配置DP2系統(tǒng)的4 500 DWT邊際油田穿梭油輪的研發(fā)

李邁新，任曉莉

（中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州 510715）

1 前言

我國發(fā)現(xiàn)了大量的邊際小油田，僅渤海灣已探明儲量就相當(dāng)于三個億噸級大油田。由于邊際油田的倉儲量較小，如何全面進(jìn)行邊際油田開發(fā)、提高邊際油田采油效率將是未來技術(shù)研發(fā)方向。本文以DP2型4 500 DWT邊際油田穿梭油輪為研發(fā)對象，詳細(xì)分析了采用動力定位技術(shù)能有效提高原油輸送效率、采收速度和效益，以及輸油過程中的安全性和可靠性。鑒于動力定位技術(shù)在穿梭油輪上的應(yīng)用在我國尚處于方案設(shè)計和舊船改造階段，且舊船改造成本不菲，因此很有必要進(jìn)行研發(fā)設(shè)計新型穿梭油輪。

本文以渤海水域的試采平臺和營口基地為運(yùn)輸起終點(diǎn)的航線基礎(chǔ)，考慮原油運(yùn)輸流程和海況，研究動力定位系統(tǒng)在穿梭油輪上的配置和應(yīng)用，設(shè)計一型造價經(jīng)濟(jì)、滿足邊際油田試采平臺生產(chǎn)配套的新型穿梭油輪，該油輪能靠自身動力定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)較高安全性和機(jī)動性。

2 項(xiàng)目設(shè)計要求及分析

2.1 設(shè)計基本要求

見表1。

表1 設(shè)計基本要求

2.2 操作安全距離

本船從平臺卸載至穿梭油輪采用輸油軟管方式，油輪的加注點(diǎn)設(shè)置在船中。試采平臺配置的輸油管長度約130 m，穿梭油輪通常至少需要與平臺保持1.5個船身的安全距離，如圖1所示。

圖1 加油作業(yè)安全距離示意圖

渤海水域海況，常年有6～7級大風(fēng)，風(fēng)向在數(shù)小時內(nèi)會發(fā)生急遽突變。輸油工作要求穿梭油輪在70～80 m的距離內(nèi)，不會在設(shè)計條件下因突發(fā)的風(fēng)、浪、流或穿梭油輪本身故障對試采平臺造成危險。

2.3 定位能力要求

要求全方位定位能力如下：在輸油時，360°全方位可維持船首向不變；在發(fā)生故障時，360°全方位可維持船首向不變。

2.4 DP型與傳統(tǒng)型穿梭油輪的對比

見表2。

表2 DP型與傳統(tǒng)型穿梭油輪的對比

傳統(tǒng)的端點(diǎn)系泊方式對側(cè)向力的承受能力小、抗風(fēng)浪能力較差，風(fēng)力大于六級時一般需要停止作業(yè)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)的連續(xù)性，對人力、物力的消耗大。

動力定位技術(shù)為穿梭油輪的靠近和停留過程提供有力保障，使得原油裝卸安全、快捷，不需要拖輪輔助錨泊，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3 船型設(shè)計

本穿梭油輪采用傳統(tǒng)油輪線形；上層建筑為尾樓型；機(jī)艙設(shè)于尾部；帶小型球首；尾部設(shè)雙舵槳推進(jìn)器；動力及控制系統(tǒng)滿足DP-2定位功能；設(shè)尾側(cè)推和首側(cè)推各2臺；采用電力推進(jìn)系統(tǒng)；掛中國旗、入級CCS船級社。

（1）技術(shù)參數(shù)：

（2）總布置

見圖2。

圖2 總布置圖

本船為航行于國內(nèi)近海航區(qū)（R1）的雙殼原油船，貨油艙裝運(yùn)閃點(diǎn)大于60℃的散裝原油。儲油艙劃分為四對左右對稱艙，另設(shè)一對污油艙；貨艙的底部和邊艙為壓載水艙；船尾部布置電力推進(jìn)舵槳系統(tǒng)，變頻器布置在靠近舵機(jī)的上層甲板上；船中部和尾部各配備一臺1.5 t、360°回轉(zhuǎn)角度的液壓防爆驅(qū)動油管吊，以減輕船員勞動強(qiáng)度。

4 動力系統(tǒng)設(shè)計

動力裝置設(shè)計對比了柴電混合推進(jìn)和全電力推進(jìn)兩種方式，最終采用了電力推進(jìn)方式：機(jī)艙配置了4臺柴油發(fā)電機(jī)組，為船尾部2臺AFE型變頻驅(qū)動的全回轉(zhuǎn)舵槳和船首2臺AFE型變頻驅(qū)動的管遂式側(cè)推器供電，按規(guī)范對DP2船輔助系統(tǒng)的冗余要求設(shè)計燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等，并根據(jù)CCS要求對貨油泵艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

通過計算四種常用工作模式：全速航行、靠港卸油、全負(fù)荷DP2狀態(tài)靠平臺裝油、小負(fù)荷DP2狀態(tài)靠平臺裝油下的電力負(fù)荷需求，確定柴油機(jī)總功率；再通過電力負(fù)荷分析，從全船建造的角度綜合分析布置的合理性，使每臺柴油機(jī)的調(diào)用負(fù)荷都能達(dá)到85%以上，并機(jī)組油耗、尺寸、重量、備件通用等方面綜合來考慮最終確定柴油機(jī)選型和配置。

5 推進(jìn)裝置設(shè)計

推進(jìn)器選型由船舶所需要的推力確定。

一般船舶在側(cè)向受力時維持船位的性能最差，本船通過水阻力估算，按設(shè)計條件下的風(fēng)、流、浪與船舶水上、水下側(cè)投影面計算出所需的側(cè)向推力。經(jīng)過CFD軟件核算，側(cè)向受力約為190 kN。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和廠家推薦，本船選擇的管隧式側(cè)推器推力約為120～140 N/kW、全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器推力約為150～170 N/kW。為滿足全方位定位要求，推進(jìn)裝置配置如圖3。

全回轉(zhuǎn)舵槳：2x1 500 kW變頻驅(qū)動；

管遂首側(cè)推：2x1 400 kW 變頻驅(qū)動；

柴油發(fā)電機(jī)：1 460 kWx4。

圖3 4 500 DWT配電和推進(jìn)配置示意

6 貨油系統(tǒng)設(shè)計

本船貨艙設(shè)計為八個儲油艙和2個污油艙，油泵艙位于機(jī)艙前面，設(shè)置了兩臺電動螺桿貨油泵用于油艙的裝卸、兩臺螺桿污油泵用于污油艙的排放。貨油系統(tǒng)根據(jù)規(guī)范要求設(shè)置了透氣，洗艙、油氣回收系統(tǒng)等。甲板集管區(qū)布置在上甲板的中部，并參照OCIMF的要求布置集油盤、十字帶纜樁、導(dǎo)纜孔以及軟管托架。貨油泵啟動和控制由駕駛室控制，包括啟動和速度控制。貨油加熱系統(tǒng)通過蒸汽鍋爐由加熱盤管加熱，加熱盤管為DN50。

油艙透氣系統(tǒng)對貨艙和污油艙均配備高速壓力/真空透氣閥。高速透氣閥距甲板最低2 m， 進(jìn)氣閥距艙柜頂部甲板1.5 m。貨油監(jiān)控系統(tǒng)配備貨艙集中控制系統(tǒng)，貨艙控制系統(tǒng)配置集中控制板設(shè)在駕駛室，其主要功能用于貨油和壓載系統(tǒng)的遙控控制和檢測。每個油艙配一個雷達(dá)測深儀，可在駕駛室遠(yuǎn)程讀取，有高位、高高位報警及兩個溫度傳感器集成在液位傳感器上。

7 動力定位系統(tǒng)設(shè)計

7.1 定位精度

本船不需要進(jìn)行水下作業(yè)以及海上吊運(yùn)等精密工作，測量設(shè)備的精度按油輪靠平臺較近要求即可（需達(dá)到米級）。

（1）測量設(shè)備見表3。

表3 位置測量設(shè)備

本船對應(yīng)的采油平臺水深約35～40 m，船舶距離平臺最短距離約50～80 m，因此DGPS和激光定位系統(tǒng)都適用。

（2）其他傳感器

本船不需要進(jìn)行水下作業(yè)，采用的輸油管方式對縱橫搖的精度要求較低，因此垂直位置和其他均按DP2系統(tǒng)的要求配置即可。

7.2 控制系統(tǒng)構(gòu)成

（1）電腦工作站，2套；

（2）Joystick，1套；

（3）位置參考系統(tǒng)：

激光定位系統(tǒng)（CyScan Mk4），1套；

DGPS110系統(tǒng)（GPS），1套；

DGPS112系統(tǒng)（GPS/GLONASS），1套；

（4）傳感器和信號：

運(yùn)動傳感器x1；

風(fēng)速風(fēng)向信號x2；

羅經(jīng)信號 x2。

DP系統(tǒng)框圖，如圖4所示。

圖4 DP系統(tǒng)框圖

7.3 能力分析和失效影響

根據(jù)設(shè)計條件、船舶主尺度、推進(jìn)器配置和布置、動力配置，進(jìn)行定位能力分析，并對單點(diǎn)故障進(jìn)行能力分析：

（1）丟失一臺主發(fā)電機(jī)、丟失一臺推進(jìn)器、以及主配電板母排短路丟失單邊動力和推進(jìn)裝置等典型工況根據(jù)規(guī)范規(guī)則要求，最嚴(yán)重單點(diǎn)故障為匯流排母排故障：主配電板單邊失電后，剩余的電站僅為1 460 kWx2，首側(cè)推提供主要推力按100%負(fù)荷輸出，尾側(cè)推需要降負(fù)荷保證發(fā)電機(jī)不過載。最終結(jié)果須待實(shí)船建造后的最終能力測算。

（2）從能力分析的結(jié)果來看，本船完全滿足設(shè)計要求，達(dá)到海域風(fēng)速約15 m/s、流速2 kn等惡劣海況下360°全方位DP-2定位功能。同時，故障模式與影響分析（FMEA）可以發(fā)現(xiàn)動力定位系統(tǒng)的缺陷，可對動力定位系統(tǒng)可能的故障模式，以及故障對整個系統(tǒng)的影響進(jìn)行全面評估。本船已吸取海工船滿足二級定位系統(tǒng)冗余要求的輔助系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)規(guī)范要求對配套設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以期望減少缺陷，提高可靠性和安全性。在詳細(xì)設(shè)計階段，還對動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了冗余分析，以排除隱患。

8 結(jié)束語

在穿梭油輪上采用動力定位系統(tǒng)，為高效、可靠、安全的作業(yè)方式提供了保障，同時也大幅提高了邊際油田的采收儲運(yùn)效率。通過精心設(shè)計，可逐步取代傳統(tǒng)穿梭油輪，是穿梭油輪的未來發(fā)展趨勢。