2400t双臂架起重船动力系统改造及应用

华军康，黄 超

（中交第三航务工程局有限公司，上海 200032）

0 引言

“三航风范”号（简称：“风范”号）2 400 t双臂架起重船主要用于近海风电风机整体安装，由于“风范”号是无动力起重船，在常规工程作业中，短程移位或起吊工位调整皆需要有全回转拖轮在旁协助工作，若作业时间较长，作业过程中即使无需拖轮协助，拖轮也需要随时在附近待命，从而产生较大的拖轮协助费用。若起重船具备部分航行及移位功能，可大为提高起重船自身的作业效率。因此，在起重船甲板加装甲板悬挂式推进系统，无需拖轮协助即可实现短途移位和工位调整，从而实现起重船作业的节能降耗，减员提效。目前，市场上已有不少起重船进行了增加动力的改造，如起重船“ASIAN HELPING HAND III”号、“ASIAN HERCULS”号、“天一”号等，都取得了较好的使用效果[1-2]。

1 改造目标及内容

1.1 “风范”号的主要技术参数及动力系统组成

“风范”号为非自航双臂架变幅式起重船，采用箱形船体、纵骨架式、单底单甲板钢质焊接结构（机舱设双层底）。本船适用于在港口、遮蔽水域及沿海水域，或相当于上述环境条件的近海区域进行起重作业，也可用于沿海及近海的大型海上风力发电机组和设备的吊运和安装，此外，该船还可兼顾其它大件设备的安装，满足近海航区拖带调遣的要求。“风范”号主要技术参数见表1。

表1 三航风范主要技术参数

此船配备3台1 000 kW主发电机，额定电压为400 V。2台发电机可以长期并联运行，用于船舶起重作业、移船定位作业（起重作业和移船作业不重叠），并提供生活用电。如果舵桨用电带动，根据电站容量，3台发电机长期并联运行，舵桨电动机总功率应在2 100 kW以下。

1.2 “风范”号的改造目标

根据要求工况，“风范”号的改造目标如下。

拖航助航（工况1）：改造前， “风范”号近海调遣时需要使用4 412 kW的拖轮，拖航航速为4 kn～6 kn；改造后，可以使用2 600 kW拖轮进行拖航，拖航航速不低于5 kn。

作业现场进点（工况2）：改造前，需要使用1艘4 412 kW拖轮或2艘2 600 kW拖轮配合；改造后，可以独立完成移位进点，静止航速5 kn以下。

1.3 船舶阻力计算

对本船船体进行 1∶1的软件建模，并用 Van Oortermersen法计算方形驳船的阻力与功率曲线，得出本船在静水航行时达到航速5 kn所需的推进功率。根据曲线导出航速-阻力-功率对照表，进行推进装置选型。“风范”号的航速-阻力-功率对照表如表2所示。

表2 “风范”号航速-阻力-功率对照表

1.4 拖航阻力计算

按 CCS《海上拖航指南》推荐的方法估算拖航阻力[3-5]，对“风范”号吃水4.3 m时的拖航状态工况进行计算，计算结果见图1。

图1 拖航阻力计算结果

2 改装方案简介

参考“天一”号起重船的动力设置及航速，对比“风范”号与“天一”号的基本参数及动力配置，结果如表4所示。

表4 “天一”号与“风范”号的基本参数及动力配置对比

根据拖航阻力计算，按照船舶拖航助航、移位辅助定位的改造要求，若需满足4 kn静水航速，本船的工作额定功率需要达到1 600 kW。由于甲板悬挂式全回转推进器动力传递完全靠甲板焊接部位，故单机功率不宜太大。考虑操纵性及工作区域短途移位的需要，船首及船尾需要同时配置推进动力以增加操纵灵活性。因此配置如下：船首配置2台输入功率为800 kW的甲板式电动机驱动舵桨，船尾配置 1台输入功率为400 kW的甲板式电动机驱动舵桨，总功率为2 000 kW。舵桨借用船上发电机组电能，采用电机直接推进的方式，增加驱动电机、驱动变频器及移向变压器。根据拖航助航和船舶作业移位的工况要求，长途拖航时，船尾拖航，以船首2台800 kW舵桨控制方向并助航；短途移位靠离码头时，船首 2台舵桨工作，船尾舵桨可作侧推，以提高船舶操纵性和机动性；到达作业点附近时，船舶原地转向，以船艏进点。改造后直航航速可达约5 kn。

3 改装工作及准备

该改装方案对安装的要求较为简单，船舶无需进船坞，只需停靠码头即可完成全部改装工作。

对待安装设备的甲板面进行结构加强、平整。甲板悬挂式全回转推进器集装箱部分自带焊接底座，仅需在甲板结构加强后，直接将集装箱吊装到安装平面，焊接底座后即可完成安装。集装箱安装完成后，将全回转推进器安装到集装箱悬挂支架，用螺丝固定，将全回转推进器中间轴自带推力夹底座焊接到侧向垂直面船体。机械安装完成后，从泵舱接冷却水路到电机冷却水入口，布置电缆连接集装箱内控制箱及远程控制台，加好润滑油和液压油，进行设备调试，至此，全部安装工作均已完成。改装工作的前期准备工作较为简单，主要包括：1）甲板安装面平整、加强；2）推力夹焊接面加强；3）布置冷却水管路；4）布置电缆连接线，做好线路保护；5）预留驾控台位置，平整焊接平面。

4 经济效益分析

4.1 拖航工况

改造前，“风范”号近海调遣需要用到 1艘4 412 kW的拖轮或2艘2 600 kW的拖轮，按航速5 kn计算，其百海里油耗为14 t或16.6 t。改造后，可以用1艘2 600 kW拖轮和1 600 kW舵桨进行拖航，按航速5 kn计算，其百海里油耗为13.4 t。

4.2 作业现场移位

改造前，“风范”号进行作业现场移位需要 1艘2 600 kW拖轮的配合，1艘2 600 kW拖轮的台班费用约为 2.5万元/天；改造后，由于作业现场移位进点距离在10 n mile内，可以独立完成移位进点，静止航速5 kn以下。按移位进点航速3 kn计算，每次移位需1 h，消耗的柴油量为0.32 t，约合4 480元。根据目前滨海50台海上风机的安装作业，调遣费节省 6.4万元，现场机位移位燃油费节省330.2万元，50台风机安装工程风范号改造后的效益：330.2+6.4=336.6万元。按风范号一年 150天安装风机的工作量计算，静态回收成本为3.6年，改造的经济效益明显。

5 结束语

随着我国海上风电市场的发展，海上风机安装的设备的也需要不断的改进，以增加船舶运营的经济型，三航风范号增加的动力与原有的锚定位能力相结合，可以提高船舶在风场内作业的施工效率，并且节省油耗。经过实际风场的工程应用（如图2所示），改造方案经济有效，有一定的参考价值件。

图2 “三航风范”整体安装风机