混合动力在深海作业多用途工作船上的前景展望

沈锦康,陈伟忠

(1.中国石化集团上海海洋石油局,上海 201206;2.江苏省镇江船厂有限责任公司,江苏镇江 212003)

混合动力在深海作业多用途工作船上的前景展望

沈锦康1,陈伟忠2

(1.中国石化集团上海海洋石油局,上海 201206;2.江苏省镇江船厂有限责任公司,江苏镇江 212003)

通过对混合动力推进系统的组成、基本原理、设计要点、操作模式的分析和介绍,并和机械推进、电力推进进行比较,从而得出该系统在深海作业多用途工作船上的优势和发展空间。

机械推进;电力推进;混合动力推进;深海作业;多用途工作船

0 引言

(1)当前的金融危机并未改变各国对能源需求增长的长期趋势,世界各国对石油天然气资源的争夺重点已从陆地转向了海洋,据地质学家估计,那里至少蕴藏着全球 3 000亿 t石油储量的一半以上。随着海上石油勘探技术的不断发展,勘探开发的重心从浅海不断移向深水海域,深水区油气资源潜力巨大,勘探前景良好。据统计,全球海上 44%的油气资源位于水深 500m以上水域。

(2)深海区域作业,工程作业点离岸基越来越远,海况更为恶劣,作业难度、作业风险更大,要求与之配套的工程服务船舶逐步往大型化、规模化方向发展,各国政府主管部门对海上油气勘探开发作业多用途工作船制定了严格的法规和行业标准。由此,对工作船的功能和动力系统提出了更高的要求。目前全球在深海区域为平台服务的多用途工作船功率均在 11 029 kW以上,其功能齐全,集锚系处理、拖带、供应、守护、消防、救生、海洋工程作业等于一体,自动化程度高,续航能力强,船舶操纵和机动性能好,为海洋平台提供全方位、全天候服务,从而确保平台海上作业的连续性、高效性、可靠性和安全性,有效控制作业风险,降低作业成本。

(3)因为良好的经济性、环保性、安全可靠性,混合动力推进系统被越来越多的应用于深水作业的三用工作拖船。主流的成熟船型有:罗尔斯罗伊斯公司的 UT 786、UT 788,哈佛公司 845、848和乌斯坦公司 A 122等。

1 深水作业工作船推进系统的发展过程

1.1 传统机械推进系统

在理想的工作状态下,柴油机通过轴系驱动螺旋桨的传统推进方式是非常高效可靠的。其柴油机和螺旋桨之间只有 2.5%～3%的机械传递损失,主要取决于减速齿轮的传递效率。而且柴油机技术的发展和多种传递形式的齿轮箱的应用,使船舶设计者不必再为推进功率不足而担心。图1为传统机械推进系统。在图1中,可以看到目前市场上很常见的四机双桨推进的多用途工作船。随着深水作业对系柱拉力要求的提高,传统的机械推进系统仍以其较低的设备采购成本和建造成本受多数船东青睐。

图1 传统机械推进系统

国际成品油的价格瞬息万变,牵动着船舶营运者的神经。如何降低船舶燃油消耗早已不再是新的话题。高传递效率的传统推进方式,并不意味着在所有工况下都能节省燃油。图2的功率传递示意图显示,从燃油在柴油机中燃烧做功到螺旋桨在水中产生推力,至少要受柴油机效率、传递效率和螺旋桨效率的影响。事实上,柴油机的效率只有不到40%,意味着大量的能量在此环节被损失。燃油消耗率(SFOC)是设计者衡量柴油机效率的主要指标,它的单位是 g/(kW◦h),表示柴油机单位做功的耗油量。绝大多数柴油机在低于 50%负荷运行时,SFOC急剧上升,这是我们不愿意看到的。

图2 船舶推进系统中的功率传递损失示意图

但深海作业工作船往往需要大量时间运行在低负荷工况下,如等待、守护、装卸货等。此时功率需求会随海况不同而有差异,但基本不会超过额定功率的 50%。图3为乌斯坦 A 122的工况模式比例图,该船有 63%的时间是工作在低负荷模式下。另外需要说明的是,在典型的机械推进模式下,主机恒速运转,靠调距桨(C P P)的螺距变化实现负荷增减。即使在零推力时,桨在水中高速旋转引起的机械损失仍需要消耗约 20%的主机功率,大大地降低了机械推进系统的燃油经济性。

柴油机低负荷运行的弊端不仅仅是高的燃油消耗,还会因燃油的不充分燃烧引起废气中的CO2、NOx和 SOx等含量升高,使废气排放污染增加。国际海事组织(I M O)颁发了越来越严格的 NOx排放要求,欧盟和美国也制定了关于本土运行船舶 SOx排放的限制,并准备征收COx排放税,这些规定迫使船舶营运者去寻求更高效环保的解决方案。

图3 乌斯坦A122工况模式比例

1.2 电力推进系统

从上个世纪末开始,电力推进开始被应用于深海作业工作船。如图4所示,主推进器和侧向推进器均由变速电机驱动,船舶电站通过变压器、变频器为电机提供动力。为降低建造的难度和成本,主推进器和侧向推进器一般为定距桨。电站通常由 4台或以上船用发电机组和电站管理系统(PMS)组成,柴油机在定速模式下驱动发电机,电站管理系统根据负载变化自动控制投入运行的发电机组数量。

图4 电力推进系统

电力推进系统的最大优点在于它可以通过动态增减发电机组的数量,从而保证投入运行的内燃机工作在最佳工况点附近,达到降低油耗和减少排放污染的效果。而且船舶低速等待状态时,变频电机可以驱动定距桨根据推力需求调整转速,保证螺旋桨高效运转,降低了对主机功率的需求,如图5和图6所示。并且,电力推进可以省略主推进的长轴系,增加了货舱区域的利用率。

但在船舶高负荷运行时,如拖带、起抛锚工况,电力推进系统的表现就不尽完美了。主要是由于其较低的传递效率,相比于机械推进不到 3%的传递损失,柴油机、发电机、变压器、变频器和电动机之间的功率损失大概为 10%。尽管电器设备制造商和船舶设计者不断地推出新的方案来减小这部分消耗,但仍不能达到满意结果。

而且,随着深海工作对工作船系柱拉力要求的提高,电力推进系统因较高的设备采购成本使绝大多数船舶营运者望而却步。

1.3 混合动力推进系统

混合动力推进系统是结合了机械推进和电力推进的一种新的推进方式。其实,它在潜艇上已有超过 100年的使用历史。潜艇在水下航行时,用电池组作为动力源驱动电动螺旋桨;在水面上航行时,使用常规的机械推进。近些年,船舶设计者开始把这个概念运用于商用船舶,尤其是深海作业多用途工作船。它可以分为 3种运行模式:机械推进(DM),电力推进(D-E)和混合动力(Hybrid),可由操作者根据船舶运行工况自由选择。

机械推进用于连续运行的高负荷工况,柴油机功率维持在 85%～100%之间,实现最低的燃油消耗率,并最大限度降低了排放污染。如:满载全速行驶、中速拖航或良好海况下的起抛锚操作。

电力推进以其在低负载状态下良好的燃油经济性被用于低速航行和靠近平台时的动力定位等。

在恶劣海况下的起抛锚、拖航往往需要更大的系柱拉力,尤其是锚链被张紧或锚破土的短暂工况,需要使用混合动力工况。此时,主柴油机驱动调距桨,发电辅机驱动的变频电机通过齿轮箱起到加力(BOOST)作用。

图5 电力推进和机械推进在传递效率上的差异

图6 电力推进和机械推进的功率-推力曲线

2 3种推进系统性能比较

2.1 机械推进系统

(1)优点

①船舶高负荷运行时,效率高,燃油经济性好;

②用较少的初期投入成本实现较高的系柱拉力。

(2)缺点

①当船舶定位或低速行驶时,螺旋桨的水动力损失较大;

②因主机的低负荷运转,引起较高的燃油消耗率和废气排放污染;

③动力来源单一,冗余性差。

2.2 电力推进系统

(1)优点

①船舶中、低负荷运行时,螺旋桨效率高,功率损失小;

②动态调整发电机组的运行数量,使柴油机在优化点附近运行,可以降低燃油消耗率和废气排放污染;

③动力来源于多个发电机组,冗余性好;

④增强了船舶的操纵性;

⑤优化了货舱区域的布置,提高了货舱利用率。

(2)缺点

①当船舶高负荷运行时,效率低;

②初期投入成本大。

2.3 混合动力推进系统

(1)优点

①把机械推进系统和电力推进系统的优点组合在一个系统中;

②相比于纯电力推进系统,初期投入成本低;③冗余性好;

④根据负荷不同,选择推进系统模式,保证了所有工况下的燃油经济性。

(2)缺点

①建造难度大;

②人机界面复杂,对操作者的要求高;

③相对于机械推进系统,初期投入成本高。

3 混合动力推进系统的技术方案

合理的混合动力推进方案依赖于设计公司、设备供应商和船舶运作者的密切合作。船舶营运者提供该船舶的使用海域和主要营运工况,设计公司结合设备供应商所能提供的设备的技术能力、价格性能比展开设计,并在细节上得到供应商的技术支持。

根据上述 3种推进方式的论述对比,我们知道混合动力系统结合了机械推进系统和电力推进系统的优点,因而被越来越多地应用于大马力多用途工作船。下面以 2个实例详细论述混合动力的使用方案和技术特点。

3.1 哈佛(HAVYARD)845混合动力推进系统

3.1.1 哈佛 845推进系统配置

哈佛 845推进系统配置如图7所示。

图7 284t系柱拖力三用工作船(哈佛 845)

2台主柴油机

转速为 750r/min,功率为 6 000 kW/台;

4台柴油发电机组

功率为2100 kW/台,690V,60 Hz;

2台轴带发电机 4 680 kW/台,690 V,60 Hz;

2台电动机(Booster)

2 500 kW/台,690 V,60 Hz;

2套调距桨

最大轴功率 8500 kW/套,直径 4 600 mm;

1台折叠式全回转艏部推进器

1 500 kW,直径 2 200 mm;

1台隧道式艏侧推 1 200kW,直径 2 450 mm

2台隧道式艉侧推 1 200kW,直径 2 050 mm

3.1.2 操作模式

当船舶从 A工作点转场航行到 B工作点时,它对功率的需求相对装船功率是较小的。这时我们采用电力推进模式,运行 1台主柴油机 6 000 kW,此柴油机带动本侧的轴带发电机向配电板供电,从而带动本侧和另一侧的电动机,并通过齿轮箱驱动双侧的螺旋桨。用 1台主柴油机就达到了长时间匀速航行的目的,大大降低了燃油的消耗,也降低了NOx和 CO2的排放。

当船舶接近平台,在动力定位模式下工作时,所需的功率会随海况不同而波动。这时我们选择另外一种电力推进模式,2台 6 000 kW主柴油机和 4台2100 kW辅柴油机将根据需要 1台或数台投入运行。既保证船舶安全,又保证了燃油经济性。

当船舶在起抛锚或拖带作业时,需要船舶能产生最大的系柱拉力,这时,进入混合推进模式,2台6 000 kW主柴油机通过齿轮箱带动螺旋桨,柴油发电机向配电板供电,2台 2 500 kW电动机通过齿轮箱向螺旋桨加力(BOOST),2个主螺旋桨的功率可达到 17 000 kW,产生出 2 600 kN的系柱拉力,配合艏部的全回转侧推,推力最大可达 2 840 kN。

3.1.3 优点

(1)可以根据使用工况和作业环境的变化自由地选择推进模式,提高了燃油经济性。哈佛设计公司宣称采用这种配置可以降低油耗 10%～15%。

(2)相比于纯电力推进系统,用较低的设备采购成本,满足了较大的系柱拉力要求。

(3)良好的设备冗余度,提高了船舶在动力定位模式下的安全性。

(4)降低了设备磨损,延长了平均无故障时间(BTMF)。

3.2 乌斯坦 A 122混合动力推进系统

随着混合动力推进系统在深海作业工作船的应用实例的增多,船舶营运者开始对设计的合理性、操作的便捷性提出了更高的要求。图8是挪威乌斯坦公司为奥林匹克公司设计制造的奥林匹克宙斯(OLYMPICZEUS,设计代码为乌斯坦 A122)的单线图。该船同样采用了混合动力推进系统,主推进功率 17 000 kW,配合艏部全回转侧推,最大系柱拉力2 860 kN。下面将详细论述其技术参数和操作模式。

3.2.1 推进系统配置

2台主柴油机

转速为 750 r/min时,功率为4 500 kW;

转速为 720 r/min时,功率为4 320 kW;

5台发电机组

功率为 2 100 kW/台,690 V,60 Hz;

2台轴带发电机

功率为 2 600 kW/台,690 V,60 Hz;

2台(booster)电动机

转速为 750 r/m in恒功率运行时,功率为4 000 kW;

转速为 0～660 r/min时,恒扭矩运行,功率为 0～4 000 kW。

2套调距桨

混合动力驱动时,转速 135 r/min,轴功率8 500 kW;

电动机驱动时,转速 40～111 r/min,轴功率4 000 kW;

柴油机驱动时,转速 129 r/min,轴功率4 320 kW。

1台折叠式全回转艏侧推

功率 1 800 kW,直径 2 450 mm;

1台隧道艏侧推

功率 1 400 kW,直径 2 450 mm;

2台隧道尾侧推

功率 1 000 kW/台,直径 2 050 mm。

3.2.2 操作模式

该船同样有 3种模式可以选择,机械推进(DM),电力推进(D-E)和混合动力(Hybrid),如图9～图11所示。与哈佛 845不同的是,它采用了更大功率的电动机,电力推进模式功率最大可达8 000 kW,系柱拉力 1 500 kN(配合全回转艏侧推),足以满足各种海况下航行要求,并能在良好海况下完成大部分拖带作业。参考图3描述的该船各工况操作时间比例,上述工况占总工作时间的 80%以上,这意味着电力推进模式被长时间使用。

操作者可以根据需求,自由选择包括轴带发电机在内的 7台发电机组的运行数量和组合模式,以达到最好的燃油经济性。根据奥林匹克公司提供的实测数据,该船在良好海况下作动力定位仅需要285 kW的使用功率,其中每台调距桨为 60 kW,艏侧推为 165 kW。这大大低于同类船舶在同样工况下的功率消耗,机械推进的同尺寸船舶约需要 2 000 kW维持定位。根据奥林匹克公司反馈,奥林匹克宙斯相比同功率的机械推进船舶,每年能节省燃油30%以上。

船舶在良好海况下全速航行时,最经济的方案是使用机械推进模式,从前面的论述可知,主柴油机工作在最佳工况点附近时,传统的机械传动是最高效的。此时,主柴油机以 720 r/min恒速运转,螺距根据负荷变化调整,保持柴油机功率恒定。如负荷允许,操作者可以使轴带发电机投入运行,以提供全船电力需求。

恶劣海况下作起抛锚操作或拖带航行时,操作者可以直接选择混合动力模式,也可以先选择电力推进或机械推进,根据风浪和负载情况随时选择混合动力模式,不需要降低载荷。这也是该船的技术亮点之一。

图8 286 t系柱拖力三用工作船乌斯坦 A122

图9 乌斯坦 A122的机械推进模式

图10乌斯坦 A122的电力推进模式

3.3 乌斯坦 A 122技术特点

3.3.1 机械/电力推进功率分配更合理

很多作业工况对功率的要求是变化的,如在起锚时,拉力仅在短短几分钟内上升到 1 300～1 400 kW,然后又回到低负荷状态下。其他相同类船舶的电动机(booster)功率太小达不到这一拖力,并且其模式的转换要在零螺距或低负荷时完成。结果是操作者为了安全起见,直接选择了机械推进或混合推进模式,失去电力推进最根本的意义。

该船配备了2台 4 000 kW的变频电机,其功率和机械推进模式下柴油机的额定功率 4 320 kW相差很小。机械推进模式可以完成的绝大多数作业,在电力推进模式下都可以完成。操作者可以放心地选择电力推进模式去完成各种作业工况。这样就大大地提高了电力推进系统的使用时间,降低了低负荷作业工况的营运成本,增加了该船的市场灵活性。

图11 乌斯坦 A 122的混合动力推进模式

3.3.2 高负载下推进模式切换

“乌斯坦混合动力控制系统”使得推进模式的切换可以在高负荷下进行,无需把主推进可调桨回到零螺距后再切换。操作者可以根据负荷的增加随时选择让电动机或柴油机投入运行,进入混合动力模式,负荷减小后,再回到电力推进或机械推进模式,大大提高了船舶的操纵灵活性和安全性。

3.3.3 机桨配合优化

从上述的系统配置数据可知,调距桨在 3种不同模式下的运行转速是略有不同的。在“乌斯坦混合动力控制系统”中,螺旋桨在不同转速下的螺距根据 3种推进模式被分别设定相应的数值,该数值对应柴油机在该转速下油轨(喷油量)或电动机在该转速下的功率,拟合了该船的机桨组合曲线,保证螺旋桨在各个模式下均能保持最高的效率。

同时,由电力推进模式或机械推进模式向混合动力模式转换加载过程中,齿轮箱是增速的,有效地减小了重载工况下转移负荷对设备的冲击磨损。

3.3.4 负载分配比例可调

以往的混合动力设计中,对并车运行的设备根据其功率设置了固定的负载分配比例。例如电动机占齿轮箱总输出功率 30%,主柴油机占齿轮箱总输出功率 70%,当电动机因部分发电机组失效而只能在其标称功率的 50%状态下运行时,操作者需要忍受主柴油机也只能工作在额定功率 50%下的事实,或者切除电动机回到机械推进模式。

“乌斯坦混合动力控制系统”有效地解决了上述问题,当电动机在部分负载下工作时,操作者可以通过人机操作界面快速有效的调节机电负载分配比例,实现柴油机满负荷使用。

4 混合动力推进系统的前景展望

综上所述,混合动力推进系统作为一种新的船舶推进方案,有效地解决了深水作业的船舶功率要求和设备采购成本之间的矛盾,又降低了燃油消耗,减少了废气排放。在大力倡导节能环保的今天,一定会被更多的大拖力深水工作船所采用。

U674.38+2

A

2010-04-20

沈锦康(1966-),男,电气工程师,主要从事海洋石油勘探大型项目技术开发和工程管理;陈伟忠(1974-),男,工程师,主要从事船舶轮机设计和开发。