電力推進(jìn)系統(tǒng)在9000 HP深水平臺供應(yīng)船的應(yīng)用及其節(jié)能效果分析

李永富

（中海油田服務(wù)股份有限公司，河北燕郊065201）

0 前言

為深入貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)又好又快發(fā)展，國家相繼出臺了《中華人民共和國節(jié)約能源法》、《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》、《國務(wù)院批轉(zhuǎn)節(jié)能減排統(tǒng)計監(jiān)測及考核實(shí)施方案和辦法的通知》。為了實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，節(jié)能降耗工作是國家長遠(yuǎn)發(fā)展的一項基本國策，是企業(yè)打造國際競爭力的一項重要基礎(chǔ)性工作。

中國海油9000 HP深水平臺供應(yīng)船采用節(jié)能型電力推進(jìn)系統(tǒng)，不僅可以節(jié)省燃油、降低成本，還可達(dá)到減少廢氣排放的目的。

1 9000HP深水平臺供應(yīng)船概況

9000 HP深水平臺供應(yīng)船是一型滿足海洋石油行業(yè)普遍要求，可以為海洋石油鉆井平臺作業(yè)及開發(fā)生產(chǎn)提供服務(wù)，能為深水和一般水域的平臺運(yùn)送生產(chǎn)物料并提供救助、守護(hù)等服務(wù)的深水工作船，航行于無限航區(qū)。能為深水和一般水域的海上平臺運(yùn)送和供應(yīng)多種作業(yè)設(shè)備和器材、甲板物資、油水和材料，如：甲板貨供應(yīng)（固/完井物資和材料、鉆井鋼管、鉆桿、平臺生活用品）、液貨供應(yīng)（鉆井淡水、淡水、鉆井泥漿、鹽水、燃油、甲醇）、散料供應(yīng)（散裝水泥、重晶石、土粉）等；船舶能低速巡航守護(hù)于海上作業(yè)裝備（海上石油平臺、大型起重船、大型下水駁船）附近，具備守護(hù)值班和營救作業(yè)能力。

9000 HP深水平臺供應(yīng)船的主推進(jìn)系統(tǒng)采用電力推進(jìn)型式，配備了4臺主發(fā)電機(jī)組，2套管隧式艏側(cè)推裝置，以及2套全回轉(zhuǎn)舵槳。全回轉(zhuǎn)舵槳采用變頻器及變頻推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過電站功率管理系統(tǒng)，可根據(jù)實(shí)際需求負(fù)荷大小決定開啟部分或全部柴油機(jī)，從而每臺柴油機(jī)都能在最佳工況下運(yùn)行，并達(dá)到螺旋槳的最佳推進(jìn)效率。船舶具有良好的操縱性能，能在蒲氏9級風(fēng)浪時安全高效靠泊平臺。此外，還配置了DP2動力定位系統(tǒng)，當(dāng)船舶發(fā)生最大單點(diǎn)故障時，仍能在蒲氏6級風(fēng)，1.5 kn流的海況下安全靠泊平臺。

2 常規(guī)推進(jìn)與電力推進(jìn)系統(tǒng)方案對比

常規(guī)軸系可調(diào)螺距螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)（以下簡稱常規(guī)CPP推進(jìn)系統(tǒng)）與電力推進(jìn)系統(tǒng)均是平臺供應(yīng)船經(jīng)常選用的推進(jìn)型式。常規(guī)CPP推進(jìn)系統(tǒng)的基本組成為：推進(jìn)主機(jī)+齒輪箱+軸系+帶導(dǎo)流管可調(diào)螺距螺旋槳［1］。電力推進(jìn)系統(tǒng)基本組成為：柴油發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器和電動機(jī)推進(jìn)裝置［2］。

9000 HP深水平臺供應(yīng)船采取電力推進(jìn)系統(tǒng)的方案，配置4臺主發(fā)電機(jī)組，電站總功率達(dá)到6680 kW，配置2臺由推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)舵槳，每臺推進(jìn)電機(jī)的輸出功率為2850 kW，此外，為了滿足動力定位作業(yè)的要求，在首部配置了2臺管隧式側(cè)推裝置，每臺功率為1200 kW。如在9000 HP深水平臺供應(yīng)船上設(shè)置常規(guī)CPP推進(jìn)系統(tǒng)，為達(dá)到同樣的航行及動力定位能力，可以設(shè)置2臺主柴油機(jī)。通過增減速齒輪箱驅(qū)動CPP及軸帶發(fā)電機(jī)，并根據(jù)動力定位能力的要求設(shè)置首、尾側(cè)推，側(cè)推的供電來自軸帶發(fā)電機(jī)。在此方案中，主柴油機(jī)的總功率約6620 kW。

在常規(guī)CPP推進(jìn)系統(tǒng)中，推進(jìn)主機(jī)通過齒輪箱及軸系將能量直接傳遞至螺旋槳，功率傳遞的路徑簡單，傳動效率較高。而在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，柴油機(jī)作為原動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，向驅(qū)動主推進(jìn)器的電動機(jī)提供電力，這種推進(jìn)方式的能量傳遞過程比較復(fù)雜，先由柴油機(jī)組把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再由電動機(jī)把電能轉(zhuǎn)換為推進(jìn)器的機(jī)械能，傳遞的效率相對較低。因此，從能量傳遞的角度而言，常規(guī)CPP推進(jìn)系統(tǒng)的效率高于電力推進(jìn)系統(tǒng)。

但是，對于船舶推進(jìn)系統(tǒng)而言，對其能效的分析應(yīng)當(dāng)結(jié)合航行和作業(yè)等各種工況的具體需求進(jìn)行。電力推進(jìn)系統(tǒng)在?？科脚_和采用動力定位時優(yōu)勢極其明顯，常規(guī)CPP推進(jìn)的船舶在停靠平臺時，不僅要使用尾側(cè)推，耗費(fèi)額外的功率能量，而且需要螺旋槳采用一進(jìn)一倒車的方式產(chǎn)生力矩，和/或借助舵葉產(chǎn)生橫向推力，這些都浪費(fèi)大量功率和能量。而電力推進(jìn)系統(tǒng)可借助全回轉(zhuǎn)舵槳，在任何時候都能達(dá)到功率最佳配置，這樣會降低燃油消耗。據(jù)SIEMENS專家統(tǒng)計分析，同功率的船電力推進(jìn)要比常規(guī)CPP推進(jìn)耗油減少10%左右。

國際知名電力推進(jìn)系統(tǒng)集成商ABB公司經(jīng)過長期跟蹤統(tǒng)計得出，一艘中大型電力驅(qū)動的供應(yīng)船比常規(guī)CPP推進(jìn)的船型每年可節(jié)約燃油約700 t，每年可節(jié)約人民幣約 455萬元［3］。

3 9000HP深水平臺供應(yīng)船推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能效果分析

3.1 不同工況下兩種推進(jìn)型式油耗對比

結(jié)合深水平臺供應(yīng)船的作業(yè)實(shí)際，可以將其作業(yè)工況分為4種，其中全速航行和經(jīng)濟(jì)航速航行工況下兩種推進(jìn)型式（常規(guī)CPP推進(jìn)、電力推進(jìn)）的輸出功率均基本相同，無需比較。而在靠泊平臺和守護(hù)巡航二種工況下，兩種推進(jìn)型式的主機(jī)耗油量不同。通過對中國海油船舶事業(yè)部運(yùn)營船舶的實(shí)際作業(yè)情況進(jìn)行統(tǒng)計，每年主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時間平均為5000 h，各種作業(yè)工況運(yùn)行時間比例見表1。

表1 深水平臺供應(yīng)船的典型工作特性和比例表

3.1.1 靠泊平臺工況

根據(jù)中國海油9000 HP深水平臺供應(yīng)船在靠泊作業(yè)工況時，分析不同推進(jìn)方式燃油消耗統(tǒng)計情況見表2。其中，配置常規(guī)CPP推進(jìn)的船舶在靠泊平臺時，首、尾側(cè)推同時運(yùn)行，并且由于CPP本身在產(chǎn)生側(cè)向推力時效率較低，故主機(jī)負(fù)荷率相對較高，2臺主機(jī)均需運(yùn)行于85%負(fù)荷的狀態(tài)下。而配置電力推進(jìn)系統(tǒng)的船舶在靠泊平臺時，全回轉(zhuǎn)舵槳可以有效提供足夠的側(cè)向推力，故其功率消耗僅占電站總功率的60%左右，此時，全船電站僅運(yùn)行3臺機(jī)組即可滿足要求，并且3臺機(jī)組的柴油機(jī)均能以80%左右的負(fù)荷率運(yùn)行于燃油耗率較低的區(qū)間。

表29000 HP深水平臺供應(yīng)船靠泊平臺工況下兩種推進(jìn)方式油耗對比表

3.1.2 守護(hù)巡航工況

對于9000 HP深水供應(yīng)船，守護(hù)巡航航速通常在3 kn左右的時候，只需要約1200 kW的推進(jìn)功率。對于采用常規(guī)CPP推進(jìn)系統(tǒng)的船舶而言，這意為著需要使主機(jī)運(yùn)行于低負(fù)荷狀態(tài)。而采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，1臺主發(fā)電機(jī)組發(fā)電，通過配電系統(tǒng)，就可驅(qū)動2個全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，同時能夠承擔(dān)此工況下船舶自身的用電負(fù)荷。深水作業(yè)的船舶，由于水深的原因，原則上不能拋錨，而采取低速巡航的方式，每年巡航時間約在18%。在此工況下采用兩種推進(jìn)方式的油耗差異詳見表3。

表39000 HP深水平臺供應(yīng)船低速巡航工況時兩種推進(jìn)方式油耗對比表

3.2 9000 HP深水平臺供應(yīng)船節(jié)能效果分析

通過上文對比，結(jié)合中國海油船舶事業(yè)部船舶使用的具體工況可知，在相同推進(jìn)功率配置的前提下，9000 HP深水供應(yīng)船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，在靠泊平臺作業(yè)時每年可節(jié)約燃油297 t，節(jié)省費(fèi)用267.3萬元；在守護(hù)巡航工況下，電力推進(jìn)系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢依然明顯，每艘船每年可節(jié)約燃油46.4 t，節(jié)約費(fèi)用41.8萬元。在采用電力推進(jìn)方案時，每艘船每年共可節(jié)省燃油343.4 t，節(jié)約費(fèi)用309.1萬元，體現(xiàn)出明顯的節(jié)能效果，具有巨大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

9000HP深水平臺供應(yīng)船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，對于提高船舶的安全性能和環(huán)境保護(hù)方面是有利的，也是符合國家環(huán)保和節(jié)能政策及公司的相關(guān)節(jié)能減排要求。對于這種推進(jìn)方式的投入，盡管其對船舶設(shè)計、建造技術(shù)要求高(特別是變頻裝置)，設(shè)備購置一次性投入成本增加15%～20%，但從使用角度而言，電力推進(jìn)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)不同作業(yè)要求時的多種操縱模式并能避免長軸系帶來的問題，提高了船舶作業(yè)的安全性，增強(qiáng)了船舶生命力，可提高船舶在航率，同時能夠使各柴油機(jī)長期處于最佳的工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到最佳的節(jié)能減排效果。目前國際上的供應(yīng)船基本都采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，中國海油的平臺供應(yīng)船配置電力推進(jìn)系統(tǒng)，有助于適應(yīng)未來市場競爭的要求［4］。

4 結(jié)語

9000 HP深水平臺供應(yīng)船采用的電力推進(jìn)方案能夠保證船舶操縱更靈活、作業(yè)更安全、設(shè)備能在最佳工況發(fā)揮作用，雖然設(shè)計、建造的難度和初始投入都有所增加，但對船舶營運(yùn)的全生命周期而言，電力推進(jìn)系統(tǒng)在節(jié)能減排及作業(yè)可靠性方面的優(yōu)勢能夠幫助船舶獲得更好的經(jīng)濟(jì)性及市場競爭力。

［1］池波，李永富.深水三用工作船動力系統(tǒng)研究［J］.船電技術(shù)，2013（4）：58-61.

［2］周國平.電力推進(jìn)油田守護(hù)船設(shè)計研究［J］.中國造船，2009（9）：18-32.

［3］Alf Kare Adnanes.Maritime Electrical Installations And Diesel Electric Propulsion［Q］.ABB AS Marine，April 2003.

［4］蔡鈿.電力推進(jìn)技術(shù)在海洋支持船中的應(yīng)用［J］.船電技術(shù)，2012（12）：62-65.

【新聞】

聚焦智能關(guān)鍵技術(shù) 展望船舶發(fā)展未來——智能船舶創(chuàng)新論壇在滬舉辦

2017年12月5日，中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司主辦、上海船舶研究設(shè)計院（上船院）承辦的智能船舶創(chuàng)新論壇吸引了150位專業(yè)聽眾前來聆聽。論壇由上船院副院長房泉主持，9位嘉賓圍繞智能船舶技術(shù)發(fā)展、船舶智能系統(tǒng)集成新模式、海事業(yè)的智能化解決方案及數(shù)字化轉(zhuǎn)型等作主題演講。

中國智能船舶創(chuàng)新聯(lián)盟秘書長、上船院院長胡勁濤以《智能船舶及其關(guān)鍵技術(shù)》為題，介紹了智能船舶從智能互聯(lián)1.0階段發(fā)展到2.0智能物聯(lián)階段，最終實(shí)現(xiàn)船岸港互聯(lián)、完全無人自主操作的3.0階段的路徑。他指出，影響智能船舶發(fā)展的關(guān)鍵因素，包括感知技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)及信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全、通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、船舶設(shè)計及建造技術(shù)等。通信技術(shù)是智能船舶實(shí)現(xiàn)船岸通信、船船通信的關(guān)鍵，而人工智能則是實(shí)現(xiàn)無人自主船的基礎(chǔ)。

中國船舶工業(yè)系統(tǒng)研究院海洋智能技術(shù)中心主任邱伯華分享了船舶智能系統(tǒng)集成新模式。新模式是從船舶系統(tǒng)集成到服務(wù)集成的轉(zhuǎn)變，從船東需要的全面信息感知出發(fā)，為其定制化個性化判斷能力。日本郵船株式會社技術(shù)副總經(jīng)理山本泰說，數(shù)字化是下一個技術(shù)經(jīng)濟(jì)大浪潮。他分享了日本郵船運(yùn)用大數(shù)據(jù)手段，提升船隊運(yùn)營表現(xiàn)的嘗試，展望了未來智能船舶領(lǐng)域的發(fā)展與挑戰(zhàn)。中國船級社規(guī)范和技術(shù)中心總經(jīng)理陳實(shí)從技術(shù)、規(guī)范的角度，以《船舶智能化對船舶制造業(yè)帶來的挑戰(zhàn)》為題，提出了船舶智能化對船舶制造業(yè)提出的多重挑戰(zhàn)，包括場景感知設(shè)備和能力、自主航行控制功能開發(fā)與系統(tǒng)集成、動力系統(tǒng)的可靠性、自主靠離泊的可實(shí)現(xiàn)性、信號系統(tǒng)的保障能力、網(wǎng)絡(luò)安全以及系統(tǒng)與實(shí)船功能及可靠性驗證等因素都將對船舶智能化提出重大考驗。英國勞氏船級社是船舶智能化的急先鋒之一。英國勞氏集團(tuán)海洋與海工總裁尼克·布朗從智能船舶帶來的關(guān)鍵收益、關(guān)鍵挑戰(zhàn)、關(guān)鍵技術(shù)等方面介紹了對智能船舶的理解，分享了為智能船舶的安全、賽博安全領(lǐng)域作的準(zhǔn)備。

作為全球首艘智能船舶的建造商，中船黃埔文沖船舶有限公司副總經(jīng)理王毅詳細(xì)介紹了iDOLPHIN 38800的智能與性能優(yōu)勢，并從智能船舶的智能系統(tǒng)、智能符號、集成平臺、智能航行和智能運(yùn)維系統(tǒng)等方面分析了智能船舶建造與調(diào)試的難點(diǎn)?？凳坎瘓F(tuán)海事自主技術(shù)總監(jiān)Peter Due分享了自主船舶綠色、高效、安全的設(shè)計理念，從自主船舶取得的成就、船舶安全、船舶數(shù)字化、船舶能源存儲與優(yōu)化、船舶操作與管理方面介紹了對自主船舶的理解以及取得的成績。滬東重機(jī)有限公司周偉中站在設(shè)備商的角度，圍繞《船用低速柴油機(jī)的數(shù)字化與智能化》主題，介紹了船舶智能化為船機(jī)帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。他表示，隨著“工業(yè)4.0”及“中國制造2025”的推進(jìn)實(shí)施，智能制造在我國加速發(fā)展，特別是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展、大數(shù)據(jù)集成、人工智能推廣使智能制造有了很好的基礎(chǔ)，并在船舶領(lǐng)域紛紛布局。未來，運(yùn)營船舶將從短期有人逐漸向長期無人過度；近?；蚨掏緡H航線率先實(shí)現(xiàn)無人；碼頭檢修服務(wù)公司，遠(yuǎn)程診斷業(yè)務(wù)出現(xiàn)；研發(fā)、設(shè)計、智能設(shè)備在整個產(chǎn)業(yè)鏈的占比將逐漸增加，最終，船機(jī)智能將實(shí)現(xiàn)一體化。羅爾斯-羅伊斯海事數(shù)字化及系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)理Jann Peter Strand博士從勢態(tài)感知、自動靠泊、遠(yuǎn)程自主船舶等角度介紹在智能船舶領(lǐng)域的研究，并從安全、商業(yè)等多個方面分享了對智能船舶發(fā)展的思考。

上船院副院長房泉表示，未來智能船舶的功能將不斷完善，每個功能的智能化水平也將不斷提升，智能船舶技術(shù)的應(yīng)用范圍也將從運(yùn)輸船擴(kuò)展到豪華郵輪和海工船等特種船舶領(lǐng)域。各方需攜手同行，推動智能船從船舶、船岸、港口、碼頭互動發(fā)展，推進(jìn)新一代智能商船的誕生。