沈錦康,陳偉忠

(1.中國石化集團上海海洋石油局,上海 201206;2.江蘇省鎮(zhèn)江船廠有限責任公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

混合動力在深海作業(yè)多用途工作船上的前景展望

沈錦康1,陳偉忠2

(1.中國石化集團上海海洋石油局,上海 201206;2.江蘇省鎮(zhèn)江船廠有限責任公司,江蘇鎮(zhèn)江 212003)

通過對混合動力推進系統(tǒng)的組成、基本原理、設(shè)計要點、操作模式的分析和介紹,并和機械推進、電力推進進行比較,從而得出該系統(tǒng)在深海作業(yè)多用途工作船上的優(yōu)勢和發(fā)展空間。

機械推進;電力推進;混合動力推進;深海作業(yè);多用途工作船

0 引言

(1)當前的金融危機并未改變各國對能源需求增長的長期趨勢,世界各國對石油天然氣資源的爭奪重點已從陸地轉(zhuǎn)向了海洋,據(jù)地質(zhì)學家估計,那里至少蘊藏著全球 3 000億 t石油儲量的一半以上。隨著海上石油勘探技術(shù)的不斷發(fā)展,勘探開發(fā)的重心從淺海不斷移向深水海域,深水區(qū)油氣資源潛力巨大,勘探前景良好。據(jù)統(tǒng)計,全球海上 44%的油氣資源位于水深 500m以上水域。

(2)深海區(qū)域作業(yè),工程作業(yè)點離岸基越來越遠,海況更為惡劣,作業(yè)難度、作業(yè)風險更大,要求與之配套的工程服務(wù)船舶逐步往大型化、規(guī)?；较虬l(fā)展,各國政府主管部門對海上油氣勘探開發(fā)作業(yè)多用途工作船制定了嚴格的法規(guī)和行業(yè)標準。由此,對工作船的功能和動力系統(tǒng)提出了更高的要求。目前全球在深海區(qū)域為平臺服務(wù)的多用途工作船功率均在 11 029 kW以上,其功能齊全,集錨系處理、拖帶、供應(yīng)、守護、消防、救生、海洋工程作業(yè)等于一體,自動化程度高,續(xù)航能力強,船舶操縱和機動性能好,為海洋平臺提供全方位、全天候服務(wù),從而確保平臺海上作業(yè)的連續(xù)性、高效性、可靠性和安全性,有效控制作業(yè)風險,降低作業(yè)成本。

(3)因為良好的經(jīng)濟性、環(huán)保性、安全可靠性,混合動力推進系統(tǒng)被越來越多的應(yīng)用于深水作業(yè)的三用工作拖船。主流的成熟船型有:羅爾斯羅伊斯公司的 UT 786、UT 788,哈佛公司 845、848和烏斯坦公司 A 122等。

1 深水作業(yè)工作船推進系統(tǒng)的發(fā)展過程

1.1 傳統(tǒng)機械推進系統(tǒng)

在理想的工作狀態(tài)下,柴油機通過軸系驅(qū)動螺旋槳的傳統(tǒng)推進方式是非常高效可靠的。其柴油機和螺旋槳之間只有 2.5%～3%的機械傳遞損失,主要取決于減速齒輪的傳遞效率。而且柴油機技術(shù)的發(fā)展和多種傳遞形式的齒輪箱的應(yīng)用,使船舶設(shè)計者不必再為推進功率不足而擔心。圖1為傳統(tǒng)機械推進系統(tǒng)。在圖1中,可以看到目前市場上很常見的四機雙槳推進的多用途工作船。隨著深水作業(yè)對系柱拉力要求的提高,傳統(tǒng)的機械推進系統(tǒng)仍以其較低的設(shè)備采購成本和建造成本受多數(shù)船東青睞。

圖1 傳統(tǒng)機械推進系統(tǒng)

國際成品油的價格瞬息萬變,牽動著船舶營運者的神經(jīng)。如何降低船舶燃油消耗早已不再是新的話題。高傳遞效率的傳統(tǒng)推進方式,并不意味著在所有工況下都能節(jié)省燃油。圖2的功率傳遞示意圖顯示,從燃油在柴油機中燃燒做功到螺旋槳在水中產(chǎn)生推力,至少要受柴油機效率、傳遞效率和螺旋槳效率的影響。事實上,柴油機的效率只有不到40%,意味著大量的能量在此環(huán)節(jié)被損失。燃油消耗率(SFOC)是設(shè)計者衡量柴油機效率的主要指標,它的單位是 g/(kW?h),表示柴油機單位做功的耗油量。絕大多數(shù)柴油機在低于 50%負荷運行時,SFOC急劇上升,這是我們不愿意看到的。

圖2 船舶推進系統(tǒng)中的功率傳遞損失示意圖

但深海作業(yè)工作船往往需要大量時間運行在低負荷工況下,如等待、守護、裝卸貨等。此時功率需求會隨海況不同而有差異,但基本不會超過額定功率的 50%。圖3為烏斯坦 A 122的工況模式比例圖,該船有 63%的時間是工作在低負荷模式下。另外需要說明的是,在典型的機械推進模式下,主機恒速運轉(zhuǎn),靠調(diào)距槳(C P P)的螺距變化實現(xiàn)負荷增減。即使在零推力時,槳在水中高速旋轉(zhuǎn)引起的機械損失仍需要消耗約 20%的主機功率,大大地降低了機械推進系統(tǒng)的燃油經(jīng)濟性。

柴油機低負荷運行的弊端不僅僅是高的燃油消耗,還會因燃油的不充分燃燒引起廢氣中的CO2、NOx和 SOx等含量升高,使廢氣排放污染增加。國際海事組織(I M O)頒發(fā)了越來越嚴格的 NOx排放要求,歐盟和美國也制定了關(guān)于本土運行船舶 SOx排放的限制,并準備征收COx排放稅,這些規(guī)定迫使船舶營運者去尋求更高效環(huán)保的解決方案。

圖3 烏斯坦A122工況模式比例

1.2 電力推進系統(tǒng)

從上個世紀末開始,電力推進開始被應(yīng)用于深海作業(yè)工作船。如圖4所示,主推進器和側(cè)向推進器均由變速電機驅(qū)動,船舶電站通過變壓器、變頻器為電機提供動力。為降低建造的難度和成本,主推進器和側(cè)向推進器一般為定距槳。電站通常由 4臺或以上船用發(fā)電機組和電站管理系統(tǒng)(PMS)組成,柴油機在定速模式下驅(qū)動發(fā)電機,電站管理系統(tǒng)根據(jù)負載變化自動控制投入運行的發(fā)電機組數(shù)量。

圖4 電力推進系統(tǒng)

電力推進系統(tǒng)的最大優(yōu)點在于它可以通過動態(tài)增減發(fā)電機組的數(shù)量,從而保證投入運行的內(nèi)燃機工作在最佳工況點附近,達到降低油耗和減少排放污染的效果。而且船舶低速等待狀態(tài)時,變頻電機可以驅(qū)動定距槳根據(jù)推力需求調(diào)整轉(zhuǎn)速,保證螺旋槳高效運轉(zhuǎn),降低了對主機功率的需求,如圖5和圖6所示。并且,電力推進可以省略主推進的長軸系,增加了貨艙區(qū)域的利用率。

但在船舶高負荷運行時,如拖帶、起拋錨工況,電力推進系統(tǒng)的表現(xiàn)就不盡完美了。主要是由于其較低的傳遞效率,相比于機械推進不到 3%的傳遞損失,柴油機、發(fā)電機、變壓器、變頻器和電動機之間的功率損失大概為 10%。盡管電器設(shè)備制造商和船舶設(shè)計者不斷地推出新的方案來減小這部分消耗,但仍不能達到滿意結(jié)果。

而且,隨著深海工作對工作船系柱拉力要求的提高,電力推進系統(tǒng)因較高的設(shè)備采購成本使絕大多數(shù)船舶營運者望而卻步。

1.3 混合動力推進系統(tǒng)

混合動力推進系統(tǒng)是結(jié)合了機械推進和電力推進的一種新的推進方式。其實,它在潛艇上已有超過 100年的使用歷史。潛艇在水下航行時,用電池組作為動力源驅(qū)動電動螺旋槳;在水面上航行時,使用常規(guī)的機械推進。近些年,船舶設(shè)計者開始把這個概念運用于商用船舶,尤其是深海作業(yè)多用途工作船。它可以分為 3種運行模式:機械推進(DM),電力推進(D-E)和混合動力(Hybrid),可由操作者根據(jù)船舶運行工況自由選擇。

機械推進用于連續(xù)運行的高負荷工況,柴油機功率維持在 85%～100%之間,實現(xiàn)最低的燃油消耗率,并最大限度降低了排放污染。如:滿載全速行駛、中速拖航或良好海況下的起拋錨操作。

電力推進以其在低負載狀態(tài)下良好的燃油經(jīng)濟性被用于低速航行和靠近平臺時的動力定位等。

在惡劣海況下的起拋錨、拖航往往需要更大的系柱拉力,尤其是錨鏈被張緊或錨破土的短暫工況,需要使用混合動力工況。此時,主柴油機驅(qū)動調(diào)距槳,發(fā)電輔機驅(qū)動的變頻電機通過齒輪箱起到加力(BOOST)作用。

圖5 電力推進和機械推進在傳遞效率上的差異

圖6 電力推進和機械推進的功率-推力曲線

2 3種推進系統(tǒng)性能比較

2.1 機械推進系統(tǒng)

(1)優(yōu)點

①船舶高負荷運行時,效率高,燃油經(jīng)濟性好;

②用較少的初期投入成本實現(xiàn)較高的系柱拉力。

(2)缺點

①當船舶定位或低速行駛時,螺旋槳的水動力損失較大;

②因主機的低負荷運轉(zhuǎn),引起較高的燃油消耗率和廢氣排放污染;

③動力來源單一,冗余性差。

2.2 電力推進系統(tǒng)

(1)優(yōu)點

①船舶中、低負荷運行時,螺旋槳效率高,功率損失小;

②動態(tài)調(diào)整發(fā)電機組的運行數(shù)量,使柴油機在優(yōu)化點附近運行,可以降低燃油消耗率和廢氣排放污染;

③動力來源于多個發(fā)電機組,冗余性好;

④增強了船舶的操縱性;

⑤優(yōu)化了貨艙區(qū)域的布置,提高了貨艙利用率。

(2)缺點

①當船舶高負荷運行時,效率低;

②初期投入成本大。

2.3 混合動力推進系統(tǒng)

(1)優(yōu)點

①把機械推進系統(tǒng)和電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點組合在一個系統(tǒng)中;

②相比于純電力推進系統(tǒng),初期投入成本低;③冗余性好;

④根據(jù)負荷不同,選擇推進系統(tǒng)模式,保證了所有工況下的燃油經(jīng)濟性。

(2)缺點

①建造難度大;

②人機界面復雜,對操作者的要求高;

③相對于機械推進系統(tǒng),初期投入成本高。

3 混合動力推進系統(tǒng)的技術(shù)方案

合理的混合動力推進方案依賴于設(shè)計公司、設(shè)備供應(yīng)商和船舶運作者的密切合作。船舶營運者提供該船舶的使用海域和主要營運工況,設(shè)計公司結(jié)合設(shè)備供應(yīng)商所能提供的設(shè)備的技術(shù)能力、價格性能比展開設(shè)計,并在細節(jié)上得到供應(yīng)商的技術(shù)支持。

根據(jù)上述 3種推進方式的論述對比,我們知道混合動力系統(tǒng)結(jié)合了機械推進系統(tǒng)和電力推進系統(tǒng)的優(yōu)點,因而被越來越多地應(yīng)用于大馬力多用途工作船。下面以 2個實例詳細論述混合動力的使用方案和技術(shù)特點。

3.1 哈佛(HAVYARD)845混合動力推進系統(tǒng)

3.1.1 哈佛 845推進系統(tǒng)配置

哈佛 845推進系統(tǒng)配置如圖7所示。

圖7 284t系柱拖力三用工作船(哈佛 845)

2臺主柴油機

轉(zhuǎn)速為 750r/min,功率為 6 000 kW/臺;

4臺柴油發(fā)電機組

功率為2100 kW/臺,690V,60 Hz;

2臺軸帶發(fā)電機 4 680 kW/臺,690 V,60 Hz;

2臺電動機(Booster)

2 500 kW/臺,690 V,60 Hz;

2套調(diào)距槳

最大軸功率 8500 kW/套,直徑 4 600 mm;

1臺折疊式全回轉(zhuǎn)艏部推進器

1 500 kW,直徑 2 200 mm;

1臺隧道式艏側(cè)推 1 200kW,直徑 2 450 mm

2臺隧道式艉側(cè)推 1 200kW,直徑 2 050 mm

3.1.2 操作模式

當船舶從 A工作點轉(zhuǎn)場航行到 B工作點時,它對功率的需求相對裝船功率是較小的。這時我們采用電力推進模式,運行 1臺主柴油機 6 000 kW,此柴油機帶動本側(cè)的軸帶發(fā)電機向配電板供電,從而帶動本側(cè)和另一側(cè)的電動機,并通過齒輪箱驅(qū)動雙側(cè)的螺旋槳。用 1臺主柴油機就達到了長時間勻速航行的目的,大大降低了燃油的消耗,也降低了NOx和 CO2的排放。

當船舶接近平臺,在動力定位模式下工作時,所需的功率會隨海況不同而波動。這時我們選擇另外一種電力推進模式,2臺 6 000 kW主柴油機和 4臺2100 kW輔柴油機將根據(jù)需要 1臺或數(shù)臺投入運行。既保證船舶安全,又保證了燃油經(jīng)濟性。

當船舶在起拋錨或拖帶作業(yè)時,需要船舶能產(chǎn)生最大的系柱拉力,這時,進入混合推進模式,2臺6 000 kW主柴油機通過齒輪箱帶動螺旋槳,柴油發(fā)電機向配電板供電,2臺 2 500 kW電動機通過齒輪箱向螺旋槳加力(BOOST),2個主螺旋槳的功率可達到 17 000 kW,產(chǎn)生出 2 600 kN的系柱拉力,配合艏部的全回轉(zhuǎn)側(cè)推,推力最大可達 2 840 kN。

3.1.3 優(yōu)點

(1)可以根據(jù)使用工況和作業(yè)環(huán)境的變化自由地選擇推進模式,提高了燃油經(jīng)濟性。哈佛設(shè)計公司宣稱采用這種配置可以降低油耗 10%～15%。

(2)相比于純電力推進系統(tǒng),用較低的設(shè)備采購成本,滿足了較大的系柱拉力要求。

(3)良好的設(shè)備冗余度,提高了船舶在動力定位模式下的安全性。

(4)降低了設(shè)備磨損,延長了平均無故障時間(BTMF)。

3.2 烏斯坦 A 122混合動力推進系統(tǒng)

隨著混合動力推進系統(tǒng)在深海作業(yè)工作船的應(yīng)用實例的增多,船舶營運者開始對設(shè)計的合理性、操作的便捷性提出了更高的要求。圖8是挪威烏斯坦公司為奧林匹克公司設(shè)計制造的奧林匹克宙斯(OLYMPICZEUS,設(shè)計代碼為烏斯坦 A122)的單線圖。該船同樣采用了混合動力推進系統(tǒng),主推進功率 17 000 kW,配合艏部全回轉(zhuǎn)側(cè)推,最大系柱拉力2 860 kN。下面將詳細論述其技術(shù)參數(shù)和操作模式。

3.2.1 推進系統(tǒng)配置

2臺主柴油機

轉(zhuǎn)速為 750 r/min時,功率為4 500 kW;

轉(zhuǎn)速為 720 r/min時,功率為4 320 kW;

5臺發(fā)電機組

功率為 2 100 kW/臺,690 V,60 Hz;

2臺軸帶發(fā)電機

功率為 2 600 kW/臺,690 V,60 Hz;

2臺(booster)電動機

轉(zhuǎn)速為 750 r/m in恒功率運行時,功率為4 000 kW;

轉(zhuǎn)速為 0～660 r/min時,恒扭矩運行,功率為 0～4 000 kW。

2套調(diào)距槳

混合動力驅(qū)動時,轉(zhuǎn)速 135 r/min,軸功率8 500 kW;

電動機驅(qū)動時,轉(zhuǎn)速 40～111 r/min,軸功率4 000 kW;

柴油機驅(qū)動時,轉(zhuǎn)速 129 r/min,軸功率4 320 kW。

1臺折疊式全回轉(zhuǎn)艏側(cè)推

功率 1 800 kW,直徑 2 450 mm;

1臺隧道艏側(cè)推

功率 1 400 kW,直徑 2 450 mm;

2臺隧道尾側(cè)推

功率 1 000 kW/臺,直徑 2 050 mm。

3.2.2 操作模式

該船同樣有 3種模式可以選擇,機械推進(DM),電力推進(D-E)和混合動力(Hybrid),如圖9～圖11所示。與哈佛 845不同的是,它采用了更大功率的電動機,電力推進模式功率最大可達8 000 kW,系柱拉力 1 500 kN(配合全回轉(zhuǎn)艏側(cè)推),足以滿足各種海況下航行要求,并能在良好海況下完成大部分拖帶作業(yè)。參考圖3描述的該船各工況操作時間比例,上述工況占總工作時間的 80%以上,這意味著電力推進模式被長時間使用。

操作者可以根據(jù)需求,自由選擇包括軸帶發(fā)電機在內(nèi)的 7臺發(fā)電機組的運行數(shù)量和組合模式,以達到最好的燃油經(jīng)濟性。根據(jù)奧林匹克公司提供的實測數(shù)據(jù),該船在良好海況下作動力定位僅需要285 kW的使用功率,其中每臺調(diào)距槳為 60 kW,艏側(cè)推為 165 kW。這大大低于同類船舶在同樣工況下的功率消耗,機械推進的同尺寸船舶約需要 2 000 kW維持定位。根據(jù)奧林匹克公司反饋,奧林匹克宙斯相比同功率的機械推進船舶,每年能節(jié)省燃油30%以上。

船舶在良好海況下全速航行時,最經(jīng)濟的方案是使用機械推進模式,從前面的論述可知,主柴油機工作在最佳工況點附近時,傳統(tǒng)的機械傳動是最高效的。此時,主柴油機以 720 r/min恒速運轉(zhuǎn),螺距根據(jù)負荷變化調(diào)整,保持柴油機功率恒定。如負荷允許,操作者可以使軸帶發(fā)電機投入運行,以提供全船電力需求。

惡劣海況下作起拋錨操作或拖帶航行時,操作者可以直接選擇混合動力模式,也可以先選擇電力推進或機械推進,根據(jù)風浪和負載情況隨時選擇混合動力模式,不需要降低載荷。這也是該船的技術(shù)亮點之一。

圖8 286 t系柱拖力三用工作船烏斯坦 A122

圖9 烏斯坦 A122的機械推進模式

圖10烏斯坦 A122的電力推進模式

3.3 烏斯坦 A 122技術(shù)特點

3.3.1 機械/電力推進功率分配更合理

很多作業(yè)工況對功率的要求是變化的,如在起錨時,拉力僅在短短幾分鐘內(nèi)上升到 1 300～1 400 kW,然后又回到低負荷狀態(tài)下。其他相同類船舶的電動機(booster)功率太小達不到這一拖力,并且其模式的轉(zhuǎn)換要在零螺距或低負荷時完成。結(jié)果是操作者為了安全起見,直接選擇了機械推進或混合推進模式,失去電力推進最根本的意義。

該船配備了2臺 4 000 kW的變頻電機,其功率和機械推進模式下柴油機的額定功率 4 320 kW相差很小。機械推進模式可以完成的絕大多數(shù)作業(yè),在電力推進模式下都可以完成。操作者可以放心地選擇電力推進模式去完成各種作業(yè)工況。這樣就大大地提高了電力推進系統(tǒng)的使用時間,降低了低負荷作業(yè)工況的營運成本,增加了該船的市場靈活性。

圖11 烏斯坦 A 122的混合動力推進模式

3.3.2 高負載下推進模式切換

“烏斯坦混合動力控制系統(tǒng)”使得推進模式的切換可以在高負荷下進行,無需把主推進可調(diào)槳回到零螺距后再切換。操作者可以根據(jù)負荷的增加隨時選擇讓電動機或柴油機投入運行,進入混合動力模式,負荷減小后,再回到電力推進或機械推進模式,大大提高了船舶的操縱靈活性和安全性。

3.3.3 機槳配合優(yōu)化

從上述的系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)可知,調(diào)距槳在 3種不同模式下的運行轉(zhuǎn)速是略有不同的。在“烏斯坦混合動力控制系統(tǒng)”中,螺旋槳在不同轉(zhuǎn)速下的螺距根據(jù) 3種推進模式被分別設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值,該數(shù)值對應(yīng)柴油機在該轉(zhuǎn)速下油軌(噴油量)或電動機在該轉(zhuǎn)速下的功率,擬合了該船的機槳組合曲線,保證螺旋槳在各個模式下均能保持最高的效率。

同時,由電力推進模式或機械推進模式向混合動力模式轉(zhuǎn)換加載過程中,齒輪箱是增速的,有效地減小了重載工況下轉(zhuǎn)移負荷對設(shè)備的沖擊磨損。

3.3.4 負載分配比例可調(diào)

以往的混合動力設(shè)計中,對并車運行的設(shè)備根據(jù)其功率設(shè)置了固定的負載分配比例。例如電動機占齒輪箱總輸出功率 30%,主柴油機占齒輪箱總輸出功率 70%,當電動機因部分發(fā)電機組失效而只能在其標稱功率的 50%狀態(tài)下運行時,操作者需要忍受主柴油機也只能工作在額定功率 50%下的事實,或者切除電動機回到機械推進模式。

“烏斯坦混合動力控制系統(tǒng)”有效地解決了上述問題,當電動機在部分負載下工作時,操作者可以通過人機操作界面快速有效的調(diào)節(jié)機電負載分配比例,實現(xiàn)柴油機滿負荷使用。

4 混合動力推進系統(tǒng)的前景展望

綜上所述,混合動力推進系統(tǒng)作為一種新的船舶推進方案,有效地解決了深水作業(yè)的船舶功率要求和設(shè)備采購成本之間的矛盾,又降低了燃油消耗,減少了廢氣排放。在大力倡導節(jié)能環(huán)保的今天,一定會被更多的大拖力深水工作船所采用。

U674.38+2

A

2010-04-20

沈錦康(1966-),男,電氣工程師,主要從事海洋石油勘探大型項目技術(shù)開發(fā)和工程管理;陳偉忠(1974-),男,工程師,主要從事船舶輪機設(shè)計和開發(fā)。