余 捷，于 超，孫海防，翟 東，劉雷宇

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457）

0 引言

可移動(dòng)平臺(tái)是一種大型海洋裝備，可在不同井位間移動(dòng)，用于海上石油鉆探和生產(chǎn)?？梢苿?dòng)平臺(tái)一般在建造初期投資一套推進(jìn)系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)場，或者不配備動(dòng)力系統(tǒng)，單純依靠拖輪拖航以實(shí)現(xiàn)其在多個(gè)作業(yè)場景間轉(zhuǎn)場的工作需求[1]。但是如果配備推進(jìn)系統(tǒng)的可移動(dòng)平臺(tái)，長時(shí)間不轉(zhuǎn)換作業(yè)地點(diǎn)，那么就會(huì)造成推進(jìn)系統(tǒng)使用率的低下，導(dǎo)致建設(shè)成本過高和資源浪費(fèi)；可移動(dòng)平臺(tái)不帶動(dòng)力系統(tǒng)，則依靠拖輪拖航實(shí)現(xiàn)多個(gè)作業(yè)場景間轉(zhuǎn)場，從而造成投資和生產(chǎn)成本累計(jì)增加[2]。當(dāng)前石油行業(yè)受到全球疫情影響，油價(jià)低迷的現(xiàn)狀使各大石油企業(yè)不得不采取措施降本增效，若可移動(dòng)平臺(tái)配備由舵槳系統(tǒng)和其動(dòng)力系統(tǒng)組成的助航系統(tǒng)，由助航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)短距離不同作業(yè)場景的轉(zhuǎn)場，而在不需要使用的時(shí)候可拆卸助航系統(tǒng)以節(jié)省平臺(tái)空間，從而降低生產(chǎn)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前針對(duì)可移動(dòng)平臺(tái)助航系統(tǒng)僅有甲板搭載型舵槳裝置的研究，雖然能夠靈活拆裝，但是占據(jù)甲板空間大，需要在甲板上預(yù)留鉆孔，露天的布置對(duì)舵槳裝置的壽命損害較大,且轉(zhuǎn)軸軸距長，推進(jìn)效率低。本文通過對(duì)比分析，總結(jié)了多種推進(jìn)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)器布置方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)助航系統(tǒng)進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，在滿足平臺(tái)轉(zhuǎn)場需求的同時(shí)切實(shí)達(dá)到了降低生產(chǎn)成本、布置靈活、節(jié)省平臺(tái)空間的目的。

1 助航推進(jìn)系統(tǒng)選型

為了滿足作業(yè)需求，可移動(dòng)平臺(tái)需要具有良好的機(jī)動(dòng)性能和定位功能。當(dāng)前應(yīng)用在船舶上的推進(jìn)系統(tǒng)大多為全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)，可向全方位發(fā)出推力，使船舶可向四周任意角度轉(zhuǎn)向，也有應(yīng)用于高速船舶的表面舵槳推進(jìn)系統(tǒng)，舵槳受到的水阻力小，推進(jìn)效率高。

1.1 全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)是將原動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率通過機(jī)械轉(zhuǎn)軸將動(dòng)力傳遞給舵槳單元，同時(shí)可以通過轉(zhuǎn)舵電機(jī)發(fā)出指令控制螺旋槳的前進(jìn)方向[3]，實(shí)現(xiàn)任意的四周轉(zhuǎn)向，從而使螺旋槳在任何方向上均可以獲得最大推力。

全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)有船舶操縱性好、制動(dòng)距離短、機(jī)動(dòng)性能好，加減速性能優(yōu)越、轉(zhuǎn)舵性能優(yōu)越、維護(hù)成本低[4]?？偨Y(jié)特性如表1所示。

表1 全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)特性

1.2 表面槳推進(jìn)系統(tǒng)

表面槳推進(jìn)系統(tǒng)是一種有部分螺旋槳葉露于水面上的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)大多用于淺水區(qū)域船舶航行，經(jīng)過多年的改進(jìn)，由于其推進(jìn)效率高、所受阻力的特性，現(xiàn)在表面槳推進(jìn)系統(tǒng)大多用于高速航行的船舶[5]。

船只在航行中，若采用常規(guī)的螺旋槳，槳葉會(huì)受到海水腐蝕、水中氣流阻力的影響[6]。而采用表面槳葉，可以減少海水對(duì)槳葉的腐蝕，一部分暴露在空氣中的槳葉可以不受水流阻力的影響，最大化提高推進(jìn)效率。

1.3 推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)比

根據(jù)可移動(dòng)平臺(tái)對(duì)推力和航速性能要求以及具有DP定位要求，表面槳推進(jìn)系統(tǒng)更適用于高速航行的船舶，而全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)占據(jù)空間小、安裝簡單、維護(hù)成本低，特別是該系統(tǒng)集成程度高，并且都在廠家車間內(nèi)進(jìn)行調(diào)試和裝配，可以減少在船廠安裝舵槳時(shí)的工作量，更符合可移動(dòng)平臺(tái)助航系統(tǒng)的實(shí)際需求。

1.4 推進(jìn)系統(tǒng)集成化可拆裝設(shè)計(jì)

可移動(dòng)平臺(tái)在作業(yè)場地定位生產(chǎn)時(shí)并不需要使用推進(jìn)系統(tǒng)，而傳統(tǒng)的推進(jìn)系統(tǒng)放置于船艙中無法拆卸，占據(jù)了大量空間，作業(yè)時(shí)降低了平臺(tái)的空間利用率。通過對(duì)比將全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)中的傳動(dòng)模塊、轉(zhuǎn)舵模塊、潤滑模塊、零舵角模塊、舵角反饋模塊、應(yīng)急舵角操作模塊集成在舵槳推進(jìn)器上的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)，便于拆裝、吊裝，可以減少平臺(tái)作業(yè)時(shí)占用空間，也更便于安裝，減少工作量。舵槳各模塊集成優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 舵槳各模塊集成與分置設(shè)計(jì)優(yōu)缺點(diǎn)

2 助航動(dòng)力系統(tǒng)選型

由于可移動(dòng)平臺(tái)需要在不同的作業(yè)場景下進(jìn)行轉(zhuǎn)場，適應(yīng)多種作業(yè)環(huán)境下的工況，其動(dòng)力系統(tǒng)要擁有高機(jī)動(dòng)性、操控性和足夠的定位精度?；诠?jié)能和減排的考慮，動(dòng)力系統(tǒng)在保證足夠推進(jìn)性能的情況下，又要提高經(jīng)濟(jì)效益，降低生產(chǎn)成本。

2.1 柴油機(jī)直驅(qū)

柴油機(jī)直驅(qū)動(dòng)力系統(tǒng)一般采取Z 型傳動(dòng)總成設(shè)計(jì)，通過高彈性聯(lián)軸節(jié)、中間軸、萬向軸、離合器及全回轉(zhuǎn)上下齒輪箱內(nèi)兩對(duì)螺旋錐齒輪傳遞到螺旋槳產(chǎn)生推力[7]，能夠通過控制手柄完成全回轉(zhuǎn)控制、主機(jī)轉(zhuǎn)速控制以及槳葉正反轉(zhuǎn)控制。

采用柴油機(jī)直驅(qū)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，管理、維護(hù)方便，在設(shè)計(jì)工況下效率高。其缺點(diǎn)是當(dāng)處于非設(shè)計(jì)工況時(shí)，系統(tǒng)效率低，油耗高。

2.2 發(fā)電機(jī)-電機(jī)驅(qū)動(dòng)

發(fā)電機(jī)-電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是將船舶動(dòng)力用電和船載設(shè)備用電集成統(tǒng)一的動(dòng)力系統(tǒng)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況可將動(dòng)力推進(jìn)和設(shè)備能耗用電進(jìn)行綜合統(tǒng)籌調(diào)度，各發(fā)電機(jī)組能夠有序運(yùn)轉(zhuǎn)，既節(jié)約了電能又能充分保障船舶推進(jìn)動(dòng)力需求，同時(shí)還使各動(dòng)力機(jī)組運(yùn)行在最佳工況下，是一種高性價(jià)比的動(dòng)力推進(jìn)方案[8]。

采用發(fā)電機(jī)-電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是較高的設(shè)備可靠性、穩(wěn)定性、易維護(hù)性以及良好的經(jīng)濟(jì)性[9]。由于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，不需要柴油機(jī)直驅(qū)時(shí)用于連接主機(jī)的推進(jìn)軸，極大地提高了主機(jī)布置的靈活性和船舶推進(jìn)的安靜性[10]。同時(shí)鑒于此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)高速摩擦組件較少，電機(jī)維護(hù)便捷，因此其綜合使用壽命可達(dá)4萬h以上。

2.3 動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)比

考慮到可移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)工況多變，使用柴油機(jī)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)效率低且油耗過高，增加生產(chǎn)成本，而電機(jī)驅(qū)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速，具有一定的靈活性，因此建議采用發(fā)電機(jī)-電機(jī)驅(qū)動(dòng)作為動(dòng)力系統(tǒng)。

3 助航系統(tǒng)舵槳推進(jìn)器布置選型

1.1節(jié)已經(jīng)提到將全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行集成化可拆裝設(shè)計(jì)，節(jié)省生產(chǎn)時(shí)所占平臺(tái)空間。在此通過對(duì)主流的3 種舵槳推進(jìn)器布置形式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比，選型出最便于拆裝、占據(jù)空間小且滿足需求的舵槳推進(jìn)器布置方式。

3.1 甲板組合型舵槳推進(jìn)器

甲板組合型舵槳推進(jìn)器是一種集成原動(dòng)機(jī)、齒輪箱、軸系、舵槳單元、遙控系統(tǒng)的推進(jìn)器模式，主機(jī)、齒輪箱、軸系、控制系統(tǒng)均集成在集裝箱罩殼內(nèi)，該形式舵槳主要放在主甲板上面，常應(yīng)用于舊船改造以及原船沒有動(dòng)力后續(xù)加裝推進(jìn)器的船型上。如圖1所示。

圖1 甲板組合型舵槳推進(jìn)器

甲板組合型舵槳推進(jìn)器集成化高，安裝模塊單元比較少。但是相比艙內(nèi)推進(jìn)器，占用主甲板比較大的面積，由于整體均放在甲板上面，按照船規(guī)要求，電機(jī)、變頻器、本地控制箱需要單獨(dú)放置在一個(gè)處所內(nèi)，對(duì)集裝箱的防腐要求高[11]，對(duì)電機(jī)，變頻器啟動(dòng)柜、控制箱等等的絕緣等級(jí)要求高，所帶來的成本高，同時(shí)對(duì)甲板的壽命有影響。如果選用甲板組合型舵槳推進(jìn)器，集裝箱密封性能要大大提高，而且電機(jī)輸入軸距離槳葉中心線加大，運(yùn)行效率低，對(duì)推進(jìn)器的壽命是一個(gè)考驗(yàn)。

3.2 L型舵槳推進(jìn)器

L 型舵槳推進(jìn)器是一種集成電機(jī)、高彈、舵槳單元、遙控系統(tǒng)的推進(jìn)器模式，主電機(jī)垂直放置，直接安裝在舵槳單元上部[12]，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)下齒輪箱的一對(duì)螺旋傘齒輪進(jìn)行力的傳遞。該形式舵槳主要放在船艙內(nèi)部。

L 型舵槳推進(jìn)器沒有上齒輪箱,電機(jī)垂直放置，電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)下面的一對(duì)螺旋傘齒輪進(jìn)行力的傳遞，如圖2所示。L 型舵槳推進(jìn)器布置方式水平空間要求小，電機(jī)底座坐落在舵槳上面，傳動(dòng)效率高，但是在垂直方向需要比較大的安裝空間，由于船艙高度有限，采用L 型布置容易導(dǎo)致維修操作空間過小。

圖2 L型舵槳推進(jìn)器

3.3 Z型舵槳推進(jìn)器

Z 型舵槳推進(jìn)器是一種集成原動(dòng)機(jī)、高彈、舵槳單元、遙控系統(tǒng)的推進(jìn)器模式，舵槳包含上下兩對(duì)螺傘，動(dòng)力輸入水平，主電機(jī)與舵槳間彈性軸連接[13]。該形式舵槳主要放在船艙內(nèi)部，是目前應(yīng)用最廣泛的一種舵槳推進(jìn)器。

Z型舵槳推進(jìn)器包含上、下2對(duì)螺傘，主電機(jī)與舵槳間彈性軸連接，如圖3 所示。Z 型舵槳推進(jìn)器應(yīng)用最廣泛，與電機(jī)彈性連接，運(yùn)行效率損失不大，鑒于電機(jī)水平放置，擁有足夠的維修空間，電機(jī)與舵槳彈性連接的方式也更便于拆裝。

圖3 Z型舵槳推進(jìn)器

3.4 推進(jìn)器對(duì)比

結(jié)合可移動(dòng)平臺(tái)的艙內(nèi)布局，通過對(duì)比，Z 型舵槳推進(jìn)器在性能、效率、空間結(jié)構(gòu)等方面具有一定的綜合優(yōu)勢，滿足平臺(tái)轉(zhuǎn)場需求的同時(shí)節(jié)省了船艙內(nèi)部空間，可使平臺(tái)高效轉(zhuǎn)場，同時(shí)安裝拆卸簡單，可以將整套推進(jìn)器拆卸，或是重新利用到其他作業(yè)平臺(tái)上，提高利用率。3種推進(jìn)器布置的對(duì)比如表3所示。

4 結(jié)束語

隨著疫情在全球的蔓延，石油生產(chǎn)企業(yè)不得不降低生產(chǎn)成本來應(yīng)對(duì)油價(jià)不斷下跌的趨勢。此前可移動(dòng)平臺(tái)的轉(zhuǎn)場大多通過拖航或自帶推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)成本較高，轉(zhuǎn)場速度慢，相比而言，采用Z型布置、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、可拆裝的助航系統(tǒng)，在平臺(tái)轉(zhuǎn)場時(shí)可節(jié)省等待拖輪的時(shí)間，擁有更高的推進(jìn)效率，并大幅度降低拖航成本，在生產(chǎn)時(shí)能夠通過舵槳實(shí)現(xiàn)DP定位，還可通過平臺(tái)吊機(jī)拆卸助航系統(tǒng)，節(jié)省平臺(tái)空間和船舶吊裝成本。隨著可移動(dòng)平臺(tái)在海洋石油行業(yè)中的發(fā)展，本文提出的可拆裝助航系統(tǒng)將會(huì)具備十分廣闊的市場應(yīng)用空間。

表3 推進(jìn)器布置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比