海洋工程半潜重载船电气系统设计

何沁园 祝世奇 蓝文昊 张海文

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011）

引 言

海洋工程半潜重载船作为一型特种海运工具，在海洋工程中承担了运载大型海上石油钻井平台、大型舰船、潜艇、龙门吊、预制桥梁构件等无法分割吊运的超长超重海工设备的任务。与常规运输船舶相比，半潜船因运载物件的特殊而具有与常规运输船不同的特点。

本文是对本院研制设计四种规格的自航半潜重载船（90 000 t、50 000 t、30 000 t和 38 000 t）的共性和差异作一定的分析，以期获得对该类船型电气设计的了解和认识，并希望以此能引出更深入的讨论和提出优化方案。

1 电推及DP的基本型态及优点

海洋工程半潜重载船在施工作业时一般需要进行定位。目前，使用较多的定位方式有多点锚泊定位和动力定位。其中，动力定位方式又因其不受定位海域水深的影响、定位响应速度快、精度以及自动化集成度高等优点在海洋工程半潜重载船上获得了较广泛的应用。在具有动力定位的船舶中，电力推进因其具有效率高、推进性能好、布置空间紧凑合理、环保节能、噪声小、振动低等优点获得了广泛应用。半潜重载船的尾部多为工作甲板，不宜布置主机舱，因此基本都是电力推进及动力定位的船型，这也决定了半潜重载船基本上都采用中压电力系统。

文中所分析的几种规格半潜重载船的主推进均采用了尾轴推进器，低速电机直接驱动螺旋桨，或中速电动机通过齿轮箱减速驱动螺旋桨。首、尾侧向推力器主要采用隧道式推进器，50 000 t半潜船首部还设置了可伸缩式全回转推进器。根据实船航行情况，这种推进器的配置方案是合理可行的。与采用POD主推进相比较，这种配置方案维护性更好，也更加节约成本。［4-5］

30 000 t及38 000 t采用了DP-1附加标志的CCS船级社DP入级，50 000 t采用了DP-2附加标志的CCS船级社DP入级，90 000 t采用了DPS-2附加标志的DNV和CCS双船级社DP入级。

图1以及下页的图2和图3为这三种规格的半潜重载船电力系统单线图（38 000 t与30 000 t类似）。

2 航速与DP能力的兼顾要求及解决措施

对于半潜重载船而言，自由航行航速和动力定位能力是在主推进螺旋桨设计时相互制约的一个因素。在自由航行主推进器兼做动力定位推力器时，由于螺旋桨分别处于航行特性和系柱特性两种负荷工况状态，前者推力小、转矩小，后者推力大、转矩大，而螺旋桨在设计上较难做到完全兼顾转矩与转速的反比例工况变化，所以在螺旋桨设计时只考虑船舶的主要工况。若以动力定位工况为主，则推力要求必须达到DP能力分析中所规定的数值。此状况下自由航行时，则采用提高转速的方式来吸收尽可能大的功率以满足航速要求。若以自由航行工况为主，则以满足航速要求来设计螺旋桨，螺旋桨的参数以电动机的额定功率和额定转速为基础来决定。此状况下动力定位时，电动机的转矩因不能过载而只能被迫运行在比额定转速更低的转速值上。

电动机不能满功率运行，其通过螺旋桨提供的转矩（推力）也较小，这可能导致动力定位能力也相应减弱，即需要降低动力定位的环境条件。30 000 t、38 000 t以及90 000 t半潜船因其大部分时间处于运输航行工况的特点，螺旋桨的设计则以航行工况为主，同时兼顾具有一定的动力定位能力；50 000 t半潜船的螺旋桨设计则根据系柱托力状态和12 kn服务航速之间进行优化的特点，以满足动力定位能力为主。

3 压载系统的重要性及系统设计

海洋工程半潜重载船，顾名思义半潜是该船型的一个主要工况，如何实现半潜作业是该船型的设计重点。一般该船型会设有压载排载系统，用压载泵对压载水进行注入、排出和调驳是使用较普遍的压载调载方式；也有使用压缩空气排放压载水等新型的压载调载方式。半潜船下潜作业是通过调整船体的压载水量来实现的：先将工作面甲板平稳地潜入到5～30 m的水下后，将需要装运的货物拖曳到位后，再将压载水排出船体，使船身连同甲板上的货物一起浮出水面然后进行运载［3］。

当前的大型半潜船一般会在工作甲板以下设置多层压载水舱，并沿纵向和横向分割成数量众多的小压载水舱。这样既能满足结构上装载大型货物的弯曲应力要求，又能提高半潜船在装载和卸载货物状态下导致一舱破损时的安全系数。同时，在码头通过滑道装载大型货物时，分割为小的压载水舱更利于实现复杂的调载过程。多层的压载水舱使半潜船适应性更强，更容易保持良好的稳定性，这在装载及运输小型货物和大型货物时都十分重要：如在高海况下运输小型货物时为减少其横向移动，可往上部的压载舱注水以增加船体上部的质量；运输大型货物时，可往底部的压载舱注水以降低全船的重心［2］。

为提高装卸载效率和减少压排载时间，一般会在半潜船上配备大功率的压载泵。30 000 t及38 000 t半潜船采用了常规的压载泵式压载排载系统，全船设置了4台315 kW的压载泵和2台110 kW的调载泵。50 000 t和90 000 t半潜船则采用了空气压载和泵压载相结合的方式；50 000 t半潜船全船设置4台500 kW的空气压缩机；90 000 t半潜船全船设置4台634 kW的空气压缩机，用于对主甲板以下压载水舱的压排载（其中2台用于首部主甲板以上压载水舱的压排载，另外2台用于尾浮箱的压排载）。

压载系统是体现半潜重载船其特征的一套重要系统，除需要有压载舱的布置、压载量的计算及压载水的管系设计以外，压载泵或空压机的驱动形式以及对系统中几十只甚至上百只电动或电液阀的控制也是该系统的重要组成部分，这也是半潜重载船电气系统的重要设计内容之一。同时，该系统电气设计又因有着成百上千个监测报警I/O接口而增加了复杂程度。下页图4 -图6是三种规格的半潜重载船压载控制系统的网络图。可见，半潜船的压载控制系统主要采用分布式的现场采集站形式，其主控制单元通过工业现场总线与所有分布式现场采集站进行通讯，并对数据进行采集和监控。主控制单元选用高可靠性的PLC控制器，而PLC控制器采用工业以太网与计算机操作站通讯的模式，实现人机对话。其中，30 000 t和38 000 t半潜船的压载控制网络结构比较相似；而在50 000 t半潜船的压载系统中，增加了与4台空压机的通讯，各个空压机与PLC控制器之间采用总线通讯，读取空压机状态并远程控制，电动阀采用了CANopen总线接口，直接与PLC控制器进行通讯；90 000 t半潜船则是将压载控制系统集成在全船集成控制系统中。

4 深潜参数对推进装置的密封影响及措施

在进行半潜作业时，由于下潜吃水一般超过20 m，所以水线以下与船体连接设备的密封性能因吃水深度远远超出常规范围而成为需要特别关注的问题。常规标准的推进装置的密封能力一般只能在2个大气压左右，即吃水深度不大于20 m。因此，半潜船的主推装置采用了机械端面密封，密封装置需为两片组合，更换密封时无需拆轴，并设有在更换密封时应急气囊密封装置，此气囊的气源与主机启动气源需互锁；而侧推装置的设计是设置两套润滑密封系统，在吃水大于20 m时，可采用压缩空气加压的润滑系统进行密封。对润滑系统的合理控制还应引入吃水信号，使其能进行自动转换。

5 集控室位置的思考

半潜船在下潜、上浮作业时，由于其稳性和浮力的脆弱性和操纵的限制性，船舶的安全在很大程度上取决于天气情况，下潜、上浮作业具有很大的风险，因此作业时要求所有人员必须在最大下潜水深以上甲板［6］，这就引出了关于半潜船机舱集控室的布置是否需在最大下潜水深以上的问题。 由于各船级社的规范均没有明确的规定，30 000和38 000 t自航半潜船由于整体布局较为紧凑，水线以上的位置无法考虑集控室的位置，因此机舱集控室是布置在位于下平台甲板层（距基线6 m）的机舱区域，在半潜作业吃水深度将达到23 m时，集控室的位置会处于水线以下，为此在该船图纸的送审过程中，CCS审图人员对集控室的位置曾有疑义。中远一型18 000 t和50 000 t半潜船机舱集控室设在了桥楼甲板的下一层，但看来也会带来管理上等其他问题。而此后的50 000 t和90 000 t半潜船集控室都没有设在下潜水线以上，也得到了船级社和船东的认可。我们考虑到半潜船的自动化系统设计时采用AUT-0入级标志，在驾驶室操作站设置齐备的全船设备监测、报警的功能和部分设备的控制功能，而且在驾驶室前、后控制台均具有自动或手动遥控控制主推进器、侧向推进器、舵、压载泵、消防泵、阀门、定位绞车等设备的功能，可以看作是机舱集控室功能的延伸，一定程度上解决了以上矛盾。因此，建议船级社对这个问题的规范提出更明确的规定，将有利于设计观点的认同和统一。

6 结 论

本文主要对半潜重载船的推进系统和压载系统的电气设计部分进行阐述和分析。在与常规船型的电气设计比较中，针对半潜重载船因其半潜作业的特殊性，给出了满足航行和作业要求的设计方案以及一些重要问题的解决措施。通过对比几种规格的半潜重载船的设计，可以清晰了解它们的共同点和差异，从而为该类船的电气系统设计提供一些参考。文章对推进设备的密封性能也提出了解决方案，同时针对集控室位置的设置提出一些思考。若既要达到安全的规范要求，又能满足使用功能要求，后期仍需不断研究和学习。

［1］ 中国船舶工业集团公司. 船舶设计实用手册：电气分册［M］. 3版.北京：国防工业出版社， 2013.

［2］ 盛卫明，黄吉，仲伟东，等. 5万t半潜船压载水处理系统设计［J］.船舶与海洋工程，2015（2）：43-47.

［3］ 李志垒. 大型半潜船压载水系统设计［J］. 船舶，2014（1）：53-57.

［4］ 杨帆，崔刚，王乐，等. 电力推进技术的发展及其关键技术分析［C］ //中国船舶与海洋工程焊接与涂装技术发展论坛论文集，2012：74-77.

［5］ 郭国才，石艳，王屈平，等. 民船电力推进技术应用及发展方向［J］. 船电技术，2014（5）：1-4.

［6］ 张建浩，邱新涌.浅述新型半潜船的海务管理［C］//2008船舶安全管理论文集，2008：14-17.