深海工作船混合动力推进系统的应用蓝色带上传

1、深海工作船混合动力推进系统的应用与推广摘要在严峻的全球经济环境下，全球能源行业依旧持续活跃，作为未来发展方向的海洋油气、风电等工程也越来越受到能源公司的关注，从而带动了海洋工程船的快速发展。为满足近代海洋工程如油气开采、风机安装等活动的需求，海洋工程船通常都装备了满足特殊功能要求的机械和专用设备系统，一般可提供海上/水下工程施工、拖航、锚作、清污、消防、维护、铺管、修井、运送人员与物资等服务。传统的海洋工程船有两种，分别为平台供应船（PSV）和三用工作船（AHTS）。PSV的主要职责是为海上作业的所有固定和浮式设施运送各类物资，提供后勤保障，AHTS的主要职责是为钻井平台的钻井作业提供拖航、就

2、位起抛锚和物资供应服务。随着近年来海洋能源开发力度的持续加强，对其而言不可或缺的海洋工程船也在不断发展，一些新船型相继出现，旧船型也在不断改善自身能力。其中，为了最大限度地提升船舶的使用效率，多功能/多任务成为如今的发展趋势之一，除了AHTS这一老牌多用途船外，还出现了多功能供应船（MPSV）、多功能服务船（MRSV）等带有明显多功能标志的船型。此外，一些诸如PSV的船型也通过技术改进增添了不少特殊功能。深海多功能工作船（MPV）主要功能为水下起重（升沉补偿功能吊机）、铺管、铺缆、潜水支持、ROV支持、平台支持、水下干涉、修井、勘探、海上车间、对外消防等，应用范围为浮式系统锚系安装、水下生产系

3、统安装、立管、海管、脐带管、软管安装、水下设施I.M.R、水下修井、勘探、FPSO联接与调试、平台看护与补给等。单一采用柴油机推进或者电力推进无法满足多工况的需求，更不能确保船舶动力系统各部分都能够运行在高效率工作区间。混合动力定位推进系统具备柴油机机械推进和电力推进两者的优点，但也包含两者的缺点。实现动力系统的最优耦合，是工程领域亟待解决的问题。因此，本文基于船舶动力系统的理论，针对深海多功能工作船的混合动力推进系统进行了详细分析，研究其推广的主要策略，对于提高船舶的动力性、经济性和操纵性具有十分重要的意义。关键词：深海工作船；混合动力推进系统；推广目录一、绪论2（一）研究背景3（二） 研究

4、意义4（三） 研究内容及方法4（四） 国内外研究现状51、国外研究现状52、国内研究现状8二、深海多功能工作船发展现状8（一）国外应用及设计制造现状8（二） 国内应用及设计制造现状10（三）深海多功能工作船需求发展趋势111、较强的环境适应能力112、 作业性能更好123、 节能减排12（四） 深海多功能工作船技术发展趋势121、模块化设计和制造技术广泛采用122、船体设计采用创新概念123、动力推进系统向全电动方向发展134、专项作业系统向集成化、智能化方向发展13三、深海工作船混合动力推进系统概述13（一）机械推进系统13（二） 电力推进系统151、电力推进系统的组成概述152、电力推进系

5、统的分类163、电力推进的一些关键问题17（三） 混合动力推进系统19（四） 各推进系统性能对比19（五） 混合动力推进系统的技术方案创新以及实例分析211、电力/机械推进功率分配合理212、机桨配合的优化213、实例分析21四、深海工作船混合动力推进系统应用的现状分析22（一）国外应用现状22（二）国内应用现状27五、深海工作船混合动力推进系统的推广29（一）推广基本原则29（二）主要任务及发展阶段29（三）推广需解决的难题30（四）推广的具体措施30（五）目标预期31六、结论及下一步研究计划32（一）结论32（二）下一步研究计划32参考文献32致谢32一、绪论（一）研究背景现代社会，仅有的

6、陆上资源己经满足不了人们对不断提升的能源需求的满足了。重心逐步从陆地向海洋转移是现阶段资源开发的重心所在。海洋石油的产量占世界石油较大的比重，而且占有率在未来还会持续上涨。而且在工业发展较快的现代社会，油气资源的需求肯定会逐年增加因此与海洋石油勘探、采集关系密切的海工市场定会拥有广阔的市场前景。据统计，世界海洋石油蕴藏量约1000亿吨，其中己探明的储量约有380亿吨。中国蓝色国土存在富饶的油气资源，渤海、东海等海域的油气资源已经得到广泛的开发。近年来，随着勘探技术水平的提高，我国南海海域的油气资源逐渐被探明，己经成为公认的油气宝库，享有“第二个波斯湾”的美誉，其已探明油气储量高达152亿吨油当

7、量。2010年，我国海洋油气产量达5100万吨油当量。其中，当年全国新增石油产量的80%来自海洋。进入“十二五”后，我国加快了海洋石油产业由陆地向海洋区域延伸的布局，力争海洋油气产量由2010年的5000万吨增加到1亿吨的目标。因此，开发南海油气资源特别是深水油气资源已经是我国的重要战略举措之一。海洋油气资源的开发需要先进的海洋工程技术和装备作支撑，为海洋工程服务的辅助船舶的需求数量也在不断增加。海洋工程船可以定义为参与海上能源开发的特殊船舶，包括居住船、钻井船、平台供应船等多种类型的船舶。海洋石油开采与传统的陆上石油开采相比海洋石油开采装备所处的环境情况比陆上开采是的环境更加恶劣，海上有各种

8、复杂的天气情况也会对平台的安全生产构成严重的威胁。而随着油气产业向着更深水域的发展，我们需要更加先进的技术和大量先进的设备去克服深海水域更加恶劣的环境。海洋工程制造对发展海洋事业起着基础的作用，海洋产业竞争力的强弱在这上面得到了重要的体现。船舶推进系统是船舶的主要动力系统，相当于心脏对于人体的作用，船舶上人员的安全于正常作业，设备的安全运行都离不开它。随着柴油机推进技术的发展，而且现阶段柴油机推进仍然占有绝对的主导地位，其各个方面的发展也趋于成熟，发展前景相比以前逐渐下降。此时，必然会诞生一种新的推进技术来代替旧的柴油机推动，这样才能带动船舶推进技术的发展与前进，因此电力推进技术便随着诞生了。

9、而且随着各种先进控制理论与现代软硬件技术的结合于发展，各种关于电机的控制理论日渐成熟。这样船舶电力推进技术在这些理论与技术的推动下取得了快速的发展，而且在船舶行业的应用日趋广泛，应用前景好。随着现代经济社会工业和技术的发展，近些年来电力推进取得了较大的发展。随着海工行业景气，海上石油勘探发展迅速，由于海洋工程船舶特殊的工作环境，对推进装置要求高，因而其采用电力推进是理所当然的。船舶电力推进方式使用的历史较早，大概在100多年前就有使用的记录，其最早的推进方式是采用直流电动机推进，直流电机推动的有点就是调速系统性能优越而且结构简单，但是直流电动机中有电刷和换向装置，电机的总体结构复杂，维护起来不

10、方便，而且运行时容易产生电火花。因而其使用的场所有限，相比交流电机其体积大、重量大而且价格较高。随着现代科学的发展，交流电机的电力推进技术开始更多的应用与实际中，这些都得益于现代电子与电力技术、交流电机的调速技术、永磁电机理论及其控制技术的发展。近几十年来，电力推进得到了广泛的应用，这些都与它相比于传统推进方式的优越性有很大的关系。（2） 研究意义 近年来，面对石油资源短缺和环境污染的两大挑战，发动机燃用清洁的代用燃料是解决此挑战的有效途径。目前传统破冰船使用的是柴油发动机推进系统，其优点是启动速度快、运转性能好、安全性能高、效率高；同时也存在着动力性能差、能量转化率化、能源浪费严重以及环境污

11、染的问题。采用混合动为系统对于减少污染气体的排放，节约石油资源等方面有重大意义。 其次，深海工作船在制动的过程中产生的能量是非常大的，由于直接网馈电网会对其产生冲击。并且有一定程度的谐波污染，同时由于没有适合快速吸收电能、大容量的储能装置，目前的做法是利用制动电阻白白的将送些能量消耗掉。加入储能系统后，在深海工作船刹车时，由超级电容器吸收制动能量并储存起来，在加速过程中再将存储的这部分能重新提供给负载，这将有效的节约燃料消耗，同时由于在提升过程中超级电容器可以大功率放电，很大程度上补充了电网电能，从而使电网电压及频率保持稳定，提高了电网的电能质量。研究混合动力深海工作船有利于提高系统的燃油经济

12、性，降低经济成本的同时保证在同等工况下，燃料费用更低。同时，发动机能更加灵活的安装在船上，节省了发动机和螺旋奖之间的方向能和齿轮系统，有利于増加货舱储物容量。而且由于船体携带柴油减少，更加有利于深海工作船船体整体空间利用。混合动力推进因其运营经济性、可靠性和良好的环保指标，具有很大的潜在市场。同时，混合动力推进会使发动机和螺旋浆的工作在最佳情况下，从而减轻振动，噪音及废气泄露等其他不良影响。（3） 研究内容及方法 本文在查阅大量深海多功能工作船混合动力定位推进系统基础上，对混合动力推进系统的组成结构及主要应用进行了研究，并对其推广策略进行了介绍和分析。在了解海洋工程船推进系统的基础上，引入了电

13、力推进系统和机械推进系统、混合推进系统三种，并对三种推进系统进行了比较。混合推进系统同时具备了电力推进系统和机械推进系统两种系统的优点，实现动力系统的最佳帮合，从而确保各个设备运行在高效的范围内，最终降低燃油消耗、减少环境污染。对海洋工程船舶的动力定位工况、最大航速工况、拖带工况和巡航工况四种典型工况进行了动力分配控制和分析，以期对于我国深海工作船混合动力推进系统的发展起到一定的参考作用。论文的主要章节安排如下:第1章，介绍了课题研究的背景和意义，介绍了深海工作船混合推进系统的研究现状及发展方向，给出了论文写作的意义及主要内容、方法。第2章，阐述了深海多功能工作船发展现状，包括深海多功能工作船

14、国内外应用及设计制造的现状，同时从环境适应能力、作业性能及节能减排三个方面分析了深海多功能工作船需求发展趋势，最后，分析了深海多功能工作船的技术发展趋势。第3章，概述了深海工作船混合动力推进系统，包括机械推进系统、电力推进系统、混合动力推进系统，并针对各推进系统性能对比，提出了混合动力推进系统的技术方案创新以及实例分析。第4章，深海工作船混合动力推进系统应用的现状分析，主要针对深海工作船混合动力推进系统在国内外的应用情况进行了探究。第5章，详细介绍了深海工作船混合动力推进系统的推广，从推广基本原则、主要任务及发展阶段、推广需解决的难题、推广的具体措施、目标预期。第6章，结论及下一步研究计划，总

15、结了全文的主要观点，并对下一步的研究计划进行了阐述。（4） 国内外研究现状1、国外研究现状 船舶推进系统是船舶的重要组成部分，为船舶提供航行的动力，保障船舶正常的运作。柴电混合推进系统是近年来航运界一直关注的一种新型推进系统，它主要由船舶主柴油机、发电机组、轴系、以及传动设备、推进器等构成，如图1所示。图1柴电混合推进系统示意图柴电混合推进结合了机械推进系统和电力推进系统的优点，实现了不同推进方式的灵活切换，能够解决大多数船舶应对短时间内经常变化的工况而需要不同的推力需求，节约船舶运营成本和増加船舶使用寿命，有效地减少船舶的燃油消耗和废气污染，同时提高船舶在海洋上安全运行的可靠性，目前多被使用

16、在多用途货船以及海洋工程船舶上。混合推进系统最早应用在潜艇。潜艇使用常规的机械推进在水面上航行，用电力驱动电动螺旋楽来在水下航行。自从进入20世纪以及，船舶公司把混合推进系统的概念设计并应用于那些商业性船舶，尤其是那些大型需要深海作业的多功能工作船。船舶柴电混合推进系统可以由操作者根据航行及作业工况自由选择来进行三种工作模式:主柴油机单独工作运行的机械推进模式，副机作为动力源的电力推进模式和主柴油机通过轴带电机与发电机并车工作时的混合推进模式。 进入21世纪以来，民用、商用、工作船等各个类型的船舶都在朝着大型化、高机动化和高自动化方向发展，这些需求推动了近年来船舶行业的快速发展，导致各种船舶对

17、推进系统的要求不断提高。石油价格不断上涨，石油供应不足的局仍将继续，国际航运界对于船舶节能的要求越来越强烈。推进系统作为船舶主要动力来源，其能源消耗的多少直接关系了船舶的能源节约利用，所以柴电混合推进系统作为船舶混合推进系统中研究最多的模式，在节能上的研究也取得了非常大的进步。2003年，在德国基尔港试航成功的U31号潜艇是世界上第一艘应用船舶柴电混合推进系统的船舶。Offshore Ship Designers公司为法Bourbon设计了6艘新型燃料高效型地震支援/跟踪船，这一系列的新船都将采用船舶柴电混合推进系统，能在不同海况下提供灵活的推进方案，具有良好的操作性。 随着能源需求量增大与陆

18、地油气资源减少的矛盾日益突出，世界各国把能源开采的范围扩大到海洋领域，纷纷制定了向深海进军的战略目标。海洋资源的开采离不开海洋石油工程船舶的支持。常见的海详工程船舶包括三用工作船、自航钻井船、油气勘探船等，由于海洋工程船舶主要用于海上油气开发和能源利用，作业工况多变，所以这类船舶一般采用柴电混合动为定位推进系统，采用柴电混合推进形式，具有动力定位功能，配备多动力源和多推进器。 船舶大亨Ustein集团设计并投入使用的“奥林匹克赫拉”是一艘大型多用途海洋工程船，具备水下工程作业、潜水作业、地质钻孔作业等多项功能，在其推进系统的选择上同样使用了船舶柴电混合动力定位推进系统，自该船投入使用以来，一直

19、被世界航海界所关注。由挪威船公司建造的多用途工作船哈佛854也采用柴电混合动力定位推进系统。船舶推进系统的主要设备如下:2台主机，额定转速750r/min，额定功率6000kw；4台副机，额定功率2100kw/台，690V，60Hz；2台轴带发电机，额定功率4680kw/台，690V，60Hz；2台主推进电机，额定功率2500kw/台；1台全回转推进器，额定功率1500kw；2台躯侧推，额定功率1200kw/台；1台贈侧推，额定功率1200kw；1台应急柴油机。图2哈佛854推进系统示意图推进系统结构示意图如图2所示。船舶进行日常正常航行时，需求功率较小，采用电力推进模式；当船舶作业时，根据作

20、业不同切换不同的操纵方式。2、国内研究现状 国内在船舶混合动力推进系统的研究上起步较晚，但是近年来通过技术合作、引进学习、专利购买，在这一方面的研究也取得了进步性突破。2012年3月20日，UT788CD型深水三用工作船“海详石油681”顺利下水，该船由武昌船舶重工有限责任公司建造，是我国首次建造的世界顶级三用工作船。该船舶斥资7.4亿元打造，船长93.4米，型宽22米，型深9.5米，最大吃水7.7米，设计吃水6.5米，主柴油机功率8000千瓦，设计航速18.28节。该船舶集深海抛错、平台供应、动力定位、对外消防、物资供应等功能于一体，是武船首次为国内石油公司建造的深水三用工作船，代表着我国海

21、详装备制造的最高水平，是我国海洋工程船舶建造的重大进步。图3海洋石油681 船舶推进系统的好坏直接关系到船舶的操纵性能巧可靠性，对于大多数船舶而言，船舶推进系统的优劣直接影响到其经济效益和船舶安全。今天，船舶推进系统的研究和发展已经成为航运界的重点关注，同时也是各大海运强国在海洋这个大舞台上竞争的关键。随着电力技术的提高与进步，综合全电力推进技术将会成为船舶推进系统发展的新技术。 葛志杰(2013)就多功能工作船为半潜式钻井平台起抛锚作业过程中拖轮的稳性的问题进行了探讨。季斌(2011)从多功能工作船安全作业的角度出发，介绍了在不同作业环境、不同抛锚情况下的拖带作业的系解缆、靠离钻井平台以及协

22、助工程船舶起锚定位的方法。池波(2013 )从动力系统设计的角度出发，结合国内外配套设施的技术水平对电力推进方式在ARTS中应用的可行性进行了论证。 徐田甜等人(2000)系统全面的介绍了海洋供应船的发展历程，船舶的主要功能以及布置特点，结合当时海洋油气资源开发的实际情况，得出海洋供应船将成为海洋工程支持船主力船型的结论。刘全，黄炳星等人(2011)对国内外海洋工程装备产业的发展现状进行了分析，并着重对我国海工产业格局进行了剖析，为我国海洋工程装备产业发展提供了一些意见和建议。 郭庆，饶拥军等人(2009)对企业核算工程船舶的台班价格的方法进行了介绍，海洋工程船舶营运成本的组成进行了分析，对在

23、该台班价格的营运下的资产投资回收期进行了估算。结合海洋工程船舶营运的实例对工程船舶的台班成本的，计算和定价策略采用成本一效益分析法作出了定量和定性的分析。 邵曼华2003)对多功能补给船的基本船型、总体性能、总体布置规划以及基本线型进行了分析和研究，并运用一种适于初步设计阶段的耐波性预报方法对某一特定船在不同波高、纵摇和升沉运动进行了预报，为舰船设计初期阶段船型的主尺度选择给出了比较性依据。张仁礼(2004)对功率6000kW近海平台供应船进行了开发型研究，通过船型论证程序对船舶尺度参数进行科学优化，对该型船舶的主要功能进行了全面的分析，并根据功能需求对总体布置形式和作业设备选型进行了探讨。

24、伍凤萍(2010)着重介绍了平台供应船建造项目的特点和工艺流程，并分析了采购环节的难点，将网络图法、关键路径法结合起来，制定海洋平台供应船项目的进度计划方案和进度控制实施方案。唐锡联等人(2011)从海洋平台供应船建造材料的选择方面着手，探讨了基于多混材料技术的纤维金属混杂层合板作为船用材料的适应性，并建立了高速海洋平台供应船的主要性能要素的技术经济数学模型，最终完成了高速海洋平台供应船的总体方案。二、深海多功能工作船发展现状（一）国外应用及设计制造现状 目前，欧美发达国家垄断开发、设计环节和核心部件的供应；在深海多功能工作船建造领域占主导地位，但地位逐渐下降亚洲、南美等国家基本不具备开发、设

25、计能力；初步进入深海多功能工作船建造市场，市场地位日益突出。表1国外著名深海多功能设计公司公司国家提供服务代表作品Ulstein挪威提供船舶设计与解决方案、造船、电力及控制等服务ULSTEIN SX121、MPV 1800、Deepwater EnablerSkipsteknisk挪威包括海洋工程船、潜水支持船、深海多功能工作船、地震研究船、海上巡逻船等设计ST-258L CD、ST-253 LHavyard挪威提供船舶设计与全球解决方案、造船、电力及控制等服务Havyard858、Havyard858 DSVMultiMaritime AS挪威包括货船、客船、海洋工程船、破冰船和潜水重型驳船

26、等设计MM 85 MSV、MM 73 MSV、MM 66Wartsila荷兰包括海洋工程船、深海多功能工作船、商船、特种船舶等设计与服务。Rolls-Royce英国以UT型设计著称，包括PSV、AHTS、多功能作业船、井口强化船、钻井船等.表2国外著名深海多功能工作船制造公司公司国家简介STX Europe挪威全球最大的OSV制造企业；隶属韩国STX集团，总部位于挪威，其前身是Aker Yards ASA。Bergen Group挪威在海洋工程、造船领域实力雄厚；造船专注于ROV ， OCV ， DSV， PSV。Kleven Maritime挪威专业船舶制造公司，拥有三个造船场地。Balen

27、ciaga西班牙专业船舶制造公司，包括海洋工程船、拖轮、深海多功能工作船等制造。Merwede B.V.荷兰专注于海洋工程施工设备设计与制造，是全球挖泥和采矿设备设计制造的领导者。Nam Cheong马兰西亚马来西亚最大的OSV制造企业；ABG Shipyard印度印度最大的造船厂，在船舶设计、建造、维修上有较强实力。ASL MarineHoldings Ltd新加坡综合性海运公司，在造船、修船、船舶改装方面具有较强实力。Pan-United Shipyard印尼综合性海运公司，在造船、修船、船舶改装方面具有较强实力。（2） 国内应用及设计制造现状目前国内深海多功能工作船较少，处于起步阶段，随

28、着我国南海等深水油气田深入开发，深海多功能工作船的需求量将迅速增长，与其他工程船舶配套，执行深水项目的整体开发。表3我国深海多功能工作船设计制造企业公司简介中英海底电缆Bold Maverick：2001年建造，DP2；福安：改装的海缆施工及多功能海洋工程船，DPA1；福海：2000年建造，DP2。中海油服COSL海洋石油708：2011年建造，作业水深3000米，DP2 ；海洋石油709：2005年建造，作业水深3000米，DP2。海油工程COOEC海洋石油286：预计2014年交船，作业深水3000米，DP3；海洋石油299：1984年建造，DP2。表4 我国主要深海多功能工作船船舶公司D

29、P建造时间总吨位（t）总长（m）型宽（m）吃水（m）甲板面积（m2）航速（kn）Bold Maverick中英海底电缆DP220016303105.820.09.1140012.5福安中英海底电缆DPA110105141.519.46.113.0福海中英海底电缆DP220006303105.820.09.112.5海洋石油708中海油服DP220111160010523.49.614.5海洋石油709中海油服DP22005311979.918.05.068015.1海洋石299海油工程DP219841200080.817.98.016海洋石油286海油工程DP2在建16911140.729.0

30、8.5190011华发上海打捞局DP2198259.115.06.217.2深潜号上海打捞局DP2201215864125.7025.010.614.5 我国基本不具备开发能力和概念设计能力，具备一定的详细设计能力，代表企业为中船工业708所、上海船舶研究设计院。虽然我国船体建造能力较强，但是总装和调试能力不足，主要承揽技术定型深海多功能工作船建造企业为太平洋造船集团、广州中船黄埔造船、镇江船厂。国内没有形成一体化的配套机制，核心设备配套能力严重不足。随着海洋工程船舶的快速发展，业界开始重视，部分重要设备配套能力正在形成。近年来，我国政府和企业不断加大对海洋科技的投入，海工装备档次不断提升，我

31、国的“深海重器”已经开始在世界市场引起关注。在我国南海地区，“海洋石油981”深水半潜式钻井平台的投入使用打破了国外在深水钻探领域的垄断局面；在挪威北海，中集来福士交付的深水半潜钻井平台5次获得“最佳月度平台”；2013年，“蛟龙号”载人深水器顺利完成7000米级海试，使我国具备了在全球99.8%的海洋深处开展科学研究及资源勘探的能力。在专家眼中，蛟龙号无疑已成为我国海洋装备的形象代言人。自2010年国务院发布关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定以来，中国海工装备制造业迎来了高速发展。中国企业海工装备接单量占全球的份额，从2010年的5%飙升至2014年前9个月的35%，位居世界第一。几乎一

32、夜之间，中国海工产业便成为全球海工市场的霸主。据统计，目前建造包括三用工作船、平台供应船等常规OSV的中国船厂已经超过60家，手持相关船型订单更超过300艘，全球超过一半的OSV都在中国船厂建造，海工市场的持续下滑对OSV市场的影响，尤其是对中国船厂的影响将非常巨大。（三）深海多功能工作船需求发展趋势1、较强的环境适应能力 一方面，由于成本控制的需要，能源企业和海工企业都要求深海工作船具有更高的有效作业时间，因此要求其能在比较恶劣的海况下生存和作业，具有较宽的作业窗口。另一方面，北极地区油气开发的升温，对能在冰区作业的深海工作船提出了新的需求，未来的深海工作船将具有较强的环境适应性。由于早期开

33、发的海洋油气田离岸距离较近，是否具备自航能力对海洋石油开发工程船舶似乎意义不大，出于成本控制的需要，许多企业在船舶建造决策时，往往趋向于选择非自航船型的设计方案。同时，在当时船舶设计和建造技术水平有限的条件下，出于安全考虑，早期的海洋工程船舶通常选用箱型，其航行效率很低，航行速度受到很大的限制。基于上述原因，早期建造的工程船舶中，不具自航能力的占相当大的比重，特别是起重/铺管船和住宿工程船，不具自航能力的比重很高。根据笔者统计，目前在役的1980年以前建造的主力工程船舶中，不具自航能力的达60.5%，其中起重/铺管船不具自航能力的占80.3%。 随着世界海洋石油工业快速发展，世界海洋油气田开发

34、活动从近岸向深海延伸，具有自航能力的工程船舶的各种优势逐渐凸显，世界石油公司和石油工程公司对自航工程船舶日益青睐，进入新世纪后，新造工程船大部分具有自航能力。根据笔者统计，全球20002013年期间交付的新建造的主力工程船舶中，不具自航能力的仅占22.9%，其中起重/铺管船不具自航能力的占45.7%，自航性工程船舶的比重明显上升。 世界海洋油气田的离岸距离渐行渐远，出于规避灾害性天气造成的风险因素和提高船舶和作业人员安全的需要，提高工程船舶的航速成为世界海洋工程业界一个普遍关切的问题。石油公司希望借助高性能工程船缩短油气田工程建造周期和投产时间，提高海上油气田开发的经济效益；与此同时，高航速工

35、程船舶也为海洋工程企业抓住稍纵即逝的作业窗口、提高船舶作业效率和经济效益提供了有力保障。另一方面，随着世界工程船舶设计和建造技术的发展，以合理造价建造运营成本合理的高速工程船舶已不再只是一个梦想。正是在工程船舶供需双方的迫切要求和工程船舶建造方不懈努力的三重作用下，新造工程船舶的航速不断提高。笔者研究发现，目前在役的1980年以前建造的具有自航能力的主力工程船舶的平均航速为9.8节，而20002013年期间交付的具有自航能力的新建主力工程船的平均航速达13.6节，考虑到1980年以前建造的部分船舶在1980以后通过升级改造提高了航速，实际上其原始的平均航速应低于9.8节，因此可以说，主力工程船

36、舶的航速在过去30年期间有很大的提高。2、 作业性能更好性能更优、高度自动化和智能化的深海工作船将广受市场欢迎。起重、铺管等配套设备的自动化程度和效率更高。未来起重/铺管船将以起重铺管船和铺管船两种船型为主，起重船的市场需求总量进一步扩大的空间不大，因此新建起重船的数量很可能逐年减少。起重船的未来需求可能出现分化，一方面，起重船很可能淡出深水工程领域，未来深水开发的水下生产系统和浮式生产系统安装均不需要重型起重船，且部分起重作业任务可由起重铺管船承担，因此重型深水起重船的市场需求将日益减少；500吨以下的深水起重作业具有巨大的市场需求，但这部分工作任务将在很大程度上由多功能船替代轻型深水起重船

37、执行，因此深水起重船的市场需求总量将非常有限。另一方面，起重船在浅水领域的应用将从安装作业转向安装作业与拆除作业并重，以往适应安装作业的起重船可能并不非常适应拆除作业，因此未来拆除作业的市场需求将引发新概念起重船的出现和广泛应用。 由于未来适于吊装的深水起重作业大多在1000吨以下，深水起重铺管船的起重能力将保持适中水平，起重能力1000吨左右的深水起重铺管船具有较大市场需求。起重铺管船和铺管船的铺管性能是未来市场关注的重点，兼具两种以上铺管功能的起重铺管船和铺管船是市场追逐的对象，出于提高作业效率的需要，储管能力更强、焊站更多、甲板有效面积更大的起重铺管船和铺管船更受市场青睐；出于提高作业安

38、全和效率的需要，未来Reel-lay铺管船的市场需求量将持续增大。作业模式转换更安全、快捷；作业甲板面积和承载能力更大；机舱实现高度自动化和智能化。3、 节能减排 由于对海洋环境保护的日益重视，世界各国特别是发达国家都已经或正在考虑修改相关法律，对进入本国海区作业的工程船舶采取更加严格的排放标准，喊出了绿色工程船舶的口号，世界石油公司和海洋石油工程公司纷纷响应；同时，海上作业人员要求持续改善工作和生活环境的诉求，也呼唤具有人性化设计的绿色工程船推向市场。正是人类对自身人文发展的追求和对环境保护的日益关注，将绿色工程船舶推向时代舞台，绿色工程船舶时代的帷幕正在拉开。 当前，世界海洋石油工程企业大

39、多秉持绿色发展的理念，其2010年以后投资新建的工程船舶普遍贴上了绿色标签，在投资决策和设计建造阶段紧紧围绕绿色理念打造高性能的新一代工程船舶。绿色工程船舶从动力系统的选型、船体形状的设计、污水处理系统的环保等级、甲板设备的安全性、船舶的舒适度（低噪声和低振动等）、建造的便利性等方面进行创新。具体来说，关于动力系统的选型，在柴电推进系统普遍采用的基础上，进一步推出性能更优的气-电推进系统,柴电动力、混合动力和LNG燃料动力逐渐取代传统动力系统。关于船舶的舒适度，震动小、噪声低的智能型节能全电动系统已成为工程船舶推进系统选型的主流方向。关于船体形状的设计，穿浪型船艏、X-BOW、Multi-hu

40、ll、Cross-section等创新性船体设计概念广泛应用。关于船舶建造的便利性，模块化技术广泛应用于工程船舶的设计和建造，从航行操纵系统、动力供应系统、定位系统、管道系统等基础保障系统到起重系统、铺管系统、ROV支持系统、饱和潜水系统等专项作业系统均广泛采用模块化设计和制造技术。对低能耗深海工作船的追求不仅是海工企业自身降低成本的需要，也是各国政府对海工企业节能减排的要求，同时各国政府对船舶排放要求的越来越严格，也促使海工企业对深海工作船排污性能的更加关注，绿色深海工作船将引领未来。（4） 深海多功能工作船技术发展趋势1、模块化设计和制造技术广泛采用 专业DP船在油气设施密集海区的浅水应用

41、已非常普遍，未来深海多功能工作船必然在深浅水工程领域都具有竞争优势。一方面，由于成本控制的需要，能源企业和海洋工程企业都要求深海多功能工作船具有更高的有效作业时间；另一方面，北极地区油气开发的升温，对能在冰区作业的深海多功能工作船提出了新的需求，未来的深海多功能工作船将具有较强的环境适应性。对低能耗深海多功能工作船的追求不仅是海洋工程企业自身降低成本的需要，也是各国政府对海洋工程企业节能减排的要求，同时各国政府对船舶排放的要求越来越严格，也促使海洋工程企业对深海多功能工作船排污性能更加关注，绿色深海多功能工作船将引领未来。海洋工程企业普遍秉持可持续发展理念，越来越注重员工的发展和工作环境的改善

42、，对深海多功能工作船的住舱及配套设施的标准要求越来越高，生活设施完备、设计充满人文关怀的深海多功能工作船将广受欢迎。 当前，深海工作船建造已开始采用模块化设计和制造技术，未来深海工作船设计和制造将全面进入模块化时代，从航行操纵系统、动力供应系统、定位系统、管道系统等基础保障系统到起重系统、铺管系统、ROV支持系统、饱和潜水系统等专项作业系统将广泛采用模块化设计和制造技术。2、船体设计采用创新概念深海工作船的船体设计必须满足多功能的要求，比如起重作业时要求很高的稳性，铺管作业时需要良好的自控性，水下作业时需要良好的操纵性，动员时则需要良好的运动特性等，深海工作船性能的持续改进和功能的变化对船体设

43、计不断提出新的需求。目前许多新的船体设计概念应用于深海工作船，如穿浪型船艏、X-BOW、Multi-hull、Cross-section等，未来将有更多创新性船体设计概念出现。3、动力推进系统向全电动方向发展 传统船舶所采用的轮机系统应用于深海工作船存在多方面的劣势，目前新建深海工作船大多采取柴-电推进系统，性能更优的气-电推进系统也开始引入。未来，震动小、噪声低的智能型节能全电动系统是深海工作船动力推进系统选型的主流方向。4、专项作业系统向集成化、智能化方向发展 专业设备供应商、设计方、造船厂及船东的密切合作，推动深海工作船各专项作业性能持续优化，深海工作船的专项作业系统不断引入新型技术，使

44、系统向集成化和智能化方向发展，电子设施和管理控制软件将在深海工作船上广泛应用。未来深海工作船是高度集成的智能化系统。三、深海工作船混合动力推进系统概述（一）机械推进系统机械推进系统是比较传统的推进方式，由柴油机作为原动机，通过轴系（齿轮箱）驱动螺旋桨做功。机械推进系统的功率传递效率很高，仅有3%的传递损失。多种船底形式的齿轮箱也可以避免推进功率不足的问题，目前机械推进系统发展比较成熟，设备成本低，受到大多船东的青睐。然而，多数深海工作船的特点是大量时间在低负荷下运行，比如装卸货、守护等，在低负荷的状态下，柴油机无法到达经济运行转速，油耗量会大幅度提高。另外在主机恒速运转，调节浆距来控制负荷增减

45、，在桨叶全部合上，推力为零的情况下，柴油机仍有20%的功率消耗用于螺旋桨的机械损失。在低负荷运行时，柴油机燃油消耗会大幅度提高，目前国际油价瞬息万变，各船舶运营商对此非常关注，柴油机的燃油消耗如无法长时间在经济转速下运行，油耗问题会影响此类推进方式的选用。另外柴油机运行时气缸内的不充分燃烧会产生CO2、NOx和SOx等污染废气，欧盟和美国等组织制定了一些废气排放限制的规定，这就迫使船舶运营商为了无线航区的行驶，不得不去寻找更经济、更环保的推进模式。1、机械推进系统的组成在多种推进方式中，柴油机以其热效率高、经济性好、起动容易、对各类船舶适应性好等优点，在问世以后很快就被用作船舶推进动力。至20

46、世纪50年代，在新建造的船舶中，柴油机几乎完全取代了蒸汽机。船用柴油机已是民用船舶、中小型舰艇和常规潜艇的主要动力。 如图所示为典型的船用柴油推进装置组成框图，主要包括废气锅轮増压器、空气冷却器、进气管、排气总管、气缸、调速器、螺旋浆及曲轴，此外还有起动装置、辅风机等。柴油机起动时，辅风机投入运行，给进气管提供一定的扫气压力，同时空气瓶按照柴油机发火顺序在膨胀行程引入气缸推动活塞做功。柴油机达到发火转速后切断起动装置，逐渐调节供油量，使柴油机转速逐渐増大并稳定。祸轮増压器在废气的驱动下转速逐渐升髙，带动压气机工作，当压气机进气流量能够满足柴油机运行所需的空气量时，切断辅风机。柴油机输出扭矩克服

47、螺旋奖水阻力矩，带动螺旋浆工作，推动船舶前进。图4船舶柴油推进装置组成船用柴油机一般分为高速、中速和低速柴油机。低速大功率柴油机(n300r/min简称船用低速机)是船舶最大的配套设备，约占造船总成本的10%15%。低速柴油机多数为二冲程机，凭借功率范围大、热效率高、燃油消耗率低、可燃用劣质燃油、可靠性好等优点，大功率低速柴油机广泛应用于散货船、油轮、集装箱船等大型远洋船舶上。据资料统计，全球2000t以上的船舶90%上都采用低速柴油机世界船用低速柴油机市场主要被MANB&W、Wartsila和三菱重工三大公司垄断。中速柴油机多数为四冲程机，而島速柴油机则两者皆有。大功率中、低速柴油机广泛采用

48、重油作为燃料，高速柴油机仍多用轻柴油。 低速柴油机由于有较低的转速，可以直接驱动螺旋奖，使螺旋浆推进效率比较高。中、高速柴油机通常通过齿轮减速箱来驱动螺旋奖。大功率柴油机几乎都采用废气祸轮増压，小功率非増压柴油机仅用在小艇上。随着船舶日益大型化与自动化，柴油机的可靠性和经济性要求也越来越高。大功率低速柴油机呈整体优化的技术发展趋势，具体表现为：单机、单缸功率越来越大;燃油消耗率进一步降低;平均有效压力、爆发压力进一步提高;新型增压器的压比和效率越来越高;燃油系统采用离压共轨喷射系统，以及电控燃油喷射系统、电子调速器系统等智能化电子控制系统，进一步提高低速柴油机的性能。（2） 电力推进系统1、电

49、力推进系统的组成概述1.1发电装置 发电机和原动机是组成发电装置的两个重要部分，汽轮机、燃气轮机、柴油机都可以作为原动机，最广泛使用的是柴油发电机。交流同步发电机是现阶段主要的发电机型式，直流发电机随着各种交流控制技术的发展开始逐渐减少。把燃油或者燃气的动能转化为电能，然后经过配电装置分配使用是发电机的主要作用。1.2配电装置 配电板和变压器是配电装置的主要组成部分。产生的电能经过配电板分配到使用的各个环节。1.3变频驱动系统 变频器与推进电机是变频驱动系统的主要组成部分。该部分有电动机会把电能转换成机械能传递给推进系统用来推动船舶进行正常的航行。1.4推进器 推进器的形式多种多样，轴系推进器

50、、全方位推进器以及吊船式电力推进装置都是比较常见的形式。1.5控制系统 这是用来控制电力推进装置日常正常和安全工作的控制装置。推进控制系统和能量管理系统(PMS)是控制系统最主要的组成部分。1.6螺旋奖 螺旋桨利用电动机产生的机械能来推动船舶的航行，螺旋奖分为定距桨和调距桨，电力推进一般采用定距。2、电力推进系统的分类2.1按推进电机的种类分类2.1.1直流电机推进系统 电机推进系统最早的形式就是直流电机推进，这种方式现在也较多的使用。最早使用的是直流发电机发出直流电然后再直接驱动直流电机进行机械运动，先进主要是通过交流电机产生交流电再通过整流装置整流后再来驱动直流电机。直流电机推进系统现今仍

51、占有统治地位，主要是因为其有很多优点，比如说调节性能好、理想的转矩控制、调速系统简单等。但是由于这种调速系统有换向器的存在，自身的很多弱点在这上面得到体现，比如说容量与转速的极限会受到限制，因此与其相配的使用场所较少。2.1.2交流电机电力推进系统 随着现代科技的进步，许多关键技术的发展。直流电力推进形式到交流电机的推进形式的发展必然会出现。交流电机的推进相比于直流电机的推进拥有很多无可替代的有点，比如说输出功率大、极限转矩打、结构简单可靠、运行起来成本很低。直流电机的推进逐步开始被交流电机的推进所取代。交流电机的推进成了先阶段主要发展和研究的电力推进形式。2.2按推进装置的分类2.2.1轴系

52、推进 这是船舶常规的推进方式之一，简单、可靠，轴系可长可短，适用于需求大推力的船舶。一般需要配备减速箱。由于其采用齿轮装置导致构成的机械结构复杂，机械功率的损失较大。2.2.2全回转推进装置 全方位推进器是一种可以360度自由转动的推进器，任何方向上都能产生推进所需的动力。由于其采用蛇楽一体化的结构，因此它的结构简单，并且由于其能够提供多方向的推力，故其的操纵性能较好。这种推进装置较多的使用在需要位置控制与机动操作的船舶。2.2.3吊舱式电力推进装置 吊舱式电力推进装置是近些年来新发展的一种电力推进装置，是目前开发和研究的一个热点，在科研和实际应用中具有重要的价值。其推进电机安装于水下进一步节

53、省船上空间，操纵性能优，振动、噪声低，有利于改善船舶的舒适性无轴系，安装方便。发电机把其他形式的能量转化为电能，然后通过吊船式推进装置把电能转换为推动船舶的机械能，这种推进方式能够实现能量的非机械传递。这种推进方式推出了一种新的推进理念，这种蛇装装置的一体化结构，使得船舶的设计与建造更加灵活和方便。建造和使用的灵活。图5吊舱式电力推进简图3、电力推进的一些关键问题3.1推进电机的选择 电动机的选择对于推进系统的正常可靠工作起着非常重要的作用，推进电机是电力推进系统最为核心的部件结构，是整个系统动力的来源。直流电动机长期电力推进中占有统治地位是因为它有很多突出的有点，比如说其中的转速调节性能理想

54、、转矩控制好。这些都使得它的调速系统相对简单。但是由于换向器的存在，它的使用在很多情况下都会受到极大的限制，使用起来还是有很多的缺陷。交流电动机相比于自流电动机优势比较明显，单机输出功率大、而且转速的极限值相对较大，运行起来安全可靠、结构相对简单。并且在现代电子电力技术、各种新型的控制理论的发展的基础上，交流调速系统的性能得到根本上的提高和改善，使得交流电动机的优势更加突出，因此在船舶方面的应用上交流电动机必将逐步取代直流电动机。同步电动机和异步电动机是交流电动机两种最显著的形式。(1)异步电动机的特点:结构简单、坚固、使用成本低廉、不需要双边励磁、运行起来维护方便。但是存在少许缺点就是功率因

55、数较低，气隙较小对于抗冲击的要求难以满足，只允许使用在少数的场合。(2)同步电动机的特点:功率的因数高、工作效率高，设计变流器时需要的容量小，由于拥有较大的气隙，所以机体本身的抗冲击能力强。同步电动机中有分为电励磁的同步电动机和永磁体同步电动机，由于永磁同步电动机相比之下具有体积较小、结构简单、工作效率高的特点，所以目前使用较为广泛。每种推进电机都具有自己在某些方面的优越性，因此这样也为选择推进电机的类型提供了多种方案。在实际的使用情况中，使用以上几种电机的电力推进系统都有涉及，都具有比较大的研究价值。本文将选择永磁同步电动机对电力推进系统进行研究。3.2电压等级的选择 随着现代船舶吨位的增加

56、，推进的动力要求也相对提高，而且船上其他的用电设备的耗电量也必然增加，这样使得船舶的用电量大幅度增加，这些都促使了高电压等级技术的实现和发展。但是电压等级不能随意改变或者提高，它收到很多条件的制约，比如开关元件的耐受程度、保护元器件的支持程度。电制的选择问题设计到一系列的问题，比如说电站网络结构、开关元器件的选择、相关设备的支撑和支持等。所以电压的选择需要综合考虑各方面的因素，以此得出最佳的电压选择方案。690V、4160V或6600V等级为目前船舶上交流电使用较多的电压等级，低压(690V)电压方案多被要求推进功率小的船舶所使用;而中压甚至高压的电网方案则多被推进功率要求很高的一些船舶所使用。3.3主要设备的匹配 要满足螺旋桨负载特性的需求，系统运行稳定性要得到保障，加速要求还要得到满足并且还需要有搞笑稳定的调速范围，这样才能获得推进电机的输出特性，进而能够形成调速策略。自由航行特性、系缆特性或者抛锚特性以及反转特性就是最常用的几种螺旋桨特性。 推进电机的机械能来带动螺旋桨转动，螺旋桨是其工作对象，推进电机的运行特性必须和螺旋桨的特性想匹配这样才能得到良好的推进效果。推进电机对于螺旋桨特性需要以下的特性的要求:要能够自动限制电动机的理想空载转速，空载时转速只能在一定值一下运行，1.21.4倍额定转速运行这是一般的空载运行限制转速;还要能够自动限制电动机的启动