混合動力推進系統在深海工作船的應用

劉子健 張宇

摘 要：文章主要介紹和分析混合動力推進系統的組成、工作原理、技術要求和應用推廣，并結合機械推進、電力推進等方式，得出混合動力系統在深海作業的工作船中的優勢和發展空間。

關鍵詞：混合動力；深海工作船；推進方式

1 概述

根據質地學家統計，海洋蘊藏著至少1500億噸石油，并且隨著海上石油勘探技術不斷發展，勘探區域從淺海逐步轉入深海。據統計，海上44%的油氣資源位于500米以上水域，這里海況惡劣，作業難度和風險大，為其服務的工程船要求更苛刻，尤其是功能和動力系統。目前為深海區域服務的多用途工作船推進功率平均為15000馬力，集消防救生、拖帶、守護、供應和海洋工程等多種功能于一體，續航能力強、自動化程度高，確保了海上作業的高效性、連續性、安全性。基于以上深海工程船的特點，擁有更好的經濟型和環保型的動力推進系統越來越多的應用于深海作業工程船舶，以下我們介紹混合動力推進系統在深海工作船上的應用，此種推進系統目前較成熟的船舶項目有哈佛845、848和UT786等。

2 船舶推進系統論述

2.1 機械推進系統

機械推進系統是比較傳統的推進方式，由柴油機作為原動機，通過軸系（齒輪箱）驅動螺旋槳做功。機械推進系統的功率傳遞效率很高，僅有3%的傳遞損失。多種船底形式的齒輪箱也可以避免推進功率不足的問題，目前機械推進系統發展比較成熟，設備成本低，受到大多船東的青睞。然而，多數深海工作船的特點是大量時間在低負荷下運行，比如裝卸貨、守護等，在低負荷的狀態下，柴油機無法到達經濟運行轉速，油耗量會大幅度提高。另外在主機恒速運轉，調節漿距來控制負荷增減，在槳葉全部合上，推力為零的情況下，柴油機仍有20%的功率消耗用于螺旋槳的機械損失。在低負荷運行時，柴油機燃油消耗會大幅度提高，目前國際油價瞬息萬變，各船舶運營商對此非常關注，柴油機的燃油消耗如無法長時間在經濟轉速下運行，油耗問題會影響此類推進方式的選用。另外柴油機運行時氣缸內的不充分燃燒會產生CO2、NOx和SOx等污染廢氣，歐盟和美國等組織制定了一些廢氣排放限制的規定，這就迫使船舶運營商為了無線航區的行駛，不得不去尋找更經濟、更環保的推進模式。

2.2 電力推進系統

電力推進系統應用于深水工程船僅30多年時間。一般由4臺發電機組驅動 2臺主推進器和2臺側向推進器運轉。通過變壓器、變頻器為電機提供動力。柴油機在定速模式下驅動發電機，PMS根據負載變化控制投入運行的發電機組數量。上個世紀末，電力推進已經開始應用于深水作業工作船。變速電機驅動主推進器和側向推進器，變壓器和變頻器為船舶電站提供電力。為了降低設計和建造的難度和成本，主推進器和側向推進器一般選用定距槳。電站通常4臺以上船用發電機組和一套電站管理系統（PMS）組成，柴油機在定速模式下驅動發電機，PMS根據運行負載變化自動控制投入運行的發電機組的數量。電力推進系統可以通過動態增減發電機數量調整運行的內燃機在最佳工況點附近工作，以達到降低油耗和減少污染的效果。但是在深海工作船高負荷運行時，電力推進的低傳遞效率的缺點就顯露出來了，它的功率損失高達11%，而且電力推進設備成本很高，很多船東無法接受。

2.3 混合動力推進系統

混合動力推進系統用蓄電池組作為原動力，驅動螺旋槳啟動，在運行過程中，仍然使用高效率的機械推進。在深水工作船上應用可分為以下三種運行模式：機械推進用于連續高負荷運行工況，功率在80%-100%之間，盡量達到柴油機經濟轉速，降低油耗以及SOx和NOx的污染，此工況適用于工作船的中速拖航和起拋錨作業。電力推進用于低負載工況，其擁有良好的燃油經濟性如：低速航行和靠近平臺時的動力定位等。混合動力推進用于實現最大系柱拉力的工況，比如惡劣海況的起拋錨和拖航等，首先由柴油機最大負荷驅動調距槳，槳葉開啟至最大功率，發電機驅動電動機通過齒輪箱軸系加力，使工作船整體的拖拽力達到最大。

3 各推進系統性能對比

機械推進系統適用于工作船的高負荷運行工況，燃油經濟性和推進效率比較高，生產廠家多而且產品成熟，故障少，成本較低。但是在低功率工況下運轉推進效率低，油耗高，廢氣污染大。電氣推進系統在低負荷運轉時推進效率高，而且功率的損失量小。并且可以實現動態調整發電機的工作數量，保證柴油機的經濟轉速運行，有效地降低油耗和廢氣排放。但是在高負荷運轉時工作效率較低，可以和機械推進系統互補。在建造成本上相比機械推進也比較高。混合動力推進系統中可以在高負荷運轉使用機械推進，低負荷運轉使用電力推進，提高了燃油經濟性的同時也降低了廢氣排放，提高了整個推進系統的工作靈活性。但是整個系統的設計、安裝、操作的難度比較大，對使用人員的要求比較高。

4 混合動力推進系統的技術方案創新以及實例分析

4.1 電力/機械推進功率分配合理

工作船在同一作業時對功率的需求不是恒定的，如起錨作業時，瞬間拉力上升到150噸，然后再回到低負荷。類似船舶的電動機功率太小，模式的轉換也要在零螺距或低負載時完成，操作者直接選擇了機械推進或混合推進模式，這就失去電力推進最根本的意義。混合動力推進系統的工作船可以選擇兩臺4000kW的變頻電機，在機械推進系統工作時，可以完成絕大多數的作業，在電力推進系統工作時也都可以完成。因此，深海工作船的操作者可以使用電力推進系統完成所有作業。這樣既降低了低負荷作業的成本，也增加了工作船的工作靈活性。

4.2 機槳配合的優化

根據以上三種不同推進方式，螺旋槳可以對應柴油機轉速設定不同螺距的數值，該數值配合了機槳曲線，保證了螺旋槳的高效運轉，同時設置增速齒輪箱，在推進模式互相轉換的過程中，可以減小轉移負荷對各設備的磨損。

4.3 實例分析

根據上述推進方式的介紹，我們對混合動力推進系統有了一定的了解，下面以哈弗845為例詳細論述混合動力推進系統的技術方案和特點。哈弗845配置了2臺主柴油機6000kW@720rpm，4臺柴油發電機組2100kW/臺，690V 60Hz，2臺軸帶發電機4680kW/臺，690V 60Hz，2臺電動機2600kW/臺，690V 60Hz，2套CPP直徑4600mm最大軸功率為8500kW，1臺艏部全回轉推進器1500kW，直徑2050mm，1臺艏側推1200kW，直徑2450mm，2臺艉側推，分別為1200kW直徑2050mm和1000kW直徑2050mm。當船舶在兩個工作點之間航行時，功率需求比較低，我們采用電力推進，運行一臺主柴油機，帶動本側的軸帶發電機給配電板供電，從而帶動電動機運行以此驅動螺旋槳。大大降低了燃油消耗和廢氣污染。當船舶進行起錨或者拖帶作業時，需要很大的系柱拉力，我們采用混合動力推進，二臺主柴油機同時運轉驅動螺旋槳，發電機組向配電板供電，帶動電動機給螺旋槳加載，此時螺旋槳的功率可高達17000kW，同時配合全回轉推進器，拉力可達到284噸。該船舶可以根據作業環境來選擇不同的推進形式，降低污染排放和機械磨損，提高燃油經濟性和動力模式下的安全性。

5 混合動力推進系統的發展前景和應用推廣

綜上所述，傳統的機械推進系統和電力推進系統已經無法滿足船舶營運者的需求，混合動力推進系統的開發結合了兩者的優點規避了缺點：工作船不同作業工況，保證推進效率的前提下，提高了燃油經濟性又降低了廢氣污染，設備成本也可以讓船東們所接收。結合目前深海油氣需求量日益增加的背景，混合動力推進系統在今后的深海工作船中一定能被廣泛應用，各船舶營運商也需要培訓一批能夠熟練使用混合動力系統的操作者。對于船廠而言，根據不同作業的工作船，混合動力推進系統的多樣設計和安裝也需要進一步的研究和革新。

參考文獻

[1]瓦錫蘭在2009年新加坡海洋工程輔助船技術論壇中的報告[Z].

[2]ABB在2009年新加坡海洋工程輔助船技術論壇中的報告[Z].

[3]ABB電力推進技術[Z].