大功率海工辅助船混合推进装置应用技术研究

2014-10-30胡坚

船舶与海洋工程 2014年3期

胡坚

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 引言

随着海洋石油开采向深水和超深水区域挺进，迫切需要大功率的深水三用工作船与之配套。由于不同作业工况和航行环境对其推进功率的要求差异化加大，随着船舶定位能力和机动性要求的提高，迫使业界不断探索考虑采用更加合理的动力配置方案，以满足日趋繁忙的深海作业需求。

1 船舶推进装置发展的简要回顾

柴油机具有功率范围广，经济性好，重量轻、尺寸小，附属设备少，外加负荷变化迅速等诸多优点，使其几乎统治了船舶推进动力约一个世纪。但随着经济的发展，其固有的缺点也不断暴露，比如低速性能及过载能力均较差，工作环境因为振动和噪声变差，其排出的废气含有害物质（NOx，SOx和CO2等）。

电力推进作为船舶的新型推进动力，由于其高效率、高可靠性、高自动化以及低维护，正成为新世纪大型水面船舶青睐的主推进系统。同传统的机械推进方式相比，采用电力推进的船舶在经济性、振动、噪声、船舶操纵、布置和安全可靠性等方面具有明显的优点。但电力推进也有其不足之处。如价格昂贵，系统设备复杂，变频器和变压器等存在中间功率损耗；对采用全回转舵桨或 POD吊舱式推进器而言，其航向偏移和稍微改变航向都需要操纵功率较大的推进器，而频繁改变方向和负荷的推进器有疲劳损害的风险；对操作管理要求高。

基于这一现状，混合推进的船舶动力装置的新模式随之出现。它迎合了多功能深水海工辅助船作业工况复杂、对船舶推进功率和定位能力要求的差异性大的特点。这种模式可大大提升船舶使用的经济性、机动性、可靠性及定位能力。

2 深远海大功率海工辅助船的功能和发展前景

2.1 主要功能

深远海大功率海工辅助船集多种功能于一身，主要有：

1) 平台值班守护，相当于平台守护船；2) 供应海洋钻井物资，如：钻井物资和器材、钻井钢管、散装水泥、钻井水、钻井泥浆、淡水、盐水、燃油及生活用品等，相当于平台供应船；3) 抛起锚作业，并能对储油轮及到达的提油轮进行拖带和捞取油管作业，协助其进行提油；4) 拖曳浮筒和石油平台，以及进行海上船、驳的拖运；5) ROV（水下机器人）作业或水下工程设备安装支持；6) 海面浮油回收或消油作业，相当于环保船；7) 为海上平台或建筑物实施救助作业；8) 对外消防作业，对遇难船舶和石油平台进行消防灭火作业。

2.2 发展前景

我国南海深水区域蕴藏着丰富的石油资源，且绝大多数都位于2000～3000m水深区域。离开大陆架较远。

随着海洋石油开发向深海发展，中海油近几年造了一批深水装备，包括半潜式钻井平台，深水起重铺管船、物探船、勘察船等，但为这些大型装备配套的专门用于深水海域的海工辅助船数量却很少。由于单程距离远，以往一些功能单一的平台供应船、抛起锚船、大马力拖轮、救助船、守护船和环保船等因为经济性和续航力的原因已经无法胜任为深水海工装备提供专业服务。

在这种状况下，要求深远海大功率多功能海工辅助船的推进装置，既要满足大功率拖曳或全速航行的大推进功率，又能满足长时间低负荷推进工况和动力定位情况下的大电站功率。因此需着力开发混合推进装置的技术模式。

3 混合推进装置的推进方式和电站分配

作为混合推进装置的船舶，没有完全摒弃传统的柴油机齿轮箱轴系和可调桨等一系列设备，不同处在于可调桨可吸收的最大功率大于主机功率，齿轮箱除了主机的功率输入外，还有PTI电机的功率输入。也就是推进电机和主机的功率之和才是可调桨可吸收的最大推进功率。其典型配置模式见图1。

图1 混合推进装置的典型配置模式

这类船往往有大型甲板机械，如起重机和拖缆机等。同时，为了满足动力定位作业要求，除了设置左右对称的2套主推进螺旋桨以外，艏艉均设有1～3个侧推或伸缩式全回转推进器。这些机械需有一个大型电站供电，因此应配置2台主机轴带发电机和3～4台主辅柴油发电机组。

3.1 低速巡航模式

当船舶执行为平台值班守护作业时，主推进螺旋桨无需多大功率。此时主机可不工作，船舶推进功率由主柴油发电机组并车对主配电板供电。主配电板通过变压器、变频器再对推进电机供电，由推进电机通过齿轮箱驱动轴系及螺旋桨实现推进。这种工况实际上是电力推进模式，由于此时主柴油发电机负荷率较高，故其经济性会比常规推进更具优势。

3.2 全速航行模式

当船舶执行平台供应任务时，要求其具有一定的快速性，但对定位能力和系柱拉力则没有特别要求。

此时，主推进器仅需要吸收2台主机的90%最大持续功率就能满足该工况要求，其余推进器均不工作。由于没有大型用电设备，船上常规用电仅需开启1台主柴油发电机组即可满足。

作为供应船，CCS（中国船级社）对船舶的能效设计指数 EEDI有一个计算考核基准线[1]。根据船模试验数据对其进行EEDI的校核，经计算发现：采用混合推进配置比采用常规机械推进配置能效设计指数降低约30g/t·n mile，即降低约22%。

3.3 最大速度航行或长距离大拖力拖带模式

此种模式下，主推进器将发出最大推进功率，功率同时来自主推进电机和主机，推进电机和船上用电由船上主辅柴油发电机组提供。该工况也是此类船舶最大负荷的作业工况。

3.4 抛起锚模式

当船舶执行抛起锚作业时，由于大功率的拖缆机和A架的使用，需要船舶有很大的电站负荷。这时船舶的推进动力不需要很大。

采用混合推进配置时，主机发出的功率，除了一部分用于驱动调距桨外，其余通过轴带发电机分区供电方式驱动前、后管状侧推和伸缩式全回转推进装置，以及船上其他辅助设备（如拖缆机液压泵组单元）和生活区用电等。此时，主机负荷率达到80%，主柴油发电机组及主推进电机（PTI）均不工作。

3.5 动力定位模式

此工况为电力推进状态，即主推进齿轮箱离合器为脱开状态。主推进器几乎不需要功率输出，其所需的推进功率只要主推进电机提供就足够了，但对船舶的定位能力却要求颇高。因此，船上的管状侧推和伸缩式推进器都得用到，且拖缆机、绞车等甲板机械处于工作状态，故整个电站功率就变得相当大。

此工况常常用于执行协助FPSO（浮式生产储卸油轮）[2]或穿梭油轮进行提油作业、船舶从事ROV作业或水下工程设备安装支持等，需要主柴油发电机组和轴带发电机采用分区供电方式，通过多个汇流排分别向不同的大功率用电设备供电，功率分配比较灵活，冗余度得到极大提升。

3.6 其他作业工况

主要为对外消防作业、海面浮油回收作业和执行为海上平台或建筑物实施救助作业等工况。此类作业工况几乎用不到多少推进功率，且对船舶的定位能力也没有什么特殊要求。

在这些作业工况下，采用混合推进装置，可以做到合理分配船舶电站，尽可能地少开柴油机的数量，提高柴油机的负荷率，从而有效降低柴油机的平均油耗。

4 混合推进装置的优点

通过上述分析比较，混合推进装置与常规柴油机轴系推进和纯电力推进相比，更适用于集多种海洋工程作业功能于一体的深水多功能海工辅助船型。其优点表现为：在船舶主推进总功率不变的前提下，可有效降低主机功率，使机舱布置更加灵活；电站功率分配更加灵活、合理；比其他推进方式更具经济性；可提高柴油机负荷率，减少同时工作的柴油机数量，降低排放、零部件的磨损和柴油机低温腐蚀现象[3]，明显优于其他推进方式。