混合动力推进系统在深海工作船的应用

刘子健 张宇

摘 要：文章主要介绍和分析混合动力推进系统的组成、工作原理、技术要求和应用推广，并结合机械推进、电力推进等方式，得出混合动力系统在深海作业的工作船中的优势和发展空间。

关键词：混合动力；深海工作船；推进方式

1 概述

根据质地学家统计，海洋蕴藏着至少1500亿吨石油，并且随着海上石油勘探技术不断发展，勘探区域从浅海逐步转入深海。据统计，海上44%的油气资源位于500米以上水域，这里海况恶劣，作业难度和风险大，为其服务的工程船要求更苛刻，尤其是功能和动力系统。目前为深海区域服务的多用途工作船推进功率平均为15000马力，集消防救生、拖带、守护、供应和海洋工程等多种功能于一体，续航能力强、自动化程度高，确保了海上作业的高效性、连续性、安全性。基于以上深海工程船的特点，拥有更好的经济型和环保型的动力推进系统越来越多的应用于深海作业工程船舶，以下我们介绍混合动力推进系统在深海工作船上的应用，此种推进系统目前较成熟的船舶项目有哈佛845、848和UT786等。

2 船舶推進系统论述

2.1 机械推进系统

机械推进系统是比较传统的推进方式，由柴油机作为原动机，通过轴系（齿轮箱）驱动螺旋桨做功。机械推进系统的功率传递效率很高，仅有3%的传递损失。多种船底形式的齿轮箱也可以避免推进功率不足的问题，目前机械推进系统发展比较成熟，设备成本低，受到大多船东的青睐。然而，多数深海工作船的特点是大量时间在低负荷下运行，比如装卸货、守护等，在低负荷的状态下，柴油机无法到达经济运行转速，油耗量会大幅度提高。另外在主机恒速运转，调节浆距来控制负荷增减，在桨叶全部合上，推力为零的情况下，柴油机仍有20%的功率消耗用于螺旋桨的机械损失。在低负荷运行时，柴油机燃油消耗会大幅度提高，目前国际油价瞬息万变，各船舶运营商对此非常关注，柴油机的燃油消耗如无法长时间在经济转速下运行，油耗问题会影响此类推进方式的选用。另外柴油机运行时气缸内的不充分燃烧会产生CO2、NOx和SOx等污染废气，欧盟和美国等组织制定了一些废气排放限制的规定，这就迫使船舶运营商为了无线航区的行驶，不得不去寻找更经济、更环保的推进模式。

2.2 电力推进系统

电力推进系统应用于深水工程船仅30多年时间。一般由4台发电机组驱动 2台主推进器和2台侧向推进器运转。通过变压器、变频器为电机提供动力。柴油机在定速模式下驱动发电机，PMS根据负载变化控制投入运行的发电机组数量。上个世纪末，电力推进已经开始应用于深水作业工作船。变速电机驱动主推进器和侧向推进器，变压器和变频器为船舶电站提供电力。为了降低设计和建造的难度和成本，主推进器和侧向推进器一般选用定距桨。电站通常4台以上船用发电机组和一套电站管理系统（PMS）组成，柴油机在定速模式下驱动发电机，PMS根据运行负载变化自动控制投入运行的发电机组的数量。电力推进系统可以通过动态增减发电机数量调整运行的内燃机在最佳工况点附近工作，以达到降低油耗和减少污染的效果。但是在深海工作船高负荷运行时，电力推进的低传递效率的缺点就显露出来了，它的功率损失高达11%，而且电力推进设备成本很高，很多船东无法接受。

2.3 混合动力推进系统

混合动力推进系统用蓄电池组作为原动力，驱动螺旋桨启动，在运行过程中，仍然使用高效率的机械推进。在深水工作船上应用可分为以下三种运行模式：机械推进用于连续高负荷运行工况，功率在80%-100%之间，尽量达到柴油机经济转速，降低油耗以及SOx和NOx的污染，此工况适用于工作船的中速拖航和起抛锚作业。电力推进用于低负载工况，其拥有良好的燃油经济性如：低速航行和靠近平台时的动力定位等。混合动力推进用于实现最大系柱拉力的工况，比如恶劣海况的起抛锚和拖航等，首先由柴油机最大负荷驱动调距桨，桨叶开启至最大功率，发电机驱动电动机通过齿轮箱轴系加力，使工作船整体的拖拽力达到最大。

3 各推进系统性能对比

机械推进系统适用于工作船的高负荷运行工况，燃油经济性和推进效率比较高，生产厂家多而且产品成熟，故障少，成本较低。但是在低功率工况下运转推进效率低，油耗高，废气污染大。电气推进系统在低负荷运转时推进效率高，而且功率的损失量小。并且可以实现动态调整发电机的工作数量，保证柴油机的经济转速运行，有效地降低油耗和废气排放。但是在高负荷运转时工作效率较低，可以和机械推进系统互补。在建造成本上相比机械推进也比较高。混合动力推进系统中可以在高负荷运转使用机械推进，低负荷运转使用电力推进，提高了燃油经济性的同时也降低了废气排放，提高了整个推进系统的工作灵活性。但是整个系统的设计、安装、操作的难度比较大，对使用人员的要求比较高。

4 混合动力推进系统的技术方案创新以及实例分析

4.1 电力/机械推进功率分配合理

工作船在同一作业时对功率的需求不是恒定的，如起锚作业时，瞬间拉力上升到150吨，然后再回到低负荷。类似船舶的电动机功率太小，模式的转换也要在零螺距或低负载时完成，操作者直接选择了机械推进或混合推进模式，这就失去电力推进最根本的意义。混合动力推进系统的工作船可以选择两台4000kW的变频电机，在机械推进系统工作时，可以完成绝大多数的作业，在电力推进系统工作时也都可以完成。因此，深海工作船的操作者可以使用电力推进系统完成所有作业。这样既降低了低负荷作业的成本，也增加了工作船的工作灵活性。

4.2 机桨配合的优化

根据以上三种不同推进方式，螺旋桨可以对应柴油机转速设定不同螺距的数值，该数值配合了机桨曲线，保证了螺旋桨的高效运转，同时设置增速齿轮箱，在推进模式互相转换的过程中，可以减小转移负荷对各设备的磨损。

4.3 实例分析

根据上述推进方式的介绍，我们对混合动力推进系统有了一定的了解，下面以哈弗845为例详细论述混合动力推进系统的技术方案和特点。哈弗845配置了2台主柴油机6000kW@720rpm，4台柴油发电机组2100kW/台，690V 60Hz，2台轴带发电机4680kW/台，690V 60Hz，2台电动机2600kW/台，690V 60Hz，2套CPP直径4600mm最大轴功率为8500kW，1台艏部全回转推进器1500kW，直径2050mm，1台艏侧推1200kW，直径2450mm，2台艉侧推，分别为1200kW直径2050mm和1000kW直径2050mm。当船舶在两个工作点之间航行时，功率需求比较低，我们采用电力推进，运行一台主柴油机，带动本侧的轴带发电机给配电板供电，从而带动电动机运行以此驱动螺旋桨。大大降低了燃油消耗和废气污染。当船舶进行起锚或者拖带作业时，需要很大的系柱拉力，我们采用混合动力推进，二台主柴油机同时运转驱动螺旋桨，发电机组向配电板供电，带动电动机给螺旋桨加载，此时螺旋桨的功率可高达17000kW，同时配合全回转推进器，拉力可达到284吨。该船舶可以根据作业环境来选择不同的推进形式，降低污染排放和机械磨损，提高燃油经济性和动力模式下的安全性。

5 混合动力推进系统的发展前景和应用推广

综上所述，传统的机械推进系统和电力推进系统已经无法满足船舶营运者的需求，混合动力推进系统的开发结合了两者的优点规避了缺点：工作船不同作业工况，保证推进效率的前提下，提高了燃油经济性又降低了废气污染，设备成本也可以让船东们所接收。结合目前深海油气需求量日益增加的背景，混合动力推进系统在今后的深海工作船中一定能被广泛应用，各船舶营运商也需要培训一批能够熟练使用混合动力系统的操作者。对于船厂而言，根据不同作业的工作船，混合动力推进系统的多样设计和安装也需要进一步的研究和革新。

参考文献

[1]瓦锡兰在2009年新加坡海洋工程辅助船技术论坛中的报告[Z].

[2]ABB在2009年新加坡海洋工程辅助船技术论坛中的报告[Z].

[3]ABB电力推进技术[Z].