胡 鵬

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

中大型AHTS推進(jìn)及電站系統(tǒng)的配置分析

胡 鵬

（上海交通大學(xué)，上海 200030）

三用工作船（Anchor Handling Tug Supply Vessel，AHTS）不僅能對(duì)鉆井平臺(tái)等大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行遠(yuǎn)洋拖航、起拋錨作業(yè)和供應(yīng)物資，而且能在特定情況下用作緊急救援船。AHTS在不同作業(yè)工況（如拖帶作業(yè)、全速航行、經(jīng)濟(jì)航行、動(dòng)力定位作業(yè)等）下所需求的動(dòng)力和用電負(fù)荷有很大區(qū)別，若在設(shè)計(jì)初期綜合考慮各種作業(yè)工況，并根據(jù)各種作業(yè)工況下的負(fù)荷情況來(lái)合理配置推進(jìn)及電站系統(tǒng)，則可在保證船舶正常作業(yè)的同時(shí)降低船舶初期投入成本和后期使用成本。結(jié)合中大型AHTS的工作特點(diǎn)，對(duì)2種主流的推進(jìn)及電站系統(tǒng)配置進(jìn)行深入分析，研究探討在今后設(shè)計(jì)中如何選擇和優(yōu)化推進(jìn)及電站系統(tǒng)的配置。

動(dòng)力機(jī)械工程；中大型；三用工作船（AHTS）；軸帶發(fā)電機(jī)；推進(jìn)

0 引 言

三用工作船（Anchor Handling Tug Supply Vessel，AHTS）又稱錨作拖船，不僅能對(duì)鉆井平臺(tái)等大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行遠(yuǎn)洋拖航、起拋錨作業(yè)和供應(yīng)物資，而且能在特定情況下用作緊急救援船。

正是由于其功能的多樣性，AHTS在營(yíng)運(yùn)時(shí)有多種作業(yè)工況，如拖帶作業(yè)、全速航行、經(jīng)濟(jì)航行及動(dòng)力定位（Dynamic Positioning，DP）作業(yè)等。在不同的作業(yè)工況下，AHTS需求的動(dòng)力和用電負(fù)荷有很大區(qū)別。因此，若在設(shè)計(jì)初期綜合考慮各種作業(yè)工況，并根據(jù)各種作業(yè)工況下的負(fù)荷情況合理配置推進(jìn)及電站系統(tǒng)，則可在保證AHTS正常作業(yè)的同時(shí)降低AHTS初期投入成本和后期使用成本。

對(duì)此，按照ATHS不同的作業(yè)工況，結(jié)合目前應(yīng)用較廣的推進(jìn)及電站系統(tǒng)的配置情況進(jìn)行分析和探討。

1 AHTS推進(jìn)及電站系統(tǒng)的選擇

拖帶是AHTS的主要用途之一，拖帶能力的大小是衡量AHTS能力最重要的參數(shù)[1]。因此，在推進(jìn)系統(tǒng)的選擇上首先要保證AHTS有足夠的拖力（即保證其有足夠的推進(jìn)功率）。在綜合考慮螺旋槳直徑、導(dǎo)流罩型式等相關(guān)因素[2]之后，可確定推進(jìn)系統(tǒng)中重要的一環(huán)——推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率。

而在電站系統(tǒng)的配置上，需要綜合多種工況并按用電負(fù)荷最高的情況來(lái)選擇。從眾多接觸的項(xiàng)目來(lái)看，大多數(shù)按照DP作業(yè)需求功率來(lái)確定。

在確定主要參數(shù)之后，即可通過(guò)合理搭配主機(jī)功率和輔機(jī)功率來(lái)滿足要求。目前市場(chǎng)上比較主流的配置方式有以下2種：

1) 推進(jìn)功率完全由主機(jī)輸出，且主機(jī)帶有軸帶發(fā)電機(jī)用于滿足電力系統(tǒng)需求；

2) 由輔機(jī)給推進(jìn)系統(tǒng)補(bǔ)充動(dòng)力，從而降低主機(jī)功率。

以下通過(guò)對(duì)2個(gè)項(xiàng)目的工作模式進(jìn)行分析來(lái)說(shuō)明2種配置方式的特點(diǎn)和不同。

③資料來(lái)源于中國(guó)鄉(xiāng)村旅游網(wǎng)：http：//www.crttrip.com/showinfo-13-1578-0.html.《看看浪漫的法國(guó)是如何搞鄉(xiāng)村旅游的？》。

2 配置PTO軸帶發(fā)電機(jī)

動(dòng)力輸出裝置（Power Take-Off，PTO）可用于多種場(chǎng)合，這里專指用于軸帶發(fā)電機(jī)。

目前大部分中大型AHTS的主機(jī)最大功率是按照系柱拖力（Bollard Pull，BP）最大時(shí)所需的最大推進(jìn)功率選取的。而在其他作業(yè)模式下，推進(jìn)功率需求要小一些。為使燃油經(jīng)濟(jì)性更好，引入了PTO軸帶發(fā)電機(jī)。上海迪斯安船舶設(shè)計(jì)有限公司研發(fā)設(shè)計(jì)的中型AHTS(SPA150)用的就是這種模式。

SPA150的推進(jìn)及電站配置情況為：主機(jī)功率（100% MCR），2×4500kW；PTO軸帶發(fā)電機(jī)功率，2×1500kW；輔發(fā)電機(jī)組功率，2×500kW；調(diào)距槳（Control Pitch Propeller，CPP）最大推進(jìn)功率，2×4500kW。

為保證1.5×106N的最大BP，該船選用2臺(tái)4500kW的主機(jī)。在最大BP模式下，主機(jī)的功率全部用來(lái)作為推進(jìn)動(dòng)力，電站系統(tǒng)由1臺(tái)或2臺(tái)輔發(fā)電機(jī)組供電。該模式下的功率分配情況見圖1（圖中未考慮過(guò)程效率損失，下同）。

但是，盡管最大 BP是衡量AHTS的重要指標(biāo)，但實(shí)際上最大BP的工況僅占船舶的部分使用時(shí)間(15%左右)[3]，船舶大部分時(shí)間處于航行狀態(tài)，如往返于港口與平臺(tái)之間。這時(shí)船舶需要以一個(gè)相對(duì)經(jīng)濟(jì)的航速航行，推進(jìn)功率要低于主機(jī)的最大功率。

由主機(jī)的油耗曲線（見圖2）可知：主機(jī)在較高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，單位油耗較低。因此，更希望主機(jī)運(yùn)行在一個(gè)較高的負(fù)荷點(diǎn)，且船上輔發(fā)電機(jī)組（一般為高速機(jī)）的單位油耗會(huì)略高于主機(jī)單位油耗。

軸帶發(fā)電機(jī)正是出于上述目的而增加的。主機(jī)在給船舶提供推進(jìn)所需動(dòng)力的同時(shí)，還額外輸出一部分功率至軸帶發(fā)電機(jī)，供電給其他用電設(shè)備。這樣不僅輔發(fā)電機(jī)組不需要運(yùn)行，主機(jī)也運(yùn)行在單位油耗較低的高負(fù)荷點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到省油的目的。此種工況下的功率分配情況見圖3（圖中功率數(shù)值僅為示意，下同）。

此外，這類海工輔助船經(jīng)常需要使用動(dòng)力定位功能，且目前大部分船東會(huì)要求船舶具有二級(jí)動(dòng)力定位能力。為此，船上一般會(huì)安裝2臺(tái)艏側(cè)推和1～2臺(tái)艉側(cè)推。

若僅由輔發(fā)電機(jī)組給這些側(cè)推器供電，則輔發(fā)電機(jī)組的功率會(huì)很大；而若由主機(jī)帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)供電，則在省油的同時(shí)還能減小輔發(fā)電機(jī)組的總功率，從而降低成本。

DP模式下的功率分配情況見圖4。側(cè)推被分為2組，分別由1臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)供電。其他輔助設(shè)備也被分為2組，由2臺(tái)輔發(fā)電機(jī)組供電。

由以上分析可知，相較于沒有軸帶發(fā)電機(jī)的狀態(tài)，配置軸帶發(fā)電機(jī)的船舶無(wú)論是在初期投資成本上還是在后期使用成本上都有很大的優(yōu)勢(shì)。

3 配置PTO/PTI

PTI（Power-Take-In）意在主機(jī)功率不足或出現(xiàn)故障時(shí)由輔發(fā)電機(jī)組提供電源驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺旋槳。

配置PTO/PTI也是現(xiàn)在中大型AHTS另一個(gè)比較常見的做法。其除了具備僅配置PTO船舶的特點(diǎn)之外，還擁有更多的功率分配方式，使船舶使用更為靈活和經(jīng)濟(jì)。

某大型AHTS的最大BP為2.5×106N，就使用了這樣的配置。其推進(jìn)及電站配置情況為：主機(jī)功率（100% MCR），2×8000kW；PTO功率，2×4500kW；PTI功率，2×2000kW；輔發(fā)電機(jī)組功率，2×1900kW；CPP最大推進(jìn)功率，2×9000kW。

從以上參數(shù)中可以看出，該船在最大BP下需要的推進(jìn)功率為2×9MW，大于主機(jī)所能輸出的最大功率2×8MW。額外的推進(jìn)功率由PTI電動(dòng)機(jī)來(lái)提供。該船最大BP模式下的功率分配（見圖5）與SPA150略有不同。

有時(shí)船舶還需處于一個(gè)較低航速的航行狀態(tài)。盡管主機(jī)可發(fā)出一部分功率用于軸帶發(fā)電機(jī)發(fā)電，從而提高主機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷點(diǎn)，但因?yàn)橥七M(jìn)需求功率太小，使得主機(jī)仍然運(yùn)行在一個(gè)單位油耗較高的負(fù)荷點(diǎn)上，而PTO/PTI的存在恰好可優(yōu)化這一點(diǎn)。低速航行狀態(tài)下的功率分配情況見圖6。

圖6中，一個(gè)螺旋槳的動(dòng)力直接由一臺(tái)主機(jī)通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)提供，另外一個(gè)螺旋槳的動(dòng)力由同一臺(tái)主機(jī)經(jīng)過(guò)軸帶發(fā)電機(jī)帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)提供；同時(shí)，船上其他負(fù)載的電源也由該主機(jī)帶動(dòng)軸帶發(fā)電機(jī)提供，從而使主機(jī)運(yùn)行在負(fù)荷相對(duì)較高、單位油耗低的負(fù)荷點(diǎn)，達(dá)到省油的目的。

此外，當(dāng)船舶在極低速狀態(tài)下航行或主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，2個(gè)螺旋槳的動(dòng)力可完全由輔發(fā)電機(jī)組提供。這種模式有時(shí)被稱為 PTH（Power-Take-Home[4]）或Take-Me-Home，大大增加了船舶的保險(xiǎn)系數(shù)。PTH模式下的功率分配情況見圖7。

當(dāng)然，在獲得低油耗及操作更靈活的同時(shí)，配置PTO/PTI船舶的初期投資成本要高于僅配置PTO的船舶。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著海洋油氣開發(fā)加速向深水、超深水領(lǐng)域發(fā)展，作為重要的海洋工程輔助船的AHTS也正朝著大型化和多功能化方向發(fā)展，這對(duì)其動(dòng)力系統(tǒng)提出了更高的要求[5]。我國(guó)已是海工輔助船最大的制造國(guó)，但在設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于歐洲國(guó)家，主要?dú)W洲國(guó)家在設(shè)計(jì)船舶時(shí)更接近船舶操作人員，更了解船舶的各種作業(yè)工況，能設(shè)計(jì)出更令客戶滿意的方案。因此，船舶設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解所設(shè)計(jì)的船舶需要具備哪些功能及船舶的各種工作模式，并根據(jù)這些要求研究出合適的解決方案。有了這些基礎(chǔ)，即可結(jié)合客戶（船東）的實(shí)際需求設(shè)計(jì)出綜合性能良好的船舶。

[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. 三用工作船動(dòng)力方案分析[J]. 中國(guó)船檢，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

胡鵬，男，工程師，1979年生。2002年畢業(yè)于武漢理工大學(xué)熱能與動(dòng)力裝置專業(yè)，現(xiàn)從事船舶設(shè)計(jì)開發(fā)和船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)工作。