海洋工程半潛重載船電氣系統(tǒng)設(shè)計

何沁園 祝世奇 藍(lán)文昊 張海文

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

海洋工程半潛重載船作為一型特種海運(yùn)工具，在海洋工程中承擔(dān)了運(yùn)載大型海上石油鉆井平臺、大型艦船、潛艇、龍門吊、預(yù)制橋梁構(gòu)件等無法分割吊運(yùn)的超長超重海工設(shè)備的任務(wù)。與常規(guī)運(yùn)輸船舶相比，半潛船因運(yùn)載物件的特殊而具有與常規(guī)運(yùn)輸船不同的特點(diǎn)。

本文是對本院研制設(shè)計四種規(guī)格的自航半潛重載船（90 000 t、50 000 t、30 000 t和 38 000 t）的共性和差異作一定的分析，以期獲得對該類船型電氣設(shè)計的了解和認(rèn)識，并希望以此能引出更深入的討論和提出優(yōu)化方案。

1 電推及DP的基本型態(tài)及優(yōu)點(diǎn)

海洋工程半潛重載船在施工作業(yè)時一般需要進(jìn)行定位。目前，使用較多的定位方式有多點(diǎn)錨泊定位和動力定位。其中，動力定位方式又因其不受定位海域水深的影響、定位響應(yīng)速度快、精度以及自動化集成度高等優(yōu)點(diǎn)在海洋工程半潛重載船上獲得了較廣泛的應(yīng)用。在具有動力定位的船舶中，電力推進(jìn)因其具有效率高、推進(jìn)性能好、布置空間緊湊合理、環(huán)保節(jié)能、噪聲小、振動低等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛應(yīng)用。半潛重載船的尾部多為工作甲板，不宜布置主機(jī)艙，因此基本都是電力推進(jìn)及動力定位的船型，這也決定了半潛重載船基本上都采用中壓電力系統(tǒng)。

文中所分析的幾種規(guī)格半潛重載船的主推進(jìn)均采用了尾軸推進(jìn)器，低速電機(jī)直接驅(qū)動螺旋槳，或中速電動機(jī)通過齒輪箱減速驅(qū)動螺旋槳。首、尾側(cè)向推力器主要采用隧道式推進(jìn)器，50 000 t半潛船首部還設(shè)置了可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。根據(jù)實(shí)船航行情況，這種推進(jìn)器的配置方案是合理可行的。與采用POD主推進(jìn)相比較，這種配置方案維護(hù)性更好，也更加節(jié)約成本。［4-5］

30 000 t及38 000 t采用了DP-1附加標(biāo)志的CCS船級社DP入級，50 000 t采用了DP-2附加標(biāo)志的CCS船級社DP入級，90 000 t采用了DPS-2附加標(biāo)志的DNV和CCS雙船級社DP入級。

圖1以及下頁的圖2和圖3為這三種規(guī)格的半潛重載船電力系統(tǒng)單線圖（38 000 t與30 000 t類似）。

2 航速與DP能力的兼顧要求及解決措施

對于半潛重載船而言，自由航行航速和動力定位能力是在主推進(jìn)螺旋槳設(shè)計時相互制約的一個因素。在自由航行主推進(jìn)器兼做動力定位推力器時，由于螺旋槳分別處于航行特性和系柱特性兩種負(fù)荷工況狀態(tài)，前者推力小、轉(zhuǎn)矩小，后者推力大、轉(zhuǎn)矩大，而螺旋槳在設(shè)計上較難做到完全兼顧轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的反比例工況變化，所以在螺旋槳設(shè)計時只考慮船舶的主要工況。若以動力定位工況為主，則推力要求必須達(dá)到DP能力分析中所規(guī)定的數(shù)值。此狀況下自由航行時，則采用提高轉(zhuǎn)速的方式來吸收盡可能大的功率以滿足航速要求。若以自由航行工況為主，則以滿足航速要求來設(shè)計螺旋槳，螺旋槳的參數(shù)以電動機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速為基礎(chǔ)來決定。此狀況下動力定位時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩因不能過載而只能被迫運(yùn)行在比額定轉(zhuǎn)速更低的轉(zhuǎn)速值上。

電動機(jī)不能滿功率運(yùn)行，其通過螺旋槳提供的轉(zhuǎn)矩（推力）也較小，這可能導(dǎo)致動力定位能力也相應(yīng)減弱，即需要降低動力定位的環(huán)境條件。30 000 t、38 000 t以及90 000 t半潛船因其大部分時間處于運(yùn)輸航行工況的特點(diǎn)，螺旋槳的設(shè)計則以航行工況為主，同時兼顧具有一定的動力定位能力；50 000 t半潛船的螺旋槳設(shè)計則根據(jù)系柱托力狀態(tài)和12 kn服務(wù)航速之間進(jìn)行優(yōu)化的特點(diǎn)，以滿足動力定位能力為主。

3 壓載系統(tǒng)的重要性及系統(tǒng)設(shè)計

海洋工程半潛重載船，顧名思義半潛是該船型的一個主要工況，如何實(shí)現(xiàn)半潛作業(yè)是該船型的設(shè)計重點(diǎn)。一般該船型會設(shè)有壓載排載系統(tǒng)，用壓載泵對壓載水進(jìn)行注入、排出和調(diào)駁是使用較普遍的壓載調(diào)載方式；也有使用壓縮空氣排放壓載水等新型的壓載調(diào)載方式。半潛船下潛作業(yè)是通過調(diào)整船體的壓載水量來實(shí)現(xiàn)的：先將工作面甲板平穩(wěn)地潛入到5～30 m的水下后，將需要裝運(yùn)的貨物拖曳到位后，再將壓載水排出船體，使船身連同甲板上的貨物一起浮出水面然后進(jìn)行運(yùn)載［3］。

當(dāng)前的大型半潛船一般會在工作甲板以下設(shè)置多層壓載水艙，并沿縱向和橫向分割成數(shù)量眾多的小壓載水艙。這樣既能滿足結(jié)構(gòu)上裝載大型貨物的彎曲應(yīng)力要求，又能提高半潛船在裝載和卸載貨物狀態(tài)下導(dǎo)致一艙破損時的安全系數(shù)。同時，在碼頭通過滑道裝載大型貨物時，分割為小的壓載水艙更利于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的調(diào)載過程。多層的壓載水艙使半潛船適應(yīng)性更強(qiáng)，更容易保持良好的穩(wěn)定性，這在裝載及運(yùn)輸小型貨物和大型貨物時都十分重要：如在高海況下運(yùn)輸小型貨物時為減少其橫向移動，可往上部的壓載艙注水以增加船體上部的質(zhì)量；運(yùn)輸大型貨物時，可往底部的壓載艙注水以降低全船的重心［2］。

為提高裝卸載效率和減少壓排載時間，一般會在半潛船上配備大功率的壓載泵。30 000 t及38 000 t半潛船采用了常規(guī)的壓載泵式壓載排載系統(tǒng)，全船設(shè)置了4臺315 kW的壓載泵和2臺110 kW的調(diào)載泵。50 000 t和90 000 t半潛船則采用了空氣壓載和泵壓載相結(jié)合的方式；50 000 t半潛船全船設(shè)置4臺500 kW的空氣壓縮機(jī)；90 000 t半潛船全船設(shè)置4臺634 kW的空氣壓縮機(jī)，用于對主甲板以下壓載水艙的壓排載（其中2臺用于首部主甲板以上壓載水艙的壓排載，另外2臺用于尾浮箱的壓排載）。

壓載系統(tǒng)是體現(xiàn)半潛重載船其特征的一套重要系統(tǒng)，除需要有壓載艙的布置、壓載量的計算及壓載水的管系設(shè)計以外，壓載泵或空壓機(jī)的驅(qū)動形式以及對系統(tǒng)中幾十只甚至上百只電動或電液閥的控制也是該系統(tǒng)的重要組成部分，這也是半潛重載船電氣系統(tǒng)的重要設(shè)計內(nèi)容之一。同時，該系統(tǒng)電氣設(shè)計又因有著成百上千個監(jiān)測報警I/O接口而增加了復(fù)雜程度。下頁圖4 -圖6是三種規(guī)格的半潛重載船壓載控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)圖。可見，半潛船的壓載控制系統(tǒng)主要采用分布式的現(xiàn)場采集站形式，其主控制單元通過工業(yè)現(xiàn)場總線與所有分布式現(xiàn)場采集站進(jìn)行通訊，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控。主控制單元選用高可靠性的PLC控制器，而PLC控制器采用工業(yè)以太網(wǎng)與計算機(jī)操作站通訊的模式，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。其中，30 000 t和38 000 t半潛船的壓載控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較相似；而在50 000 t半潛船的壓載系統(tǒng)中，增加了與4臺空壓機(jī)的通訊，各個空壓機(jī)與PLC控制器之間采用總線通訊，讀取空壓機(jī)狀態(tài)并遠(yuǎn)程控制，電動閥采用了CANopen總線接口，直接與PLC控制器進(jìn)行通訊；90 000 t半潛船則是將壓載控制系統(tǒng)集成在全船集成控制系統(tǒng)中。

4 深潛參數(shù)對推進(jìn)裝置的密封影響及措施

在進(jìn)行半潛作業(yè)時，由于下潛吃水一般超過20 m，所以水線以下與船體連接設(shè)備的密封性能因吃水深度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)范圍而成為需要特別關(guān)注的問題。常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)裝置的密封能力一般只能在2個大氣壓左右，即吃水深度不大于20 m。因此，半潛船的主推裝置采用了機(jī)械端面密封，密封裝置需為兩片組合，更換密封時無需拆軸，并設(shè)有在更換密封時應(yīng)急氣囊密封裝置，此氣囊的氣源與主機(jī)啟動氣源需互鎖；而側(cè)推裝置的設(shè)計是設(shè)置兩套潤滑密封系統(tǒng)，在吃水大于20 m時，可采用壓縮空氣加壓的潤滑系統(tǒng)進(jìn)行密封。對潤滑系統(tǒng)的合理控制還應(yīng)引入吃水信號，使其能進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換。

5 集控室位置的思考

半潛船在下潛、上浮作業(yè)時，由于其穩(wěn)性和浮力的脆弱性和操縱的限制性，船舶的安全在很大程度上取決于天氣情況，下潛、上浮作業(yè)具有很大的風(fēng)險，因此作業(yè)時要求所有人員必須在最大下潛水深以上甲板［6］，這就引出了關(guān)于半潛船機(jī)艙集控室的布置是否需在最大下潛水深以上的問題。 由于各船級社的規(guī)范均沒有明確的規(guī)定，30 000和38 000 t自航半潛船由于整體布局較為緊湊，水線以上的位置無法考慮集控室的位置，因此機(jī)艙集控室是布置在位于下平臺甲板層（距基線6 m）的機(jī)艙區(qū)域，在半潛作業(yè)吃水深度將達(dá)到23 m時，集控室的位置會處于水線以下，為此在該船圖紙的送審過程中，CCS審圖人員對集控室的位置曾有疑義。中遠(yuǎn)一型18 000 t和50 000 t半潛船機(jī)艙集控室設(shè)在了橋樓甲板的下一層，但看來也會帶來管理上等其他問題。而此后的50 000 t和90 000 t半潛船集控室都沒有設(shè)在下潛水線以上，也得到了船級社和船東的認(rèn)可。我們考慮到半潛船的自動化系統(tǒng)設(shè)計時采用AUT-0入級標(biāo)志，在駕駛室操作站設(shè)置齊備的全船設(shè)備監(jiān)測、報警的功能和部分設(shè)備的控制功能，而且在駕駛室前、后控制臺均具有自動或手動遙控控制主推進(jìn)器、側(cè)向推進(jìn)器、舵、壓載泵、消防泵、閥門、定位絞車等設(shè)備的功能，可以看作是機(jī)艙集控室功能的延伸，一定程度上解決了以上矛盾。因此，建議船級社對這個問題的規(guī)范提出更明確的規(guī)定，將有利于設(shè)計觀點(diǎn)的認(rèn)同和統(tǒng)一。

6 結(jié) 論

本文主要對半潛重載船的推進(jìn)系統(tǒng)和壓載系統(tǒng)的電氣設(shè)計部分進(jìn)行闡述和分析。在與常規(guī)船型的電氣設(shè)計比較中，針對半潛重載船因其半潛作業(yè)的特殊性，給出了滿足航行和作業(yè)要求的設(shè)計方案以及一些重要問題的解決措施。通過對比幾種規(guī)格的半潛重載船的設(shè)計，可以清晰了解它們的共同點(diǎn)和差異，從而為該類船的電氣系統(tǒng)設(shè)計提供一些參考。文章對推進(jìn)設(shè)備的密封性能也提出了解決方案，同時針對集控室位置的設(shè)置提出一些思考。若既要達(dá)到安全的規(guī)范要求，又能滿足使用功能要求，后期仍需不斷研究和學(xué)習(xí)。

［1］ 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司. 船舶設(shè)計實(shí)用手冊：電氣分冊［M］. 3版.北京：國防工業(yè)出版社， 2013.

［2］ 盛衛(wèi)明，黃吉，仲偉東，等. 5萬t半潛船壓載水處理系統(tǒng)設(shè)計［J］.船舶與海洋工程，2015（2）：43-47.

［3］ 李志壘. 大型半潛船壓載水系統(tǒng)設(shè)計［J］. 船舶，2014（1）：53-57.

［4］ 楊帆，崔剛，王樂，等. 電力推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)分析［C］ //中國船舶與海洋工程焊接與涂裝技術(shù)發(fā)展論壇論文集，2012：74-77.

［5］ 郭國才，石艷，王屈平，等. 民船電力推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展方向［J］. 船電技術(shù)，2014（5）：1-4.

［6］ 張建浩，邱新涌.淺述新型半潛船的海務(wù)管理［C］//2008船舶安全管理論文集，2008：14-17.