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(1.武船船舶重工集團(tuán)有限公司,武漢 430064；2.湖北省海洋工程裝研究院有限公司，武漢 430064)

9 600 HP海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)船柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧穎1,2，王小紅1,2，劉波1,2，盧俊1,2，黃羅朋1,2，秦江平1,2

(1.武船船舶重工集團(tuán)有限公司,武漢 430064；2.湖北省海洋工程裝研究院有限公司，武漢 430064)

針對(duì)海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)船的作業(yè)特點(diǎn)和波斯灣海域的環(huán)境條件，采用柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)，分析系統(tǒng)組成和工作模式。通過利用其軸帶發(fā)電和一機(jī)雙槳的多種工作模式相結(jié)合的方式，提高海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)船作業(yè)時(shí)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。動(dòng)力定位能力仿真分析表明，該柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)能滿足船舶作業(yè)需求。

海洋油氣增產(chǎn)；柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)；軸帶發(fā)電模式；一機(jī)雙槳模式；動(dòng)力定位；經(jīng)濟(jì)性

隨著石油勘探開發(fā)技術(shù)的不斷進(jìn)步，開發(fā)低滲油氣田，提高油氣開采產(chǎn)量已經(jīng)成為海洋石油開采新的發(fā)展方向，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]。

9 600 HP(7 100 kW)海洋油氣增產(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)。配備了4臺(tái)2 250 HP和1臺(tái)600 HP的壓裂泵，總功率為9 600 HP，作業(yè)于波斯灣海域。根據(jù)波斯灣海域的特點(diǎn)，綜合船舶作業(yè)的操作性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)9 600 HP海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)船的推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用分析，使得本船在安全作業(yè)的同時(shí)提高使用的經(jīng)濟(jì)性。

1 環(huán)境條件分析

本船服務(wù)于波斯灣海域，該海域是世界上水溫較高的海域之一，屬于亞熱帶氣候，終年盛行西北風(fēng)，風(fēng)力變化無常，年平均風(fēng)力達(dá)到5～6級(jí)，冬季風(fēng)力超過7級(jí)大風(fēng)頻率達(dá)到10%，夏季風(fēng)力超過7級(jí)大風(fēng)頻率達(dá)到20%，秋季有龍卷風(fēng)，冬季多云霧，規(guī)律性不強(qiáng)。這表明，酸化壓裂作業(yè)船不僅僅要滿足年平均風(fēng)力5到6級(jí)的環(huán)境需求，還需要滿足7級(jí)風(fēng)的需求。因此需要選擇一種合適的推進(jìn)方式，在滿足環(huán)境條件的前提下提高船舶使用的經(jīng)濟(jì)性。

2 柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)動(dòng)力配置

結(jié)合作業(yè)環(huán)境，充分考慮船舶操作的經(jīng)濟(jì)性，本船采用柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，在原有軸系推進(jìn)的基礎(chǔ)上，通過引入可逆軸帶電機(jī)(PTO/PTI)來實(shí)現(xiàn)柴電混合推進(jìn)的目的，見圖1，圖中深色部分為較傳統(tǒng)軸系推進(jìn)增加的部分。

圖1 柴電混合推進(jìn)示意圖

本船以最大航速12 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。

在航速為12 kn時(shí)，收到功率為3 200 kW，考慮到推進(jìn)損失，本船選用2臺(tái)1 825 kW的主機(jī)，主機(jī)通過齒輪箱與艉部全回轉(zhuǎn)和可逆軸帶電機(jī)相連，可逆軸帶電機(jī)發(fā)電功率為1 500 kW，電動(dòng)機(jī)功率為450 kW。為了提高本船的操縱性，艏部采用2臺(tái)827 kW的艏側(cè)推。在環(huán)境較惡劣時(shí)，可逆軸帶電機(jī)做發(fā)電機(jī)工作；在環(huán)境條件較好時(shí)，開啟1臺(tái)主機(jī)帶動(dòng)螺旋漿和軸帶電機(jī)(PTO)運(yùn)行，并且驅(qū)動(dòng)另外1臺(tái)軸系的軸帶電機(jī)(PTI)，實(shí)現(xiàn)1機(jī)帶2槳；實(shí)現(xiàn)動(dòng)力系統(tǒng)能量的充分合理利用。

2.1 軸帶發(fā)電模式(PTO)

如圖2所示，當(dāng)環(huán)境條件較惡劣時(shí)，2臺(tái)主機(jī)同時(shí)工作，驅(qū)動(dòng)2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳及軸帶電機(jī)。

圖2 軸帶發(fā)電模式示意

軸帶電機(jī)做PTO為艏部側(cè)推及全船其他負(fù)載供電，其中2臺(tái)艏側(cè)推功率為800 kW。全船其他負(fù)載約500 kW，由輔助柴油發(fā)電機(jī)供電。主機(jī)通過軸系帶動(dòng)全回轉(zhuǎn)舵槳，2臺(tái)舵槳功率800 kW，此時(shí)，2臺(tái)主機(jī)均工作在經(jīng)濟(jì)運(yùn)行點(diǎn)。

2.2 一機(jī)雙槳模式

見圖3，環(huán)境條件較好時(shí)，僅開啟1臺(tái)主機(jī)，驅(qū)動(dòng)本軸系螺旋槳和軸帶電機(jī)，該軸帶電機(jī)做PTO。另外1臺(tái)軸帶電機(jī)做PTI，驅(qū)動(dòng)艉部全回轉(zhuǎn)舵槳。

圖3 一機(jī)雙槳模式示意

此時(shí)，作為PTO的軸帶電機(jī)給另外1臺(tái)作為PTI的軸帶電機(jī)及艏部側(cè)推供電，艏部側(cè)推功率為500 kW。全船其他負(fù)載約500 kW，由輔助柴油發(fā)電機(jī)供電。艉部2臺(tái)全回轉(zhuǎn)功率為350 kW，此時(shí)單臺(tái)主機(jī)工作在90%的MCR，主機(jī)能力得到了充分利用。

3 船舶定位能力仿真計(jì)算

船舶在進(jìn)行增產(chǎn)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[3]。本船推進(jìn)系統(tǒng)配置如圖4所示：艉部設(shè)有2臺(tái)全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器，艏部設(shè)有2臺(tái)管道式側(cè)推裝置。

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)配置示意

在船舶2種工作模式下，對(duì)其動(dòng)力定位能力進(jìn)行仿真分析。

3.1 軸帶發(fā)電機(jī)模式(PTO)

該模式下2臺(tái)主機(jī)通過齒輪箱帶動(dòng)艉部全回轉(zhuǎn)和可逆軸帶電機(jī)工作，軸帶電機(jī)為軸帶發(fā)電機(jī)為艏部側(cè)推提供電源。壓裂作業(yè)時(shí)，艉部2臺(tái)全回轉(zhuǎn)及2臺(tái)艏側(cè)推共同作用進(jìn)行DP定位，且艉部全回轉(zhuǎn)及艏側(cè)推可用功率均為800 kW，仿真分析其動(dòng)力定位能力,見圖5。

圖5 軸帶發(fā)電機(jī)模式動(dòng)力定位能力

圖中徑向極坐標(biāo)表示風(fēng)向，同心圓表示風(fēng)速，按照船級(jí)社規(guī)范規(guī)定的流速為北海[4]1.5 kn情況下生成該包絡(luò)線，表示所有推進(jìn)器處于最優(yōu)工作狀況下，推力綜合作用時(shí)船舶具有動(dòng)力定位能力的臨界線。當(dāng)某一風(fēng)向的風(fēng)速在該臨界線內(nèi)時(shí)，船舶具備動(dòng)力定位能力；當(dāng)其風(fēng)速超過該包絡(luò)線時(shí)，船舶將失去動(dòng)力定位能力。

這種模式下船舶作業(yè)時(shí)，軸帶發(fā)電模式下定位能力仿真結(jié)果見表1。

表1 軸帶發(fā)電模式下定位能力仿真結(jié)果

可適應(yīng)的海況為：風(fēng)向90°時(shí)，風(fēng)速42.9 kn，有義波高6.2 m，流速1.5 kn，完全能夠滿足波斯灣海域7級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，船舶具有較強(qiáng)的動(dòng)力定位能力。

3.2 一機(jī)雙槳工作模式

該模式下僅開啟1臺(tái)主機(jī)通過齒輪箱驅(qū)動(dòng)本側(cè)的全回轉(zhuǎn)和可逆軸帶電機(jī)，該可逆軸帶電機(jī)做PTO，另外一側(cè)的可逆軸帶電機(jī)做PTI。壓裂作業(yè)時(shí)，艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和艏側(cè)推共同作用進(jìn)行動(dòng)力定位。此時(shí)，艉部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器可用功率為350 kW，艏側(cè)推可用功率為500 kW，經(jīng)過仿真計(jì)算，其動(dòng)力定位能力見表2和圖6。

表2 一機(jī)雙槳模式下仿真結(jié)果

圖6 一機(jī)雙槳模式動(dòng)力定位能力

由表2和圖6可以看出，此模式下船舶作業(yè)時(shí)可適應(yīng)的海況為：風(fēng)向90°時(shí)，風(fēng)速34.1 kn，有義波高6.1 m，流速1.5 kn；完全能夠滿足波斯灣海域5～6級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，船舶推進(jìn)系統(tǒng)配置滿足船舶動(dòng)力定位能力的要求。

4 柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

假定本船在進(jìn)行海洋作業(yè)時(shí)，單次作業(yè)時(shí)間為10 h，分別計(jì)算2種模式下的油耗。

4.1 軸帶發(fā)電機(jī)模式

當(dāng)船舶工作在該模式下時(shí)，開啟2臺(tái)主機(jī)，驅(qū)動(dòng)艏側(cè)推及艉部全回轉(zhuǎn)且其每臺(tái)功率為800 kW，考慮齒輪箱及軸系傳遞效率，每臺(tái)柴油機(jī)輸出功率為1 758 kW。同時(shí)，全船其他負(fù)荷500 kW，開啟2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)300 kW，其作業(yè)時(shí)間內(nèi)的油耗見表3。

4.2 一機(jī)雙槳模式

當(dāng)船舶工作在該模式下時(shí)，開啟1臺(tái)主機(jī)，驅(qū)動(dòng)本軸系軸帶電機(jī)做PTO給另外1臺(tái)軸帶電機(jī)PTI及艏側(cè)推，其中艉部全回轉(zhuǎn)舵槳工作功率為350 kW，艏側(cè)推工作功率為500 kW，考慮齒輪箱及軸系傳遞效率，柴油機(jī)輸出功率1 773 kW。同時(shí)，全船其他負(fù)荷500 kW，開啟2臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)300 kW，作業(yè)時(shí)間內(nèi)的油耗見表4。

表3 軸帶發(fā)電機(jī)模式油耗

表4 一機(jī)雙槳模式油耗

可見，由于柴電混合推進(jìn)系統(tǒng)較常規(guī)柴油機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)而言還具備一機(jī)雙槳的工作模式，通過2種模式的合理使用，海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)時(shí)其油耗可得到有效控制，可大大提高作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

[1] 寧波，關(guān)利永，王顯莊，等.海洋油氣增產(chǎn)作業(yè)船現(xiàn)狀分析[J].石油機(jī)械，2011,39(增刊):121-123.

[2] 江懷友，李治平，盧穎等.世界海洋油氣酸化壓裂技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中外能源，2009,14(11):45-49.

[3] 薄玉寶.海上油氣田工程壓裂作業(yè)船及裝備配置技術(shù)探討[J].海洋石油，2014,34(1):98-102.

[4] 中國(guó)船級(jí)社.鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2015.

Design of Diesel-electric Propulsion System for the 9 600 HP Well Stimulation Vessel

DENGYing1,2,WANGXiao-hong1,2,LIUBo1,2,LUJun1,2,HUANGLuo-peng1,2,QINJiang-ping1,2

(1.Wuchang Shipbuilding Industry Co. Ltd., Wuhan 430064, China;2.Chinese Institute of Marine & Offshore Engineering (HB) Co.,Ltd., Wuhan 430063, China)

According to the well stimulation vessel’s characteristic and the environment condition of the Persian gulf, the shaft with diesel-electric propulsion system was introduced and the system configuration and operation modes were analyzed. By using the shaft generator and two screw of one engine mode, the flexibility and the economy of the well stimulation vessel can be increased. The capability simulation results of DP positioning showed that the shaft with diesel-electric propulsion system can meet the requirement of operation.

well stimulation; shaft with diesel-electric propulsion; shaft generator mode; two screw of one engine mode; dynamic positioning; economy

U664.142

A

1671-7953(2017)06-0098-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.022

2017-01-10

2017-02-22

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

鄧穎(1980—)，女，碩士，工程師

研究方向：船舶電氣工程