宋坤

摘 要：雖然近年來(lái)我國(guó)的海工制造企業(yè)增長(zhǎng)迅猛，但是油價(jià)的不斷下挫導(dǎo)致鉆井船的訂單大大減少，對(duì)海工企業(yè)的發(fā)展提出了很大的挑戰(zhàn)，建造海洋生活平臺(tái)成了海工企業(yè)的另一條發(fā)展路線。文章對(duì)電力推進(jìn)技術(shù)獨(dú)有的性能優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了分析，并分析了其在特海洋生活平臺(tái)中應(yīng)用，希望能夠增強(qiáng)我國(guó)海工制造企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：電力推進(jìn)系統(tǒng)；半淺式海洋生活平臺(tái)；應(yīng)用

引言

由啟東中遠(yuǎn)海工負(fù)責(zé)建造的半潛式海洋生活服務(wù)平臺(tái)“高德1號(hào)”全長(zhǎng)95米，型寬67米，型深35.7米，平臺(tái)高度接近60米，采用荷蘭GUSTO MSC公司提供的OCEAN 500船型。平臺(tái)最大吃水20米，最大排水量33000噸，配備目前主流的DP3動(dòng)態(tài)定位系統(tǒng)和8點(diǎn)錨泊輔助定位系統(tǒng)等。平臺(tái)可供750名船員生活居住，并且還預(yù)留240人的生活模塊安裝位置，最多可以容納990人居住。它不僅滿足國(guó)際海事組織船舶噪聲級(jí)規(guī)則和A468（XII）決議，還同時(shí)滿足 DNV（挪威船級(jí)社）、IMO（國(guó)際海事組織）、ILO（國(guó)際勞工組織）和UKCS（英國(guó)大陸架）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以及ABS（美國(guó)船級(jí)社）和美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)規(guī)范要求，是目前世界同類產(chǎn)品中滿足規(guī)范最多、要求最高、設(shè)備設(shè)施最先進(jìn)的半潛式海洋生活服務(wù)平臺(tái)。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)在海洋生活平臺(tái)應(yīng)用的主要優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的海洋生活服務(wù)平臺(tái)的動(dòng)力系統(tǒng)和電力系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的2個(gè)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)一般作為輔助電源，推進(jìn)用柴油機(jī)組直接與帶動(dòng)螺旋槳的軸系相連，為平臺(tái)提供主要推力。電力推進(jìn)作為目前比較先進(jìn)的船舶推進(jìn)方式，它的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在。

（1）大氣污染小，節(jié)約油耗，提高了平臺(tái)的環(huán)保性能和經(jīng)濟(jì)性能。電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心是公共電站，它能夠根據(jù)整個(gè)電纜系統(tǒng)中功率的變化控制發(fā)電機(jī)組的并入和斷開，從而控制單臺(tái)發(fā)電機(jī)組在較高的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，提高發(fā)電機(jī)組的燃油效率。這樣既降低了油耗，也減少了污染物的排放。隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)的日益重視，建造既節(jié)能又環(huán)保的平臺(tái)已經(jīng)成為大家的共識(shí)。

（2）使生活平臺(tái)更加舒適。海洋生活平臺(tái)作為移動(dòng)的“海上賓館”，船東對(duì)平臺(tái)的舒適性要求很高。如果采用常規(guī)的柴油主機(jī)推動(dòng)，在主機(jī)加速或者“突增突卸”的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的噪音和振動(dòng)，這對(duì)生活平臺(tái)來(lái)說(shuō)是不能容忍的缺陷。而在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，柴油機(jī)組只是帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，并不承受來(lái)自螺旋槳的推力，轉(zhuǎn)速基本也是恒定的，這給現(xiàn)場(chǎng)的安裝帶來(lái)很大的便利。例如我們可以將柴油機(jī)安裝在彈性塊上，避免硬性連接，也不用刻意加強(qiáng)機(jī)組底座的強(qiáng)度，這大大降低了生活平臺(tái)的噪音和振動(dòng)。同時(shí)在早期設(shè)計(jì)時(shí)使發(fā)電機(jī)組遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)共振點(diǎn)，減少因推進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)引起共振的可能性。

（3）平臺(tái)有較好的操縱性能。推進(jìn)器由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，便于調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。推進(jìn)電動(dòng)機(jī)無(wú)論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)的扭矩都是不變的，這對(duì)配備全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的生活平臺(tái)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑增加了操控性能。采用電動(dòng)機(jī)的另一個(gè)好處還在于它的調(diào)速是“線性”的，能夠使推進(jìn)器的調(diào)速很平順，就像具備“無(wú)級(jí)調(diào)速”功能的汽車那樣。

（4）使海洋平臺(tái)更加安全。該海洋平臺(tái)配備了6臺(tái)發(fā)電機(jī)，6臺(tái)推進(jìn)器，1-2臺(tái)發(fā)電機(jī)或推進(jìn)器發(fā)生故障，都不會(huì)讓全船陷于癱瘓狀態(tài)一，至少還能保持低速航行。此外，由于發(fā)電機(jī)組一直以恒定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，不像常規(guī)柴油機(jī)組那樣經(jīng)常處于“加速減速，突增突卸”的工況中，故障率比常規(guī)系統(tǒng)的柴油機(jī)組小，使用壽命也有所延長(zhǎng)。

（5）設(shè)備布置更加靈活，平臺(tái)結(jié)構(gòu)得到很好的優(yōu)化。在常規(guī)系統(tǒng)中，為了減少推進(jìn)軸的長(zhǎng)度，機(jī)艙往往需要離推進(jìn)器很近，每個(gè)推進(jìn)器都很分散，增加了機(jī)艙的布置難度，空間也很難得到有效的利用，而在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，機(jī)艙和動(dòng)力設(shè)備的布置能得到很大的改善。例如在“高德一號(hào)”中，總共布置了3個(gè)機(jī)艙，3個(gè)配電間，6個(gè)推進(jìn)器艙。推進(jìn)器艙布置在PONTOON（浮筒），機(jī)艙和配電間布置在DECK BOX（甲班包），從而避免將發(fā)電機(jī)組布置在狹小的浮筒里，減少了施工的難度，使空間得到合理的利用。每個(gè)機(jī)艙和配電間相鄰，減少了電纜敷設(shè)的長(zhǎng)度，降低了平臺(tái)的人工成本和材料成本，平臺(tái)的總體布置也得到優(yōu)化。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)的主要構(gòu)成

如圖1所示，電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備主要由發(fā)電機(jī)組、配電屏、變壓器、變頻器、推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、全回轉(zhuǎn)型推進(jìn)器等組成。下面將對(duì)這些設(shè)備進(jìn)行一一介紹。

2.1 發(fā)電機(jī)與配電屏

“高德一號(hào)”平臺(tái)共配備6臺(tái)“西門子”6.6kV，4800W/6000kVA的發(fā)電機(jī)，由6臺(tái)“瓦錫蘭”柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)。加上3組6.6kV的“西門子”高壓配電屏，組成一個(gè)高壓配電網(wǎng)，作為整個(gè)平臺(tái)電力推進(jìn)系統(tǒng)和其他主要設(shè)備的電源。同時(shí)還有3組440V的中壓配電屏和230V低壓配電屏確保電力的分配。變壓器、變頻器和推進(jìn)電機(jī)的控制電源都是由他們提供的。推進(jìn)器專用的變壓器從6.6kV配電屏得到電源后，通過(guò)變頻器將電力送到推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)推進(jìn)器，從而實(shí)現(xiàn)推進(jìn)系統(tǒng)的動(dòng)力供給。

2.2 高壓變壓器與變頻器

在“高德一號(hào)”項(xiàng)目上，每組高壓配電屏連接2臺(tái)6.6/2*2.2kV，4530kVA的變壓器，每臺(tái)變壓器再與1臺(tái)變頻器（VFD）相連，每組變頻器驅(qū)動(dòng)一臺(tái)推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，保證了每臺(tái)推進(jìn)器的獨(dú)立性。本平臺(tái)采用的西門子公司生產(chǎn)的變頻變壓器和變頻器。變頻變壓器的作用在于能夠?yàn)闉橹懈邏鹤冾l器提供多相整流電源。變頻變壓器是經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)的，能夠與變頻器配合使用，它通過(guò)多個(gè)不同的移相角二次繞組，可以組成等效相數(shù)為9相、12相、18相以及27相等整流變壓器，這主要依據(jù)的是延邊三角形移相原理。整流電源通過(guò)變頻功率單元組合后可以有效抵消諧波干擾，改善變頻器的輸出波形，它還能夠根據(jù)整個(gè)電網(wǎng)的情況調(diào)節(jié)變頻器，保持變頻器和整個(gè)電網(wǎng)的電隔離。

在電力推進(jìn)系統(tǒng)中，還有個(gè)核心設(shè)備就是推進(jìn)變頻器。變頻器不僅能改變電壓，還能改變頻率。對(duì)于大功率的電動(dòng)機(jī)而言，變頻器是不可忽缺的一個(gè)重要設(shè)備，它的主要優(yōu)點(diǎn)在于降低電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，實(shí)現(xiàn)零速零電壓?jiǎn)?dòng)，延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，并且能夠精準(zhǔn)的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩極限，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無(wú)極調(diào)速。變頻調(diào)速是電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心，沒(méi)有變頻器，采用電力推進(jìn)的平臺(tái)將沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)可言。變頻器在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的熱量，一般功率較大的船用變頻器都采用水冷的方式。變頻器內(nèi)部一般有自帶的冷卻單元，與平臺(tái)上專用的推進(jìn)器外部淡水冷卻水管相連，通過(guò)變頻器內(nèi)的熱交換器，來(lái)進(jìn)行冷卻。變頻器的冷卻水一般采用純凈水，變頻器本身還自帶漏水檢測(cè)傳感器，可以避免各種原因?qū)е碌穆┧?/p>

2.3 推進(jìn)電動(dòng)機(jī)

推進(jìn)電動(dòng)機(jī)為推進(jìn)器提供動(dòng)力，需要具備可靠性高，功率大，低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大，高效節(jié)能，可控性好，振動(dòng)噪聲小的特點(diǎn)。目前推進(jìn)電機(jī)種類很多，可大致分為普通電機(jī)和特種電機(jī)兩大類。

普通電機(jī)主要有直流電動(dòng)機(jī)，交流同步電動(dòng)機(jī)和交流異步電動(dòng)機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)由于有換向器和電刷的存在，無(wú)法將功率做的很大；交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，效率高，極限容量大，是目前主流的推進(jìn)電動(dòng)機(jī)；交流同步電機(jī)相對(duì)于異步電機(jī)而言，造價(jià)高，維護(hù)成本高?！案叩乱惶?hào)”采用的就是功率3700KW，轉(zhuǎn)速720轉(zhuǎn)/分的三相異步電動(dòng)機(jī)。

特種電機(jī)主要分為永磁同步電動(dòng)機(jī)和高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)。永磁同步電機(jī)相比交流異步電機(jī)，效率高，功率因數(shù)大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，但是造價(jià)貴，啟動(dòng)困難；高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)體積小、結(jié)構(gòu)緊湊，效率高、噪音小、易維護(hù)、操作靈活、單機(jī)極限容量大，尤其是在低速時(shí)的效率很高，是近年來(lái)各國(guó)爭(zhēng)相研制的新型推進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具有很好的市場(chǎng)前景。

2.4 吊艙式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器

吊艙式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器就是將電動(dòng)機(jī)和螺旋槳直接相連，形成一個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)并懸掛在平臺(tái)的底部，且能360度旋轉(zhuǎn)。這種設(shè)計(jì)最大的好處是取消了舵機(jī)系統(tǒng)和舵機(jī)操縱機(jī)構(gòu)，能夠隨意調(diào)節(jié)推進(jìn)方向。吊艙式推進(jìn)器與傳統(tǒng)推進(jìn)器相比主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠360度旋轉(zhuǎn)，操縱和機(jī)動(dòng)性好，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，安裝維護(hù)方便，并且不占用較多的艙室容積。目前主要分為外置電機(jī)推進(jìn)器和內(nèi)置電機(jī)推進(jìn)器。兩者之間最大的區(qū)別在于內(nèi)置電機(jī)推進(jìn)器是將電動(dòng)機(jī)和螺旋槳軸密封在吊艙中，縮短了電動(dòng)機(jī)和螺旋槳的傳動(dòng)鏈，效率要比外置電機(jī)推進(jìn)器高，結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)單可靠。內(nèi)置電機(jī)推進(jìn)器可以采用海水冷卻，省去了冷卻系統(tǒng)并提高了效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

電力推進(jìn)技術(shù)以其獨(dú)有的性能優(yōu)勢(shì)特別適合在海洋生活平臺(tái)中應(yīng)用，然而由于我國(guó)海工配套技術(shù)的發(fā)展相對(duì)滯后，很多關(guān)鍵設(shè)備都被國(guó)外廠家壟斷，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)的企業(yè)利潤(rùn)很低。如果國(guó)內(nèi)的海工配套企業(yè)能夠在中高壓發(fā)電機(jī)、中高壓配電屏、變頻變壓器、推進(jìn)變頻器和推進(jìn)器等電力推進(jìn)系統(tǒng)的核心設(shè)備上取得突破并實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，必將大大降低海工類平臺(tái)的建造成本，增強(qiáng)我國(guó)海工制造企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。