大型起重鋪管船DP3系統(tǒng)主電站方案設計

劉愛俠，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，近幾十年來有了長足的發(fā)展。在我國，海上平臺吊裝已有許多，現(xiàn)在海上平臺的拆卸也被提上日程，進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發(fā)中不可或缺的重要裝備，隨著我國海上油氣開發(fā)建設和大型海上工程建設向深海的推進，大型起重鋪管船的需求不可忽視。

國家“十三五”重大專項課題“深水鋪管起重船及配套工程技術”主要任務之一是雙6000噸深水起重鋪管船基本設計研究。其為一艘柱穩(wěn)式的多功能半潛式起重鋪管船，船上設置一套J-lay鋪管系統(tǒng)，兩臺全回轉海洋工程重型起重機，全船供電均由船上自有發(fā)電機提供，同時具有自航能力，電力推進。

1 DP3系統(tǒng)主發(fā)電站負荷

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，研究其DP3閉環(huán)系統(tǒng)的主發(fā)電站設計。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)負荷主要用戶

1.2.1 推進器負荷

在進行推進器方案設計前，需先行確定DP等級要求。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)要求船舶達到DP3，鋪管作業(yè)要求船舶達到DP2。鋪管作業(yè)因為鋪設海管時水平力的存在，對推進器的需求更大。經(jīng)初步計算，鋪管作業(yè)若要求達到DP3，則12臺推進器需求為5500kw；鋪管時若只要求DP2，推進器需求為4500kw，兩款推進器價格差別10%～15%。為降低全船初始投資和運營日費率，建議擬建船DP等級為：起重作業(yè)時DP3，鋪管作業(yè)時DP2。推進器布置方案見圖1。

圖1 推進器布置方案

推進器的損失方案：全船共有12臺推進器，設置4個主機艙，每個主機艙連接3臺推進器。當出現(xiàn)最大DP故障時，損失三臺推進器。推進器損失方案見圖2。

圖2 推進器損失方案（損失對角線）

1.2.2 吊機負荷

半潛船配置兩臺主吊機，每臺吊機負荷為4000kW。在推進器故障工況吊機只考慮將正在進行的作業(yè)安全停止所必需的負荷。此工況負荷需求按照吊機正常吊裝作業(yè)的50%考慮。

1.2.3 鋪管設備負荷

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

1.2.4 壓載泵負荷

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

1.2.5 其它負荷

其他用電負荷按照機械設備清單及通風設備進行了統(tǒng)計。對于各種工況，系統(tǒng)的運行方式如下：

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

每兩個主配電板（MV-001+MV-004，MV-002+MV-003）連接成一個匯流排運行，各低壓配電板分開運行。

（2）航行工況

按不同航速下的綜合作業(yè)成本進行分析，如圖3所示。

圖3 單次作業(yè)任務成本

從圖3可以看出，增加航速可以降低每次作業(yè)任務的綜合成本，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)以后基本無變化。

本船自航航速不大于8節(jié)，根據(jù)阻力試驗結果再進行調(diào)整，以8節(jié)為首選航速進行負荷計算。根據(jù)目前的負荷情況，各不同工況下發(fā)電機的負荷率如表2和表3。

表2 半潛式起重鋪管船船吊裝負荷

表3 半潛式起重鋪管船船鋪管、航行負荷

匯流排二總負荷 27892 27900發(fā)電機運行數(shù)量 8×8910 7×8910 4×8910運行發(fā)電機總容量 71280 62370 35640匯流排一發(fā)電機負荷率 79.32% 85.82%匯流排二發(fā)電機負荷率 78.26% 78.29%發(fā)電機負荷率 81.45%

2 主電站機組選擇

2.1 主電站原動機選型

自2015年1月開始，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)國際海事組織相關規(guī)定，新的船舶排放標準將于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機主要有兩種類型：

（1）以LNG為主燃料的多種燃料電站機組。往復式天然氣雙燃料電站機組（燃料為LNG&重油）初始投資費用較高，需要配備專門的氣化裝置和LNG存儲裝置；LNG加注船技術尚不成熟，大部分港口LNG補給設施不配套；LNG儲存系統(tǒng)復雜，布局困難，安裝圓筒形儲罐對艙室空間需求較大；該半潛船為無限航區(qū)，作業(yè)區(qū)域用LNG燃料受限。

排氣中的NOX值小于2g/kWh；可以達到TierIII排放要求。由于需專門的LNG氣化裝置和存儲裝置，故初始投資相對于第一種方案高5%～10%?？紤]到船舶運營和初始投資等方面因素，不推薦此種機型。

（2）以MDO&HFO為主燃料電站機組。以MDO&HFO為主燃料的燃料電站機組各項技術相對成熟，排氣中的NOX值9.6g/kWh左右；配置SCR裝置可達到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的往復式內(nèi)燃機驅(qū)動電站機組作為主電站原動機。

2.2 主電站機組選型

經(jīng)初步電力負荷計算，擬建半潛式起重鋪管船預計總用電負荷約為57MW，考慮DP損失工況和機組負荷率等方面因素，總裝機功率估算約為74MW。經(jīng)對市場上現(xiàn)有主機型號進行初步分析，主機選型有三種方案。

方案一：共設置8臺主機，每個機艙2臺，每臺原動機額定功率9280kw，發(fā)電機功率8910kw；

方案二：共設置8臺主機，每個機艙2臺，每臺原動機額定功率9600kw，發(fā)電機功率9312kw；

方案三：共設置12臺主機，每個機艙3臺，每臺原動機額定功率6000kw，發(fā)電機功率5760kw。

三種方案的綜合分析比較見表4。方案三電站機組共12臺機組，臺數(shù)偏多，占用機艙面積大，初始投資高，機組總重量大，燃料費用高。方案一和方案二相對較合理，均可為此半潛式起重鋪管船主電站方案，即采用8臺電站機組，每個機艙2臺，分布4個機艙。但方案二的電站機組供貨周期相對較長，所以優(yōu)選方案為方案一，即選擇額定功率為9280kw原動機8臺。

表4 半潛式起重鋪管船電站機組方案比選

3 電氣系統(tǒng)方案

為DP配套的電力系統(tǒng)包括發(fā)動機組、主配電板、與推進器供電相適應的變頻器、UPS電源等，它們是保證推進器推力輸出滿足定位要求，保證控制系統(tǒng)電源供應的關鍵。根據(jù)各工況下DP等級需求，整船電力系統(tǒng)將按照閉環(huán)運行的方式進行設計。DP環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)近年來逐漸成熟，并廣泛應用于各類工程船舶上。

相對于常規(guī)的開環(huán)系統(tǒng)，電力系統(tǒng)閉環(huán)運行具有以下優(yōu)勢：

（1）節(jié)約燃油，系統(tǒng)靈活，可根據(jù)實際需求開啟發(fā)動機，減少有害氣體排放；

（2）降低主機運行時間，減少主機維修成本；

（3）加強了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

本起重鋪管船四個主配電板連接成一個匯流排，采用環(huán)網(wǎng)運行方式。推進器功率采用的是設計基礎中列舉的最惡劣海況下的對應數(shù)據(jù)，在常規(guī)海況下，推進器功率會降低，系統(tǒng)中投入的發(fā)電機數(shù)量將相應減少，在上述各工況中，如果投入發(fā)電機數(shù)量不大于4臺，系統(tǒng)均可以采用環(huán)網(wǎng)運行方式。

同時，閉環(huán)運行電網(wǎng)需要進行實船短路電流試驗，會給設備及項目進度帶來一定風險。

綜合考慮后，閉環(huán)運行系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的開環(huán)運行系統(tǒng)具有相對明顯的優(yōu)勢，因此本項目推薦使用閉環(huán)電力系統(tǒng)。結合項目具體需求，本項目推進器系統(tǒng)配電系統(tǒng)圖見圖4。

圖4 推進器配電系統(tǒng)示意圖

4 主機艙布置方案

經(jīng)概念設計階段研究，具備可行性的主機艙布置方案有四機艙和六機艙兩種方案，見圖5。

六機艙方案與四機艙方案相比，最大故障模式DP冗余更小，總裝機功率略低，但是機艙需配置的冗余設備增多，如分油機、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、SCR系統(tǒng)等。綜合比較后，兩個機艙布置方案的整體造價差別不大，但是六機艙方案的電氣、輪機系統(tǒng)設計難度更高，全船電纜布置復雜，建造階段項目風險較高。所以推薦采用系統(tǒng)配置更為簡單的四機艙方案。

圖5 主機艙布置方案

5 結論

（1）SSCV電力系統(tǒng)采用閉環(huán)設計是未來大型船舶主電站設計的趨勢，其最大優(yōu)點是能有效地降低油耗、維護和運營成本。

（2）對于推進器負荷的確定要充分考慮到各種不同的操作工況。

（3）機艙布置要充分考慮到實現(xiàn)DP3的功能分割要求，并盡量集中和簡化系統(tǒng)布置。

（4）發(fā)電機機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。