池波，李永富

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深水三用工作船動力系統研究

池波，李永富

（中海油田服務股份有限公司，北京 101149）

首先介紹了深水三用工作船動力系統的主要作業(yè)工況；其次，對深水三用工作船目前的動力形式進行了分析，并對電力推進形式在三用工作船中的應用進行了論證，最后結合國內配套設備的技術水平，指出在不遠的將來電力推進形式可能率先實現深水三用工作船的動力系統國產化。

三用工作船 推進系統 混合推進 電力推進

0 引言

深水三用工作船(Deep Water Anchor Handling Tug Supply Vessel，簡稱DW-AHTS)是用于為海上油氣勘探、開發(fā)、生產提供各種水深的起拋錨、拖航就位、鉆采物質運輸供應、守護、ROV(Remote Operated Vehicle)支持、消防、回收等服務的專用船舶[1]。

隨著我國在南海以及其他作業(yè)區(qū)域的海洋石油、天然氣開發(fā)工程不斷發(fā)展，新一輪大型海洋工程建設，特別是海洋石油、天然氣深水作業(yè)工程建設高潮的到來，對多功能三用工作船的需求日見增長。同時，由于海洋石油開采工作正不斷朝著深水海域擴展，因此對于三用工作船的操控性能也有了更高的要求，進而對動力系統的性能提出了更新的要求[1]。

本文將結合海洋石油681/682號深水三用工作船推進系統情況，分析目前深水三用工作船動力系統的工況要求、使用特點以及未來的技術發(fā)展方向。

1 深水三用工作船動力系統

海洋石油681/682號是由羅爾斯羅伊斯集團（Rolls-Royce）旗下的Rolls-Royce Marine AS公司設計的UT788系列深水三用工作船。UT788是目前世界上最新型三用工作船，采用X-BOX型船身設計，混合推進（Hybrid Propulsion），用于3000m深水作業(yè)，不僅滿足中國船級社CCS相關海洋工程船規(guī)范要求，還滿足挪威船級社DNV的相關海洋工作作業(yè)特殊入級符號要求，其主要使用工況：

1.1 作業(yè)工況

1）航行工況：提供最高18節(jié)航速為海上深水石油平臺供應多種物資和材料，或低速巡航于海上石油平臺附近，隨時隨地聽平臺召喚，進行守護、值班；

2）拖曳工況：對大型石油平臺、大型船舶、海上工程設施漂浮物、以及浮筒等提供拖曳作業(yè)，能作為遠距離拖航的主拖船；

3）拋起錨工況：在1500水深內對大型石油平臺、浮式裝置的大型錨或錨淀、錨泊系纜提供3000kN拋起錨作業(yè)，并進行平臺的移位、就位等作業(yè)；

4）動力定位工況：提供DP2級動力定位為船舶進行水下工程、海底設備安裝、檢修提供作業(yè)支持。

1.2 機械直接推進形式

傳統的深水三用工作船一般采用：推進主機＋齒輪箱＋軸系＋帶導流管可調槳CPP的推進方式。該方式結構簡單、設備成熟、系柱拉力高、能夠很好滿足深水三用工作船各種工況的要求（如下圖1所示）[2]。

圖1 三用工作船機械直接推進形式單線圖

如圖1所示，這種機械直接推進形式系統由D1、D2、 D3、D4柴油機直接驅動CPP主推進器，可用于拖航和高速移航；同時，D2、 D3連接有相應的軸帶發(fā)電機G3、G4，可與輔助發(fā)電機組G1、G2并網為側推進器以及船上的其它電力負荷供電。

然而該種推進形式在低速工況和動力定位工況下，主機燃油經濟性較差，浪費了大量的能源，既不經濟也不符合當今越來越嚴的環(huán)保要求。

1.3 混合推進形式

混合推進形式是機械直接推進與電力推進技術中間的一種折中方案，如下圖2所示。由于當前大功率電力推進設備的成本還較高，當船舶推進功率較大時，采用混合推進系統的成本相對較低，又能夠發(fā)揮大部分電力推進技術的優(yōu)勢[3] -[4]。

如圖2所示，這種混合電力推進系統可以有三種工作模式。

1)全電力推進模式（Full-Electric Mode）：由G3、G4 、G5、G6發(fā)電機組供電，經變頻調速M1、M2主推進電機驅動主推進器，M3、M4、M5電機驅動船艏/艉隧道式推進器，M6、M7電機驅動可收放式全回轉推進器，此時非常適合低速機動操縱、移航和動力定位工況。

2)全機械推進模式（Full-Mechanical Mode）：由D1、D2柴油機直接驅動主推進器，可用于拖航和高速移航；在負荷有余時，可通過軸帶發(fā)電機G1、G2與任一輔助發(fā)電機組G3、G4 、G5、G6并網為側推進器以及船上的其他電力負荷供電。

3)混合推進模式（Hybrid-Electric Mode）：由G3、G4 、G5、G6發(fā)電機組供電， M1、M2、D1、D2同時通過齒輪箱驅動主推進器，M6、M7作為輔助推進，電力設備充當機械推進系統的助推器，以獲得最大系樁拉力。

根據混合推進系統的特點，該解決方案特別適合海洋石油支持船中大噸位三用工作船的運行工況。因此，目前建造的海洋石油681/682號深水三用工作船均采用上述方案，配置有：

? 推進主機D1、D2：2×8000 kW；

? 主推進電機M1、M2：2×3000 kW；

? 隧道式側推電機M3、M4、M5：3×1000kW；

? 全回轉側推電機M6、M7：2×1500 kW

? 軸帶發(fā)電機G1、G2：2×5000 kVA；

? 輔助發(fā)電機G3-G6：4×2780 kVA；

推進系統提供29000HP的推進功率，系柱拖力高達3000 kN。

2 動力發(fā)展方向-——電力推進技術

在以往的船舶中動力系統和電力系統是相對對立的兩個系統。動力系統通常由常規(guī)的熱機和其它機械裝置構成；電力系統一般作為輔助電源，由獨立的中小功率發(fā)電機組供電，與船舶的推進并沒有直接的關聯。綜合電力推進技術是將推進系統與電力系統相結合，即動力系統與輔機電站合二為一，是船舶推進最近二十年發(fā)展的新技術[5]。

2.1 電力推進形式

綜合電力推進系統一般由：發(fā)電機組、主配電板、推進變壓器、推進變頻器、推進電機、推進器、功率管理系統、監(jiān)控系統等設備構成。如圖3所示，電力推進系統根據主推進電機M1、M2和其它用電設備的實時負荷大小，動態(tài)調整G1、G2、G3、G4發(fā)電機組的投入數量；控制系統對各臺推進電機實施快速的平滑轉速調節(jié)。

圖3 三用工作船電力推進形式單線圖

2.2 電力推進技術的優(yōu)勢

相對于機械直接推進形式，電力推進形式具有諸多優(yōu)勢[6-8]：

1）布局靈活、有效空間多

由于與螺旋槳軸/推進電動機無機械連接，主機可隨意安裝在緊湊艙中最佳位置，—根電纜就是大功率的多用途電力傳輸介質，因而船上大型機械設備布置更加靈活、有效空間更多。

2）運行可靠、生命力提高

驅動螺旋槳的推進電動機由船舶電網供電，而電網則一般由多臺的發(fā)電機組供電。使用多臺發(fā)電機組，增加了設備選擇的靈活性；當部分發(fā)電機組發(fā)生故障時，其余的機組仍能照常工作，單一的發(fā)動機故障不會引起任一螺旋槳的功能停止，因而單點故障降低，提高了船舶的生命力。

3）操縱靈活、機動性能好

采用電力推進的船舶易于實現駕駛室遠程集中遙控操縱，自動化程度高，人機界面好，電動機轉速調節(jié)響應更快，控制精度更高，還可實現無級調速，快速逆轉。易于獲得理想的拖動特性，如：恒轉矩特性、堵轉特性、低速特性等。

4）減小振動和噪聲、環(huán)境更舒適

電氣設備之間的軟連接和可彈性地安裝可以方便實現原動機的隔音和降噪處理，使得船員工作的環(huán)境更舒適。

2.3 電力推進技術存在的問題

盡管電力推進形式具有很多的優(yōu)點，但目前為止全世界馬力大于16800BHP三用工作船基本上沒有電力推進船型建造記錄。目前世界上最大的電力推進三用工作船是ULSTEIN Design& Solutions AS正在設計中的AX104船型。該船主要參數：總長84.9 m，型寬18.5 m，吃水7.0 m，航速17.0節(jié)，系柱拉力180噸，主發(fā)電機功率11800 kW(約16000BHP)，配備400噸主拖纜機。

綜合分析三用工作船的使用工況，本文認為：暫時在現階段深水三用工作船仍不宜采取電力推進形式，主要原因如下：

1) 深水三用工作船主推進功率要求一般很大。如果采用電力推進形式常配置的舵槳式A-Z（Azimuth Thruster）推進器，在目前的技術條件下，功率大于8000 kW的A-Z可選產品較少，也相當的昂貴。

2) 若采用吊艙式（POD Propulsion）電力推進方式，但由于三用工作船作業(yè)特性，推進器必須配備導流管，設計建造船艉部線型造構十分困難，基本也是不可能的。吊艙式電推不僅更昂貴，而且比傳統式A-Z電推方式對船體外部安裝空間要求更大。

3) 若采用基于傳統的軸系和帶導流管CPP槳的電力推進結構，當船在使用動力定位作業(yè)或低速航行時，這種推進方式的確能夠節(jié)省燃油。但大功率電推設備只有國外進口，整體費用比較高；在高功率使用范圍內，燃油節(jié)省費用和投資增加的附加費用相比并不經濟。同時，采用CPP槳的形式后，電力推進調速性好、結構簡單的優(yōu)勢未能體現，系統反而更加復雜。對于大系柱拖力的三用工作船，設計公司一般不推薦采用電機－柴油機推進方式，除非工作船長期是一種特別作業(yè)方式（如長期使用動力定位作業(yè)），使得具有真正意義的經濟可行性。

雖然電推技術在三用工作船應用不多，但在其它海洋工程船方面，如平臺供應船（PSV）、工程支持船(OCV)、多功能供應船（MPSV）、ROV支持船由于工況適合，近年來歐洲一些在行業(yè)處于領先地位的公司普遍推薦采用電力推進形式。

3 動力系統國產化

目前，深水三用工作船無論采用哪一種推進形式，其動力系統均要由國外全套進口，存在著價格高、訂貨周期長、服務不及時等諸多問題。2000年來，國家大力推行“國船國造”思路，通過引進、吸收、自主研發(fā)的方式著力船舶工業(yè)本土配套率，特別是電力推進形式的設備取得了長足的進步，其中[9]：

1） 原動機

在中、高速柴油機方面，目前國內陜柴重工、河柴重工先后引進生產了德國MTU956、MTU396、TBD620，法國PA6-280STC系列機型。這些引進機型覆蓋轉速范圍1000-1500 rpm，單機最大功率從2560-8910 kW，同時國產化率普遍達到85%以上。

2） 發(fā)電機

國內汾西重工、鎮(zhèn)江中船現代引進的西門子1FC2/1FC5/1FC6系列690 V電制發(fā)電機已經能夠提供單機3000 kVA的供電能力。

3） 船用變頻器和推進電機

中船重工武漢船用電力推進裝置研究所生產BP系列船用變頻器和推進電機的功率已經覆蓋1000 kW-10 MW，并且已經擁有了1000 kW和3000 kW兩種功率等級的實船運營業(yè)績。

以上電力推進配套設備的國內技術突破將可能首先解決單軸4000 kW以下平臺供應船、守護船等船型的動力設備進口問題。

4 結束語

目前國內陸上油氣資源的開采空間有限，海洋石油開采將是未來緩解我國油氣資源緊張的途徑之一，特別是我國南海深水油氣田的開發(fā)。雖然我國已經是位居世界前列的造船大國，然而我國海洋工程類船舶配套技術的落后，大大限制了我國在深水油氣田資源的開發(fā)。電力推進形式與機械直接推進形式相比，對原動機功率要求相對較低、國內技術差距不大，有可能在不遠的將來率先以電推的方式實現深水三用工作船動力系統的國產化。

[1] 林文錦. 海洋石油支持船特殊操縱性及其性能指標研究[J]. 航海技術, 2010(2), 2-5.

[2] 陳華清,徐定海.艦船動力的發(fā)展和研究熱點[J].艦船論證參考,2003(2),5-10.

[3] 周國平.電力推進油田守護船設計研究[J].中國造船,2009(9),18-32.

[4] 蔡鈿. 電力推進技術在海洋石油支持船中的應用[J]. 船電技術, 2012(12), 62-65.

[5] Alf Kare Adnanes. Reduction of fuel consumption and environmental footprint for AHTS and OSV using electric or hybrid propulsion[J]. World Ships& Boats, 2008(7), 32-34.

[6] 郭國才,石艷等. 民船電力推進技術應用及發(fā)展方向[J]. 船電技術, 2004(5), 31-35.

[7] 黎南,劉曉冰等. 高性能船舶動力定位系統技術分析[J]. 熱能動力工程, 2005(5), 539-542.

[8] 馬偉明. 艦船動力發(fā)展的方向—綜合電力系統[J]. 海軍工程大學學報, 2002(12), 1-7.

[9] 肖楊婷,趙躍平等. 國內外綜合電力系統技術研究動態(tài)[J]. 艦船科學技術, 2010(8), 24-29.

Research of Propulsion System in Anchor Handling Tug Supply Vessel

Chi Bo, Li Yongfu

( China Oilfield Services Limited, COSL, Beijing 101149, China)

TM728

A

1003-4862（2012）06-0062-04

2012-07-29

池波（1978-），男，工學碩士。專業(yè)方向：電氣工程。