液压推进系统应用在DP定位上的可行性分析

安克扬，安 骥，王 科，张 杰

(上海海事大学，上海201306)

0 引言

目前，动力定位系统(DP定位)在船舶上得到广泛应用，其优异的性能使得世界各海洋大国对其表现出浓厚的兴趣[1]。船舶DP定位的传动方式主要有直接传动、用调矩桨、电力吊舱式传动等3种，目前以使用电力吊舱式传动为主流。本文提出1种新型DP定位传动系统:液压传动推进系统，通过与上述3种定位方式的比较，探讨其用在半潜式钻井平台上的可行性。

1 动力定位系统简介

动力定位系统(Dynamic Positioning System，DP系统)是一种闭环的控制系统，其采用推力器来提供抵抗风、浪、流等对船位的干扰力，从而使船舶尽可能地保持在海平面上要求的位置，但定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便。其工作原理是:根据位置参照系统测得的船位信息与DP传感器测得的环境信息，经滤波后得到估算值，根据估算值与期望值进行比较和运算，然后经推力器分配模块计算后发出对各推力器的指令[2]。

动力定位船推进系统负载的动态波动性比较大，在不同的工况下，推进负载差异很大。如风平浪静的工况下推进负载几乎没有变化;在进行动力定位作业工况时，如果海况非常恶劣，则会出现各推进器接近满负荷工作的情况，并且推进器需要经常变换工作方向，以此来保证钻井平台进行精确定位;但同时又要对推进负载进行动态的限制，以保证推进系统不受损坏[3]。

由于推进系统故障对海上作业会造成巨大的损失以及严重的后果，所以动力定位船的推进系统要求高安全可靠性、高冗余度及高灵敏度。

2 目前船舶常用的定位方式的特点

目前船舶常用的动力定位方式有艏侧推、变矩桨和吊舱式电力推进等，其每一项都有各自的优缺点。比如在艏侧推装置中，机舱布置时，电动机、传动轴以及螺旋桨中心线要在同一直线上，这对机舱布置极为不利，机舱空间得不到有效利用，传动装置惯性大，系统响应时间长，这使得船舶在定位过程中机动性变差。调距桨从设计到加工制造都比普通螺旋桨复杂很多，而且管理麻烦，不易维修。由于桨毂中的转叶机构零件尤其是运动部件多，可靠性不及定距桨，并且调距桨设计之初的目的并不是进行船舶DP定位的，所以这2种方式不适合用在需要专门的定位系统的钻井平台上。另外特别指出，在钻井平台上之所以不直接用柴油机带动螺旋桨进行定位，是因为柴油机的变速性能很差以及管理较麻烦。

第3种吊舱式电力推进方式可以专门用来进行DP定位，并且该方式目前已经在钻井平台上得到了广泛的应用。电力推进方式:电力传动是由主机带动发电机发电，然后直接或经变频器给推进电动机供电，由推进电机带动推进器旋转，使船舶运动[4]。本文主要通过对比液压推进和电力推进的优缺点，进一步探究其用在钻井平台上的可行性。

3 电力传动的优缺点

3.1 电力传动的优点

首先电力传动直接由稳定转速的柴油机带动发电机发电，因此推进用的电动机不受柴油机最低稳定转速的限制，最低转速每分钟可达0.1转。另外船舶电力推进系统的功率质量比要比直接推进方式大很多，所以船舶从正车至倒车只要很少的时间，这样在面对负荷变化较大的船舶时，可有效降低油耗和维修量，降低营运成本。其次电力推进系统可通过增加冗余，减少系统单个故障弱点，增强系统对单个故障的抵抗力，将原来由1台或2台推进主机承担的任务分担至多台发电机组。对主机而言，发电用的中、高速机相对大型低速柴油机重量要轻，体积也小，便于机舱布置，同时可有效增加仓储容量。电力推进采用电缆传送能量，便于船舶舱室的布局，可最大限度利用船舶有限的空间。最后，在电力推进中采用吊舱推进器，船舶制动距离和回转半径将进一步减小，机动性更好，安全性和效率更高[5]。以上这些优点在液压推进系统中也可表现出来。

3.2 电力传动的缺点

首先电力推进的效率在低负荷时比较高，在其他情况下比较低，因此电力推进系统只是在某种情况下节省燃油。其次，电动机、发电机和变压器需要额外大的尺寸，较易发热并且不易维护;电推系统在运行时一般达不到满负荷设计点，在此过程中不可避免的会出现谐波问题并且有轴承损坏的现象[6];而且整个装置的初期投资比较大，总体可靠性也不如直接传动和液压传动。

4 液压传动推进系统的优缺点

液压传动推进系统是指利用柴油机带动变量泵，变量泵带动液压马达，然后液压马达再带动螺旋桨旋转。

4.1 液压传动的优点

液压传动相比其他的传动方式最大的优点在于功率质量比较高，因为液压传动输出力较大，所以在当今工业传动设备中，液压传动具有不可替代的地位。在船舶上，将液压马达布置在吊舱内，可有效减小吊舱体积，使船体艉部流场更加均匀。如果采用壳转式油马达，螺旋桨和油马达一体化设计，效果更好。因其功率质量比较高，可使船舶由正转至反转时间减少，以致系统响应快，船舶机动性更好。液压系统的零件都是经过精密加工的，并且有良好的润滑系统，所以运行平稳，振动小，噪声低，系统隐蔽性较好。同时液压系统的可靠性较高，所以船舶生命力较强[7]。

4.2 液压传动的缺点

液压传动与直接传动和电力传动相比，其传动效率比较低。液压传动系统对工作液压油的温度及工作环境温度的变化比较敏感，因此如果想要液压传动系统发挥良好的工作性能，就要保证液压系统稳定的工作温度。虽然液压传动系统中液压油对整个液压系统都有着良好的润滑，液压传动系统的故障率低，但是液压传动系统产生故障的原因较多，一旦液压传动系统出现故障，不易及时排除，当液压系统传输距离比较长时会造成时滞变长，控制易出现震荡。

5 在传动方面液压系统与电力系统的对比

从所能达到的最大功率来看，液压系统远不如电力传动系统。但在电力及液压系统容量分别为2×150 kW时，液压传动推进系统的效率仅比电力系统小约5%。液压传动最突出的优点是重量轻，惯性小以及由此引出的响应速度快。

5.1 功率质量比大

输出同样功率的传动系统，液压系统体积小，重量轻，这是因为现有机电元件受到磁性材料饱和作用的限制，单位质量的设备所能输出的功率比较小，液压系统可通过提高系统的压力来提高输出功率，这时仅受到机械强度和密封技术的限制。在典型情况下，发电机和电动机的功率质量比为165 W/kg左右，而液压泵和液压马达可达1 650 W/kg，是机电元件的10倍。

5.2 控制性能

液压传动在组成控制系统时，与电气控制相配合，可较方便地实现复杂的程序动作和远程控制。此外，流体传动还具有传递运动均匀平稳，反应速度快，冲击小，能高速起动、制动和换向，易于实现过载保护等优点。

5.3 成本及制造方面

相同功率的电动马达的成本比液压马达高约21%，整个电力系统的成本比液压系统高约26%[8]。而且流体控制元件标准化、系列化和通用化程度高，有利于缩短系统的设计、制造周期和降低制造成本。在使用过程中，液压系统可靠性好，维护费用低，全寿命成本低。

6 智能化液压传动技术的影响分析

传统的液压马达和使用配油轴或类似的部件实现马达的连续单向运转，而最近出现的液压马达取消了机械式的配油轴，以电磁阀取代，电磁阀的开关信号来源于轴的转角传感器。这种装置的优点是简化了马达的结构，降低了造价，进一步提高了马达的功率质量比。通过设计良好的流道，可以改变传统的配油轴流道复杂，流动损失大的缺点。电磁阀的动作由计算机控制，可以根据不同的工况加以改变，例如当需要马达换向时，可以迅速改变流向每个缸的流体流向，实现迅速换向刹车。这些优点对以换向迅速为最重要性能的DP定位系统十分重要，可大大提高系统的动态响应速度。

7 结语

DP定位系统目前主要以电力传动为主，但是液压传动技术也具有其独特的优势，主要表现为功率质量比大，系统响应速度快，造价低。虽然目前的效率与电动系统相比低3%～5%，但是考虑到整个系统的造价和成本，以及高精度的控制，应当具有很强的竞争力。如果考虑到智能化的液压马达和液压泵技术在近年来的迅速发展，这种竞争力会进一步得到提高。

[1] 何崇德.船舶动力定位系统的应用与实践[J].中国造船，2004，45(B12):279－299.

[2] 盛利.深水半潜式钻井平台动力定位系统的研究[D].广州:华南理工大学，2011.

[3] 夏俊明.动力定位船推进器过载保护及其功率管理研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学，2011.

[4] 张永林，王卫东.吊舱式电力推进实验装置研制[J].实验室研究与探索，2010，29(5):33－35.

[5] 林治国.船舶电力推进系统的硬件在回路仿真[D].武汉:武汉理工大学，2011.

[6] 付品森.船舶电力推进原理及系统组成[J].江苏船舶，2012，29(6):29－33.

[7] 曹国瑞.吊舱式液压推进系统—舰艇推进新模式探讨[J].中国舰船研究，2012，7(2):65－71.

[8] 左建民.液压与气压传动[M].北京:机械工业出版社，2011.

[9] 李洪波.船舶吊舱式液压推进系统的设计研究[D].大连:大连海事大学，2012.