15 000 HP海洋油气增产作业船推进系统设计及动力定位能力分析

卢俊，王小红，罗敏莉，邓颖，卢本才

(武昌船舶重工集团有限公司 湖北省海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430063)

15 000 HP海洋油气增产作业船推进系统设计及动力定位能力分析

卢俊，王小红，罗敏莉，邓颖，卢本才

(武昌船舶重工集团有限公司 湖北省海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430063)

针对海洋油井增产船的工作特点及规范相关要求，确定船舶的推进及定位方式，考虑渤海海域的海洋环境条件，进行船舶航行及定位工况下的功率需求计算，并通过仿真手段对船舶定位能力进行验证，确定本船推进系统的功率配备。

油气增产作业；电力推进；动力定位

随着石油勘探开发技术的不断进步，以酸化压裂为主要手段的储层改造技术已经成为开发低渗油气田、提高单井产量的主体技术，海洋油气增产船是为实现酸化压裂等油气增产作业而设计的专用船舶[1-2]。

11 000 kW(15 000 HP)增产作业船以国际上先进的某型海洋工程船为基础，结合海洋压裂作业的功能需求和作业特点而自主设计，配备5台2500型压裂泵，总功率11 000 kW，最大排量(清水)12 m3/min，支撑剂混合能力7 m3/min，储存压裂液总量约2 000 m3，具备压裂、酸化、防砂在内的多种增产作业能力，服务于国内渤海湾油井。

为保证船舶作业的安全性和稳定性，高效的动力定位能力是增产作业船应具备的基础功能，本文对11 000 kW增产作业船的推进系统进行了计算设计，对定位能力进行仿真分析，使得船舶满足服务海域增产作业的需求。

1 推进方式及定位方式确定

通过对国外已有同类船舶推进系统的分析，发现已有船舶的推进方式均为电力推进。与常规推进方式相比，电力推进具备良好的燃料经济性、较弱的噪声及震动、灵活的空间布置、稳定的操控性和机动性，是提升船舶智能化、信息化及自动化程度的基础。随着国际海事组织对船舶的能效方面提出新的要求，电力推进系统将成为未来船舶动力发展的方向[3]。基于上述优点，为迎合未来市场需求，确定本船推进系统为全电力推进系统。

船舶在进行增产作业时，需在钻井平台附近连续不间断作业。作业期间，船舶艉部将引出高压软管与井口相连，为防止船舶受环境影响与平台或附近设施发生碰撞，保持船舶艉部与井口的相对位置，船舶需具备精确的定位能力[4]。船舶常用定位方式有锚泊定位与动力定位两种，考虑到平台附近布置有复杂的采油或输油管路，锚泊定位方式不适用于本船，确定本船的定位方式为动力定位[5]。

根据CCS《油井激活剂(增产剂)船指南(2013)》的要求，本船动力定位系统需满足《钢质海船入级规范》DP-2要求[6]：“安装有DP-2动力定位系统的船舶，在出现单个故障(不包括一个舱室或几个舱室的损失)后，可在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。”为满足规范要求，本船推进系统的配备如图1所示：艉部设有2台全回转舵桨装置，提高船舶的艉部机动性；机舱设有4台主发电机组，增强电力系统的供电灵活性；艏部设有2台管道式侧推装置，保证船舶首向。

3 工况及辅助用电量分析

油气增产作业船的主要工况分为航行工况及作业工况。定义船舶用电由“推进用电”及“辅助用电”两部分组成：推进用电包括全回转舵桨装置用电和侧推装置用电；辅助用电包括船舶固有辅助设备用电和增产作业设备用电。

不同工况下的电力负荷组成如图2所示，增产船的辅助用电量主要与主尺度、航速及作业能力有关。通过对相似主尺度及航速的母型船进行电力负荷分析，统计出船舶固有辅助设备用电量约为300 kW；通过对压裂设备研制厂家进行调研，获得11 000 kW作业能力的增产设备所需提供的电量约为2 400 kW。

4 最高航速推进功率需求计算

本船以最大航速16 kn进行设计，以母型船模型试验数据为基础，进行推进功率需求计算,船舶收到功率曲线见图3。船舶在16 kn航速下，收到功率为5 608 kW,考虑推进损失，所需推进功率约为5 841 kW。

5 动力定位能力分析

5.1 工作海域环境分析

渤海是中国大陆最大的一个近封闭的内海，三面环陆，受陆地影响较大，加上水深较浅，其天气气候特征具有明显的季节变化。多年气象资料统计表明，渤海海区年平均6级以上的大风日数在渤海中部一带为50～60 d，辽东海和莱州湾为60～80 d，渤海海峡一带约为80～100 d，且最近多年，渤海海区的大风日期明显减少，渤海海面的月平均风速在5～10 m/s。

渤海特殊的地理位置和渤海海面风的特征决定了渤海波浪分布的基本特征，渤海海域的浪主要以风浪为主，涌浪和近岸浪不明显，风浪多为3～4级，每年的平均波高为1.0～1.5 m。

渤海流主要为风海流和潮流，其中，渤海风海流流向比较稳定，流速0.10～0.15 m/s，由于海水浅，风海流相对较弱，潮流作用影响更大，潮流的流速相当于平均风海流的10倍左右，最大潮流在0.5～1.5 m/s。

根据渤海湾气象统计数据可知，该海域的常遇海况不超过4级[7-9](风级5～7级，波高1.25～2.50 m)。本船动力定位能力按照适应4级海况进行设计时，便可保证全年作业需求。

5.2 动力定位推进功率需求计算

在对动力系统进行设计时，需对船舶受到的环境载荷进行计算。本船在实际施工过程中，受到的环境力主要有风、浪、流，均为不规则、不定常载荷，难以精确计算。在设计初期，通过简化计算模型，引入经验系数及经验公式，对风力、波浪力及海流力进行估算。

1)风力计算。将风力作为定常力进行计算，计算公式如下[10]。

Vs=1.2Vo

(1)

Vw=0.6Vo+0.4Vs

(2)

(3)

式中：Vo为平均风速，m/s；Vs为阵风，m/s；Vw为计算风速，m/s；Rw为风阻力，N；εa为无因次风力系数；ρa为空气质量密度，kg/m3;A为受风投影面积，m2。

2)海流力计算。将流力作为定常力进行计算，计算公式如下。

(4)

(5)

(6)

式中：Vwf为风海流速度，m/s；Vtf为潮流速度，m/s；Vf为海流速度，m/s；Rf为海流阻力，N；εtf为经验系数；εwf为经验系数；Atf为湿表面积，m2;Awf为水下投影面积，m2。

3)波浪力计算。根据多年来对实船测试数据的统计分析，波浪力一般占环境载荷的5%～10%，即：

(7)

式中：Rb为波浪力，N。

将上述计算得到的作用力视为定常力，风阻力作用点为船舶侧受风面积的形心，海流阻力作用点为船舶水下侧面积的形心，波浪力作用点为船舶设计水线的中点，力的作用方向定为对船舶影响最大的受力方向，根据力矩平衡，估算推进装置的功率需求，以4级海况作为输入条件，计算结果如表1所示：艏部侧推所应具备的总推力约为274.7 kN，查询相关厂家设备手册，单台侧推所需输入功率约为827 kW。

表1 动力定位能力推进功率估算表(4级海况)

5.3 定位能力仿真验证

以上述计算所得的推进器功率作为输入条件，结合船舶主尺度及总体性能要求，利用推力利用率包络线进行定位能力验证，将在一定范围内保持船的定位所需的推力与船可提供的最大推力相比较，所得的比值可以作为风向的函数。推力的利用率小于等于100%时，船舶可以实现定位能力。如果比率超过100%，船舶的动力定位能力减弱，船舶位置发生漂移。

船舶推进器正常运行时，船舶推力利用率包络线见图4。曲线代表100%推力利用率曲线，曲线内区域比率小于100%，曲线外区域比率大于100%，同心圆曲线表示风速大小，径向线表示风向，具体数据见表2。在船舶进行全力动力定位时，船舶能满足的海洋环境载荷为：风速40.9 kn，风向90°，有义波高5.9 m，流速1.5 kn。该海况远超过4级海况对应的风、浪、流参数，船舶的推进装置所配备的功率满足船舶动力定位能力的需求。

环境参数角度/(°)速度/kn力xX/kN力yY/kN力矩N/(kN·m)推力参数推进器利用率/%推力/kN角度/(°)推力xX/kN推力yY/kN力矩N/(kN·m)功率/kW风9040.90-199-1264T11009990 0993276 827浪905.90-121-39T210099900992949827流901.50-79-25T39441415401104-25862692T494413166-40197-23112676汇总0-399-1328039913287022

6 结论

经分析，11 000 kW增产作业船推进系统将设4台主发电机组，单台功率约2 100 kW；艏部设2台侧推装置，单台最大输入功率约为827 kW；艉部设2台全回转舵桨装置，单台最大输入功率约2 960 kW，设备冗余度满足DP-2要求，设备能力满足航速及服务海域4级海况下的动力定位需求，为后期实船详细设计及建造奠定了基础。同时，本文仿真计算结果验证了估算结果的正确性，进而验证了本文所述的估算方法的有效性，为同类船舶动力定位能力的计算提供了一种前期估算方法。此外，本文估算公式中采用了一定数量的经验系数来简化模型，系数的准确性直接影响计算结果，行业人员应在实船运营过程中，对数据进行不断采集、分析、积累，以校正经验系数、精确计算结果。

[1] 宁波，关利永，王显庄，等.海洋油气增产作业船现状分析[J].石油机械，2011,39(增刊):121-123.

[2] 江怀友，李治平，卢颖，等.世界海洋油气酸化压裂技术现状与展望[J].中外能源，2009,14(11):45-49.

[3] 郑安洪.船舶电力推进系统特点及应用分析[J].珠江水运，2014,19:61-63.

[4] 薄玉宝.海上油气田工程压裂作业船及装备配置技术探讨[J].海洋石油，2014,34(1):98-102.

[5] 徐志海，罗良.国内首艘海上油田增产作业支持船的研发设计[J].船舶设计通讯，2015,(z1):1-4.

[6] 中国船级社.油井激活剂(增产剂)船指南[S].人民交通出版社，2013.

[7] 王增全.渤海气象海况环境对客滚船航线的影响及对策研究[D].大连：大连海事大学,2012.

[8] 中华人民共和国国家军用标准.舰船通用规范GJB4000[S].中国人民解放军总装部,2000.

[9] 何进辉，张海彬.动力定位能力分析中的风速和波高关系研究[J].船舶，2012,23(2)：11-16.

[10] 高捷，谭家华.浮式生产储油轮动力定位功率计算[J].上海交通大学学报,1996,30(10):53-57.

Propulsion System Design and Dynamic Positioning Capability Analysis for 15 000 HP Well Stimulation Vessel

LU Jun, WANG Xiao-hong, LUO Min-li, DENG Ying, LU Ben-cai

(Institute of Marine & Offshore Engineering, Wuchang Shipbuilding Industry Co., Ltd., WuHan 430063, China)

According to the well stimulation vessel’s characteristic and relative rules, the propulsion model, dynamic positioning model and the weather condition of working area were analyzed. The power requirements of the propulsion equipments were calculated, and the simulation analysis method was used to ensure the DP capacity. The power distribution of the propulsion system was confirmed also.

well stimulation; electric propulsion; dynamic positioning

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.032

2016-06-01

工业和信息化部项目(工信部联装[2013]419号)

卢俊(1986—)，男，硕士，工程师

U674.38;U664.81

A

1671-7953(2017)02-0135-04

修回日期：2016-06-16

研究方向:轮机工程