中大型AHTS推進及電站系統(tǒng)的配置分析

胡 鵬

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

中大型AHTS推進及電站系統(tǒng)的配置分析

胡 鵬

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

三用工作船（Anchor Handling Tug Supply Vessel，AHTS）不僅能對鉆井平臺等大型結(jié)構(gòu)物進行遠洋拖航、起拋錨作業(yè)和供應(yīng)物資，而且能在特定情況下用作緊急救援船。AHTS在不同作業(yè)工況（如拖帶作業(yè)、全速航行、經(jīng)濟航行、動力定位作業(yè)等）下所需求的動力和用電負荷有很大區(qū)別，若在設(shè)計初期綜合考慮各種作業(yè)工況，并根據(jù)各種作業(yè)工況下的負荷情況來合理配置推進及電站系統(tǒng)，則可在保證船舶正常作業(yè)的同時降低船舶初期投入成本和后期使用成本。結(jié)合中大型AHTS的工作特點，對2種主流的推進及電站系統(tǒng)配置進行深入分析，研究探討在今后設(shè)計中如何選擇和優(yōu)化推進及電站系統(tǒng)的配置。

動力機械工程；中大型；三用工作船（AHTS）；軸帶發(fā)電機；推進

0 引 言

三用工作船（Anchor Handling Tug Supply Vessel，AHTS）又稱錨作拖船，不僅能對鉆井平臺等大型結(jié)構(gòu)物進行遠洋拖航、起拋錨作業(yè)和供應(yīng)物資，而且能在特定情況下用作緊急救援船。

正是由于其功能的多樣性，AHTS在營運時有多種作業(yè)工況，如拖帶作業(yè)、全速航行、經(jīng)濟航行及動力定位（Dynamic Positioning，DP）作業(yè)等。在不同的作業(yè)工況下，AHTS需求的動力和用電負荷有很大區(qū)別。因此，若在設(shè)計初期綜合考慮各種作業(yè)工況，并根據(jù)各種作業(yè)工況下的負荷情況合理配置推進及電站系統(tǒng)，則可在保證AHTS正常作業(yè)的同時降低AHTS初期投入成本和后期使用成本。

對此，按照ATHS不同的作業(yè)工況，結(jié)合目前應(yīng)用較廣的推進及電站系統(tǒng)的配置情況進行分析和探討。

1 AHTS推進及電站系統(tǒng)的選擇

拖帶是AHTS的主要用途之一，拖帶能力的大小是衡量AHTS能力最重要的參數(shù)[1]。因此，在推進系統(tǒng)的選擇上首先要保證AHTS有足夠的拖力（即保證其有足夠的推進功率）。在綜合考慮螺旋槳直徑、導(dǎo)流罩型式等相關(guān)因素[2]之后，可確定推進系統(tǒng)中重要的一環(huán)——推進系統(tǒng)輸入功率。

而在電站系統(tǒng)的配置上，需要綜合多種工況并按用電負荷最高的情況來選擇。從眾多接觸的項目來看，大多數(shù)按照DP作業(yè)需求功率來確定。

在確定主要參數(shù)之后，即可通過合理搭配主機功率和輔機功率來滿足要求。目前市場上比較主流的配置方式有以下2種：

1) 推進功率完全由主機輸出，且主機帶有軸帶發(fā)電機用于滿足電力系統(tǒng)需求；

2) 由輔機給推進系統(tǒng)補充動力，從而降低主機功率。

以下通過對2個項目的工作模式進行分析來說明2種配置方式的特點和不同。

③資料來源于中國鄉(xiāng)村旅游網(wǎng)：http：//www.crttrip.com/showinfo-13-1578-0.html.《看看浪漫的法國是如何搞鄉(xiāng)村旅游的？》。

2 配置PTO軸帶發(fā)電機

動力輸出裝置（Power Take-Off，PTO）可用于多種場合，這里專指用于軸帶發(fā)電機。

目前大部分中大型AHTS的主機最大功率是按照系柱拖力（Bollard Pull，BP）最大時所需的最大推進功率選取的。而在其他作業(yè)模式下，推進功率需求要小一些。為使燃油經(jīng)濟性更好，引入了PTO軸帶發(fā)電機。上海迪斯安船舶設(shè)計有限公司研發(fā)設(shè)計的中型AHTS(SPA150)用的就是這種模式。

SPA150的推進及電站配置情況為：主機功率（100% MCR），2×4500kW；PTO軸帶發(fā)電機功率，2×1500kW；輔發(fā)電機組功率，2×500kW；調(diào)距槳（Control Pitch Propeller，CPP）最大推進功率，2×4500kW。

為保證1.5×106N的最大BP，該船選用2臺4500kW的主機。在最大BP模式下，主機的功率全部用來作為推進動力，電站系統(tǒng)由1臺或2臺輔發(fā)電機組供電。該模式下的功率分配情況見圖1（圖中未考慮過程效率損失，下同）。

但是，盡管最大 BP是衡量AHTS的重要指標(biāo)，但實際上最大BP的工況僅占船舶的部分使用時間(15%左右)[3]，船舶大部分時間處于航行狀態(tài)，如往返于港口與平臺之間。這時船舶需要以一個相對經(jīng)濟的航速航行，推進功率要低于主機的最大功率。

由主機的油耗曲線（見圖2）可知：主機在較高負荷運行時，單位油耗較低。因此，更希望主機運行在一個較高的負荷點，且船上輔發(fā)電機組（一般為高速機）的單位油耗會略高于主機單位油耗。

軸帶發(fā)電機正是出于上述目的而增加的。主機在給船舶提供推進所需動力的同時，還額外輸出一部分功率至軸帶發(fā)電機，供電給其他用電設(shè)備。這樣不僅輔發(fā)電機組不需要運行，主機也運行在單位油耗較低的高負荷點，進而達到省油的目的。此種工況下的功率分配情況見圖3（圖中功率數(shù)值僅為示意，下同）。

此外，這類海工輔助船經(jīng)常需要使用動力定位功能，且目前大部分船東會要求船舶具有二級動力定位能力。為此，船上一般會安裝2臺艏側(cè)推和1～2臺艉側(cè)推。

若僅由輔發(fā)電機組給這些側(cè)推器供電，則輔發(fā)電機組的功率會很大；而若由主機帶動軸帶發(fā)電機供電，則在省油的同時還能減小輔發(fā)電機組的總功率，從而降低成本。

DP模式下的功率分配情況見圖4。側(cè)推被分為2組，分別由1臺軸帶發(fā)電機供電。其他輔助設(shè)備也被分為2組，由2臺輔發(fā)電機組供電。

由以上分析可知，相較于沒有軸帶發(fā)電機的狀態(tài)，配置軸帶發(fā)電機的船舶無論是在初期投資成本上還是在后期使用成本上都有很大的優(yōu)勢。

3 配置PTO/PTI

PTI（Power-Take-In）意在主機功率不足或出現(xiàn)故障時由輔發(fā)電機組提供電源驅(qū)動電動機帶動螺旋槳。

配置PTO/PTI也是現(xiàn)在中大型AHTS另一個比較常見的做法。其除了具備僅配置PTO船舶的特點之外，還擁有更多的功率分配方式，使船舶使用更為靈活和經(jīng)濟。

某大型AHTS的最大BP為2.5×106N，就使用了這樣的配置。其推進及電站配置情況為：主機功率（100% MCR），2×8000kW；PTO功率，2×4500kW；PTI功率，2×2000kW；輔發(fā)電機組功率，2×1900kW；CPP最大推進功率，2×9000kW。

從以上參數(shù)中可以看出，該船在最大BP下需要的推進功率為2×9MW，大于主機所能輸出的最大功率2×8MW。額外的推進功率由PTI電動機來提供。該船最大BP模式下的功率分配（見圖5）與SPA150略有不同。

有時船舶還需處于一個較低航速的航行狀態(tài)。盡管主機可發(fā)出一部分功率用于軸帶發(fā)電機發(fā)電，從而提高主機的運轉(zhuǎn)負荷點，但因為推進需求功率太小，使得主機仍然運行在一個單位油耗較高的負荷點上，而PTO/PTI的存在恰好可優(yōu)化這一點。低速航行狀態(tài)下的功率分配情況見圖6。

圖6中，一個螺旋槳的動力直接由一臺主機通過機械傳動提供，另外一個螺旋槳的動力由同一臺主機經(jīng)過軸帶發(fā)電機帶動電動機提供；同時，船上其他負載的電源也由該主機帶動軸帶發(fā)電機提供，從而使主機運行在負荷相對較高、單位油耗低的負荷點，達到省油的目的。

此外，當(dāng)船舶在極低速狀態(tài)下航行或主機出現(xiàn)故障時，2個螺旋槳的動力可完全由輔發(fā)電機組提供。這種模式有時被稱為 PTH（Power-Take-Home[4]）或Take-Me-Home，大大增加了船舶的保險系數(shù)。PTH模式下的功率分配情況見圖7。

當(dāng)然，在獲得低油耗及操作更靈活的同時，配置PTO/PTI船舶的初期投資成本要高于僅配置PTO的船舶。

4 結(jié) 語

隨著海洋油氣開發(fā)加速向深水、超深水領(lǐng)域發(fā)展，作為重要的海洋工程輔助船的AHTS也正朝著大型化和多功能化方向發(fā)展，這對其動力系統(tǒng)提出了更高的要求[5]。我國已是海工輔助船最大的制造國，但在設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域還遠遠落后于歐洲國家，主要歐洲國家在設(shè)計船舶時更接近船舶操作人員，更了解船舶的各種作業(yè)工況，能設(shè)計出更令客戶滿意的方案。因此，船舶設(shè)計人員應(yīng)充分了解所設(shè)計的船舶需要具備哪些功能及船舶的各種工作模式，并根據(jù)這些要求研究出合適的解決方案。有了這些基礎(chǔ)，即可結(jié)合客戶（船東）的實際需求設(shè)計出綜合性能良好的船舶。

[1] HERDZIK J. Problems of propulsion systems and main engines choice for offshore support vessels [J]. Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin Zesz, 2013, 108： 45-50.

[2] NIELSEN J R, MARINUSSEN H. Optimizing propulsion systems for AHTS vessels[J]. Offshore & Marine Technology, 2010 (2)： 10-13.

[3] MYKLEBUST T A. Achieving fuel savings for anchor handling tug supply vessels through electric propulsion [J]. ABB Review, 2010 (3)： 19-22.

[4] KWASIECKYJ B. Hybrid propulsion systems - efficiency analysis and design methodology of hybrid propulsion systems[D]. Delft： Delft University of Technology, 2013.

[5] 曹林. 三用工作船動力方案分析[J]. 中國船檢，2014 (12)： 65-66.

Analysis on the Configuration of Propulsion and Power Systems for both Medium and Large AHTS Vessels

HU Peng
（Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China）

Anchor Handling Tug Supply (AHTS) vessel can be used not only for anchor handling, provision supply and large offshore structures towing such as drilling platforms towing, but also for emergency rescues under special circumstances. Therefore, the required propulsion power and electrical loads are very different under different operation conditions (e.g. towing, full speed cruising, economical cruising and dynamic positioning). If all the operation conditions could be considered comprehensively in the preliminary design stage to have the propulsion power and electrical loads deployed properly, the operations of the vessel can be ensured with lower initial investment and lower operational costs. Further analysis on the configurations of two types of the major propulsion and generator system is also carried out according to the operational characteristics of AHTS to discuss the selection and optimization of the configuration for the propulsion and generator system of the future.

machinery engineering; medium to large size; AHTS; shaft generator; propulsion

U664.16；U674.3

A

2095-4069 (2017) 01-0039-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.007

2015-11-09

胡鵬，男，工程師，1979年生。2002年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)熱能與動力裝置專業(yè)，現(xiàn)從事船舶設(shè)計開發(fā)和船舶輪機設(shè)計工作。