新型中型海洋救助船動力裝置配置方案論證

謝智康，許宏新

（1. 上海船舶研究設計院，上海201203；2.交通運輸部東海救助局，上海200090）

0 前 言

隨著國家“交通強國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的推進和實施對我國經濟社會發(fā)展帶來了深遠影響，海上經濟活動將迎來新的發(fā)展，從而對國家海上應急救助保障體系建設提出了更高的要求。 交通運輸部救助打撈局（中國救撈）是中國唯一一支國家專業(yè)救助打撈力量， 承擔著對中國水域發(fā)生的海上事故的應急反應、人命救助、船舶和財產救助、沉船沉物打撈、海上消防、清除浮油污染及其他對海上運輸和海上資源開發(fā)提供安全保障等多項使命。

新型中型救助船作為原有1 940 kW 中型救助船（已退役）的替代升級船型，在功能定位、主尺度、裝機功率以及污油回收、動力定位能力等方面均有所提升。 該船型為全焊接式鋼質船體，橫骨架式，前傾式船首（帶球首），巡洋艦式船尾，具有一層連續(xù)主甲板。 主甲板上設有二層首樓，雙底和雙殼結構。 采用全電力驅動雙全回轉舵槳裝置，在船首設有管隧式側推裝置。 尾部主甲板作業(yè)區(qū)可用作拖帶作業(yè)、救生作業(yè)、浮油回收作業(yè)。 總布置圖見圖 1。

圖1 新型中型救助船總布置圖

結合新形勢下的救助需求，按照“安全可靠、先進高效、經濟適用、節(jié)能環(huán)保”的原則，新型中型海洋救助船具有以下主要用途：

1） 海上搜尋救生、救助能力，可搭載獲救人員100 人，能對傷病員進行簡易的藥物、器械和手術治療，可配合救助直升機進行海上搜索和救助；

2）一級對外消防滅火作業(yè)；

3）海面浮油回收和消除油污作業(yè)；

4） 對遇險船舶進行封艙、堵漏、排水、空氣潛水、拖帶等救助作業(yè)；

5） 為難船進行提供必要的物資（燃油、水、食品等）。

新型中型救助船主要參數及新舊船型對比表，如表1 所示。

表1 新型中型救助船主要參數表

該船掛中國旗，按中國船級社規(guī)范和規(guī)則進行設計、建造并受之檢驗，取得入級符號和附加標志如下：

1 動力裝置配置

1.1 需求分析

該船主要用于中低海況下沿海水道、島礁等淺水區(qū)域人命救生和船舶救助，可兼顧高海況下救助任務，必要時參與動態(tài)值班待命。 船舶運行工況有：

1）快速應急出動的較高速航行工況；

2）值班守護的中低速巡航工況；

3）救助作業(yè)的機動工況；

4）值班待命的錨泊工況；

沿海水道內船舶通行密度大，島礁、淺灘等水域環(huán)境復雜，對于救助船自身操縱性要求很高。 船舶主推進裝置的配置應能使該船具有優(yōu)異的操縱性能，可執(zhí)行復雜水域的救助任務。 一般救助船舶處于巡航狀態(tài)時，主推進器負荷在長時間內處于較低的水平，一旦出現(xiàn)突發(fā)事故，需要以全速趕赴現(xiàn)場，此時主推進器處于滿負荷工作狀態(tài)。

除主推進裝置之外，為實施海上人命救生和船舶救助，配置有多種大負載、大功率用電設備，如：管隧式側向推進器、對外消防水泵、液壓拖曳絞車、克令吊等。 這些設備應能根據現(xiàn)場作業(yè)需要靈活高效地投入使用。 因此，該船的救助作業(yè)模式對動力裝置的需求可以歸納為：

1）船舶操縱性優(yōu)良；

2）低速巡航與快速航行靈活轉換；

3）救助作業(yè)時大功率大負載設備投入使用；

4）長時間值班待命；

1.2 主推進系統(tǒng)

主推進系統(tǒng)的類型主要分為傳統(tǒng)軸系直接驅動和電力推進。 根據所要求達到的航速以及系柱拖力指標，主推進器的功率為2×2 000 kW。 主推進系統(tǒng)方案論證主要針對表2 中的3 種主流的配置進行分析，基于船舶的動力裝置需求確定最佳的技術方案。

表2 新型中型救助船主推進系統(tǒng)方案

從表2 中所列主推進系統(tǒng)配置可知，常規(guī)軸系推進（方案2 和方案3）需要2 臺主機和3 臺副機，設備數量較方案1 更多，主推進齒輪箱和軸帶發(fā)電機也是軸系驅動方案必須配置的功能性設備，因此增加了后期設備維護保養(yǎng)工作量。 長距離的軸系及其所在軸隧會占據一定的船艙容積，對總布置產生不利影響。 軸系驅動的優(yōu)點是技術簡單、傳動效率高，效率較電力推進系統(tǒng)高出約5%～8%，適合用于長時間運行在額定負荷的運輸船舶。 電力推進在以下幾個方面具有優(yōu)勢：

1） 靈活轉移不同時使用的大功率能源，方便不同工況之間的轉換：常規(guī)軸系推進船舶上大功率負載往往依靠軸帶發(fā)電機來供電，主發(fā)電機組向其他較小的負載供電，軸發(fā)與主發(fā)不能并車運行，僅可短時間進行負載轉移。 電力推進船舶所有用電設備均由主電站供電，在不同工況轉換時，有較多的設備投入或停止使用，此時電網無須進行任何負載轉移，大大簡化了操作步驟，同時也提升了電站的可靠性和冗余度。 在低速巡航和其他作業(yè)工況下可以減少投入運行的發(fā)電機組數量，避免柴油機低負荷運行，提高燃油經濟性的同時也有助于節(jié)能減排。

2） 優(yōu)化總體布置、合理節(jié)省有效空間：電力推進的特點是可以將原動機與螺旋槳分開布置，這是與柴油機直接推進方式的最大區(qū)別。 電力推進的動力裝置是柴油發(fā)電機組，可以在全船范圍內靈活布置。 推進電動機的電能供應是通過電纜傳輸的，是一種柔性連接。 船舶空間的利用可以根據船舶使命要求得到合理方便的布置， 在相同尺度條件下，電力推進船型具有更高的空間利用率，增加了燃油艙和救助器材艙的有效容積。

3） 減振降噪：軸系推進的船舶，主機驅動可調槳、軸帶發(fā)電機以及對外消防泵，使用工況較為復雜，如果減振措施處理不當，船體容易出現(xiàn)振動，居住區(qū)域容易出現(xiàn)較大噪聲。 采用電力推進的船舶，柴油機僅僅驅動發(fā)電機，與螺旋槳并無直接剛性連接，不會將船體的振動和噪聲傳遞至機艙及居住區(qū)域。 只需針對機艙內的柴油機進行減振降噪處理，就可以使船員獲得更佳的舒適性。

主推進器的型式主要分為傳統(tǒng)的軸系驅動可調距螺旋槳和全回轉舵槳。 與傳統(tǒng)的軸系可調槳方式相比，全回轉舵槳有以下優(yōu)勢：

1）從推進器本身內部機械構造原理的角度分析：全回轉舵槳屬于矢量推進器，能在所需要的方位發(fā)出額定的推力，操縱性優(yōu)異；而傳統(tǒng)的軸系驅動可調槳無法提供船體縱向之外的方向力，需要借助尾部舵或側推產生的橫向力，兩者疊加后才能提供船舶所需的操縱性。 從響應時間以及操縱精度上看，全回轉舵槳都具有較大優(yōu)勢， 對于具有DP-2 動力定位功能的船舶，全回轉舵槳是十分理想的主推進器選擇。

2） 從整體設備配置的角度分析，全回轉舵槳具有螺旋槳、舵和尾側推等3 種設備的功能，是一種高度整合的多功能推進裝置。 設備數量的減少可以提高船舶液艙和救助器材艙室的容積，也大大提高了推進系統(tǒng)的可靠性，減少了船員日后維護保養(yǎng)的成本及工作量。

結合動力裝置的需求，對比3 種方案的技術特點可以得出結論：電力推進驅動全回轉舵槳具有良好的船舶操縱性、靈活的工況轉換特性以及全工況下綜合節(jié)能減排優(yōu)勢。 該方案配置的設備數量最少，布置緊湊，是最符合中型救助船需求的主推進系統(tǒng)，且具有一定的技術先進性。

1.3 主發(fā)電機組

確定了主推進系統(tǒng)為電力推進的方式后，下一步的工作是確定主電站的配置方案。 通常電站容量需要根據船舶在各個典型工況下最大的用電負荷予以確定，必要時設置備用發(fā)電機組。 根據初步估算后，最大電力負荷出現(xiàn)在全速航行工況，為4 869 kW。 考慮85%的機組負荷率，得出電站容量應至少為5 730 kW。

一般而言，絕大多數電力推進海工作業(yè)船或海工輔助船的主電站機組配置均選取若干個相同機型或相同缸徑不同缸數的柴油機作為原動機，這樣一方面可以減少船上的備件存放數量和種類，另一方面有利于船員管理和通用零部件的替換。 海洋救助船的停泊待命工況占比可達總時間的70%左右。近些年建造的大型海洋救助船均配置了3 臺輔發(fā)電機組，滿足救助船發(fā)電機“一用一備一修”的動態(tài)值班待命要求。 如果按照海工船的電站配置直接照搬顯然不合適，經濟性合理性相當不理想，所以研發(fā)電力推進的海洋救助船需要為其定制一套與其工況匹配的電站配置。

通過動力裝置需求分析可知，主發(fā)電機組的配置應當首要考慮停泊待命工況的用電需求。 目前大型救助船均配置有3 臺輔發(fā)電機組，停泊待命工況時，單臺機組的功率可滿足船舶用電所需。1 臺機組使用時，另2 臺機組備用，如果其中某臺機組需要維修保養(yǎng)，也不影響救助船完成動態(tài)值班待命的任務，所以“一用一備一修”是保障救助船任務執(zhí)行能力的重要措施。 對于電力推進系統(tǒng)，設置3 臺停泊發(fā)電機組會存在機組使用率不高的情況，對于機艙空間利用和初始投資的控制不利，也無法體現(xiàn)出電力推進的機組冗余度優(yōu)勢。 因此設置2 臺450 kW發(fā)電機組用于停泊工況，滿足“一用一備”的要求，如果有機組需要維修，備用機組可以由其他主發(fā)電機組兼用。 主發(fā)電機組的設置還需滿足DP-2 的相關要求，數量取雙數。2 臺對外消防泵分別由主發(fā)柴油機的自由端驅動，既能減少專用的對外消防泵驅動裝置，又提高傳動效率。 結合柴油機選型最終確定設2 臺2 600 kW 機組作為主發(fā)電機組。

主電站由2 臺2 600 kW 機組和2 臺450 kW機組組成，其中每臺2 600 kW 發(fā)電柴油機自由端驅動1 臺對外消防泵，提供低航速下對外消防工況所需的動力。 巡航工況及平靜海況下使用 2 臺2 600 kW 主發(fā)電機組并車供電即可滿足全船用電。2 臺450 kW 主發(fā)電機組主要用于停泊工況，滿足一用一備的容量。 在惡劣海況下任意1 臺450 kW 主發(fā)電機組可與2 臺2 600 kW 主發(fā)電機組并車長時間運行，為緊急時刻執(zhí)行任務提供可靠的動力供給保障。 在巡航、救助以及進出港等工況下，電站負荷率也能保持在較高水平，并在各個工況下均有發(fā)電機組冗余。

2 機組保護

主發(fā)電機組中2 臺450 kW 的小機組主要用于在船舶停泊工況時提供所需電力。 為了提高船舶執(zhí)行緊急任務時所具備的可用動力，在惡劣海況下保持全速航行，450 kW 主發(fā)電機組可與2 臺2 600 kW大機組并車運行。 兩者的功率比為5.78∶1，功率差異非常大。 將停泊發(fā)電機組作為主發(fā)電機組并網參與電力推進可以降低船舶總裝置功率， 提高機組使用率，也是該項目動力裝置配置的創(chuàng)新點。 在項目研發(fā)初期，有電氣系統(tǒng)供應商表示，若大小機組功率比超過3 ∶1 就可能產生嚴重的故障， 他們也從未有過處理大功率比機組并車的經驗。 主要原因是：

1） 當大小機組并車運行時，電網上如有大功率的負載波動會對小機組造成巨大沖擊，導致其解列甚至逆功和停機。

2） 不同制造商生產的大、小柴油機，其調速特性很難匹配同步。

3） 不同額定轉速的大小機組并車，高轉速的小柴油機更容易受電網負載波動的影響。

海洋救助船通常在環(huán)境條件惡劣，大風大浪的時刻出動執(zhí)行救助任務，危情發(fā)生之際時間就是生命，救助船會以全速趕往事故地點，贏得寶貴的救助時間。 最嚴重的故障就有可能在此時出現(xiàn)，一旦由于海況導致螺旋槳出水，將會產生巨大的功率波動對電網造成沖擊， 如何避免450 kW 機組發(fā)生逆功是該動力裝置配置方案必須要處理的問題。

2.1 系統(tǒng)保護措施

從主發(fā)柴油機的系統(tǒng)配置上入手，有針對性地提高原動機安全性能。 采用電控噴油技術的柴油機和高性能的電子調速器，提高柴油機的動態(tài)響應性能。 每臺主發(fā)柴油機配置相同型號的負荷分配模塊，通過雙總線連接，見圖2。

圖2 負荷分配模塊連接示意圖

其主要功能有：

1） 實現(xiàn)4 臺機組的負荷分配功能，包含恒頻模式（ISO）和下垂模式（Droop）。 優(yōu)先采用恒頻模式并車運行。

2） 可執(zhí)行非對稱負載分配：限制450 kW 機組所分配到的功率， 當電網總負載超過在網機組可用功率的75%以上時， 小機組所承擔的負載恒定在75%，即337.5 kW。如此可以有效地防止小機組過載。

3） 對外消防模式下執(zhí)行非對稱負載分配：當2 600 kW 機組柴油機驅動對外消防泵執(zhí)行消防作業(yè)時， 該負荷分配模塊會自動剔除PTO 功率后，再執(zhí)行非對稱負載分配。

采用雙總線通信的負荷分配系統(tǒng)滿足DP-2 對于系統(tǒng)冗余度的要求，不會因為單點故障而導致整個系統(tǒng)癱瘓［1］。 當負荷分配模塊檢測到恒頻模式出現(xiàn)故障時， 系統(tǒng)會自動向船舶功率管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)出故障報警信號， 并將負荷分配權限移交至PMS，執(zhí)行負荷分配任務。

2.2 分區(qū)供電保護措施

上述系統(tǒng)保護措施可以在一定程度上解決大小機組并車中可能產生的問題，但應對極端的惡劣環(huán)境以及所帶來的逆功問題還略顯不足。 因此該船采用了一種更可靠的保護措施：分區(qū)供電，從根本上精準施策，做到物理隔離防護。 電力系統(tǒng)單線圖見圖3。

圖3 電力系統(tǒng)單線圖

主配電板的 690 V 母排分為 A、B、C、D 等 4 段，400 V 母排分為左右兩段。 在一般航行工況下聯(lián)絡開關 M1-1、M1-2 和 M1-3 均處于閉合狀態(tài)，M1-4為斷開狀態(tài)，兩臺電力變壓器同時分別向兩段400 V母排供電。 在惡劣海況下，啟動4 臺主發(fā)電機組，聯(lián)絡開關M1-1 和M1-3 斷開。 即使主推進器在惡劣海況下出水而引發(fā)電網大功率波動，也只會反饋至2 臺2 600 kW 大發(fā)電機組， 不會對450 kW 小發(fā)電機組造成影響。 2 臺小機組分別通過電力變壓器向兩段400 V 母排供電至機艙輔助設備和日用負載。通過系統(tǒng)設置實現(xiàn)分區(qū)供電，本質上是對大、小發(fā)電機組進行物理隔離，徹底規(guī)避了故障模式分析中可能出現(xiàn)的嚴重故障。

3 結 語

新型中型海洋救助船的首制船已交付列編，命名為“東海救151”。 該船的建成將大大提高我國港口、島嶼、近海海區(qū)的綜合救助能力，是新一代中型救助船的旗艦。

作為船舶輪機設計人員，應該充分地理解所設計船的使命任務，分析各種典型工況，從功能需求入手進行正向研發(fā)， 有針對性地配置船舶動力裝置。 該船的動力裝置配置方案充分體現(xiàn)了救助船使用需求，同時結合了優(yōu)化裝機功率及燃油經濟性的設計理念，是兩者相互融合的最佳表現(xiàn)。