宋坤

摘 要：雖然近年來我國的海工制造企業(yè)增長迅猛，但是油價的不斷下挫導(dǎo)致鉆井船的訂單大大減少，對海工企業(yè)的發(fā)展提出了很大的挑戰(zhàn)，建造海洋生活平臺成了海工企業(yè)的另一條發(fā)展路線。文章對電力推進(jìn)技術(shù)獨(dú)有的性能優(yōu)勢進(jìn)行了分析，并分析了其在特海洋生活平臺中應(yīng)用，希望能夠增強(qiáng)我國海工制造企業(yè)的國際競爭力。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)系統(tǒng)；半淺式海洋生活平臺；應(yīng)用

引言

由啟東中遠(yuǎn)海工負(fù)責(zé)建造的半潛式海洋生活服務(wù)平臺“高德1號”全長95米，型寬67米，型深35.7米，平臺高度接近60米，采用荷蘭GUSTO MSC公司提供的OCEAN 500船型。平臺最大吃水20米，最大排水量33000噸，配備目前主流的DP3動態(tài)定位系統(tǒng)和8點(diǎn)錨泊輔助定位系統(tǒng)等。平臺可供750名船員生活居住，并且還預(yù)留240人的生活模塊安裝位置，最多可以容納990人居住。它不僅滿足國際海事組織船舶噪聲級規(guī)則和A468（XII）決議，還同時滿足 DNV（挪威船級社）、IMO（國際海事組織）、ILO（國際勞工組織）和UKCS（英國大陸架）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及ABS（美國船級社）和美國海岸警衛(wèi)隊(duì)規(guī)范要求，是目前世界同類產(chǎn)品中滿足規(guī)范最多、要求最高、設(shè)備設(shè)施最先進(jìn)的半潛式海洋生活服務(wù)平臺。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)在海洋生活平臺應(yīng)用的主要優(yōu)勢

傳統(tǒng)的海洋生活服務(wù)平臺的動力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是相對獨(dú)立的2個系統(tǒng)，電力系統(tǒng)一般作為輔助電源，推進(jìn)用柴油機(jī)組直接與帶動螺旋槳的軸系相連，為平臺提供主要推力。電力推進(jìn)作為目前比較先進(jìn)的船舶推進(jìn)方式，它的主要技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在。

（1）大氣污染小，節(jié)約油耗，提高了平臺的環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性能。電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心是公共電站，它能夠根據(jù)整個電纜系統(tǒng)中功率的變化控制發(fā)電機(jī)組的并入和斷開，從而控制單臺發(fā)電機(jī)組在較高的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，提高發(fā)電機(jī)組的燃油效率。這樣既降低了油耗，也減少了污染物的排放。隨著人們對環(huán)境保護(hù)的日益重視，建造既節(jié)能又環(huán)保的平臺已經(jīng)成為大家的共識。

（2）使生活平臺更加舒適。海洋生活平臺作為移動的“海上賓館”，船東對平臺的舒適性要求很高。如果采用常規(guī)的柴油主機(jī)推動，在主機(jī)加速或者“突增突卸”的時候會產(chǎn)生很大的噪音和振動，這對生活平臺來說是不能容忍的缺陷。而在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，柴油機(jī)組只是帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動，并不承受來自螺旋槳的推力，轉(zhuǎn)速基本也是恒定的，這給現(xiàn)場的安裝帶來很大的便利。例如我們可以將柴油機(jī)安裝在彈性塊上，避免硬性連接，也不用刻意加強(qiáng)機(jī)組底座的強(qiáng)度，這大大降低了生活平臺的噪音和振動。同時在早期設(shè)計時使發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)共振點(diǎn)，減少因推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)引起共振的可能性。

（3）平臺有較好的操縱性能。推進(jìn)器由電動機(jī)驅(qū)動，便于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。推進(jìn)電動機(jī)無論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動的扭矩都是不變的，這對配備全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的生活平臺來說，無疑增加了操控性能。采用電動機(jī)的另一個好處還在于它的調(diào)速是“線性”的，能夠使推進(jìn)器的調(diào)速很平順，就像具備“無級調(diào)速”功能的汽車那樣。

（4）使海洋平臺更加安全。該海洋平臺配備了6臺發(fā)電機(jī)，6臺推進(jìn)器，1-2臺發(fā)電機(jī)或推進(jìn)器發(fā)生故障，都不會讓全船陷于癱瘓狀態(tài)一，至少還能保持低速航行。此外，由于發(fā)電機(jī)組一直以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不像常規(guī)柴油機(jī)組那樣經(jīng)常處于“加速減速，突增突卸”的工況中，故障率比常規(guī)系統(tǒng)的柴油機(jī)組小，使用壽命也有所延長。

（5）設(shè)備布置更加靈活，平臺結(jié)構(gòu)得到很好的優(yōu)化。在常規(guī)系統(tǒng)中，為了減少推進(jìn)軸的長度，機(jī)艙往往需要離推進(jìn)器很近，每個推進(jìn)器都很分散，增加了機(jī)艙的布置難度，空間也很難得到有效的利用，而在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，機(jī)艙和動力設(shè)備的布置能得到很大的改善。例如在“高德一號”中，總共布置了3個機(jī)艙，3個配電間，6個推進(jìn)器艙。推進(jìn)器艙布置在PONTOON（浮筒），機(jī)艙和配電間布置在DECK BOX（甲班包），從而避免將發(fā)電機(jī)組布置在狹小的浮筒里，減少了施工的難度，使空間得到合理的利用。每個機(jī)艙和配電間相鄰，減少了電纜敷設(shè)的長度，降低了平臺的人工成本和材料成本，平臺的總體布置也得到優(yōu)化。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成

如圖1所示，電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備主要由發(fā)電機(jī)組、配電屏、變壓器、變頻器、推進(jìn)電動機(jī)、全回轉(zhuǎn)型推進(jìn)器等組成。下面將對這些設(shè)備進(jìn)行一一介紹。

2.1 發(fā)電機(jī)與配電屏

“高德一號”平臺共配備6臺“西門子”6.6kV，4800W/6000kVA的發(fā)電機(jī)，由6臺“瓦錫蘭”柴油機(jī)驅(qū)動。加上3組6.6kV的“西門子”高壓配電屏，組成一個高壓配電網(wǎng)，作為整個平臺電力推進(jìn)系統(tǒng)和其他主要設(shè)備的電源。同時還有3組440V的中壓配電屏和230V低壓配電屏確保電力的分配。變壓器、變頻器和推進(jìn)電機(jī)的控制電源都是由他們提供的。推進(jìn)器專用的變壓器從6.6kV配電屏得到電源后，通過變頻器將電力送到推進(jìn)電動機(jī)，由電動機(jī)驅(qū)動推進(jìn)器，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的動力供給。

2.2 高壓變壓器與變頻器

在“高德一號”項(xiàng)目上，每組高壓配電屏連接2臺6.6/2*2.2kV，4530kVA的變壓器，每臺變壓器再與1臺變頻器（VFD）相連，每組變頻器驅(qū)動一臺推進(jìn)電動機(jī)，保證了每臺推進(jìn)器的獨(dú)立性。本平臺采用的西門子公司生產(chǎn)的變頻變壓器和變頻器。變頻變壓器的作用在于能夠?yàn)闉橹懈邏鹤冾l器提供多相整流電源。變頻變壓器是經(jīng)過特殊設(shè)計的，能夠與變頻器配合使用，它通過多個不同的移相角二次繞組，可以組成等效相數(shù)為9相、12相、18相以及27相等整流變壓器，這主要依據(jù)的是延邊三角形移相原理。整流電源通過變頻功率單元組合后可以有效抵消諧波干擾，改善變頻器的輸出波形，它還能夠根據(jù)整個電網(wǎng)的情況調(diào)節(jié)變頻器，保持變頻器和整個電網(wǎng)的電隔離。

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，還有個核心設(shè)備就是推進(jìn)變頻器。變頻器不僅能改變電壓，還能改變頻率。對于大功率的電動機(jī)而言，變頻器是不可忽缺的一個重要設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于降低電動機(jī)的啟動電流，實(shí)現(xiàn)零速零電壓啟動，延長電動機(jī)的使用壽命，降低電動機(jī)啟動時電網(wǎng)的電壓波動，并且能夠精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩極限，實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的無極調(diào)速。變頻調(diào)速是電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心，沒有變頻器，采用電力推進(jìn)的平臺將沒有任何優(yōu)勢可言。變頻器在運(yùn)行的時候會產(chǎn)生很大的熱量，一般功率較大的船用變頻器都采用水冷的方式。變頻器內(nèi)部一般有自帶的冷卻單元，與平臺上專用的推進(jìn)器外部淡水冷卻水管相連，通過變頻器內(nèi)的熱交換器，來進(jìn)行冷卻。變頻器的冷卻水一般采用純凈水，變頻器本身還自帶漏水檢測傳感器，可以避免各種原因?qū)е碌穆┧?/p>

2.3 推進(jìn)電動機(jī)

推進(jìn)電動機(jī)為推進(jìn)器提供動力，需要具備可靠性高，功率大，低速時轉(zhuǎn)矩大，高效節(jié)能，可控性好，振動噪聲小的特點(diǎn)。目前推進(jìn)電機(jī)種類很多，可大致分為普通電機(jī)和特種電機(jī)兩大類。

普通電機(jī)主要有直流電動機(jī)，交流同步電動機(jī)和交流異步電動機(jī)。直流電動機(jī)由于有換向器和電刷的存在，無法將功率做的很大；交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，效率高，極限容量大，是目前主流的推進(jìn)電動機(jī)；交流同步電機(jī)相對于異步電機(jī)而言，造價高，維護(hù)成本高?！案叩乱惶枴辈捎玫木褪枪β?700KW，轉(zhuǎn)速720轉(zhuǎn)/分的三相異步電動機(jī)。

特種電機(jī)主要分為永磁同步電動機(jī)和高溫超導(dǎo)電動機(jī)。永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)，效率高，功率因數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，但是造價貴，啟動困難；高溫超導(dǎo)電動機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，效率高、噪音小、易維護(hù)、操作靈活、單機(jī)極限容量大，尤其是在低速時的效率很高，是近年來各國爭相研制的新型推進(jìn)電動機(jī)，具有很好的市場前景。

2.4 吊艙式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

吊艙式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器就是將電動機(jī)和螺旋槳直接相連，形成一個獨(dú)立的結(jié)構(gòu)并懸掛在平臺的底部，且能360度旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計最大的好處是取消了舵機(jī)系統(tǒng)和舵機(jī)操縱機(jī)構(gòu)，能夠隨意調(diào)節(jié)推進(jìn)方向。吊艙式推進(jìn)器與傳統(tǒng)推進(jìn)器相比主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠360度旋轉(zhuǎn)，操縱和機(jī)動性好，機(jī)構(gòu)簡單可靠，安裝維護(hù)方便，并且不占用較多的艙室容積。目前主要分為外置電機(jī)推進(jìn)器和內(nèi)置電機(jī)推進(jìn)器。兩者之間最大的區(qū)別在于內(nèi)置電機(jī)推進(jìn)器是將電動機(jī)和螺旋槳軸密封在吊艙中，縮短了電動機(jī)和螺旋槳的傳動鏈，效率要比外置電機(jī)推進(jìn)器高，結(jié)構(gòu)也更加簡單可靠。內(nèi)置電機(jī)推進(jìn)器可以采用海水冷卻，省去了冷卻系統(tǒng)并提高了效率。

3 結(jié)束語

電力推進(jìn)技術(shù)以其獨(dú)有的性能優(yōu)勢特別適合在海洋生活平臺中應(yīng)用，然而由于我國海工配套技術(shù)的發(fā)展相對滯后，很多關(guān)鍵設(shè)備都被國外廠家壟斷，導(dǎo)致國內(nèi)的企業(yè)利潤很低。如果國內(nèi)的海工配套企業(yè)能夠在中高壓發(fā)電機(jī)、中高壓配電屏、變頻變壓器、推進(jìn)變頻器和推進(jìn)器等電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備上取得突破并實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，必將大大降低海工類平臺的建造成本，增強(qiáng)我國海工制造企業(yè)的國際競爭力。