电力推进系统在半潜式海洋生活平台上的应用

宋坤

摘 要：虽然近年来我国的海工制造企业增长迅猛，但是油价的不断下挫导致钻井船的订单大大减少，对海工企业的发展提出了很大的挑战，建造海洋生活平台成了海工企业的另一条发展路线。文章对电力推进技术独有的性能优势进行了分析，并分析了其在特海洋生活平台中应用，希望能够增强我国海工制造企业的国际竞争力。

关键词：电力推进系统；半浅式海洋生活平台；应用

引言

由启东中远海工负责建造的半潜式海洋生活服务平台“高德1号”全长95米，型宽67米，型深35.7米，平台高度接近60米，采用荷兰GUSTO MSC公司提供的OCEAN 500船型。平台最大吃水20米，最大排水量33000吨，配备目前主流的DP3动态定位系统和8点锚泊辅助定位系统等。平台可供750名船员生活居住，并且还预留240人的生活模块安装位置，最多可以容纳990人居住。它不仅满足国际海事组织船舶噪声级规则和A468（XII）决议，还同时满足 DNV（挪威船级社）、IMO（国际海事组织）、ILO（国际劳工组织）和UKCS（英国大陆架）的相关标准，以及ABS（美国船级社）和美国海岸警卫队规范要求，是目前世界同类产品中满足规范最多、要求最高、设备设施最先进的半潜式海洋生活服务平台。

1 电力推进系统在海洋生活平台应用的主要优势

传统的海洋生活服务平台的动力系统和电力系统是相对独立的2个系统，电力系统一般作为辅助电源，推进用柴油机组直接与带动螺旋桨的轴系相连，为平台提供主要推力。电力推进作为目前比较先进的船舶推进方式，它的主要技术优势主要体现在。

（1）大气污染小，节约油耗，提高了平台的环保性能和经济性能。电力推进系统的核心是公共电站，它能够根据整个电缆系统中功率的变化控制发电机组的并入和断开，从而控制单台发电机组在较高的负荷运转，提高发电机组的燃油效率。这样既降低了油耗，也减少了污染物的排放。随着人们对环境保护的日益重视，建造既节能又环保的平台已经成为大家的共识。

（2）使生活平台更加舒适。海洋生活平台作为移动的“海上宾馆”，船东对平台的舒适性要求很高。如果采用常规的柴油主机推动，在主机加速或者“突增突卸”的时候会产生很大的噪音和振动，这对生活平台来说是不能容忍的缺陷。而在电力推进系统中，柴油机组只是带动发电机转动，并不承受来自螺旋桨的推力，转速基本也是恒定的，这给现场的安装带来很大的便利。例如我们可以将柴油机安装在弹性块上，避免硬性连接，也不用刻意加强机组底座的强度，这大大降低了生活平台的噪音和振动。同时在早期设计时使发电机组远离结构共振点，减少因推进系统运转引起共振的可能性。

（3）平台有较好的操纵性能。推进器由电动机驱动，便于调节电机转速。推进电动机无论是正转还是反转，转动的扭矩都是不变的，这对配备全回转推进器的生活平台来说，无疑增加了操控性能。采用电动机的另一个好处还在于它的调速是“线性”的，能够使推进器的调速很平顺，就像具备“无级调速”功能的汽车那样。

（4）使海洋平台更加安全。该海洋平台配备了6台发电机，6台推进器，1-2台发电机或推进器发生故障，都不会让全船陷于瘫痪状态一，至少还能保持低速航行。此外，由于发电机组一直以恒定的转速运行，不像常规柴油机组那样经常处于“加速减速，突增突卸”的工况中，故障率比常规系统的柴油机组小，使用寿命也有所延长。

（5）设备布置更加灵活，平台结构得到很好的优化。在常规系统中，为了减少推进轴的长度，机舱往往需要离推进器很近，每个推进器都很分散，增加了机舱的布置难度，空间也很难得到有效的利用，而在电力推进系统中，机舱和动力设备的布置能得到很大的改善。例如在“高德一号”中，总共布置了3个机舱，3个配电间，6个推进器舱。推进器舱布置在PONTOON（浮筒），机舱和配电间布置在DECK BOX（甲班包），从而避免将发电机组布置在狭小的浮筒里，减少了施工的难度，使空间得到合理的利用。每个机舱和配电间相邻，减少了电缆敷设的长度，降低了平台的人工成本和材料成本，平台的总体布置也得到优化。

2 电力推进系统的主要构成

如圖1所示，电力推进系统的核心设备主要由发电机组、配电屏、变压器、变频器、推进电动机、全回转型推进器等组成。下面将对这些设备进行一一介绍。

2.1 发电机与配电屏

“高德一号”平台共配备6台“西门子”6.6kV，4800W/6000kVA的发电机，由6台“瓦锡兰”柴油机驱动。加上3组6.6kV的“西门子”高压配电屏，组成一个高压配电网，作为整个平台电力推进系统和其他主要设备的电源。同时还有3组440V的中压配电屏和230V低压配电屏确保电力的分配。变压器、变频器和推进电机的控制电源都是由他们提供的。推进器专用的变压器从6.6kV配电屏得到电源后，通过变频器将电力送到推进电动机，由电动机驱动推进器，从而实现推进系统的动力供给。

2.2 高压变压器与变频器

在“高德一号”项目上，每组高压配电屏连接2台6.6/2*2.2kV，4530kVA的变压器，每台变压器再与1台变频器（VFD）相连，每组变频器驱动一台推进电动机，保证了每台推进器的独立性。本平台采用的西门子公司生产的变频变压器和变频器。变频变压器的作用在于能够为为中高压变频器提供多相整流电源。变频变压器是经过特殊设计的，能够与变频器配合使用，它通过多个不同的移相角二次绕组，可以组成等效相数为9相、12相、18相以及27相等整流变压器，这主要依据的是延边三角形移相原理。整流电源通过变频功率单元组合后可以有效抵消谐波干扰，改善变频器的输出波形，它还能够根据整个电网的情况调节变频器，保持变频器和整个电网的电隔离。

在电力推进系统中，还有个核心设备就是推进变频器。变频器不仅能改变电压，还能改变频率。对于大功率的电动机而言，变频器是不可忽缺的一个重要设备，它的主要优点在于降低电动机的启动电流，实现零速零电压启动，延长电动机的使用寿命，降低电动机启动时电网的电压波动，并且能够精准的调节转矩极限，实现电动机的无极调速。变频调速是电力推进系统的核心，没有变频器，采用电力推进的平台将没有任何优势可言。变频器在运行的时候会产生很大的热量，一般功率较大的船用变频器都采用水冷的方式。变频器内部一般有自带的冷却单元，与平台上专用的推进器外部淡水冷却水管相连，通过变频器内的热交换器，来进行冷却。变频器的冷却水一般采用纯净水，变频器本身还自带漏水检测传感器，可以避免各种原因导致的漏水。

2.3 推进电动机

推进电动机为推进器提供动力，需要具备可靠性高，功率大，低速时转矩大，高效节能，可控性好，振动噪声小的特点。目前推进电机种类很多，可大致分为普通电机和特种电机两大类。

普通电机主要有直流电动机，交流同步电动机和交流异步电动机。直流电动机由于有换向器和电刷的存在，无法将功率做的很大；交流异步电动机结构简单，维护方便，效率高，极限容量大，是目前主流的推进电动机；交流同步电机相对于异步电机而言，造价高，维护成本高。“高德一号”采用的就是功率3700KW，转速720转/分的三相异步电动机。

特种电机主要分为永磁同步电动机和高温超导电动机。永磁同步电机相比交流异步电机，效率高，功率因数大，结构简单，操作方便，但是造价贵，启动困难；高温超导电动机体积小、结构紧凑，效率高、噪音小、易维护、操作灵活、单机极限容量大，尤其是在低速时的效率很高，是近年来各国争相研制的新型推进电动机，具有很好的市场前景。

2.4 吊舱式全回转推进器

吊舱式全回转推进器就是将电动机和螺旋桨直接相连，形成一个独立的结构并悬挂在平台的底部，且能360度旋转。这种设计最大的好处是取消了舵机系统和舵机操纵机构，能够随意调节推进方向。吊舱式推进器与传统推进器相比主要优点在于能够360度旋转，操纵和机动性好，机构简单可靠，安装维护方便，并且不占用较多的舱室容积。目前主要分为外置电机推进器和内置电机推进器。两者之间最大的区别在于内置电机推进器是将电动机和螺旋桨轴密封在吊舱中，缩短了电动机和螺旋桨的传动链，效率要比外置电机推进器高，结构也更加简单可靠。内置电机推进器可以采用海水冷却，省去了冷却系统并提高了效率。

3 结束语

电力推进技术以其独有的性能优势特别适合在海洋生活平台中应用，然而由于我国海工配套技术的发展相对滞后，很多关键设备都被国外厂家垄断，导致国内的企业利润很低。如果国内的海工配套企业能够在中高压发电机、中高压配电屏、变频变压器、推进变频器和推进器等电力推进系统的核心设备上取得突破并实现国产化，必将大大降低海工类平台的建造成本，增强我国海工制造企业的国际竞争力。