李　勇

(上海ABB工程有限公司，上海 201319)

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半潛運輸船應用與發(fā)展

李勇

(上海ABB工程有限公司，上海 201319)

考慮到半潛運輸已經(jīng)成為當前和未來重大件貨物遠洋運輸和海洋工程領域不可缺少的裝備，隨著應用需求和行業(yè)要求的不斷提高，提升半潛運輸船運行效率、安全性，降低油耗、排放及維護成本已經(jīng)成為當前船東和運營商普遍關注的焦點，介紹半潛運輸船的特點和應用，基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析市場現(xiàn)狀，從市場和新技術研究及應用角度，對未來的發(fā)展趨勢進行展望。

半潛運輸船；能量效率；自動化；智能船舶

1　工作原理

半潛運輸船主要用于大尺寸、大重量、不可分割的大件貨物的運輸，如海上鉆井平臺、游艇、軍艦、潛艇、起重機、預制橋梁構(gòu)建、海洋工程模塊，等。同時，安裝了DP系統(tǒng)[1]的半潛運輸船還可以為海上工程提供輔助安裝、拆卸服務。其應用范圍廣，橫跨軍民領域。目前已成為大件貨物遠洋運輸和海洋工程關鍵和必須的裝備。

半潛運輸船的特點在于具有半潛裝卸能力。工作時，通過注入壓載水，半潛運輸船可以平滑地下潛10～30 m，整個載貨甲板潛入水下，只有部分橋樓和尾浮箱位于水面上。此時，將自浮貨物拖拽、牽引至載貨甲板上方，然后通過排出船體內(nèi)壓載水，船體穩(wěn)定上浮至與貨物接觸，并繼續(xù)與貨物一起上浮，直至貨物甲板浮出水面，半潛載貨完成。經(jīng)過綁扎和固定即可運輸至目的地。卸貨過程同理。

2　運行特點

與其他海上大件運輸工具相比，半潛運輸船除具有半潛能力外，還具有運輸速度快、航行作業(yè)時間長、支持滾裝/滾卸、可配備動力定位系統(tǒng)和可進行雙船聯(lián)合作業(yè)等優(yōu)點。

根據(jù)作業(yè)需求，半潛運輸船通常配備DP系統(tǒng)，用以幫助其在一些特殊工況下保持船位和艏向。因此，為優(yōu)化動力電力配置，多數(shù)半潛運輸船采用電力推進方式。

半潛運輸船的運行工況較多樣，通?？煞譃楹叫泄r、海上作業(yè)工況、機動工況、停泊工況和應急工況。不同工況，電力需求不同。對于半潛式運輸船，航行、DP作業(yè)和機動工況時電力需求較大。

實船應用中，由于DP和機動工況很少出現(xiàn)，操作者通常將工況簡單分為航行工況和等待工況。航行工況占總運行時間的80%左右[2]，等待工況包括錨泊、裝卸貨準備和裝卸貨，占總運行時間的20%左右。

半潛運輸船的作業(yè)過程十分危險[3]，包括載貨甲板潛入水面以下、載貨上浮、載貨航行，以及卸貨時與貨物分離等過程。因此，除了對船體進行穩(wěn)定性設計以外，實時監(jiān)控船舶運動狀態(tài)、根據(jù)天氣水文信息對航線進行優(yōu)化、快速有效的壓載水控制都將提高半潛運輸船的運行安全。

3　國內(nèi)外半潛運輸船市場

據(jù)統(tǒng)計，目前全球共有59艘半潛運輸船在服役，17艘在建或已簽訂單，其中主要船東擁有半潛船數(shù)量見表1。

3.1國外現(xiàn)狀

全球范圍內(nèi)，主要有4家公司擁有或運營管理著大部分的半潛運輸船，包括荷蘭的Dockwise、中國遠洋、挪威的OHT和荷蘭的Fairstar(已被Dockwise收購)。他們掌握著全球大部分的半潛運輸業(yè)務。

表1　全球半潛運輸船現(xiàn)狀

注：“”代表無相關數(shù)據(jù)。

Dockwise成立于1994年，是目前世界上最大的多種類海洋貨物運輸公司。2002年以前，全球的半潛運輸市場主要由Dockwise掌控。直至目前，仍擁有由24條半潛運輸船組成的世界最大的半潛運輸船隊，這其中包括一艘世界上最大的載重量10萬t半潛運輸船“Vanguard”，5艘專用于游艇運輸，6艘由油船改造，9艘具有開放式甲板。然而，在Dockwise的半潛運輸船隊中，19艘船齡超過20年，大部分將在10年內(nèi)退役。

OHT擁有4艘半潛運輸船，他們都是由油船改造，平均船齡23年，分別于2006-2008年開始運營。Fairstar成立于2005年，擁有4艘半潛運輸船，其中2艘由半潛駁船改造，平均船齡8年。此外，Rolldock和Combi-lift是兩家潛在的半潛運輸市場競爭者，他們都擁有至少2艘半潛運輸船。

3.2國內(nèi)現(xiàn)狀

我國從20世紀90年代末開始進行半潛運輸船的相關設計和建造研究。2002年，由廣船國際建造，中遠航運擁有并營運的“泰安口”號成功下水，標志著我國自有、自造半潛運輸船實現(xiàn)了零的突破。而隨著全球海洋工程開發(fā)的興起，中國的半潛運輸船的應用和建造也得到了快速發(fā)展，制造水平和產(chǎn)品質(zhì)量得到大幅提高。近年來，亞洲，尤其是包括臺灣在內(nèi)的中國，已經(jīng)逐漸成為全球半潛運輸船的建造和營運中心。中國半潛運輸船的發(fā)展情況統(tǒng)計見圖1。

圖1　中國半潛運輸船發(fā)展

目前中國主要的半潛運輸船船東和運營商包括中國遠洋、振華重工和打撈局。

從“泰安口”號下水服役至今，中國遠洋已經(jīng)成為國內(nèi)乃至國際半潛運輸市場的主角。至2014年，中遠共有4艘半潛運輸船在服役。其中包括2艘5萬t半潛運輸船，他們可運送90%以上種類的海運重貨。此外，中遠還有2艘大型半潛運輸船正在建造當中。同時，由于其優(yōu)秀的管理團隊和豐富的運營經(jīng)驗，中遠還代管營運其他船東的半潛運輸船。一定程度上，中遠已經(jīng)成為國際半潛運輸市場的領導者。其半潛運輸船隊占據(jù)了亞洲第一，世界第二的位置。

振華重工是國內(nèi)另一個主要的半潛運輸市場競爭者，擁有4艘改造的半潛運輸船，同時還有1艘5萬t級在建造當中。此外，各區(qū)域的打撈局是半潛運輸船市場的新興主力軍，國內(nèi)各打撈局目前共有1艘服役和3艘在建半潛運輸船。

另一方面，我國目前主要的半潛運輸船設計單位有上海船舶研究設計院和中船工業(yè)第708研究所。大部分國內(nèi)建造的半潛運輸船都是有這兩家單位承擔設計。其中，上海船舶研究設計院已具備設計從1.8萬～10萬t級的全系列半潛運輸船。

建造方面，中國是世界上第2個具備建造半潛運輸船能力的國家。廣船國際是國內(nèi)最早、最主要的半潛運輸船建造企業(yè)。從“泰安口”到“White Marlin”,2002年至今，共交付了7艘半潛運輸船。目前，正在新建1艘9萬t半潛運輸船。廣州黃埔船廠是國內(nèi)另一家大型半潛運輸船建造企業(yè)，已承建并交付過2艘半潛運輸船，并有2艘正在建造當中。其他國內(nèi)具有競爭力的半潛運輸船建造企業(yè)還包括中集來福士、金陵船廠等，他們都已有實船交付。

4　發(fā)展趨勢

4.1市場趨勢

隨著近年來半潛運輸船數(shù)量的快速增長，全球的半潛運輸船市場已經(jīng)出現(xiàn)了一定程度的運力過剩。同時，2014開始世界原油價格快速下滑，至今仍在低位徘徊，許多海工項目和訂單或者被暫?；蛘弑蝗∠?。這無疑加大了半潛運輸市場的不確定性。另一方面，由于全球環(huán)境惡化不斷加劇，國際海事組織和一些國家已經(jīng)頒布了新的船舶排放標準[4]。新的標準將大幅加強船舶排放限制。

上述這些原因?qū)е麓瑬|和運營商在目前和未來的一段時間內(nèi)承受很大的經(jīng)營壓力。然而，從總體趨勢看，隨著全球貿(mào)易往來的日益頻繁和各國海洋工程建設的興起，越來越多的體積重量超大型的貨物需要通過海上運輸，這又將引發(fā)對半潛運輸船需求的增長。同時，陸地上能源短缺日趨嚴重，而近海能源開采由于環(huán)境和生態(tài)等原因，正逐漸被限制，許多擁有海洋油氣資源的國家，如俄羅斯、中國、美國等正在不斷擴大海洋開發(fā)范圍，因此，建造大量的遠海勘探、開采工程和設施勢在必行。這無疑將進一步增強對半潛運輸船的需求預期。

另一方面，全球范圍內(nèi)，現(xiàn)有的半潛運輸船中，大部分船齡較長，性能、可靠性下降，功能老舊。因此，建造更多新型的、功能和性能更優(yōu)的半潛運輸船必將成為未來各國發(fā)展海洋事業(yè)的重要舉措。中國國家發(fā)改委在2013發(fā)布了《關于組織實施2013年海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項的通知》，其中將大型半潛運輸船列入國家特殊支持產(chǎn)品名單。這充分說明半潛運輸船已經(jīng)從行業(yè)需求上升到國家發(fā)展戰(zhàn)略需求的高度。據(jù)估計，盡管目前船運市場整體低迷，但在未來2年，仍有10艘以上的半潛運輸船將簽訂建造合同。同時，還有很多船東正持續(xù)關注著半潛運輸船市場，一旦市場回暖，建造訂單勢必會大幅增加。

4.2技術趨勢

面對困難重重而又機遇無限的市場形勢，以技術為依托，從重大系統(tǒng)部件著手，降低建造成本、運營成本和污染物排放，是船東、運營商和供應商最有效的應對手段。

無論是當前復雜的市場環(huán)境，還是日趨嚴格的排放限制，都為半潛運輸船的應用技術研究、方案優(yōu)化、功能升級提供了機遇和動力。而暫時放緩的建造需求，也為新方案的研究和工程化開發(fā)提供了必要的時間。

4.2.1電力及推進系統(tǒng)配置

半潛運輸船是一種高技術、實現(xiàn)復雜的船舶，其運行效率、經(jīng)濟性和可靠性除船體設計外，主要由電力系統(tǒng)和推進系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、配置和運行策略決定。針對未來的低能耗、低排放、低建造成本的需求特點，半潛運輸船在電力和推進系統(tǒng)配置方面有以下幾個發(fā)展方向值得考慮。

1)當前的半潛運輸船通常采用中速、恒速柴油機作為發(fā)電機組的原動機，同時，大部分船上輔助設備電機采用直接啟動和恒功率運行。這些應用都存在著一定的降低油耗和排放的優(yōu)化空間。而隨著新技術和新產(chǎn)品的不斷出現(xiàn)，對現(xiàn)有配置方案進行升級已成為可能。如采用雙燃料原動機驅(qū)動發(fā)電機，或直接驅(qū)動螺旋槳[5-6]，可以實現(xiàn)可控的降低排放；采用變速發(fā)電機組可以優(yōu)化發(fā)電機運行性能[7]，在低負載率時節(jié)省燃油；采用先進的電力電子變流裝置實現(xiàn)電能分配和設備驅(qū)動[8]，在保證船舶電網(wǎng)品質(zhì)的同時，降低能耗。

2)直流電網(wǎng)[9-11]相比交流電網(wǎng)具有運行效率高、響應速度快、布置靈活、便于新能源接入等優(yōu)點，以往由于直流技術不成熟，相關配套產(chǎn)品選型困難等原因，半潛運輸船主干電網(wǎng)全部采用交流電制，然而，隨著直流電網(wǎng)技術日趨成熟，將直流電力系統(tǒng)應用于半潛運輸船，有可能成為節(jié)能、減排、降低維護成本的有效手段。

3)針對半潛運輸船的運行特點，如航行占據(jù)了主要的作業(yè)時間、以及在某些特殊應用中需要動力定位，但總體上動力定位應用較少，可以考慮對現(xiàn)有半潛運輸船的推進方式進行改進，如采用混合推進技術等。

4)出于低速性能的考慮，半潛運輸船通常采用同步電機作為推進電機驅(qū)動螺旋槳，然而，感應電機與同步電機相比，具有價格低、可靠性高、易于維護等優(yōu)點。因此，配合先進的驅(qū)動控制技術和設備，采用感應電機代替同步電機作為推進電機，是降低成本的可選方式，值得研究。

5)為滿足船級社對具有DP2能力船舶的可靠性要求；同時，限于船舶電力技術水平，當前的半潛運輸船在動力定位操作時均采用中壓母排開環(huán)分段運行方式。這就要求每段母排都備有足夠的功率以滿足本段負載的需求，會導致在某些負載下，發(fā)電機組負載率低，運行效率地，油耗和排放高。而隨著發(fā)電機監(jiān)控技術、故障診斷技術、繼電保護等技術的發(fā)展，中壓母排閉環(huán)運行將成為可能，該技術可以解決上述問題，最大程度地保證發(fā)電機組在不同負載下的運行效率，提高電網(wǎng)供電靈活性、降低油耗和排放。

6)儲能系統(tǒng)有助于實現(xiàn)熱備冗余、故障耐受、無排放等功能[12-13]。盡管在重量體積與容量的矛盾、使用維護、有效地控制和管理等方面仍需要進一步研究，但將其應用于半潛運輸船仍然具有一定的研究價值。

7)現(xiàn)有的半潛運輸船大部分采用傳統(tǒng)的軸系電力推進方式，然而，吊艙推進器結(jié)構(gòu)緊湊、安裝簡單、節(jié)省艙容、可以提高船舶的機動性，尤其在動力定位和進出港操作時，優(yōu)勢明顯[14]。因此，如何結(jié)合船體設計和吊艙設計，提出能夠保證航行性能的吊艙推進方案值得深入研究。

4.2.2自動化與智能化

自動化是半潛運輸船技術的另一個核心內(nèi)容。先進的設備、優(yōu)化的配置方案只有配合高效的控制策略和完善的自動化軟硬件平臺才能發(fā)揮預期的作用，實現(xiàn)節(jié)能減排的目標。針對半潛運輸船動力電力系統(tǒng)未來的應用需求，新型的自動化控制系統(tǒng)應具有一些新的功能，如對直流電網(wǎng)的監(jiān)控、對儲能系統(tǒng)的管理、對多種能源的協(xié)調(diào)管理[15]、基于統(tǒng)一平臺的集成監(jiān)控等等。未來的半潛運輸船自動化系統(tǒng)是安全的、可靠的、高效的、開放的且友好的，見圖2。

圖2　半潛運輸船自動化系統(tǒng)

另一方面，隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡控制等技術的興起，未來的船舶將朝著基于船、船東、設計院、船廠、運營商及供應商交互一體化平臺的智能化方向發(fā)展，見圖3。

圖3　船舶智能化

而針對半潛運輸船運行穩(wěn)定性差、其自身和運載的貨物價值高等特點，以及節(jié)能減排的需求，航線優(yōu)化、遠程診斷、能效優(yōu)化等智能輔助功能將成為提高半潛運輸船運行安全性、可靠性和效率的必備的功能。在這一領域，一些全球知名的企業(yè)已先行一步，以ABB公司為例，該公司針對半潛船的航行特性已開發(fā)出OCTOPUS、EMMA等相關產(chǎn)品，旨在幫助運營者提高船舶安全性和運行效率，降低油耗、排放和維護成本。而隨著應用需求的不斷發(fā)展，智能輔助技術的研究將不斷深入，功能將不斷強大。

5　結(jié)束語

盡管目前半潛運輸船市場受到了運力過剩、海工市場低迷等因素的影響，但近期的剛性需求、未來的需求增長趨勢和半潛運輸船的特殊優(yōu)勢不會改變。船東和運營商需要做的是積極地尋求方案和技術升級，以使新造的半潛運輸船具有低油耗、低排放及低投資的比較優(yōu)勢，搶占市場。而對于研發(fā)設計單位和設備制造商而言，新的需求方向和暫緩的供貨需求，無疑提供深入研究技術方案改進和新技術應用的最佳時機。

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Application and Development Tendency of the Semi-submersible Heavy Transport Vessel

LI Yong

(ABB Engineering (Shanghai) Co. Ltd., Shanghai 201319, China)

Semi-submersible heavy transport vessel has become necessary to current and future heavy and large cargo transportation and offshore and ocean engineering. With the stricter demand, enhancing semi-submersible heavy transport vessel's operational efficiency and safety, reducing fuel consumption and emission have become the focus of operators. The features and application of the semi-submersible heavy transport vessel are introduced. The situation of market is analyzed based on the statistics. The development trend of market and new technologies is expected.

Semi-submersible heavy transport vessel; energy efficiency; automation; intelligent ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.010

2015-10-15

2015-11-05

李勇(1976-)，男，博士，高級工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)01-0045-05

研究方向:船舶電力及電力推進系統(tǒng)控制策略

E-mail:leeyon163@163.com