半潜运输船应用与发展

李　勇

(上海ABB工程有限公司，上海 201319)



半潜运输船应用与发展

李勇

(上海ABB工程有限公司，上海 201319)

考虑到半潜运输已经成为当前和未来重大件货物远洋运输和海洋工程领域不可缺少的装备，随着应用需求和行业要求的不断提高，提升半潜运输船运行效率、安全性，降低油耗、排放及维护成本已经成为当前船东和运营商普遍关注的焦点，介绍半潜运输船的特点和应用，基于统计数据分析市场现状，从市场和新技术研究及应用角度，对未来的发展趋势进行展望。

半潜运输船；能量效率；自动化；智能船舶

1　工作原理

半潜运输船主要用于大尺寸、大重量、不可分割的大件货物的运输，如海上钻井平台、游艇、军舰、潜艇、起重机、预制桥梁构建、海洋工程模块，等。同时，安装了DP系统[1]的半潜运输船还可以为海上工程提供辅助安装、拆卸服务。其应用范围广，横跨军民领域。目前已成为大件货物远洋运输和海洋工程关键和必须的装备。

半潜运输船的特点在于具有半潜装卸能力。工作时，通过注入压载水，半潜运输船可以平滑地下潜10～30 m，整个载货甲板潜入水下，只有部分桥楼和尾浮箱位于水面上。此时，将自浮货物拖拽、牵引至载货甲板上方，然后通过排出船体内压载水，船体稳定上浮至与货物接触，并继续与货物一起上浮，直至货物甲板浮出水面，半潜载货完成。经过绑扎和固定即可运输至目的地。卸货过程同理。

2　运行特点

与其他海上大件运输工具相比，半潜运输船除具有半潜能力外，还具有运输速度快、航行作业时间长、支持滚装/滚卸、可配备动力定位系统和可进行双船联合作业等优点。

根据作业需求，半潜运输船通常配备DP系统，用以帮助其在一些特殊工况下保持船位和艏向。因此，为优化动力电力配置，多数半潜运输船采用电力推进方式。

半潜运输船的运行工况较多样，通常可分为航行工况、海上作业工况、机动工况、停泊工况和应急工况。不同工况，电力需求不同。对于半潜式运输船，航行、DP作业和机动工况时电力需求较大。

实船应用中，由于DP和机动工况很少出现，操作者通常将工况简单分为航行工况和等待工况。航行工况占总运行时间的80%左右[2]，等待工况包括锚泊、装卸货准备和装卸货，占总运行时间的20%左右。

半潜运输船的作业过程十分危险[3]，包括载货甲板潜入水面以下、载货上浮、载货航行，以及卸货时与货物分离等过程。因此，除了对船体进行稳定性设计以外，实时监控船舶运动状态、根据天气水文信息对航线进行优化、快速有效的压载水控制都将提高半潜运输船的运行安全。

3　国内外半潜运输船市场

据统计，目前全球共有59艘半潜运输船在服役，17艘在建或已签订单，其中主要船东拥有半潜船数量见表1。

3.1国外现状

全球范围内，主要有4家公司拥有或运营管理着大部分的半潜运输船，包括荷兰的Dockwise、中国远洋、挪威的OHT和荷兰的Fairstar(已被Dockwise收购)。他们掌握着全球大部分的半潜运输业务。

表1　全球半潜运输船现状

注：“”代表无相关数据。

Dockwise成立于1994年，是目前世界上最大的多种类海洋货物运输公司。2002年以前，全球的半潜运输市场主要由Dockwise掌控。直至目前，仍拥有由24条半潜运输船组成的世界最大的半潜运输船队，这其中包括一艘世界上最大的载重量10万t半潜运输船“Vanguard”，5艘专用于游艇运输，6艘由油船改造，9艘具有开放式甲板。然而，在Dockwise的半潜运输船队中，19艘船龄超过20年，大部分将在10年内退役。

OHT拥有4艘半潜运输船，他们都是由油船改造，平均船龄23年，分别于2006-2008年开始运营。Fairstar成立于2005年，拥有4艘半潜运输船，其中2艘由半潜驳船改造，平均船龄8年。此外，Rolldock和Combi-lift是两家潜在的半潜运输市场竞争者，他们都拥有至少2艘半潜运输船。

3.2国内现状

我国从20世纪90年代末开始进行半潜运输船的相关设计和建造研究。2002年，由广船国际建造，中远航运拥有并营运的“泰安口”号成功下水，标志着我国自有、自造半潜运输船实现了零的突破。而随着全球海洋工程开发的兴起，中国的半潜运输船的应用和建造也得到了快速发展，制造水平和产品质量得到大幅提高。近年来，亚洲，尤其是包括台湾在内的中国，已经逐渐成为全球半潜运输船的建造和营运中心。中国半潜运输船的发展情况统计见图1。

图1　中国半潜运输船发展

目前中国主要的半潜运输船船东和运营商包括中国远洋、振华重工和打捞局。

从“泰安口”号下水服役至今，中国远洋已经成为国内乃至国际半潜运输市场的主角。至2014年，中远共有4艘半潜运输船在服役。其中包括2艘5万t半潜运输船，他们可运送90%以上种类的海运重货。此外，中远还有2艘大型半潜运输船正在建造当中。同时，由于其优秀的管理团队和丰富的运营经验，中远还代管营运其他船东的半潜运输船。一定程度上，中远已经成为国际半潜运输市场的领导者。其半潜运输船队占据了亚洲第一，世界第二的位置。

振华重工是国内另一个主要的半潜运输市场竞争者，拥有4艘改造的半潜运输船，同时还有1艘5万t级在建造当中。此外，各区域的打捞局是半潜运输船市场的新兴主力军，国内各打捞局目前共有1艘服役和3艘在建半潜运输船。

另一方面，我国目前主要的半潜运输船设计单位有上海船舶研究设计院和中船工业第708研究所。大部分国内建造的半潜运输船都是有这两家单位承担设计。其中，上海船舶研究设计院已具备设计从1.8万～10万t级的全系列半潜运输船。

建造方面，中国是世界上第2个具备建造半潜运输船能力的国家。广船国际是国内最早、最主要的半潜运输船建造企业。从“泰安口”到“White Marlin”,2002年至今，共交付了7艘半潜运输船。目前，正在新建1艘9万t半潜运输船。广州黄埔船厂是国内另一家大型半潜运输船建造企业，已承建并交付过2艘半潜运输船，并有2艘正在建造当中。其他国内具有竞争力的半潜运输船建造企业还包括中集来福士、金陵船厂等，他们都已有实船交付。

4　发展趋势

4.1市场趋势

随着近年来半潜运输船数量的快速增长，全球的半潜运输船市场已经出现了一定程度的运力过剩。同时，2014开始世界原油价格快速下滑，至今仍在低位徘徊，许多海工项目和订单或者被暂停或者被取消。这无疑加大了半潜运输市场的不确定性。另一方面，由于全球环境恶化不断加剧，国际海事组织和一些国家已经颁布了新的船舶排放标准[4]。新的标准将大幅加强船舶排放限制。

上述这些原因将导致船东和运营商在目前和未来的一段时间内承受很大的经营压力。然而，从总体趋势看，随着全球贸易往来的日益频繁和各国海洋工程建设的兴起，越来越多的体积重量超大型的货物需要通过海上运输，这又将引发对半潜运输船需求的增长。同时，陆地上能源短缺日趋严重，而近海能源开采由于环境和生态等原因，正逐渐被限制，许多拥有海洋油气资源的国家，如俄罗斯、中国、美国等正在不断扩大海洋开发范围，因此，建造大量的远海勘探、开采工程和设施势在必行。这无疑将进一步增强对半潜运输船的需求预期。

另一方面，全球范围内，现有的半潜运输船中，大部分船龄较长，性能、可靠性下降，功能老旧。因此，建造更多新型的、功能和性能更优的半潜运输船必将成为未来各国发展海洋事业的重要举措。中国国家发改委在2013发布了《关于组织实施2013年海洋工程装备研发及产业化专项的通知》，其中将大型半潜运输船列入国家特殊支持产品名单。这充分说明半潜运输船已经从行业需求上升到国家发展战略需求的高度。据估计，尽管目前船运市场整体低迷，但在未来2年，仍有10艘以上的半潜运输船将签订建造合同。同时，还有很多船东正持续关注着半潜运输船市场，一旦市场回暖，建造订单势必会大幅增加。

4.2技术趋势

面对困难重重而又机遇无限的市场形势，以技术为依托，从重大系统部件着手，降低建造成本、运营成本和污染物排放，是船东、运营商和供应商最有效的应对手段。

无论是当前复杂的市场环境，还是日趋严格的排放限制，都为半潜运输船的应用技术研究、方案优化、功能升级提供了机遇和动力。而暂时放缓的建造需求，也为新方案的研究和工程化开发提供了必要的时间。

4.2.1电力及推进系统配置

半潜运输船是一种高技术、实现复杂的船舶，其运行效率、经济性和可靠性除船体设计外，主要由电力系统和推进系统的结构、配置和运行策略决定。针对未来的低能耗、低排放、低建造成本的需求特点，半潜运输船在电力和推进系统配置方面有以下几个发展方向值得考虑。

1)当前的半潜运输船通常采用中速、恒速柴油机作为发电机组的原动机，同时，大部分船上辅助设备电机采用直接启动和恒功率运行。这些应用都存在着一定的降低油耗和排放的优化空间。而随着新技术和新产品的不断出现，对现有配置方案进行升级已成为可能。如采用双燃料原动机驱动发电机，或直接驱动螺旋桨[5-6]，可以实现可控的降低排放；采用变速发电机组可以优化发电机运行性能[7]，在低负载率时节省燃油；采用先进的电力电子变流装置实现电能分配和设备驱动[8]，在保证船舶电网品质的同时，降低能耗。

2)直流电网[9-11]相比交流电网具有运行效率高、响应速度快、布置灵活、便于新能源接入等优点，以往由于直流技术不成熟，相关配套产品选型困难等原因，半潜运输船主干电网全部采用交流电制，然而，随着直流电网技术日趋成熟，将直流电力系统应用于半潜运输船，有可能成为节能、减排、降低维护成本的有效手段。

3)针对半潜运输船的运行特点，如航行占据了主要的作业时间、以及在某些特殊应用中需要动力定位，但总体上动力定位应用较少，可以考虑对现有半潜运输船的推进方式进行改进，如采用混合推进技术等。

4)出于低速性能的考虑，半潜运输船通常采用同步电机作为推进电机驱动螺旋桨，然而，感应电机与同步电机相比，具有价格低、可靠性高、易于维护等优点。因此，配合先进的驱动控制技术和设备，采用感应电机代替同步电机作为推进电机，是降低成本的可选方式，值得研究。

5)为满足船级社对具有DP2能力船舶的可靠性要求；同时，限于船舶电力技术水平，当前的半潜运输船在动力定位操作时均采用中压母排开环分段运行方式。这就要求每段母排都备有足够的功率以满足本段负载的需求，会导致在某些负载下，发电机组负载率低，运行效率地，油耗和排放高。而随着发电机监控技术、故障诊断技术、继电保护等技术的发展，中压母排闭环运行将成为可能，该技术可以解决上述问题，最大程度地保证发电机组在不同负载下的运行效率，提高电网供电灵活性、降低油耗和排放。

6)储能系统有助于实现热备冗余、故障耐受、无排放等功能[12-13]。尽管在重量体积与容量的矛盾、使用维护、有效地控制和管理等方面仍需要进一步研究，但将其应用于半潜运输船仍然具有一定的研究价值。

7)现有的半潜运输船大部分采用传统的轴系电力推进方式，然而，吊舱推进器结构紧凑、安装简单、节省舱容、可以提高船舶的机动性，尤其在动力定位和进出港操作时，优势明显[14]。因此，如何结合船体设计和吊舱设计，提出能够保证航行性能的吊舱推进方案值得深入研究。

4.2.2自动化与智能化

自动化是半潜运输船技术的另一个核心内容。先进的设备、优化的配置方案只有配合高效的控制策略和完善的自动化软硬件平台才能发挥预期的作用，实现节能减排的目标。针对半潜运输船动力电力系统未来的应用需求，新型的自动化控制系统应具有一些新的功能，如对直流电网的监控、对储能系统的管理、对多种能源的协调管理[15]、基于统一平台的集成监控等等。未来的半潜运输船自动化系统是安全的、可靠的、高效的、开放的且友好的，见图2。

图2　半潜运输船自动化系统

另一方面，随着物联网、大数据及网络控制等技术的兴起，未来的船舶将朝着基于船、船东、设计院、船厂、运营商及供应商交互一体化平台的智能化方向发展，见图3。

图3　船舶智能化

而针对半潜运输船运行稳定性差、其自身和运载的货物价值高等特点，以及节能减排的需求，航线优化、远程诊断、能效优化等智能辅助功能将成为提高半潜运输船运行安全性、可靠性和效率的必备的功能。在这一领域，一些全球知名的企业已先行一步，以ABB公司为例，该公司针对半潜船的航行特性已开发出OCTOPUS、EMMA等相关产品，旨在帮助运营者提高船舶安全性和运行效率，降低油耗、排放和维护成本。而随着应用需求的不断发展，智能辅助技术的研究将不断深入，功能将不断强大。

5　结束语

尽管目前半潜运输船市场受到了运力过剩、海工市场低迷等因素的影响，但近期的刚性需求、未来的需求增长趋势和半潜运输船的特殊优势不会改变。船东和运营商需要做的是积极地寻求方案和技术升级，以使新造的半潜运输船具有低油耗、低排放及低投资的比较优势，抢占市场。而对于研发设计单位和设备制造商而言，新的需求方向和暂缓的供货需求，无疑提供深入研究技术方案改进和新技术应用的最佳时机。

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Application and Development Tendency of the Semi-submersible Heavy Transport Vessel

LI Yong

(ABB Engineering (Shanghai) Co. Ltd., Shanghai 201319, China)

Semi-submersible heavy transport vessel has become necessary to current and future heavy and large cargo transportation and offshore and ocean engineering. With the stricter demand, enhancing semi-submersible heavy transport vessel's operational efficiency and safety, reducing fuel consumption and emission have become the focus of operators. The features and application of the semi-submersible heavy transport vessel are introduced. The situation of market is analyzed based on the statistics. The development trend of market and new technologies is expected.

Semi-submersible heavy transport vessel; energy efficiency; automation; intelligent ship

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.01.010

2015-10-15

2015-11-05

李勇(1976-)，男，博士，高级工程师

U674.38

A

1671-7953(2016)01-0045-05

研究方向:船舶电力及电力推进系统控制策略

E-mail:leeyon163@163.com