9 600 HP海洋油气增产作业船柴电混合推进系统设计

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(1.武船船舶重工集团有限公司,武汉 430064；2.湖北省海洋工程装研究院有限公司，武汉 430064)

9 600 HP海洋油气增产作业船柴电混合推进系统设计

邓颖1,2，王小红1,2，刘波1,2，卢俊1,2，黄罗朋1,2，秦江平1,2

(1.武船船舶重工集团有限公司,武汉 430064；2.湖北省海洋工程装研究院有限公司，武汉 430064)

针对海洋油气增产作业船的作业特点和波斯湾海域的环境条件，采用柴电混合推进系统，分析系统组成和工作模式。通过利用其轴带发电和一机双桨的多种工作模式相结合的方式，提高海洋油气增产作业船作业时的灵活性和经济性。动力定位能力仿真分析表明，该柴电混合推进系统能满足船舶作业需求。

海洋油气增产；柴电混合推进系统；轴带发电模式；一机双桨模式；动力定位；经济性

随着石油勘探开发技术的不断进步，开发低渗油气田，提高油气开采产量已经成为海洋石油开采新的发展方向，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]。

9 600 HP(7 100 kW)海洋油气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。配备了4台2 250 HP和1台600 HP的压裂泵，总功率为9 600 HP，作业于波斯湾海域。根据波斯湾海域的特点，综合船舶作业的操作性和经济性，对9 600 HP海洋油气增产作业船的推进系统进行设计应用分析，使得本船在安全作业的同时提高使用的经济性。

1 环境条件分析

本船服务于波斯湾海域，该海域是世界上水温较高的海域之一，属于亚热带气候，终年盛行西北风，风力变化无常，年平均风力达到5～6级，冬季风力超过7级大风频率达到10%，夏季风力超过7级大风频率达到20%，秋季有龙卷风，冬季多云雾，规律性不强。这表明，酸化压裂作业船不仅仅要满足年平均风力5到6级的环境需求，还需要满足7级风的需求。因此需要选择一种合适的推进方式，在满足环境条件的前提下提高船舶使用的经济性。

2 柴电混合推进系统动力配置

结合作业环境，充分考虑船舶操作的经济性，本船采用柴电混合动力系统，在原有轴系推进的基础上，通过引入可逆轴带电机(PTO/PTI)来实现柴电混合推进的目的，见图1，图中深色部分为较传统轴系推进增加的部分。

图1 柴电混合推进示意图

本船以最大航速12 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。

在航速为12 kn时，收到功率为3 200 kW，考虑到推进损失，本船选用2台1 825 kW的主机，主机通过齿轮箱与艉部全回转和可逆轴带电机相连，可逆轴带电机发电功率为1 500 kW，电动机功率为450 kW。为了提高本船的操纵性，艏部采用2台827 kW的艏侧推。在环境较恶劣时，可逆轴带电机做发电机工作；在环境条件较好时，开启1台主机带动螺旋浆和轴带电机(PTO)运行，并且驱动另外1台轴系的轴带电机(PTI)，实现1机带2桨；实现动力系统能量的充分合理利用。

2.1 轴带发电模式(PTO)

如图2所示，当环境条件较恶劣时，2台主机同时工作，驱动2台全回转舵桨及轴带电机。

图2 轴带发电模式示意

轴带电机做PTO为艏部侧推及全船其他负载供电，其中2台艏侧推功率为800 kW。全船其他负载约500 kW，由辅助柴油发电机供电。主机通过轴系带动全回转舵桨，2台舵桨功率800 kW，此时，2台主机均工作在经济运行点。

2.2 一机双桨模式

见图3，环境条件较好时，仅开启1台主机，驱动本轴系螺旋桨和轴带电机，该轴带电机做PTO。另外1台轴带电机做PTI，驱动艉部全回转舵桨。

图3 一机双桨模式示意

此时，作为PTO的轴带电机给另外1台作为PTI的轴带电机及艏部侧推供电，艏部侧推功率为500 kW。全船其他负载约500 kW，由辅助柴油发电机供电。艉部2台全回转功率为350 kW，此时单台主机工作在90%的MCR，主机能力得到了充分利用。

3 船舶定位能力仿真计算

船舶在进行增产作业期间，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[3]。本船推进系统配置如图4所示：艉部设有2台全回转舵桨推进器，艏部设有2台管道式侧推装置。

图4 推进系统配置示意

在船舶2种工作模式下，对其动力定位能力进行仿真分析。

3.1 轴带发电机模式(PTO)

该模式下2台主机通过齿轮箱带动艉部全回转和可逆轴带电机工作，轴带电机为轴带发电机为艏部侧推提供电源。压裂作业时，艉部2台全回转及2台艏侧推共同作用进行DP定位，且艉部全回转及艏侧推可用功率均为800 kW，仿真分析其动力定位能力,见图5。

图5 轴带发电机模式动力定位能力

图中径向极坐标表示风向，同心圆表示风速，按照船级社规范规定的流速为北海[4]1.5 kn情况下生成该包络线，表示所有推进器处于最优工作状况下，推力综合作用时船舶具有动力定位能力的临界线。当某一风向的风速在该临界线内时，船舶具备动力定位能力；当其风速超过该包络线时，船舶将失去动力定位能力。

这种模式下船舶作业时，轴带发电模式下定位能力仿真结果见表1。

表1 轴带发电模式下定位能力仿真结果

可适应的海况为：风向90°时，风速42.9 kn，有义波高6.2 m，流速1.5 kn，完全能够满足波斯湾海域7级风对应的环境参数，船舶具有较强的动力定位能力。

3.2 一机双桨工作模式

该模式下仅开启1台主机通过齿轮箱驱动本侧的全回转和可逆轴带电机，该可逆轴带电机做PTO，另外一侧的可逆轴带电机做PTI。压裂作业时，艉部全回转推进器和艏侧推共同作用进行动力定位。此时，艉部全回转推进器可用功率为350 kW，艏侧推可用功率为500 kW，经过仿真计算，其动力定位能力见表2和图6。

表2 一机双桨模式下仿真结果

图6 一机双桨模式动力定位能力

由表2和图6可以看出，此模式下船舶作业时可适应的海况为：风向90°时，风速34.1 kn，有义波高6.1 m，流速1.5 kn；完全能够满足波斯湾海域5～6级风对应的环境参数，船舶推进系统配置满足船舶动力定位能力的要求。

4 柴电混合推进系统经济性分析

假定本船在进行海洋作业时，单次作业时间为10 h，分别计算2种模式下的油耗。

4.1 轴带发电机模式

当船舶工作在该模式下时，开启2台主机，驱动艏侧推及艉部全回转且其每台功率为800 kW，考虑齿轮箱及轴系传递效率，每台柴油机输出功率为1 758 kW。同时，全船其他负荷500 kW，开启2台柴油发电机组，每台300 kW，其作业时间内的油耗见表3。

4.2 一机双桨模式

当船舶工作在该模式下时，开启1台主机，驱动本轴系轴带电机做PTO给另外1台轴带电机PTI及艏侧推，其中艉部全回转舵桨工作功率为350 kW，艏侧推工作功率为500 kW，考虑齿轮箱及轴系传递效率，柴油机输出功率1 773 kW。同时，全船其他负荷500 kW，开启2台柴油发电机组，每台300 kW，作业时间内的油耗见表4。

表3 轴带发电机模式油耗

表4 一机双桨模式油耗

可见，由于柴电混合推进系统较常规柴油机推进系统而言还具备一机双桨的工作模式，通过2种模式的合理使用，海洋油气增产作业时其油耗可得到有效控制，可大大提高作业的经济性。

[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] 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.

[4] 中国船级社.钢制海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2015.

Design of Diesel-electric Propulsion System for the 9 600 HP Well Stimulation Vessel

DENGYing1,2,WANGXiao-hong1,2,LIUBo1,2,LUJun1,2,HUANGLuo-peng1,2,QINJiang-ping1,2

(1.Wuchang Shipbuilding Industry Co. Ltd., Wuhan 430064, China;2.Chinese Institute of Marine & Offshore Engineering (HB) Co.,Ltd., Wuhan 430063, China)

According to the well stimulation vessel’s characteristic and the environment condition of the Persian gulf, the shaft with diesel-electric propulsion system was introduced and the system configuration and operation modes were analyzed. By using the shaft generator and two screw of one engine mode, the flexibility and the economy of the well stimulation vessel can be increased. The capability simulation results of DP positioning showed that the shaft with diesel-electric propulsion system can meet the requirement of operation.

well stimulation; shaft with diesel-electric propulsion; shaft generator mode; two screw of one engine mode; dynamic positioning; economy

U664.142

A

1671-7953(2017)06-0098-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.022

2017-01-10

2017-02-22

工业和信息化部项目(工信部联装【2013】419号)

邓颖(1980—)，女，硕士，工程师

研究方向：船舶电气工程