劉愛(ài)俠，馮慶斌，劉純青

（海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451）

隨著海洋石油開(kāi)發(fā)、大型海上工程和海難救助事業(yè)的發(fā)展，大型起重船舶作為不可缺少的工程船舶，近幾十年來(lái)有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在我國(guó)，海上平臺(tái)吊裝已有許多，現(xiàn)在海上平臺(tái)的拆卸也被提上日程，進(jìn)行這些工程最主要的裝備就是大型起重船。大型起重船作為海洋油氣田開(kāi)發(fā)中不可或缺的重要裝備，隨著我國(guó)海上油氣開(kāi)發(fā)建設(shè)和大型海上工程建設(shè)向深海的推進(jìn)，大型起重鋪管船的需求不可忽視。

國(guó)家“十三五”重大專(zhuān)項(xiàng)課題“深水鋪管起重船及配套工程技術(shù)”主要任務(wù)之一是雙6000噸深水起重鋪管船基本設(shè)計(jì)研究。其為一艘柱穩(wěn)式的多功能半潛式起重鋪管船，船上設(shè)置一套J-lay鋪管系統(tǒng)，兩臺(tái)全回轉(zhuǎn)海洋工程重型起重機(jī)，全船供電均由船上自有發(fā)電機(jī)提供，同時(shí)具有自航能力，電力推進(jìn)。

1 DP3系統(tǒng)主發(fā)電站負(fù)荷

1.1 研究船舶主尺度

以雙6000噸深水半潛起重鋪管船為基礎(chǔ)，研究其DP3閉環(huán)系統(tǒng)的主發(fā)電站設(shè)計(jì)。該船舶的主體尺度如表1。

表1 雙6000噸深水起重鋪管船主尺度

1.2 電站系統(tǒng)負(fù)荷主要用戶(hù)

1.2.1 推進(jìn)器負(fù)荷

在進(jìn)行推進(jìn)器方案設(shè)計(jì)前，需先行確定DP等級(jí)要求。擬建半潛船的主要功能為深水鋪管和起重，經(jīng)調(diào)研，一般深水起重作業(yè)要求船舶達(dá)到DP3，鋪管作業(yè)要求船舶達(dá)到DP2。鋪管作業(yè)因?yàn)殇佋O(shè)海管時(shí)水平力的存在，對(duì)推進(jìn)器的需求更大。經(jīng)初步計(jì)算，鋪管作業(yè)若要求達(dá)到DP3，則12臺(tái)推進(jìn)器需求為5500kw；鋪管時(shí)若只要求DP2，推進(jìn)器需求為4500kw，兩款推進(jìn)器價(jià)格差別10%～15%。為降低全船初始投資和運(yùn)營(yíng)日費(fèi)率，建議擬建船DP等級(jí)為：起重作業(yè)時(shí)DP3，鋪管作業(yè)時(shí)DP2。推進(jìn)器布置方案見(jiàn)圖1。

圖1 推進(jìn)器布置方案

推進(jìn)器的損失方案：全船共有12臺(tái)推進(jìn)器，設(shè)置4個(gè)主機(jī)艙，每個(gè)主機(jī)艙連接3臺(tái)推進(jìn)器。當(dāng)出現(xiàn)最大DP故障時(shí)，損失三臺(tái)推進(jìn)器。推進(jìn)器損失方案見(jiàn)圖2。

圖2 推進(jìn)器損失方案（損失對(duì)角線(xiàn)）

1.2.2 吊機(jī)負(fù)荷

半潛船配置兩臺(tái)主吊機(jī)，每臺(tái)吊機(jī)負(fù)荷為4000kW。在推進(jìn)器故障工況吊機(jī)只考慮將正在進(jìn)行的作業(yè)安全停止所必需的負(fù)荷。此工況負(fù)荷需求按照吊機(jī)正常吊裝作業(yè)的50%考慮。

1.2.3 鋪管設(shè)備負(fù)荷

半潛船配置一套J-LAYER鋪管設(shè)備，設(shè)備總負(fù)荷為5500kW。在推進(jìn)器故障工況（選定CASE12），負(fù)荷需求按照正常鋪管作業(yè)的50%考慮。

1.2.4 壓載泵負(fù)荷

半潛船共配置10臺(tái)壓載泵及4臺(tái)壓載空壓機(jī)，按照作業(yè)工況的需求進(jìn)行投運(yùn)。

1.2.5 其它負(fù)荷

其他用電負(fù)荷按照機(jī)械設(shè)備清單及通風(fēng)設(shè)備進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。對(duì)于各種工況，系統(tǒng)的運(yùn)行方式如下：

（1）正常吊裝（動(dòng)力定位），吊裝DP3故障工況，正常鋪管（動(dòng)力定位），鋪管DP2故障工況：

每?jī)蓚€(gè)主配電板（MV-001+MV-004，MV-002+MV-003）連接成一個(gè)匯流排運(yùn)行，各低壓配電板分開(kāi)運(yùn)行。

（2）航行工況

按不同航速下的綜合作業(yè)成本進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 單次作業(yè)任務(wù)成本

從圖3可以看出，增加航速可以降低每次作業(yè)任務(wù)的綜合成本，在航速4節(jié)到8節(jié)的區(qū)間較為明顯，大于8節(jié)以后變化較小，大于10節(jié)以后基本無(wú)變化。

本船自航航速不大于8節(jié)，根據(jù)阻力試驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行調(diào)整，以8節(jié)為首選航速進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算。根據(jù)目前的負(fù)荷情況，各不同工況下發(fā)電機(jī)的負(fù)荷率如表2和表3。

表2 半潛式起重鋪管船船吊裝負(fù)荷

表3 半潛式起重鋪管船船鋪管、航行負(fù)荷

匯流排二總負(fù)荷 27892 27900發(fā)電機(jī)運(yùn)行數(shù)量 8×8910 7×8910 4×8910運(yùn)行發(fā)電機(jī)總?cè)萘?71280 62370 35640匯流排一發(fā)電機(jī)負(fù)荷率 79.32% 85.82%匯流排二發(fā)電機(jī)負(fù)荷率 78.26% 78.29%發(fā)電機(jī)負(fù)荷率 81.45%

2 主電站機(jī)組選擇

2.1 主電站原動(dòng)機(jī)選型

自2015年1月開(kāi)始，北美及北歐硫化物排放控制區(qū)（ECA）內(nèi)船舶，船用燃料含硫量上限已從1%大幅縮減至0.1%。根據(jù)國(guó)際海事組織相關(guān)規(guī)定，新的船舶排放標(biāo)準(zhǔn)將于2020年施行。

按照可燃用的燃料，半潛式起重鋪管船可選用的主電站原動(dòng)機(jī)主要有兩種類(lèi)型：

（1）以L(fǎng)NG為主燃料的多種燃料電站機(jī)組。往復(fù)式天然氣雙燃料電站機(jī)組（燃料為L(zhǎng)NG&重油）初始投資費(fèi)用較高，需要配備專(zhuān)門(mén)的氣化裝置和LNG存儲(chǔ)裝置；LNG加注船技術(shù)尚不成熟，大部分港口LNG補(bǔ)給設(shè)施不配套；LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)復(fù)雜，布局困難，安裝圓筒形儲(chǔ)罐對(duì)艙室空間需求較大；該半潛船為無(wú)限航區(qū)，作業(yè)區(qū)域用LNG燃料受限。

排氣中的NOX值小于2g/kWh；可以達(dá)到TierIII排放要求。由于需專(zhuān)門(mén)的LNG氣化裝置和存儲(chǔ)裝置，故初始投資相對(duì)于第一種方案高5%～10%?？紤]到船舶運(yùn)營(yíng)和初始投資等方面因素，不推薦此種機(jī)型。

（2）以MDO&HFO為主燃料電站機(jī)組。以MDO&HFO為主燃料的燃料電站機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)相對(duì)成熟，排氣中的NOX值9.6g/kWh左右；配置SCR裝置可達(dá)到TierIII排放要求。此燃料加注不受航區(qū)限制，推薦選用燃料為MDO&HFO的往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)電站機(jī)組作為主電站原動(dòng)機(jī)。

2.2 主電站機(jī)組選型

經(jīng)初步電力負(fù)荷計(jì)算，擬建半潛式起重鋪管船預(yù)計(jì)總用電負(fù)荷約為57MW，考慮DP損失工況和機(jī)組負(fù)荷率等方面因素，總裝機(jī)功率估算約為74MW。經(jīng)對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)有主機(jī)型號(hào)進(jìn)行初步分析，主機(jī)選型有三種方案。

方案一：共設(shè)置8臺(tái)主機(jī)，每個(gè)機(jī)艙2臺(tái)，每臺(tái)原動(dòng)機(jī)額定功率9280kw，發(fā)電機(jī)功率8910kw；

方案二：共設(shè)置8臺(tái)主機(jī)，每個(gè)機(jī)艙2臺(tái)，每臺(tái)原動(dòng)機(jī)額定功率9600kw，發(fā)電機(jī)功率9312kw；

方案三：共設(shè)置12臺(tái)主機(jī)，每個(gè)機(jī)艙3臺(tái)，每臺(tái)原動(dòng)機(jī)額定功率6000kw，發(fā)電機(jī)功率5760kw。

三種方案的綜合分析比較見(jiàn)表4。方案三電站機(jī)組共12臺(tái)機(jī)組，臺(tái)數(shù)偏多，占用機(jī)艙面積大，初始投資高，機(jī)組總重量大，燃料費(fèi)用高。方案一和方案二相對(duì)較合理，均可為此半潛式起重鋪管船主電站方案，即采用8臺(tái)電站機(jī)組，每個(gè)機(jī)艙2臺(tái)，分布4個(gè)機(jī)艙。但方案二的電站機(jī)組供貨周期相對(duì)較長(zhǎng)，所以?xún)?yōu)選方案為方案一，即選擇額定功率為9280kw原動(dòng)機(jī)8臺(tái)。

表4 半潛式起重鋪管船電站機(jī)組方案比選

3 電氣系統(tǒng)方案

為DP配套的電力系統(tǒng)包括發(fā)動(dòng)機(jī)組、主配電板、與推進(jìn)器供電相適應(yīng)的變頻器、UPS電源等，它們是保證推進(jìn)器推力輸出滿(mǎn)足定位要求，保證控制系統(tǒng)電源供應(yīng)的關(guān)鍵。根據(jù)各工況下DP等級(jí)需求，整船電力系統(tǒng)將按照閉環(huán)運(yùn)行的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。DP環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)近年來(lái)逐漸成熟，并廣泛應(yīng)用于各類(lèi)工程船舶上。

相對(duì)于常規(guī)的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）節(jié)約燃油，系統(tǒng)靈活，可根據(jù)實(shí)際需求開(kāi)啟發(fā)動(dòng)機(jī)，減少有害氣體排放；

（2）降低主機(jī)運(yùn)行時(shí)間，減少主機(jī)維修成本；

（3）加強(qiáng)了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本起重鋪管船四個(gè)主配電板連接成一個(gè)匯流排，采用環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式。推進(jìn)器功率采用的是設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中列舉的最?lèi)毫雍r下的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，在常規(guī)海況下，推進(jìn)器功率會(huì)降低，系統(tǒng)中投入的發(fā)電機(jī)數(shù)量將相應(yīng)減少，在上述各工況中，如果投入發(fā)電機(jī)數(shù)量不大于4臺(tái)，系統(tǒng)均可以采用環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式。

同時(shí)，閉環(huán)運(yùn)行電網(wǎng)需要進(jìn)行實(shí)船短路電流試驗(yàn)，會(huì)給設(shè)備及項(xiàng)目進(jìn)度帶來(lái)一定風(fēng)險(xiǎn)。

綜合考慮后，閉環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的開(kāi)環(huán)運(yùn)行系統(tǒng)具有相對(duì)明顯的優(yōu)勢(shì)，因此本項(xiàng)目推薦使用閉環(huán)電力系統(tǒng)。結(jié)合項(xiàng)目具體需求，本項(xiàng)目推進(jìn)器系統(tǒng)配電系統(tǒng)圖見(jiàn)圖4。

圖4 推進(jìn)器配電系統(tǒng)示意圖

4 主機(jī)艙布置方案

經(jīng)概念設(shè)計(jì)階段研究，具備可行性的主機(jī)艙布置方案有四機(jī)艙和六機(jī)艙兩種方案，見(jiàn)圖5。

六機(jī)艙方案與四機(jī)艙方案相比，最大故障模式DP冗余更小，總裝機(jī)功率略低，但是機(jī)艙需配置的冗余設(shè)備增多，如分油機(jī)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)等。綜合比較后，兩個(gè)機(jī)艙布置方案的整體造價(jià)差別不大，但是六機(jī)艙方案的電氣、輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度更高，全船電纜布置復(fù)雜，建造階段項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)較高。所以推薦采用系統(tǒng)配置更為簡(jiǎn)單的四機(jī)艙方案。

圖5 主機(jī)艙布置方案

5 結(jié)論

（1）SSCV電力系統(tǒng)采用閉環(huán)設(shè)計(jì)是未來(lái)大型船舶主電站設(shè)計(jì)的趨勢(shì)，其最大優(yōu)點(diǎn)是能有效地降低油耗、維護(hù)和運(yùn)營(yíng)成本。

（2）對(duì)于推進(jìn)器負(fù)荷的確定要充分考慮到各種不同的操作工況。

（3）機(jī)艙布置要充分考慮到實(shí)現(xiàn)DP3的功能分割要求，并盡量集中和簡(jiǎn)化系統(tǒng)布置。

（4）發(fā)電機(jī)機(jī)組的選型要充分考慮不同海域燃料加注的可行性和排放要求等制約因素。