海洋工程辅助船动力装置简介

摘 要：海洋工程辅助船是集成多种功能的为海洋石油钻采平台提供服务的专用船舶。根据不同功能海洋工程辅助船主要分为：平台供给船（PSV）和操锚供应拖船（AHTS）两大类，并根据业主不同需求有针对性增加功能性设备如：水下机器人收放、海面溢油回收、直升机起降等。下面进行详细的分析与总结。

关键词：海洋工程辅助船；动力装置；研究分析

1 海洋平台辅助船动力装置

平台辅助船动力装置具有使用工况多负荷变化大等特点，以一条70m总长的AHTS为例其使用工况分为：低速航行、正常航行、拖带拖航、靠离平台、对外供给作业、海面溢油回收、对外消防作业：

低速航行，螺旋桨推进所需功率2060kW+辅助设备耗电279.6kW，Total 2339.6kW。

正常航行，螺旋桨推进所需功率4378kW+辅助设备耗电279.6kW，Total 4657.6kW。

拖航拖带，螺旋桨推进所需功率5150kW+辅助设备耗电426.1kW，Total 5576.1kW。

对外消防，螺旋桨推进所需功率2060kW+机带消防泵所需功率1626kW+辅助设备耗电265.6kW+艏侧推1耗电557.5kW+艏侧推2耗电369.6kW+艉侧推耗电369.6kW+辅助设备耗电434.5kW，Total 5248.3kW。

靠离平台，螺旋桨推进所需功率500kW+辅助设备耗电426.1kW+艏侧推1耗电557.5kW+艏侧推2耗电369.6kW+艉侧推耗电369.6kW+辅助设备耗电434.5kW，Total 2231.2kW。

补给作业，螺旋桨推进所需功率500kW+辅助设备耗电426.1kW+艏侧推1耗电557.5kW+艏侧推2耗电369.6kW+艉侧推耗电369.6kW+辅助设备耗电740.9kW，Total 2537.6kW。

溢油回收，螺旋桨推进所需功率500kW+辅助设备耗电379.6kW，Total 879.6kW。

在选型时为满足拖带航行动力装置装机容量要满足最大负荷，但在船舶慢速航行工况时，设备负载率会处于较低水平。而动力装置处于低负荷运行（尤其是柴油机）对系统稳定性及使用寿命都会造成一定的影响，为此海洋工程辅助船舶动力装置有如下几种配置。

2 柴油机推进，双机双可调桨及轴带发电机动力装置

如图1所示中速或中高速柴油机通过减速齿轮箱驱动可调螺距螺旋桨，并通过减速齿轮箱上的动力输出分支（PTO，Power Take Off）带动轴带发电机组。

可调螺距桨可以在转速不变的情况下通过调整螺距而改变推力大小使柴油机负荷在较大范围内变化时转速保持恒定，进而使轴带发电机输出电的频率及电压稳定。

在螺旋桨需要发出大推力时，主机的大部分或全部功率都用于船舶推进；而在螺旋桨只需发出较低推力时，主机输出的功率除少部分用于推进外，其余可用于驱动轴带发电机为全船其他设备供电。这样既能保证主机在低推进工况下的负荷水平较理想，同时也可减少柴油发电机组的使用率而降低燃料消耗：

双推进柴油机+双减速齿轮箱+双轴带发电机+双CPP桨动力装置

主机：8L26 2720kW@1000rpmx2sets；轴带发电机：1000kWx2set

s；发电机组：280ekWx2 sets；轴系及调距桨x2 sets；艏侧推：610kWx1 set+400kWx1 set：艉侧推：400x1 set。

低速航行：单主机运行负荷86.01%+单轴带发电机运行负荷27.96%。

正常航行：左舷主机运行负荷90.76%+轴带发电机运行负荷27.96%。

右舷主机运行负荷80.48%。

拖航拖带：主机双机运行用于推进，负荷率为94.67%x2。

发电机组全部运行供电，负荷率为76.09%x2。

对外消防：双主机运行负荷67.75%x2+双轴带发电机运行负荷78.12%x2。

靠离平台：双主机运行负荷41.01%x2+双轴带发电机运行负荷86.56%x2。

补给作业：双主机运行负荷40.61%x2+双轴带发电机运行负荷85.46%x2。

溢油回收：单主机运行负荷32.34%+单轴带发电机运行负荷37.96%。

使用轴带发电机组弥补了主机在低推进负荷时的单机负荷率水平，但在靠离平台、供给作业和溢油回收工况下仍然较低，只占额定负荷的30%～40%。

3 电力推进，发电机组加全回转舵桨动力装置

电力传动省去了推进轴系不仅节省了机舱艉部空间，同时也解决了轴系扭震引起的振动。电力推进船舶广泛采用了全回转推进器，即推进器可实现在与螺旋桨盘面垂直的平面内360°回转。较典型的电力推进系统配置为：柴油发电机组、变频器及控制系统、驱动电机和全回转推进器。

由于艉部安装有全回转推进器，当进行动力定位操作需要向船艉及船艉侧向同时产生推力时，之前由推进螺旋桨+舵系及艉侧推同时运行的效果，现在通过艉部的两台或单台全回转推进器根据控制系统计算出的合力及合力作用方向按所需角度发出相应推力实现。

同时，由于控制系统可将全船电网所需负荷平均分担到每台发电机组上，并可根据每台发电机组实际分担的负荷自动对发电机组进行自动启停、卸荷、并网等操作，确保了每台机组的负荷率保持在较理想的水平。

4 全回转舵桨电力推进动力装置

主发电机组：8M20C 1300ekW@900rpmx5sets；全回转推进器：2500kWx2 sets；艏部固定侧推：610kWx1 set+艏部收放式全回转侧推：400kWx1 set。

低速航行：主发电机组运行负荷89.98%x2；

正常航行：主发电机组运行负荷89.57%x4；

拖航拖带：主发电机组运行负荷85.79%x5；

对外消防：主发电机组运行负荷94.45%x4；

靠离平台：主发电机组运行负荷76.28%x2；

补给作业：主发电机组运行负荷88.07%x2；

溢油回收：主发电机组运行负荷67.66%x1；

在各种工况下不仅每台柴油发电机组的负荷率水平较理想，而且由于船艉用两台全回转推进器取代了推进螺旋桨及艉侧推，在靠离平台和供给作业工况下，船舶所需总负荷均有所降低。

电力推进动力装置系统需要解决的技术问题在于推进器驱动电机的变速控制。由于海洋工程辅助船电力推进系统中驱动电机的单机功率不很高（基本小于5MW），因此多采用异步（感应）形式的驱动电机。而系统中用于将发电机组输入船舶电网的固定电压与频率按照电机调速要求转换为可变的电压与频率的变频器，多采用电压源逆变器的布局形式。电压源逆变器由整流器、带稳压电容器的直流环节及作为核心器件的逆变器装置组成。直流环节必要时还可配备斩波器以消耗因航速剧变或船舶急停状态下的螺旋桨自转惯性力所产生的反馈能量。

5 基于轴带发电/助动电机的柴-电混合推进动力装置

柴-电混合动力装置的一种形式，是在双柴油机双轴系调距桨及轴带发电机动力装置基础上，通过可双向使用的轴带发电/助推系统实现。此系统中的轴带发电机既可以由推进柴油机动力分支输出（PTO）驱动对电网进行供电，同时也可以由船舶电网对其供电作为动力分支输入（PTI）单独或与主柴油机合力驱动螺旋桨推进。

6 柴-电混合动力推进装置（PTI/PTO）

主机：8L26 2720kW@1000rpmx2sets；轴带发电机（PTI/PTO）：1200kWx2sets；发电机组：900ekWx3 sets；艏侧推：610kWx1 set+400kWx1 set 艉侧推：400x1 set

低速航行：发电机运行负荷86.65%x3，并驱动轴带助动电机（PTI）运行负荷85.83%；

正常航行：左舷主机运行负荷90.76%+轴带发电机（PTO）运行负荷27.96%；

右舷主机运行负荷80.48%；

拖航拖带：主机双机运行用于推进，负荷率为94.67%x2；

发电机组运行负荷47.34%x1

（发电机组剩余负荷可用于降低主机负载至燃油经济点或增大拖航推力）；

靠离平台：发电机运行负荷82.64%x3，并驱动轴带助动电机（PTI）运行负荷41.66%；

补给作业：发电机运行负荷93.99%x3，并驱动轴带助动电机（PTI）运行负荷41.66%；

溢油回收：发电机运行负荷97.73%x1，并驱动轴带助动电机（PTI）运行负荷41.66%；

对外消防：双主机运行负荷96.48%x2+双轴带发电机运行负荷65.10%x2；

从上可以看出其动力配置与柴油机推进双机双桨配置相比较，仅增加了柴油发电机组的装机容量以及轴带发电/助动电机的容量和相应控制系统。在低速航行、靠离平台、供给作业工况下，可只运行柴油发电机组通过控制系统为轴带发电/助动电机供电驱动螺旋桨推进和为全船电网供电，即电力推进模式；在正常航行及对外消防作业工况时可只运行主推进柴油机、减速齿轮箱及调距桨推进系统，并通过主机PTO驱动轴带发电机供电，即柴油机推进模式；在拖航拖带工况下船舶需要达到足够的系柱拉力，主柴油机运行的同时增开柴油发电机组为设备供电。

基于以上动力装置形式的Hybrid Shaft Generator技术，使船舶调距桨的推进效率及燃油消耗均有进一步的改善。如上所述在配有轴带发电机的动力装置中，为使轴带发电机输出的电能可以持续稳定的并入船舶电网为全船供电，主柴油机的转速需要保持恒定，推进器发出推力大小的控制仅通过改变其螺距实现。而螺旋桨在不同螺距下配以不同的转速，其推进效率才能达到最佳状态。另外，通过主机与螺旋桨的联合曲线也可以看出，在一定范围内主机转速不变的情况下，燃油消耗率随着输出功率的下降而增加的。

主机在一定负荷下驱动螺旋桨并带动轴带发电机运行时，当螺旋桨转速不变而螺距减小轴带发电机负荷不变时，主机的油耗率随输出功率的减小而增加。只有当主机转速也随之减小到相应转速下，油耗率才会随之减小，但主机转速的改变势必会引起轴带发电机输出电能的不稳定而无法并网。

Hybrid Shaft Generator技术即解决了这一问题，该系统可以通过变频控制装置在较大范围内弥补因主机转速的变化引起的轴带发电机输出电能的不稳定。同时当轴带发电机作为助动电机使用时，还可以将电网的固有频率转换为根据螺旋桨螺距达到最佳推进效率所需转速时的频率。

作者简介：黄柏凯（1984-），男，天津人，工作单位：上海中远船务工程有限公司，职务：设计师，研究方向：船舶及海洋工程。