中大型AHTS推进及电站系统的配置分析

胡 鹏

（上海交通大学，上海 200030）

中大型AHTS推进及电站系统的配置分析

胡 鹏

（上海交通大学，上海 200030）

三用工作船（Anchor Handling Tug Supply Vessel，AHTS）不仅能对钻井平台等大型结构物进行远洋拖航、起抛锚作业和供应物资，而且能在特定情况下用作紧急救援船。AHTS在不同作业工况（如拖带作业、全速航行、经济航行、动力定位作业等）下所需求的动力和用电负荷有很大区别，若在设计初期综合考虑各种作业工况，并根据各种作业工况下的负荷情况来合理配置推进及电站系统，则可在保证船舶正常作业的同时降低船舶初期投入成本和后期使用成本。结合中大型AHTS的工作特点，对2种主流的推进及电站系统配置进行深入分析，研究探讨在今后设计中如何选择和优化推进及电站系统的配置。

动力机械工程；中大型；三用工作船（AHTS）；轴带发电机；推进

0 引 言

三用工作船（Anchor Handling Tug Supply Vessel，AHTS）又称锚作拖船，不仅能对钻井平台等大型结构物进行远洋拖航、起抛锚作业和供应物资，而且能在特定情况下用作紧急救援船。

正是由于其功能的多样性，AHTS在营运时有多种作业工况，如拖带作业、全速航行、经济航行及动力定位（Dynamic Positioning，DP）作业等。在不同的作业工况下，AHTS需求的动力和用电负荷有很大区别。因此，若在设计初期综合考虑各种作业工况，并根据各种作业工况下的负荷情况合理配置推进及电站系统，则可在保证AHTS正常作业的同时降低AHTS初期投入成本和后期使用成本。

对此，按照ATHS不同的作业工况，结合目前应用较广的推进及电站系统的配置情况进行分析和探讨。

1 AHTS推进及电站系统的选择

拖带是AHTS的主要用途之一，拖带能力的大小是衡量AHTS能力最重要的参数[1]。因此，在推进系统的选择上首先要保证AHTS有足够的拖力（即保证其有足够的推进功率）。在综合考虑螺旋桨直径、导流罩型式等相关因素[2]之后，可确定推进系统中重要的一环——推进系统输入功率。

而在电站系统的配置上，需要综合多种工况并按用电负荷最高的情况来选择。从众多接触的项目来看，大多数按照DP作业需求功率来确定。

在确定主要参数之后，即可通过合理搭配主机功率和辅机功率来满足要求。目前市场上比较主流的配置方式有以下2种：

1) 推进功率完全由主机输出，且主机带有轴带发电机用于满足电力系统需求；

2) 由辅机给推进系统补充动力，从而降低主机功率。

以下通过对2个项目的工作模式进行分析来说明2种配置方式的特点和不同。

③资料来源于中国乡村旅游网：http：//www.crttrip.com/showinfo-13-1578-0.html.《看看浪漫的法国是如何搞乡村旅游的？》。

2 配置PTO轴带发电机

动力输出装置（Power Take-Off，PTO）可用于多种场合，这里专指用于轴带发电机。

目前大部分中大型AHTS的主机最大功率是按照系柱拖力（Bollard Pull，BP）最大时所需的最大推进功率选取的。而在其他作业模式下，推进功率需求要小一些。为使燃油经济性更好，引入了PTO轴带发电机。上海迪斯安船舶设计有限公司研发设计的中型AHTS(SPA150)用的就是这种模式。

SPA150的推进及电站配置情况为：主机功率（100% MCR），2×4500kW；PTO轴带发电机功率，2×1500kW；辅发电机组功率，2×500kW；调距桨（Control Pitch Propeller，CPP）最大推进功率，2×4500kW。

为保证1.5×106N的最大BP，该船选用2台4500kW的主机。在最大BP模式下，主机的功率全部用来作为推进动力，电站系统由1台或2台辅发电机组供电。该模式下的功率分配情况见图1（图中未考虑过程效率损失，下同）。

但是，尽管最大 BP是衡量AHTS的重要指标，但实际上最大BP的工况仅占船舶的部分使用时间(15%左右)[3]，船舶大部分时间处于航行状态，如往返于港口与平台之间。这时船舶需要以一个相对经济的航速航行，推进功率要低于主机的最大功率。

由主机的油耗曲线（见图2）可知：主机在较高负荷运行时，单位油耗较低。因此，更希望主机运行在一个较高的负荷点，且船上辅发电机组（一般为高速机）的单位油耗会略高于主机单位油耗。

轴带发电机正是出于上述目的而增加的。主机在给船舶提供推进所需动力的同时，还额外输出一部分功率至轴带发电机，供电给其他用电设备。这样不仅辅发电机组不需要运行，主机也运行在单位油耗较低的高负荷点，进而达到省油的目的。此种工况下的功率分配情况见图3（图中功率数值仅为示意，下同）。

此外，这类海工辅助船经常需要使用动力定位功能，且目前大部分船东会要求船舶具有二级动力定位能力。为此，船上一般会安装2台艏侧推和1～2台艉侧推。

若仅由辅发电机组给这些侧推器供电，则辅发电机组的功率会很大；而若由主机带动轴带发电机供电，则在省油的同时还能减小辅发电机组的总功率，从而降低成本。

DP模式下的功率分配情况见图4。侧推被分为2组，分别由1台轴带发电机供电。其他辅助设备也被分为2组，由2台辅发电机组供电。

由以上分析可知，相较于没有轴带发电机的状态，配置轴带发电机的船舶无论是在初期投资成本上还是在后期使用成本上都有很大的优势。

3 配置PTO/PTI

PTI（Power-Take-In）意在主机功率不足或出现故障时由辅发电机组提供电源驱动电动机带动螺旋桨。

配置PTO/PTI也是现在中大型AHTS另一个比较常见的做法。其除了具备仅配置PTO船舶的特点之外，还拥有更多的功率分配方式，使船舶使用更为灵活和经济。

某大型AHTS的最大BP为2.5×106N，就使用了这样的配置。其推进及电站配置情况为：主机功率（100% MCR），2×8000kW；PTO功率，2×4500kW；PTI功率，2×2000kW；辅发电机组功率，2×1900kW；CPP最大推进功率，2×9000kW。

从以上参数中可以看出，该船在最大BP下需要的推进功率为2×9MW，大于主机所能输出的最大功率2×8MW。额外的推进功率由PTI电动机来提供。该船最大BP模式下的功率分配（见图5）与SPA150略有不同。

有时船舶还需处于一个较低航速的航行状态。尽管主机可发出一部分功率用于轴带发电机发电，从而提高主机的运转负荷点，但因为推进需求功率太小，使得主机仍然运行在一个单位油耗较高的负荷点上，而PTO/PTI的存在恰好可优化这一点。低速航行状态下的功率分配情况见图6。

图6中，一个螺旋桨的动力直接由一台主机通过机械传动提供，另外一个螺旋桨的动力由同一台主机经过轴带发电机带动电动机提供；同时，船上其他负载的电源也由该主机带动轴带发电机提供，从而使主机运行在负荷相对较高、单位油耗低的负荷点，达到省油的目的。

此外，当船舶在极低速状态下航行或主机出现故障时，2个螺旋桨的动力可完全由辅发电机组提供。这种模式有时被称为 PTH（Power-Take-Home[4]）或Take-Me-Home，大大增加了船舶的保险系数。PTH模式下的功率分配情况见图7。

当然，在获得低油耗及操作更灵活的同时，配置PTO/PTI船舶的初期投资成本要高于仅配置PTO的船舶。

4 结 语

随着海洋油气开发加速向深水、超深水领域发展，作为重要的海洋工程辅助船的AHTS也正朝着大型化和多功能化方向发展，这对其动力系统提出了更高的要求[5]。我国已是海工辅助船最大的制造国，但在设计开发领域还远远落后于欧洲国家，主要欧洲国家在设计船舶时更接近船舶操作人员，更了解船舶的各种作业工况，能设计出更令客户满意的方案。因此，船舶设计人员应充分了解所设计的船舶需要具备哪些功能及船舶的各种工作模式，并根据这些要求研究出合适的解决方案。有了这些基础，即可结合客户（船东）的实际需求设计出综合性能良好的船舶。

[1] HERDZIK J. Problems of propulsion systems and main engines choice for offshore support vessels [J]. Scientific Journals of the Maritime University of Szczecin Zesz, 2013, 108： 45-50.

[2] NIELSEN J R, MARINUSSEN H. Optimizing propulsion systems for AHTS vessels[J]. Offshore & Marine Technology, 2010 (2)： 10-13.

[3] MYKLEBUST T A. Achieving fuel savings for anchor handling tug supply vessels through electric propulsion [J]. ABB Review, 2010 (3)： 19-22.

[4] KWASIECKYJ B. Hybrid propulsion systems - efficiency analysis and design methodology of hybrid propulsion systems[D]. Delft： Delft University of Technology, 2013.

[5] 曹林. 三用工作船动力方案分析[J]. 中国船检，2014 (12)： 65-66.

Analysis on the Configuration of Propulsion and Power Systems for both Medium and Large AHTS Vessels

HU Peng
（Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China）

Anchor Handling Tug Supply (AHTS) vessel can be used not only for anchor handling, provision supply and large offshore structures towing such as drilling platforms towing, but also for emergency rescues under special circumstances. Therefore, the required propulsion power and electrical loads are very different under different operation conditions (e.g. towing, full speed cruising, economical cruising and dynamic positioning). If all the operation conditions could be considered comprehensively in the preliminary design stage to have the propulsion power and electrical loads deployed properly, the operations of the vessel can be ensured with lower initial investment and lower operational costs. Further analysis on the configurations of two types of the major propulsion and generator system is also carried out according to the operational characteristics of AHTS to discuss the selection and optimization of the configuration for the propulsion and generator system of the future.

machinery engineering; medium to large size; AHTS; shaft generator; propulsion

U664.16；U674.3

A

2095-4069 (2017) 01-0039-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.01.007

2015-11-09

胡鹏，男，工程师，1979年生。2002年毕业于武汉理工大学热能与动力装置专业，现从事船舶设计开发和船舶轮机设计工作。