīng)控制系統(tǒng)。在低速航行、靠離平臺(tái)、供給作業(yè)工況下，可只運(yùn)行柴油發(fā)電機(jī)組通過(guò)控制系統(tǒng)為軸帶發(fā)電/助動(dòng)電機(jī)供電驅(qū)動(dòng)螺旋槳推進(jìn)和為全船電網(wǎng)供電，即電力推進(jìn)模式；在正常航行及對(duì)外消防作業(yè)工況時(shí)可只運(yùn)行主推進(jìn)柴油機(jī)、減速齒輪箱及調(diào)距槳推進(jìn)系統(tǒng)，并通過(guò)主機(jī)PTO驅(qū)動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)供電，即柴油機(jī)推進(jìn)模式；在拖航拖帶工況下船舶需要達(dá)到足夠的系柱拉力，主柴油機(jī)運(yùn)行的同時(shí)增開(kāi)柴油發(fā)電機(jī)組為設(shè)備供電。

基于以上動(dòng)力裝置形式的Hybrid Shaft Generator技術(shù)，使船舶調(diào)距槳的推進(jìn)效率及燃油消耗均有進(jìn)一步的改善。如上所述在配有軸帶發(fā)電機(jī)的動(dòng)力裝置中，為使軸帶發(fā)電機(jī)輸出的電能可以持續(xù)穩(wěn)定的并入船舶電網(wǎng)為全船供電，主柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速需要保持恒定，推進(jìn)器發(fā)出推力大小的控制僅通過(guò)改變其螺距實(shí)現(xiàn)。而螺旋槳在不同螺距下配以不同的轉(zhuǎn)速，其推進(jìn)效率才能達(dá)到最佳狀態(tài)。另外，通過(guò)主機(jī)與螺旋槳的聯(lián)合曲線也可以看出，在一定范圍內(nèi)主機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，燃油消耗率隨著輸出功率的下降而增加的。

主機(jī)在一定負(fù)荷下驅(qū)動(dòng)螺旋槳并帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)螺旋槳轉(zhuǎn)速不變而螺距減小軸帶發(fā)電機(jī)負(fù)荷不變時(shí)，主機(jī)的油耗率隨輸出功率的減小而增加。只有當(dāng)主機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之減小到相應(yīng)轉(zhuǎn)速下，油耗率才會(huì)隨之減小，但主機(jī)轉(zhuǎn)速的改變勢(shì)必會(huì)引起軸帶發(fā)電機(jī)輸出電能的不穩(wěn)定而無(wú)法并網(wǎng)。

Hybrid Shaft Generator技術(shù)即解決了這一問(wèn)題，該系統(tǒng)可以通過(guò)變頻控制裝置在較大范圍內(nèi)彌補(bǔ)因主機(jī)轉(zhuǎn)速的變化引起的軸帶發(fā)電機(jī)輸出電能的不穩(wěn)定。同時(shí)當(dāng)軸帶發(fā)電機(jī)作為助動(dòng)電機(jī)使用時(shí)，還可以將電網(wǎng)的固有頻率轉(zhuǎn)換為根據(jù)螺旋槳螺距達(dá)到最佳推進(jìn)效率所需轉(zhuǎn)速時(shí)的頻率。

作者簡(jiǎn)介：黃柏凱（1984-），男，天津人，工作單位：上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，職務(wù)：設(shè)計(jì)師，研究方向：船舶及海洋工程。