謝智康，許宏新

（1. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203；2.交通運(yùn)輸部東海救助局，上海200090）

0 前 言

隨著國(guó)家“交通強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議的推進(jìn)和實(shí)施對(duì)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來了深遠(yuǎn)影響，海上經(jīng)濟(jì)活動(dòng)將迎來新的發(fā)展，從而對(duì)國(guó)家海上應(yīng)急救助保障體系建設(shè)提出了更高的要求。 交通運(yùn)輸部救助打撈局（中國(guó)救撈）是中國(guó)唯一一支國(guó)家專業(yè)救助打撈力量， 承擔(dān)著對(duì)中國(guó)水域發(fā)生的海上事故的應(yīng)急反應(yīng)、人命救助、船舶和財(cái)產(chǎn)救助、沉船沉物打撈、海上消防、清除浮油污染及其他對(duì)海上運(yùn)輸和海上資源開發(fā)提供安全保障等多項(xiàng)使命。

新型中型救助船作為原有1 940 kW 中型救助船（已退役）的替代升級(jí)船型，在功能定位、主尺度、裝機(jī)功率以及污油回收、動(dòng)力定位能力等方面均有所提升。 該船型為全焊接式鋼質(zhì)船體，橫骨架式，前傾式船首（帶球首），巡洋艦式船尾，具有一層連續(xù)主甲板。 主甲板上設(shè)有二層首樓，雙底和雙殼結(jié)構(gòu)。 采用全電力驅(qū)動(dòng)雙全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，在船首設(shè)有管隧式側(cè)推裝置。 尾部主甲板作業(yè)區(qū)可用作拖帶作業(yè)、救生作業(yè)、浮油回收作業(yè)。 總布置圖見圖 1。

圖1 新型中型救助船總布置圖

結(jié)合新形勢(shì)下的救助需求，按照“安全可靠、先進(jìn)高效、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保”的原則，新型中型海洋救助船具有以下主要用途：

1） 海上搜尋救生、救助能力，可搭載獲救人員100 人，能對(duì)傷病員進(jìn)行簡(jiǎn)易的藥物、器械和手術(shù)治療，可配合救助直升機(jī)進(jìn)行海上搜索和救助；

2）一級(jí)對(duì)外消防滅火作業(yè)；

3）海面浮油回收和消除油污作業(yè)；

4） 對(duì)遇險(xiǎn)船舶進(jìn)行封艙、堵漏、排水、空氣潛水、拖帶等救助作業(yè)；

5） 為難船進(jìn)行提供必要的物資（燃油、水、食品等）。

新型中型救助船主要參數(shù)及新舊船型對(duì)比表，如表1 所示。

表1 新型中型救助船主要參數(shù)表

該船掛中國(guó)旗，按中國(guó)船級(jí)社規(guī)范和規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造并受之檢驗(yàn)，取得入級(jí)符號(hào)和附加標(biāo)志如下：

1 動(dòng)力裝置配置

1.1 需求分析

該船主要用于中低海況下沿海水道、島礁等淺水區(qū)域人命救生和船舶救助，可兼顧高海況下救助任務(wù)，必要時(shí)參與動(dòng)態(tài)值班待命。 船舶運(yùn)行工況有：

1）快速應(yīng)急出動(dòng)的較高速航行工況；

2）值班守護(hù)的中低速巡航工況；

3）救助作業(yè)的機(jī)動(dòng)工況；

4）值班待命的錨泊工況；

沿海水道內(nèi)船舶通行密度大，島礁、淺灘等水域環(huán)境復(fù)雜，對(duì)于救助船自身操縱性要求很高。 船舶主推進(jìn)裝置的配置應(yīng)能使該船具有優(yōu)異的操縱性能，可執(zhí)行復(fù)雜水域的救助任務(wù)。 一般救助船舶處于巡航狀態(tài)時(shí)，主推進(jìn)器負(fù)荷在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處于較低的水平，一旦出現(xiàn)突發(fā)事故，需要以全速趕赴現(xiàn)場(chǎng)，此時(shí)主推進(jìn)器處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。

除主推進(jìn)裝置之外，為實(shí)施海上人命救生和船舶救助，配置有多種大負(fù)載、大功率用電設(shè)備，如：管隧式側(cè)向推進(jìn)器、對(duì)外消防水泵、液壓拖曳絞車、克令吊等。 這些設(shè)備應(yīng)能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)需要靈活高效地投入使用。 因此，該船的救助作業(yè)模式對(duì)動(dòng)力裝置的需求可以歸納為：

1）船舶操縱性優(yōu)良；

2）低速巡航與快速航行靈活轉(zhuǎn)換；

3）救助作業(yè)時(shí)大功率大負(fù)載設(shè)備投入使用；

4）長(zhǎng)時(shí)間值班待命；

1.2 主推進(jìn)系統(tǒng)

主推進(jìn)系統(tǒng)的類型主要分為傳統(tǒng)軸系直接驅(qū)動(dòng)和電力推進(jìn)。 根據(jù)所要求達(dá)到的航速以及系柱拖力指標(biāo)，主推進(jìn)器的功率為2×2 000 kW。 主推進(jìn)系統(tǒng)方案論證主要針對(duì)表2 中的3 種主流的配置進(jìn)行分析，基于船舶的動(dòng)力裝置需求確定最佳的技術(shù)方案。

表2 新型中型救助船主推進(jìn)系統(tǒng)方案

從表2 中所列主推進(jìn)系統(tǒng)配置可知，常規(guī)軸系推進(jìn)（方案2 和方案3）需要2 臺(tái)主機(jī)和3 臺(tái)副機(jī)，設(shè)備數(shù)量較方案1 更多，主推進(jìn)齒輪箱和軸帶發(fā)電機(jī)也是軸系驅(qū)動(dòng)方案必須配置的功能性設(shè)備，因此增加了后期設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作量。 長(zhǎng)距離的軸系及其所在軸隧會(huì)占據(jù)一定的船艙容積，對(duì)總布置產(chǎn)生不利影響。 軸系驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高，效率較電力推進(jìn)系統(tǒng)高出約5%～8%，適合用于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在額定負(fù)荷的運(yùn)輸船舶。 電力推進(jìn)在以下幾個(gè)方面具有優(yōu)勢(shì)：

1） 靈活轉(zhuǎn)移不同時(shí)使用的大功率能源，方便不同工況之間的轉(zhuǎn)換：常規(guī)軸系推進(jìn)船舶上大功率負(fù)載往往依靠軸帶發(fā)電機(jī)來供電，主發(fā)電機(jī)組向其他較小的負(fù)載供電，軸發(fā)與主發(fā)不能并車運(yùn)行，僅可短時(shí)間進(jìn)行負(fù)載轉(zhuǎn)移。 電力推進(jìn)船舶所有用電設(shè)備均由主電站供電，在不同工況轉(zhuǎn)換時(shí)，有較多的設(shè)備投入或停止使用，此時(shí)電網(wǎng)無須進(jìn)行任何負(fù)載轉(zhuǎn)移，大大簡(jiǎn)化了操作步驟，同時(shí)也提升了電站的可靠性和冗余度。 在低速巡航和其他作業(yè)工況下可以減少投入運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組數(shù)量，避免柴油機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行，提高燃油經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)也有助于節(jié)能減排。

2） 優(yōu)化總體布置、合理節(jié)省有效空間：電力推進(jìn)的特點(diǎn)是可以將原動(dòng)機(jī)與螺旋槳分開布置，這是與柴油機(jī)直接推進(jìn)方式的最大區(qū)別。 電力推進(jìn)的動(dòng)力裝置是柴油發(fā)電機(jī)組，可以在全船范圍內(nèi)靈活布置。 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電能供應(yīng)是通過電纜傳輸?shù)模且环N柔性連接。 船舶空間的利用可以根據(jù)船舶使命要求得到合理方便的布置， 在相同尺度條件下，電力推進(jìn)船型具有更高的空間利用率，增加了燃油艙和救助器材艙的有效容積。

3） 減振降噪：軸系推進(jìn)的船舶，主機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)槳、軸帶發(fā)電機(jī)以及對(duì)外消防泵，使用工況較為復(fù)雜，如果減振措施處理不當(dāng)，船體容易出現(xiàn)振動(dòng)，居住區(qū)域容易出現(xiàn)較大噪聲。 采用電力推進(jìn)的船舶，柴油機(jī)僅僅驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，與螺旋槳并無直接剛性連接，不會(huì)將船體的振動(dòng)和噪聲傳遞至機(jī)艙及居住區(qū)域。 只需針對(duì)機(jī)艙內(nèi)的柴油機(jī)進(jìn)行減振降噪處理，就可以使船員獲得更佳的舒適性。

主推進(jìn)器的型式主要分為傳統(tǒng)的軸系驅(qū)動(dòng)可調(diào)距螺旋槳和全回轉(zhuǎn)舵槳。 與傳統(tǒng)的軸系可調(diào)槳方式相比，全回轉(zhuǎn)舵槳有以下優(yōu)勢(shì)：

1）從推進(jìn)器本身內(nèi)部機(jī)械構(gòu)造原理的角度分析：全回轉(zhuǎn)舵槳屬于矢量推進(jìn)器，能在所需要的方位發(fā)出額定的推力，操縱性優(yōu)異；而傳統(tǒng)的軸系驅(qū)動(dòng)可調(diào)槳無法提供船體縱向之外的方向力，需要借助尾部舵或側(cè)推產(chǎn)生的橫向力，兩者疊加后才能提供船舶所需的操縱性。 從響應(yīng)時(shí)間以及操縱精度上看，全回轉(zhuǎn)舵槳都具有較大優(yōu)勢(shì)， 對(duì)于具有DP-2 動(dòng)力定位功能的船舶，全回轉(zhuǎn)舵槳是十分理想的主推進(jìn)器選擇。

2） 從整體設(shè)備配置的角度分析，全回轉(zhuǎn)舵槳具有螺旋槳、舵和尾側(cè)推等3 種設(shè)備的功能，是一種高度整合的多功能推進(jìn)裝置。 設(shè)備數(shù)量的減少可以提高船舶液艙和救助器材艙室的容積，也大大提高了推進(jìn)系統(tǒng)的可靠性，減少了船員日后維護(hù)保養(yǎng)的成本及工作量。

結(jié)合動(dòng)力裝置的需求，對(duì)比3 種方案的技術(shù)特點(diǎn)可以得出結(jié)論：電力推進(jìn)驅(qū)動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳具有良好的船舶操縱性、靈活的工況轉(zhuǎn)換特性以及全工況下綜合節(jié)能減排優(yōu)勢(shì)。 該方案配置的設(shè)備數(shù)量最少，布置緊湊，是最符合中型救助船需求的主推進(jìn)系統(tǒng)，且具有一定的技術(shù)先進(jìn)性。

1.3 主發(fā)電機(jī)組

確定了主推進(jìn)系統(tǒng)為電力推進(jìn)的方式后，下一步的工作是確定主電站的配置方案。 通常電站容量需要根據(jù)船舶在各個(gè)典型工況下最大的用電負(fù)荷予以確定，必要時(shí)設(shè)置備用發(fā)電機(jī)組。 根據(jù)初步估算后，最大電力負(fù)荷出現(xiàn)在全速航行工況，為4 869 kW。 考慮85%的機(jī)組負(fù)荷率，得出電站容量應(yīng)至少為5 730 kW。

一般而言，絕大多數(shù)電力推進(jìn)海工作業(yè)船或海工輔助船的主電站機(jī)組配置均選取若干個(gè)相同機(jī)型或相同缸徑不同缸數(shù)的柴油機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，這樣一方面可以減少船上的備件存放數(shù)量和種類，另一方面有利于船員管理和通用零部件的替換。 海洋救助船的停泊待命工況占比可達(dá)總時(shí)間的70%左右。近些年建造的大型海洋救助船均配置了3 臺(tái)輔發(fā)電機(jī)組，滿足救助船發(fā)電機(jī)“一用一備一修”的動(dòng)態(tài)值班待命要求。 如果按照海工船的電站配置直接照搬顯然不合適，經(jīng)濟(jì)性合理性相當(dāng)不理想，所以研發(fā)電力推進(jìn)的海洋救助船需要為其定制一套與其工況匹配的電站配置。

通過動(dòng)力裝置需求分析可知，主發(fā)電機(jī)組的配置應(yīng)當(dāng)首要考慮停泊待命工況的用電需求。 目前大型救助船均配置有3 臺(tái)輔發(fā)電機(jī)組，停泊待命工況時(shí)，單臺(tái)機(jī)組的功率可滿足船舶用電所需。1 臺(tái)機(jī)組使用時(shí)，另2 臺(tái)機(jī)組備用，如果其中某臺(tái)機(jī)組需要維修保養(yǎng)，也不影響救助船完成動(dòng)態(tài)值班待命的任務(wù)，所以“一用一備一修”是保障救助船任務(wù)執(zhí)行能力的重要措施。 對(duì)于電力推進(jìn)系統(tǒng)，設(shè)置3 臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)組會(huì)存在機(jī)組使用率不高的情況，對(duì)于機(jī)艙空間利用和初始投資的控制不利，也無法體現(xiàn)出電力推進(jìn)的機(jī)組冗余度優(yōu)勢(shì)。 因此設(shè)置2 臺(tái)450 kW發(fā)電機(jī)組用于停泊工況，滿足“一用一備”的要求，如果有機(jī)組需要維修，備用機(jī)組可以由其他主發(fā)電機(jī)組兼用。 主發(fā)電機(jī)組的設(shè)置還需滿足DP-2 的相關(guān)要求，數(shù)量取雙數(shù)。2 臺(tái)對(duì)外消防泵分別由主發(fā)柴油機(jī)的自由端驅(qū)動(dòng)，既能減少專用的對(duì)外消防泵驅(qū)動(dòng)裝置，又提高傳動(dòng)效率。 結(jié)合柴油機(jī)選型最終確定設(shè)2 臺(tái)2 600 kW 機(jī)組作為主發(fā)電機(jī)組。

主電站由2 臺(tái)2 600 kW 機(jī)組和2 臺(tái)450 kW機(jī)組組成，其中每臺(tái)2 600 kW 發(fā)電柴油機(jī)自由端驅(qū)動(dòng)1 臺(tái)對(duì)外消防泵，提供低航速下對(duì)外消防工況所需的動(dòng)力。 巡航工況及平靜海況下使用 2 臺(tái)2 600 kW 主發(fā)電機(jī)組并車供電即可滿足全船用電。2 臺(tái)450 kW 主發(fā)電機(jī)組主要用于停泊工況，滿足一用一備的容量。 在惡劣海況下任意1 臺(tái)450 kW 主發(fā)電機(jī)組可與2 臺(tái)2 600 kW 主發(fā)電機(jī)組并車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，為緊急時(shí)刻執(zhí)行任務(wù)提供可靠的動(dòng)力供給保障。 在巡航、救助以及進(jìn)出港等工況下，電站負(fù)荷率也能保持在較高水平，并在各個(gè)工況下均有發(fā)電機(jī)組冗余。

2 機(jī)組保護(hù)

主發(fā)電機(jī)組中2 臺(tái)450 kW 的小機(jī)組主要用于在船舶停泊工況時(shí)提供所需電力。 為了提高船舶執(zhí)行緊急任務(wù)時(shí)所具備的可用動(dòng)力，在惡劣海況下保持全速航行，450 kW 主發(fā)電機(jī)組可與2 臺(tái)2 600 kW大機(jī)組并車運(yùn)行。 兩者的功率比為5.78∶1，功率差異非常大。 將停泊發(fā)電機(jī)組作為主發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)參與電力推進(jìn)可以降低船舶總裝置功率， 提高機(jī)組使用率，也是該項(xiàng)目動(dòng)力裝置配置的創(chuàng)新點(diǎn)。 在項(xiàng)目研發(fā)初期，有電氣系統(tǒng)供應(yīng)商表示，若大小機(jī)組功率比超過3 ∶1 就可能產(chǎn)生嚴(yán)重的故障， 他們也從未有過處理大功率比機(jī)組并車的經(jīng)驗(yàn)。 主要原因是：

1） 當(dāng)大小機(jī)組并車運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)上如有大功率的負(fù)載波動(dòng)會(huì)對(duì)小機(jī)組造成巨大沖擊，導(dǎo)致其解列甚至逆功和停機(jī)。

2） 不同制造商生產(chǎn)的大、小柴油機(jī)，其調(diào)速特性很難匹配同步。

3） 不同額定轉(zhuǎn)速的大小機(jī)組并車，高轉(zhuǎn)速的小柴油機(jī)更容易受電網(wǎng)負(fù)載波動(dòng)的影響。

海洋救助船通常在環(huán)境條件惡劣，大風(fēng)大浪的時(shí)刻出動(dòng)執(zhí)行救助任務(wù)，危情發(fā)生之際時(shí)間就是生命，救助船會(huì)以全速趕往事故地點(diǎn)，贏得寶貴的救助時(shí)間。 最嚴(yán)重的故障就有可能在此時(shí)出現(xiàn)，一旦由于海況導(dǎo)致螺旋槳出水，將會(huì)產(chǎn)生巨大的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊， 如何避免450 kW 機(jī)組發(fā)生逆功是該動(dòng)力裝置配置方案必須要處理的問題。

2.1 系統(tǒng)保護(hù)措施

從主發(fā)柴油機(jī)的系統(tǒng)配置上入手，有針對(duì)性地提高原動(dòng)機(jī)安全性能。 采用電控噴油技術(shù)的柴油機(jī)和高性能的電子調(diào)速器，提高柴油機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。 每臺(tái)主發(fā)柴油機(jī)配置相同型號(hào)的負(fù)荷分配模塊，通過雙總線連接，見圖2。

圖2 負(fù)荷分配模塊連接示意圖

其主要功能有：

1） 實(shí)現(xiàn)4 臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷分配功能，包含恒頻模式（ISO）和下垂模式（Droop）。 優(yōu)先采用恒頻模式并車運(yùn)行。

2） 可執(zhí)行非對(duì)稱負(fù)載分配：限制450 kW 機(jī)組所分配到的功率， 當(dāng)電網(wǎng)總負(fù)載超過在網(wǎng)機(jī)組可用功率的75%以上時(shí)， 小機(jī)組所承擔(dān)的負(fù)載恒定在75%，即337.5 kW。如此可以有效地防止小機(jī)組過載。

3） 對(duì)外消防模式下執(zhí)行非對(duì)稱負(fù)載分配：當(dāng)2 600 kW 機(jī)組柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)外消防泵執(zhí)行消防作業(yè)時(shí)， 該負(fù)荷分配模塊會(huì)自動(dòng)剔除PTO 功率后，再執(zhí)行非對(duì)稱負(fù)載分配。

采用雙總線通信的負(fù)荷分配系統(tǒng)滿足DP-2 對(duì)于系統(tǒng)冗余度的要求，不會(huì)因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓［1］。 當(dāng)負(fù)荷分配模塊檢測(cè)到恒頻模式出現(xiàn)故障時(shí)， 系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向船舶功率管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)， 并將負(fù)荷分配權(quán)限移交至PMS，執(zhí)行負(fù)荷分配任務(wù)。

2.2 分區(qū)供電保護(hù)措施

上述系統(tǒng)保護(hù)措施可以在一定程度上解決大小機(jī)組并車中可能產(chǎn)生的問題，但應(yīng)對(duì)極端的惡劣環(huán)境以及所帶來的逆功問題還略顯不足。 因此該船采用了一種更可靠的保護(hù)措施：分區(qū)供電，從根本上精準(zhǔn)施策，做到物理隔離防護(hù)。 電力系統(tǒng)單線圖見圖3。

圖3 電力系統(tǒng)單線圖

主配電板的 690 V 母排分為 A、B、C、D 等 4 段，400 V 母排分為左右兩段。 在一般航行工況下聯(lián)絡(luò)開關(guān) M1-1、M1-2 和 M1-3 均處于閉合狀態(tài)，M1-4為斷開狀態(tài)，兩臺(tái)電力變壓器同時(shí)分別向兩段400 V母排供電。 在惡劣海況下，啟動(dòng)4 臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，聯(lián)絡(luò)開關(guān)M1-1 和M1-3 斷開。 即使主推進(jìn)器在惡劣海況下出水而引發(fā)電網(wǎng)大功率波動(dòng)，也只會(huì)反饋至2 臺(tái)2 600 kW 大發(fā)電機(jī)組， 不會(huì)對(duì)450 kW 小發(fā)電機(jī)組造成影響。 2 臺(tái)小機(jī)組分別通過電力變壓器向兩段400 V 母排供電至機(jī)艙輔助設(shè)備和日用負(fù)載。通過系統(tǒng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)分區(qū)供電，本質(zhì)上是對(duì)大、小發(fā)電機(jī)組進(jìn)行物理隔離，徹底規(guī)避了故障模式分析中可能出現(xiàn)的嚴(yán)重故障。

3 結(jié) 語

新型中型海洋救助船的首制船已交付列編，命名為“東海救151”。 該船的建成將大大提高我國(guó)港口、島嶼、近海海區(qū)的綜合救助能力，是新一代中型救助船的旗艦。

作為船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該充分地理解所設(shè)計(jì)船的使命任務(wù)，分析各種典型工況，從功能需求入手進(jìn)行正向研發(fā)， 有針對(duì)性地配置船舶動(dòng)力裝置。 該船的動(dòng)力裝置配置方案充分體現(xiàn)了救助船使用需求，同時(shí)結(jié)合了優(yōu)化裝機(jī)功率及燃油經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)理念，是兩者相互融合的最佳表現(xiàn)。