盧俊，王小紅，羅敏莉，鄧穎，盧本才

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司 湖北省海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430063)

15 000 HP海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)船推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)力定位能力分析

盧俊，王小紅，羅敏莉，鄧穎，盧本才

(武昌船舶重工集團(tuán)有限公司 湖北省海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430063)

針對(duì)海洋油井增產(chǎn)船的工作特點(diǎn)及規(guī)范相關(guān)要求，確定船舶的推進(jìn)及定位方式，考慮渤海海域的海洋環(huán)境條件，進(jìn)行船舶航行及定位工況下的功率需求計(jì)算，并通過(guò)仿真手段對(duì)船舶定位能力進(jìn)行驗(yàn)證，確定本船推進(jìn)系統(tǒng)的功率配備。

油氣增產(chǎn)作業(yè)；電力推進(jìn)；動(dòng)力定位

隨著石油勘探開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以酸化壓裂為主要手段的儲(chǔ)層改造技術(shù)已經(jīng)成為開(kāi)發(fā)低滲油氣田、提高單井產(chǎn)量的主體技術(shù)，海洋油氣增產(chǎn)船是為實(shí)現(xiàn)酸化壓裂等油氣增產(chǎn)作業(yè)而設(shè)計(jì)的專用船舶[1-2]。

11 000 kW(15 000 HP)增產(chǎn)作業(yè)船以國(guó)際上先進(jìn)的某型海洋工程船為基礎(chǔ)，結(jié)合海洋壓裂作業(yè)的功能需求和作業(yè)特點(diǎn)而自主設(shè)計(jì)，配備5臺(tái)2500型壓裂泵，總功率11 000 kW，最大排量(清水)12 m3/min，支撐劑混合能力7 m3/min，儲(chǔ)存壓裂液總量約2 000 m3，具備壓裂、酸化、防砂在內(nèi)的多種增產(chǎn)作業(yè)能力，服務(wù)于國(guó)內(nèi)渤海灣油井。

為保證船舶作業(yè)的安全性和穩(wěn)定性，高效的動(dòng)力定位能力是增產(chǎn)作業(yè)船應(yīng)具備的基礎(chǔ)功能，本文對(duì)11 000 kW增產(chǎn)作業(yè)船的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算設(shè)計(jì)，對(duì)定位能力進(jìn)行仿真分析，使得船舶滿足服務(wù)海域增產(chǎn)作業(yè)的需求。

1 推進(jìn)方式及定位方式確定

通過(guò)對(duì)國(guó)外已有同類船舶推進(jìn)系統(tǒng)的分析，發(fā)現(xiàn)已有船舶的推進(jìn)方式均為電力推進(jìn)。與常規(guī)推進(jìn)方式相比，電力推進(jìn)具備良好的燃料經(jīng)濟(jì)性、較弱的噪聲及震動(dòng)、靈活的空間布置、穩(wěn)定的操控性和機(jī)動(dòng)性，是提升船舶智能化、信息化及自動(dòng)化程度的基礎(chǔ)。隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶的能效方面提出新的要求，電力推進(jìn)系統(tǒng)將成為未來(lái)船舶動(dòng)力發(fā)展的方向[3]。基于上述優(yōu)點(diǎn)，為迎合未來(lái)市場(chǎng)需求，確定本船推進(jìn)系統(tǒng)為全電力推進(jìn)系統(tǒng)。

船舶在進(jìn)行增產(chǎn)作業(yè)時(shí)，需在鉆井平臺(tái)附近連續(xù)不間斷作業(yè)。作業(yè)期間，船舶艉部將引出高壓軟管與井口相連，為防止船舶受環(huán)境影響與平臺(tái)或附近設(shè)施發(fā)生碰撞，保持船舶艉部與井口的相對(duì)位置，船舶需具備精確的定位能力[4]。船舶常用定位方式有錨泊定位與動(dòng)力定位兩種，考慮到平臺(tái)附近布置有復(fù)雜的采油或輸油管路，錨泊定位方式不適用于本船，確定本船的定位方式為動(dòng)力定位[5]。

根據(jù)CCS《油井激活劑(增產(chǎn)劑)船指南(2013)》的要求，本船動(dòng)力定位系統(tǒng)需滿足《鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范》DP-2要求[6]：“安裝有DP-2動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，在出現(xiàn)單個(gè)故障(不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向。”為滿足規(guī)范要求，本船推進(jìn)系統(tǒng)的配備如圖1所示：艉部設(shè)有2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，提高船舶的艉部機(jī)動(dòng)性；機(jī)艙設(shè)有4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，增強(qiáng)電力系統(tǒng)的供電靈活性；艏部設(shè)有2臺(tái)管道式側(cè)推裝置，保證船舶首向。

3 工況及輔助用電量分析

油氣增產(chǎn)作業(yè)船的主要工況分為航行工況及作業(yè)工況。定義船舶用電由“推進(jìn)用電”及“輔助用電”兩部分組成：推進(jìn)用電包括全回轉(zhuǎn)舵槳裝置用電和側(cè)推裝置用電；輔助用電包括船舶固有輔助設(shè)備用電和增產(chǎn)作業(yè)設(shè)備用電。

不同工況下的電力負(fù)荷組成如圖2所示，增產(chǎn)船的輔助用電量主要與主尺度、航速及作業(yè)能力有關(guān)。通過(guò)對(duì)相似主尺度及航速的母型船進(jìn)行電力負(fù)荷分析，統(tǒng)計(jì)出船舶固有輔助設(shè)備用電量約為300 kW；通過(guò)對(duì)壓裂設(shè)備研制廠家進(jìn)行調(diào)研，獲得11 000 kW作業(yè)能力的增產(chǎn)設(shè)備所需提供的電量約為2 400 kW。

4 最高航速推進(jìn)功率需求計(jì)算

本船以最大航速16 kn進(jìn)行設(shè)計(jì)，以母型船模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行推進(jìn)功率需求計(jì)算,船舶收到功率曲線見(jiàn)圖3。船舶在16 kn航速下，收到功率為5 608 kW,考慮推進(jìn)損失，所需推進(jìn)功率約為5 841 kW。

5 動(dòng)力定位能力分析

5.1 工作海域環(huán)境分析

渤海是中國(guó)大陸最大的一個(gè)近封閉的內(nèi)海，三面環(huán)陸，受陸地影響較大，加上水深較淺，其天氣氣候特征具有明顯的季節(jié)變化。多年氣象資料統(tǒng)計(jì)表明，渤海海區(qū)年平均6級(jí)以上的大風(fēng)日數(shù)在渤海中部一帶為50～60 d，遼東海和萊州灣為60～80 d，渤海海峽一帶約為80～100 d，且最近多年，渤海海區(qū)的大風(fēng)日期明顯減少，渤海海面的月平均風(fēng)速在5～10 m/s。

渤海特殊的地理位置和渤海海面風(fēng)的特征決定了渤海波浪分布的基本特征，渤海海域的浪主要以風(fēng)浪為主，涌浪和近岸浪不明顯，風(fēng)浪多為3～4級(jí)，每年的平均波高為1.0～1.5 m。

渤海流主要為風(fēng)海流和潮流，其中，渤海風(fēng)海流流向比較穩(wěn)定，流速0.10～0.15 m/s，由于海水淺，風(fēng)海流相對(duì)較弱，潮流作用影響更大，潮流的流速相當(dāng)于平均風(fēng)海流的10倍左右，最大潮流在0.5～1.5 m/s。

根據(jù)渤海灣氣象統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，該海域的常遇海況不超過(guò)4級(jí)[7-9](風(fēng)級(jí)5～7級(jí)，波高1.25～2.50 m)。本船動(dòng)力定位能力按照適應(yīng)4級(jí)海況進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，便可保證全年作業(yè)需求。

5.2 動(dòng)力定位推進(jìn)功率需求計(jì)算

在對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)船舶受到的環(huán)境載荷進(jìn)行計(jì)算。本船在實(shí)際施工過(guò)程中，受到的環(huán)境力主要有風(fēng)、浪、流，均為不規(guī)則、不定常載荷，難以精確計(jì)算。在設(shè)計(jì)初期，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，引入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)及經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)風(fēng)力、波浪力及海流力進(jìn)行估算。

1)風(fēng)力計(jì)算。將風(fēng)力作為定常力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下[10]。

Vs=1.2Vo

(1)

Vw=0.6Vo+0.4Vs

(2)

(3)

式中：Vo為平均風(fēng)速，m/s；Vs為陣風(fēng)，m/s；Vw為計(jì)算風(fēng)速，m/s；Rw為風(fēng)阻力，N；εa為無(wú)因次風(fēng)力系數(shù)；ρa(bǔ)為空氣質(zhì)量密度，kg/m3;A為受風(fēng)投影面積，m2。

2)海流力計(jì)算。將流力作為定常力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下。

(4)

(5)

(6)

式中：Vwf為風(fēng)海流速度，m/s；Vtf為潮流速度，m/s；Vf為海流速度，m/s；Rf為海流阻力，N；εtf為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；εwf為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；Atf為濕表面積，m2;Awf為水下投影面積，m2。

3)波浪力計(jì)算。根據(jù)多年來(lái)對(duì)實(shí)船測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，波浪力一般占環(huán)境載荷的5%～10%，即：

(7)

式中：Rb為波浪力，N。

將上述計(jì)算得到的作用力視為定常力，風(fēng)阻力作用點(diǎn)為船舶側(cè)受風(fēng)面積的形心，海流阻力作用點(diǎn)為船舶水下側(cè)面積的形心，波浪力作用點(diǎn)為船舶設(shè)計(jì)水線的中點(diǎn)，力的作用方向定為對(duì)船舶影響最大的受力方向，根據(jù)力矩平衡，估算推進(jìn)裝置的功率需求，以4級(jí)海況作為輸入條件，計(jì)算結(jié)果如表1所示：艏部側(cè)推所應(yīng)具備的總推力約為274.7 kN，查詢相關(guān)廠家設(shè)備手冊(cè)，單臺(tái)側(cè)推所需輸入功率約為827 kW。

表1 動(dòng)力定位能力推進(jìn)功率估算表(4級(jí)海況)

5.3 定位能力仿真驗(yàn)證

以上述計(jì)算所得的推進(jìn)器功率作為輸入條件，結(jié)合船舶主尺度及總體性能要求，利用推力利用率包絡(luò)線進(jìn)行定位能力驗(yàn)證，將在一定范圍內(nèi)保持船的定位所需的推力與船可提供的最大推力相比較，所得的比值可以作為風(fēng)向的函數(shù)。推力的利用率小于等于100%時(shí)，船舶可以實(shí)現(xiàn)定位能力。如果比率超過(guò)100%，船舶的動(dòng)力定位能力減弱，船舶位置發(fā)生漂移。

船舶推進(jìn)器正常運(yùn)行時(shí)，船舶推力利用率包絡(luò)線見(jiàn)圖4。曲線代表100%推力利用率曲線，曲線內(nèi)區(qū)域比率小于100%，曲線外區(qū)域比率大于100%，同心圓曲線表示風(fēng)速大小，徑向線表示風(fēng)向，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。在船舶進(jìn)行全力動(dòng)力定位時(shí)，船舶能滿足的海洋環(huán)境載荷為：風(fēng)速40.9 kn，風(fēng)向90°，有義波高5.9 m，流速1.5 kn。該海況遠(yuǎn)超過(guò)4級(jí)海況對(duì)應(yīng)的風(fēng)、浪、流參數(shù)，船舶的推進(jìn)裝置所配備的功率滿足船舶動(dòng)力定位能力的需求。

環(huán)境參數(shù)角度/(°)速度/kn力xX/kN力yY/kN力矩N/(kN·m)推力參數(shù)推進(jìn)器利用率/%推力/kN角度/(°)推力xX/kN推力yY/kN力矩N/(kN·m)功率/kW風(fēng)9040.90-199-1264T11009990 0993276 827浪905.90-121-39T210099900992949827流901.50-79-25T39441415401104-25862692T494413166-40197-23112676匯總0-399-1328039913287022

6 結(jié)論

經(jīng)分析，11 000 kW增產(chǎn)作業(yè)船推進(jìn)系統(tǒng)將設(shè)4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組，單臺(tái)功率約2 100 kW；艏部設(shè)2臺(tái)側(cè)推裝置，單臺(tái)最大輸入功率約為827 kW；艉部設(shè)2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳裝置，單臺(tái)最大輸入功率約2 960 kW，設(shè)備冗余度滿足DP-2要求，設(shè)備能力滿足航速及服務(wù)海域4級(jí)海況下的動(dòng)力定位需求，為后期實(shí)船詳細(xì)設(shè)計(jì)及建造奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，本文仿真計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了估算結(jié)果的正確性，進(jìn)而驗(yàn)證了本文所述的估算方法的有效性，為同類船舶動(dòng)力定位能力的計(jì)算提供了一種前期估算方法。此外，本文估算公式中采用了一定數(shù)量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來(lái)簡(jiǎn)化模型，系數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響計(jì)算結(jié)果，行業(yè)人員應(yīng)在實(shí)船運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不斷采集、分析、積累，以校正經(jīng)驗(yàn)系數(shù)、精確計(jì)算結(jié)果。

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Propulsion System Design and Dynamic Positioning Capability Analysis for 15 000 HP Well Stimulation Vessel

LU Jun, WANG Xiao-hong, LUO Min-li, DENG Ying, LU Ben-cai

(Institute of Marine & Offshore Engineering, Wuchang Shipbuilding Industry Co., Ltd., WuHan 430063, China)

According to the well stimulation vessel’s characteristic and relative rules, the propulsion model, dynamic positioning model and the weather condition of working area were analyzed. The power requirements of the propulsion equipments were calculated, and the simulation analysis method was used to ensure the DP capacity. The power distribution of the propulsion system was confirmed also.

well stimulation; electric propulsion; dynamic positioning

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.032

2016-06-01

工業(yè)和信息化部項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝[2013]419號(hào))

盧俊(1986—)，男，碩士，工程師

U674.38;U664.81

A

1671-7953(2017)02-0135-04

修回日期：2016-06-16

研究方向:輪機(jī)工程