深水三用工作船动力系统研究

池波，李永富



深水三用工作船动力系统研究

池波，李永富

（中海油田服务股份有限公司，北京 101149）

首先介绍了深水三用工作船动力系统的主要作业工况；其次，对深水三用工作船目前的动力形式进行了分析，并对电力推进形式在三用工作船中的应用进行了论证，最后结合国内配套设备的技术水平，指出在不远的将来电力推进形式可能率先实现深水三用工作船的动力系统国产化。

三用工作船 推进系统 混合推进 电力推进

0 引言

深水三用工作船(Deep Water Anchor Handling Tug Supply Vessel，简称DW-AHTS)是用于为海上油气勘探、开发、生产提供各种水深的起抛锚、拖航就位、钻采物质运输供应、守护、ROV(Remote Operated Vehicle)支持、消防、回收等服务的专用船舶[1]。

随着我国在南海以及其他作业区域的海洋石油、天然气开发工程不断发展，新一轮大型海洋工程建设，特别是海洋石油、天然气深水作业工程建设高潮的到来，对多功能三用工作船的需求日见增长。同时，由于海洋石油开采工作正不断朝着深水海域扩展，因此对于三用工作船的操控性能也有了更高的要求，进而对动力系统的性能提出了更新的要求[1]。

本文将结合海洋石油681/682号深水三用工作船推进系统情况，分析目前深水三用工作船动力系统的工况要求、使用特点以及未来的技术发展方向。

1 深水三用工作船动力系统

海洋石油681/682号是由罗尔斯罗伊斯集团（Rolls-Royce）旗下的Rolls-Royce Marine AS公司设计的UT788系列深水三用工作船。UT788是目前世界上最新型三用工作船，采用X-BOX型船身设计，混合推进（Hybrid Propulsion），用于3000m深水作业，不仅满足中国船级社CCS相关海洋工程船规范要求，还满足挪威船级社DNV的相关海洋工作作业特殊入级符号要求，其主要使用工况：

1.1 作业工况

1）航行工况：提供最高18节航速为海上深水石油平台供应多种物资和材料，或低速巡航于海上石油平台附近，随时随地听平台召唤，进行守护、值班；

2）拖曳工况：对大型石油平台、大型船舶、海上工程设施漂浮物、以及浮筒等提供拖曳作业，能作为远距离拖航的主拖船；

3）抛起锚工况：在1500水深内对大型石油平台、浮式装置的大型锚或锚淀、锚泊系缆提供3000kN抛起锚作业，并进行平台的移位、就位等作业；

4）动力定位工况：提供DP2级动力定位为船舶进行水下工程、海底设备安装、检修提供作业支持。

1.2 机械直接推进形式

传统的深水三用工作船一般采用：推进主机＋齿轮箱＋轴系＋带导流管可调桨CPP的推进方式。该方式结构简单、设备成熟、系柱拉力高、能够很好满足深水三用工作船各种工况的要求（如下图1所示）[2]。

图1 三用工作船机械直接推进形式单线图

如图1所示，这种机械直接推进形式系统由D1、D2、 D3、D4柴油机直接驱动CPP主推进器，可用于拖航和高速移航；同时，D2、 D3连接有相应的轴带发电机G3、G4，可与辅助发电机组G1、G2并网为侧推进器以及船上的其它电力负荷供电。

然而该种推进形式在低速工况和动力定位工况下，主机燃油经济性较差，浪费了大量的能源，既不经济也不符合当今越来越严的环保要求。

1.3 混合推进形式

混合推进形式是机械直接推进与电力推进技术中间的一种折中方案，如下图2所示。由于当前大功率电力推进设备的成本还较高，当船舶推进功率较大时，采用混合推进系统的成本相对较低，又能够发挥大部分电力推进技术的优势[3] -[4]。

如图2所示，这种混合电力推进系统可以有三种工作模式。

1)全电力推进模式（Full-Electric Mode）：由G3、G4 、G5、G6发电机组供电，经变频调速M1、M2主推进电机驱动主推进器，M3、M4、M5电机驱动船艏/艉隧道式推进器，M6、M7电机驱动可收放式全回转推进器，此时非常适合低速机动操纵、移航和动力定位工况。

2)全机械推进模式（Full-Mechanical Mode）：由D1、D2柴油机直接驱动主推进器，可用于拖航和高速移航；在负荷有余时，可通过轴带发电机G1、G2与任一辅助发电机组G3、G4 、G5、G6并网为侧推进器以及船上的其他电力负荷供电。

3)混合推进模式（Hybrid-Electric Mode）：由G3、G4 、G5、G6发电机组供电， M1、M2、D1、D2同时通过齿轮箱驱动主推进器，M6、M7作为辅助推进，电力设备充当机械推进系统的助推器，以获得最大系桩拉力。

根据混合推进系统的特点，该解决方案特别适合海洋石油支持船中大吨位三用工作船的运行工况。因此，目前建造的海洋石油681/682号深水三用工作船均采用上述方案，配置有：

➢ 推进主机D1、D2：2×8000 kW；

➢ 主推进电机M1、M2：2×3000 kW；

➢ 隧道式侧推电机M3、M4、M5：3×1000kW；

➢ 全回转侧推电机M6、M7：2×1500 kW

➢ 轴带发电机G1、G2：2×5000 kVA；

➢ 辅助发电机G3-G6：4×2780 kVA；

推进系统提供29000HP的推进功率，系柱拖力高达3000 kN。

2 动力发展方向-——电力推进技术

在以往的船舶中动力系统和电力系统是相对对立的两个系统。动力系统通常由常规的热机和其它机械装置构成；电力系统一般作为辅助电源，由独立的中小功率发电机组供电，与船舶的推进并没有直接的关联。综合电力推进技术是将推进系统与电力系统相结合，即动力系统与辅机电站合二为一，是船舶推进最近二十年发展的新技术[5]。

2.1 电力推进形式

综合电力推进系统一般由：发电机组、主配电板、推进变压器、推进变频器、推进电机、推进器、功率管理系统、监控系统等设备构成。如图3所示，电力推进系统根据主推进电机M1、M2和其它用电设备的实时负荷大小，动态调整G1、G2、G3、G4发电机组的投入数量；控制系统对各台推进电机实施快速的平滑转速调节。

图3 三用工作船电力推进形式单线图

2.2 电力推进技术的优势

相对于机械直接推进形式，电力推进形式具有诸多优势[6-8]：

1）布局灵活、有效空间多

由于与螺旋桨轴/推进电动机无机械连接，主机可随意安装在紧凑舱中最佳位置，—根电缆就是大功率的多用途电力传输介质，因而船上大型机械设备布置更加灵活、有效空间更多。

2）运行可靠、生命力提高

驱动螺旋桨的推进电动机由船舶电网供电，而电网则一般由多台的发电机组供电。使用多台发电机组，增加了设备选择的灵活性；当部分发电机组发生故障时，其余的机组仍能照常工作，单一的发动机故障不会引起任一螺旋桨的功能停止，因而单点故障降低，提高了船舶的生命力。

3）操纵灵活、机动性能好

采用电力推进的船舶易于实现驾驶室远程集中遥控操纵，自动化程度高，人机界面好，电动机转速调节响应更快，控制精度更高，还可实现无级调速，快速逆转。易于获得理想的拖动特性，如：恒转矩特性、堵转特性、低速特性等。

4）减小振动和噪声、环境更舒适

电气设备之间的软连接和可弹性地安装可以方便实现原动机的隔音和降噪处理，使得船员工作的环境更舒适。

2.3 电力推进技术存在的问题

尽管电力推进形式具有很多的优点，但目前为止全世界马力大于16800BHP三用工作船基本上没有电力推进船型建造记录。目前世界上最大的电力推进三用工作船是ULSTEIN Design& Solutions AS正在设计中的AX104船型。该船主要参数：总长84.9 m，型宽18.5 m，吃水7.0 m，航速17.0节，系柱拉力180吨，主发电机功率11800 kW(约16000BHP)，配备400吨主拖缆机。

综合分析三用工作船的使用工况，本文认为：暂时在现阶段深水三用工作船仍不宜采取电力推进形式，主要原因如下：

1) 深水三用工作船主推进功率要求一般很大。如果采用电力推进形式常配置的舵桨式A-Z（Azimuth Thruster）推进器，在目前的技术条件下，功率大于8000 kW的A-Z可选产品较少，也相当的昂贵。

2) 若采用吊舱式（POD Propulsion）电力推进方式，但由于三用工作船作业特性，推进器必须配备导流管，设计建造船艉部线型造构十分困难，基本也是不可能的。吊舱式电推不仅更昂贵，而且比传统式A-Z电推方式对船体外部安装空间要求更大。

3) 若采用基于传统的轴系和带导流管CPP桨的电力推进结构，当船在使用动力定位作业或低速航行时，这种推进方式的确能够节省燃油。但大功率电推设备只有国外进口，整体费用比较高；在高功率使用范围内，燃油节省费用和投资增加的附加费用相比并不经济。同时，采用CPP桨的形式后，电力推进调速性好、结构简单的优势未能体现，系统反而更加复杂。对于大系柱拖力的三用工作船，设计公司一般不推荐采用电机－柴油机推进方式，除非工作船长期是一种特别作业方式（如长期使用动力定位作业），使得具有真正意义的经济可行性。

虽然电推技术在三用工作船应用不多，但在其它海洋工程船方面，如平台供应船（PSV）、工程支持船(OCV)、多功能供应船（MPSV）、ROV支持船由于工况适合，近年来欧洲一些在行业处于领先地位的公司普遍推荐采用电力推进形式。

3 动力系统国产化

目前，深水三用工作船无论采用哪一种推进形式，其动力系统均要由国外全套进口，存在着价格高、订货周期长、服务不及时等诸多问题。2000年来，国家大力推行“国船国造”思路，通过引进、吸收、自主研发的方式着力船舶工业本土配套率，特别是电力推进形式的设备取得了长足的进步，其中[9]：

1） 原动机

在中、高速柴油机方面，目前国内陕柴重工、河柴重工先后引进生产了德国MTU956、MTU396、TBD620，法国PA6-280STC系列机型。这些引进机型覆盖转速范围1000-1500 rpm，单机最大功率从2560-8910 kW，同时国产化率普遍达到85%以上。

2） 发电机

国内汾西重工、镇江中船现代引进的西门子1FC2/1FC5/1FC6系列690 V电制发电机已经能够提供单机3000 kVA的供电能力。

3） 船用变频器和推进电机

中船重工武汉船用电力推进装置研究所生产BP系列船用变频器和推进电机的功率已经覆盖1000 kW-10 MW，并且已经拥有了1000 kW和3000 kW两种功率等级的实船运营业绩。

以上电力推进配套设备的国内技术突破将可能首先解决单轴4000 kW以下平台供应船、守护船等船型的动力设备进口问题。

4 结束语

目前国内陆上油气资源的开采空间有限，海洋石油开采将是未来缓解我国油气资源紧张的途径之一，特别是我国南海深水油气田的开发。虽然我国已经是位居世界前列的造船大国，然而我国海洋工程类船舶配套技术的落后，大大限制了我国在深水油气田资源的开发。电力推进形式与机械直接推进形式相比，对原动机功率要求相对较低、国内技术差距不大，有可能在不远的将来率先以电推的方式实现深水三用工作船动力系统的国产化。

[1] 林文锦. 海洋石油支持船特殊操纵性及其性能指标研究[J]. 航海技术, 2010(2), 2-5.

[2] 陈华清,徐定海.舰船动力的发展和研究热点[J].舰船论证参考,2003(2),5-10.

[3] 周国平.电力推进油田守护船设计研究[J].中国造船,2009(9),18-32.

[4] 蔡钿. 电力推进技术在海洋石油支持船中的应用[J]. 船电技术, 2012(12), 62-65.

[5] Alf Kare Adnanes. Reduction of fuel consumption and environmental footprint for AHTS and OSV using electric or hybrid propulsion[J]. World Ships& Boats, 2008(7), 32-34.

[6] 郭国才,石艳等. 民船电力推进技术应用及发展方向[J]. 船电技术, 2004(5), 31-35.

[7] 黎南,刘晓冰等. 高性能船舶动力定位系统技术分析[J]. 热能动力工程, 2005(5), 539-542.

[8] 马伟明. 舰船动力发展的方向—综合电力系统[J]. 海军工程大学学报, 2002(12), 1-7.

[9] 肖杨婷,赵跃平等. 国内外综合电力系统技术研究动态[J]. 舰船科学技术, 2010(8), 24-29.

Research of Propulsion System in Anchor Handling Tug Supply Vessel

Chi Bo, Li Yongfu

( China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China)

TM728

A

1003-4862（2012）06-0062-04

2012-07-29

池波（1978-），男，工学硕士。专业方向：电气工程。