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浮式生产储油船


船舶设计与研究

浮式生产储油船( FPSO) 设计
中国船舶及海洋工程设计研究院 赵耕贤





海洋石油开发中, 浮式生产储油船相对海洋平 台而言, 具有 初投资 小、 转移地 点重复 使用等 优点, 已成为 目 能 前世 界海上油田开发的流行设施。本文以 南海奋进 号为对象, 旨

在着重 描述 F PSO 船体 设计中应 考虑的基本 问 题, 其中对船体形状、 强度、 工艺流程模块支墩型式等作了 一定介绍。 关键词: FP SO 模块 支墩

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概 述

辽阔的海洋约占地球表面积的 71% 。据估计, 海底石油储量约为 1350 亿吨, 占世界总储量的2/ 3; 天然气储量约 140 万亿立方米。在能源消耗与日俱 增的今天, 对海洋石油的钻探、 开发及生产有着重要 的意义。人们在海上油田开发中, 除了用多点系泊 的海洋平台外, 20 世纪 70 年代, 在欧洲出现了单点 系泊的浮式生产储油船( F PSO) 。它是以浮式生产 储油船为基式, 对开采的石油进行油水气分离、 处理 含油污水、 发电、 供热、 原油产品的储存和外输, 集人 员居住和生产指挥系统为一体的海洋大型石油生产 基地。它相对于海洋平台, 具有初投资小, 而且能转 移地点重复使用等优点。该船型在 20 世纪 80 年代 有了进一步发展, 并开始用新设 计与建造的 FPSO 投入海洋石油开发, 近 10 多年来, 已成为世界海上 油田开发的流行设施。 中国近海石油勘探是从 20 世纪 50 年代末开始 的, 物探普查发现了渤海、 南黄海、 东海、 珠江口、 莺 歌海、 北部湾 6 个大型含油、 气的地质盆地, 我国沿 海储藏着呈带状分布的油气田群。20 世纪 80 年代 中期我国自行研制的第一艘用于渤海湾 28- 1 油田 的 渤海友谊 号 F PSO 于 1989 年 4 月交付使用至 今( 见图 1) , 并有 渤海长青 号、 渤海明珠 号、 渤 海世纪 号在渤海油田投产; 南海奋进 号正在南中 国海文昌油田安装; 番禺 4 2/ 5 1 FPSO 也正在上海 外高桥造船责任有限公司建造。其中 南海奋进 号 和番禺 4 2/ 5 1 F PSO 是在强台风海域服务的永不
作者 简介: 赵耕 贤, 男, 研 究员。1941年 生, 1964年毕业 于上 海交通大学船舶制 造系, 长期从 事船舶 结构 设计 与研究。 图1 渤海友谊 号 F PSO

解脱、 内转塔式 15 万吨级的 F PSO。 2001 年!新民晚报?披露, 渤海湾发现 7 亿吨油 田, 其中渤海中部蓬莱 19 3 油田是目前中国最大的 海上油田, 储量仅次于大庆油田。我国海洋石油开 发要在 21 世纪初实现 4 个 1000 万吨 的目标( 南 海、 渤海和南海西部各 1000 万吨, 国外回报 1000 万 吨) 。其中, FP SO 将 为海洋 石油开 发起 到重 要作 用。国外 SBM 公司、 KVAERNER 公司曾多次在国 内咨询 15 万吨级和 30 万吨级 F PSO 的设计, 寻求 合作伙伴。据专家预测, FPSO 在 21 世纪初将成为 我国海洋工程一个新的高附加值产品。 本文以内转塔式 FPSO 为对象, 着重描述 FP SO 船体设计 中应考虑的基本 问题, 其 中对船体形 状、 强度、 工艺流程模块支墩型式等方面作了一定的 介绍。

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船型特点

FPSO 一般 处在多 个无人 驻守的 井口平 台之 间, 作为整个油田的中心。在船首往往设有一个可 解脱式的单点系泊系统。在油田正常生产中, FP SO 接收并处理由海底管线输送来的井口平台的原油,

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赵耕贤: 浮式生产储油 船( FPSO) 设计

处理合格的原油储存在 FPSO 的货油舱内。穿梭油 船定期串靠或旁靠 F PSO, 并通过特殊的卸 油系统 将合格的原油输出, 以确保整个油 田的连续生产。 F PSO 还能提供油田 生产人员、 修井人员及 临时作 业人员的居住, 并通过海底电缆向多个井口平台供 电。 F PSO 通常是无自航能力的驳 船型、 方尾 和一 层连续甲板。上甲板尾部布置用于穿梭油船串靠的 系泊设备及卸油系统。生活区布置在上甲板首部或 尾部。在其生活区的顶部设有一个信号雷达桅及由 空间钢架结构组成的直升机平台。在上甲板上布置 生产工艺、 热介质、 计量、 发电、 变压器室和控制室的 模块。在上甲板或首楼甲板上设置一定高度的火炬 塔。所以, FPSO 的基本特点是:
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在没有相应规定的国际海域, 则船级社可以提供一 个能被政府部门、 保险公司或其他团体所接受的独 立标准。其中, MARPOL 和 SOLAS 的规范适用范 围, 可由国家行政部门和船旗国决定。此时, 业主与 其他团体在早期阶段讨论他们的建议是重要的 [ 1] 。

无推进动力 特殊海况 单点系泊 不进坞检修 受载复杂 系统和电站复杂 安全要求高

图 2 与 F PSO 关联的技术因素

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船体形状与尺度

目前, FP SO 基 本上有新 建与改 装两种 选择。 对旧船改装, 船型与尺度一般很少改变。改装现有 船舶的唯一因素是成本低而且花费的时间亦短。如 果改装工程计划在一年内能完工, 那么新建船舶通 常需要两年。 业主进行新建与改装决策时, 应着重考虑下述 的因素:
? ? ? ? ? ?

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设计准则
F PSO 不同 于普通船舶, 除了要遵循船 级社的

规范 ( 船舶 建造 入级规 范 , 移动 式海上 平台 规 范 , 浮式生产储油船建造与入级规范 ) , 国际海事 组织( IMO) 的 MAPOL 和 SOLAS 公约以及国际海 上石油合作论坛( OCIMF ) 的要求外, 一般还要涉及 下列协会的许多特殊的技术标准( 见图 2) : ? 美国石油工业标准( AP I)
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现有船舶适用性 新船的市场形势 地理环境和油田开采时间 将来移位的适应性 外输的方便性 适用的政府法规

美国机械工程师协会( ASM E) 美国国家工业标准( ANSI) 美国材料试验协会( AST M ) 美国焊接协会( AWS) 国际电气工程师协会( IEEE) 国际电工委员会( IEC) 美国测试设备协会( ISA) 国际工程师防腐协会( NACE) 国际电气制造协会( NEMA) 国际防火协会( NA) 国际标准化组织( ISO)

在旧船选择时应该明了, F PSO 必 须符合油田 开采期内永久系泊在露天海况, 并需承受长期的疲 劳应力和总强度要求。因此, 应特别注意对被选用 的改装船舶进行结构评估, 而不能认为它原先的设 计仍适用于新用途。除了针对新的使命修改外, 还 要对一般结构进行一定程度的翻新和修理。翻新和 修理范围取决于以下因素: 以前的营运情况, 油舱涂 层的质量和维护情况, 原有构件是否超过规范最小 值, 主船体在近几年内是否进行修复。值得注意的 是, 尽管许多旧油船在建造时增加了构件尺寸, 近几 年内新油船的结构也是非常优良, 但仍然需要进行 仔细的维护。 根据 IMO 的海洋环境保护委员会决定, 那些仅 用于储存和生产石油、 系泊在固定海域的 FP SO, 除 # 5 #

其中涉及 AP I 的标准就有 38 份之多。 如果 F PSO 在某 个国家所属的 海域中进行 作 业, 则必须满足该国行政部门的强制性规定。如用 上海造船 2002 年第 2 期

在极 端或危险环境外, 一般不 需要遵守 MARPOL 规范中 13 到 13G 的规定, 除非其工作海域 的沿岸 国家有特别要求。亦就是不强制需要双壳结构, 新 设计的 F PSO 可以采用单底结构。有关油舱和压载 舱的布置, 业主最好在设计早期就与沿岸国家的行 政机关讨论清楚 [ 1] 。 表 1 给 出了 FPSO 与大型油船 的大致尺度 范 围 。表中两者的差异在于 FPSO 是个复杂的海 洋工程结构物, 它的尺度选择除了考虑船舶本身的 特征以外, 更重要的是兼顾工艺流程、 单点形式后的 综合考虑。 表 1
LCC 6 10~ 10. 5 1. 9 0. 69 0. 85~ 0. 93
[ 2, 3]

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工艺模块支架形式
F PSO 的生产工艺、 热介质、 计量、 发电等模块

一般直接安置在工艺模块平台上。如上节所述, 本 船为了管线和维护、 消防要求及考虑上浪对模块设 施的影响, 并综合考虑对稳性的影响, 该平台平面最 后改为 4m 高。每个模块平台都有 一支撑结构, 通 常采用工字梁剖面的普通刚架形式, 如图 3 所示。 事实上, 这种结构用于海洋平台比较合适, 因为 其自身刚度很大, 平台平面内的变形很小。但船体 犹如一根梁, 受载后会发生纵向弯曲变形。图 3 所 示的刚架, 除了承受上部模块设备的重力、 风载和惯 性力外, 还要考虑 A、 C、 点的船梁变形的影响。 B、 D 这种形式会使刚架在上甲板连接处不可避免地产生 裂缝, 事实上这种现象已时有发生。所以这种传统 式刚架, 仅用于较好海况的海上油田。 模块支墩形式研究甚多, 其中巴西 FPSO 曾采

FP SO L/ B L/D B/ D d/ D Cb 4. 5~ 6. 5 8. 0~ 13. 0 1. 7~ 2. 3 0. 65~ 0. 69 0. 94~ 0. 96

一般 FPSO 构造复杂, 以至不能藉助数学分析 方法进行可靠性分析, 大多数 FP SO 都需要进行模 型试验或等效的动力分析, 以确定立管、 锚泊系统的 配置、 船舶的响应、 锚链尺寸。另外, 系泊于海上的 F PSO 常受到波浪作用( 特别是首部) 。当波浪在干 舷以上, 就导致甲板上浪。甲板上浪损坏上层建筑 甲板板、 舱口和上部设备的事时有发生。 南海奋进 号的适航性研究( 包括数值分析和 模型试验) 表明, 首楼甲板应尽量向后延伸, 以避免 更多海水涌入上甲板, 这比设置挡浪板更有效。当 然, 设置一个挡浪板作为首楼甲板的延伸也是有益 的, 而且挡浪板设在首楼甲板比设在上甲板更有效。 在模型试验中, 首楼甲板上设置了两个传感器, 用于 测量甲板上浪的高度和海水进入甲板的水平速度。 测得甲板上浪的最大高度为 4m, 水平速度为 9m/ s。 甲板上浪的高度, 随着离舷墙距离增加而明显地下 降。由试验结果, 该船的首部干舷增加了 1m [ 4] 。 试验中, 对首部区域的砰击也予以关注。由于 横摇和纵摇运动均可形成船体与波浪间一个相对的 运动和速度, 并构成较大的砰击载荷。船模试验表 明, 在首部区域没有发现任何不利的情况。 模块甲板离主甲板有一个足够的高度是十分重 要的, 以避免遭受舷侧上浪的损坏。原先设计时, 模 块甲板中心线高 3m, 后来增加到 4m, 使上浪海水与 工艺甲板之间保持 1~ 2m 的距离, 以便加工设施位 在甲板上浪威胁范围之外 # 6 #
[ 4]

图3

普通刚架

图4

巴西 FPSO 的 模块支墩形式

图5

南海奋进 号 采用的模块支墩形式


赵耕贤: 浮式生产储油 船( FPSO) 设计

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从单点解脱之前的极限工况 维修或检查期的工况 从建造厂移位到海上油田过程中的拖航工况 在上述 6 种工况下, 工艺模块所引起的诱导 破损工况, 诸如重物坠下的冲击载荷、 碰撞载

载荷
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荷 刚开始设计时, 要全面考虑上述载荷是不可能 的, 也是不现实的, 因存在很多不确定因素, 只能先 解决整体强度及一些主要构件的屈曲强度。
图6 南海奋进 号模块支墩结构

( 1) 方法
? ? ?

软件分析 模型试验 型船比较

( 2) 静水弯矩 M S 一艘 F PSO 的总布置( 包括货油舱、 压载舱的划 分) 确定后, 最大静水弯矩值是客观存在的, 只是设 计图纸文件还在制作阶段, 一时来不及取得。应用 船级社的计算软件研究中剖面构件尺寸时, 必须要 输入静水弯矩( 中拱和中垂) , 这就需要求助于经验 或参考型船。
图 7 4 2/ 5 1FPSO 模块 支墩的新结构形式

用图 4 所示的形式。由于这种支墩形式在恶劣海况 下仍未消除支墩反力过大的因素, 所以 南海奋进 号采用了如图 5 所示的结构。 为了忽略船梁变形对刚架的影响, 在 FPSO 设 计中, 刚架与船体上甲板之间宜采用活动连接, 至少 沿船梁的纵向可以移动, 即单跨简支梁形式。一般 单个模块可采用 2~ 3 排支墩。 南海奋进 号模块支墩结 构的有限元分 析指 出, 图 6 形式的应力水平除了肘板趾端应力偏高外, 一般都不高。这种形式较 南海胜利 号的有较大的 改进。 模块支架下的支墩形式在番禺4 2/ 5 1 FPSO设 计中( 正在建造) 推出另一种新的形式, 如图 7 所示。 经有限元分析可见, 这种形式在保证同样功能下, 采 用的材料更为节省。

经研究, 基本上获得了下述的概念 : % 油船中拱状态的静水弯矩总是大于中垂状 态的静水弯矩, 而 F PSO 刚好与此相反。 & 油船的静水弯矩值( 无论是中拱状态, 还是 中垂状态) 随载重量的增加而增大, 而 F PSO 并非完 全如此。F PSO 甲板上部的生产工艺、 计量、 发电等 模块的数量多少与其布置位置是导致这种差异的主 要因素。 国内已完成了不同系泊形式、 不同载重量 FP SO 的研制, 为新的设计开发积累了一定的经验。 ( 3) 波浪弯矩 M W 船舶在不规则波浪中航行时, 船体所受的波浪 弯矩和剪力, 涉及到航速、 航向、 波长、 波高以及船舶 运动等因素, 计算非常复杂。在船体结构设计中, 主 要有下述三类方法。 % 国际船级社协会( IACS) 的计算公式 通常, 用标准波浪代替实际波浪, 船体静置在标 准波浪上。研究发现, 波高越高, 浮力变化越大, 波 浪弯矩也随之增加。长 150m 以下 的船舶, 波高采 用 1/ 20 波长计算波浪弯矩已足够。而对船长超过 150m 的大型船舶, 波长仍取为船长时, 其波浪遭遇 率是不相同的。例如, 船长为 60m 的船舶遭 60m 波 长远较船长为 300m 船舶遭遇 300m 波长的机会多, # 7 #

[ 6]

6

强度
F PSO 船体结构主要按规范设计及相应的结构

分析, 它应能承受下列各种载荷[ 5] :
? ? ?

静水工况 生产期间的外部环境工况 外输工况 2002 年第 2 期

上海造船

所以对大船仍将波高定为 1/ 20 波长显然过高。目 前各国船级社对波高已加以修正, 采用船长的函数 表达式。各国船级社均已统一采用 IACS 建议的波 浪弯矩与剪力计算公式。 & 船体波浪载荷的理论计算方法 众所周知, 船舶在海上航行的运动、 载荷及振动 响应都与海浪密切相关。海浪是瞬息万变的、 十分 复杂的随机现象, 船舶与波浪的相对位置也时刻发 生变化, 因此船舶运动和波浪载荷也是随机变化的。 人们在研究过程中, 对波浪假定为规则波和不 规则波, 船体本身又作为刚性体或弹性体处理。船 舶在规则波上的运动又分为纵荡、 横荡、 升沉、 横摇、 纵摇和摇首 6 种刚体运动。此外, 船舶在海浪上的 响应, 又可分为短期预报和长期预报, 所以实际计算 船体波浪载荷显得十分复杂。欣慰的是船体波浪弯 矩长期预报方法已日臻完善, 如挪威海洋工程技术 大学 的 MASH IM O 和 主 要 船 级 社 的 WADAM ( DnV) 、 YDROST AR( BV) 等软件, 基本上有三大 H 部分组成: ( a) 求规则波的波浪弯矩响应的传递函 数; ( b) 根据海浪谱求波浪弯矩短期分布的特征值; ( c) 根据船体在寿命期内可能遭遇的海况和装载状 态对弯矩作长期预报。设计人员关心的是在 FPSO 整个使用期内可能出现的最大响应值, 而并非如船 舶那样可直接应用船级社规范规定的 M W 值。计 算表明, 在迎浪情况下波浪诱导弯矩值最大, 而长峰 不规则波的弯矩值又比短峰不规则波的弯矩值大。 因此在设计中, 可将迎浪情况下长峰波的波浪诱导 弯矩预报值作为波浪弯矩的设计值。 值得指出的是, 在考虑 FP SO 维修和检查工况 总强度时, 允许静水弯矩可以适当放宽, 也就是可以 超过设计早期设定的静水弯矩。这主要是此时的风 浪要比极端 工况的 风浪小 得多, 波浪弯 矩 M W 减 小。M W 的减小值一般可与业主或操作者商洽, 设 计中可取一年一遇寒潮下的短期预报值。有的船级 社规定极端海况的 M W 减去一年海况的预报值, 或 用短途/ 遮蔽水域航行船舶的 M W 。 ( 3) 特别结构分析 F PSO 设计 中, 还需 要特 别明 确结 构的 分类。 一般分为特殊、 一类和二类结构区域。根据规范的

定义, 临近载荷传递和应力集中区域为特殊结构; 承 受主要载荷的整个结构为一类结构; 仅由于局部影 响产生事故的次要结构为二类结构。船级社规范均 明确这些分类结构的选材、 焊接和探伤要求。 另外, 除了按船级社规范对 FPSO 船体结构进 行设计外, 还应注意下列的特殊结构分析:
?

有代表性船体部分( 诸如与系泊系统关联) 的

结构分析 ? 重要设备( 诸如克令吊、 工艺模块等) 支撑结 构分析
? ? ? ?

火炬塔及其加强结构强度与疲劳分析 直升机平台结构分析 外输装置下结构分析 船体结构强度与疲劳分析

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FPSO 的设计与油船既有相似 之处, 但存在着 本质上的差异, 它归属于海洋工程类。因此, FP SO 的设计、 制造、 安全评估、 服务期的检测和维修、 认证 和入级等内容十分广泛。就设计而言, 因限于篇幅, 本文仅局限在船体部分某些方面, 并未涉及到主要 系统( 诸如货油、 输油、 放空、 发电、 升机起降、 直 供 水、 供气系统) , 更未涉及工艺流程和单点系泊系统。 最后, 对协助本文编写的林晔同志深致谢意。 参 考 文 献
1 劳 氏船级 社 G . A lford, R . Potthurst. F PSO 系统 # # # 一 家 船 级社的看法. 林晔译自 O T C 7725 2 Phillips China I nc. FPSO Parameters and Basis. Apr il 2002 Sized Oil T anker Structure Design. New S T ec Confer ence, 1998 4 A dvanced Product ion & Lo ading AS. WenChang F PSO M odel T ests. M ay 2000 5 BV Class. Rules for the Classification of Offshore U nits. A pril 1998 6 赵耕贤. FP SO 结构设计特点. 船舶, 2002( 1) 2000 8 A dvanced Production & Loading AS. Seakeeping Evalua tion of FPSO. Sep. 20, 2000 7 BV Class. WenChang F PSO Hydrodynamic A nalysis. Aug. 3 Z hao Gengx ian. Characterist ics of N ew Generation L ar ge

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赵耕贤: 浮式生产储油 船( FPSO) 设计

SHANGHAI SHIPBUILDING
The Official Journal of Shanghai Society of Naval Architects and Marine Engineers

No. 2
20 0 2
( Semiyearly)

CONTENTS
SHIP RESEARCH AND DESIGN
FPSO Design ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Zhao Gengxian ( 4 ) T he Floating Production Storage and Offlo ading( F PSO ) has many advantages, such as low er early investment, being transferable and re usable. Compared with fixed platforms, t he F PSO has been the prev alent installat ion at pr esent w orld sea oilfield development, w ith converted old ships or new built vessels being used. At 1980s, Bohai fr iendship , the first FPSO in China for BZ 28 1 o ilfield at Bohai Bay, w as desig ned and built. T ill now, five FPSOs have been built in China. I n this paper, a 150000 DWT FP SO for perma nent turret moor ing in typhoon envir onment is introduced. T he basic problems considered in F PSO design ar e discussed, such as ship form, hull strength and support type of the process module, etc. Some Special Problems in Hull Construction Design of Membrance Tank LNG Ships ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Du Zhongren ( 9 ) T his article descr ibes some special problems in hull construction desig n of membr ance tank ships. T hey are as follows: basic con figuration of hull co nstruct ion, calculation of temperature distribution, steel grade choice of hull structure in the carg o tank areas, ar rangement and scantling requirement of hull structures. Force Analysis of Rudder Stock with Spring Fulcrum ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Tang Jun ( 13) T he rudder of a larg e ship is generally supported by the upper bearing and the neck bearing, and by a shoe piece or a horn, w hich is appended on the ship shell. T he classification societies of the wor ld hold that the sho e piece or the hor n should be taken as an elastic fulcr um of the rudder sto ck in the stock calculation. T he paper pr esents a force calculation method for the rudder stock o f this kind. Numerical Simulation of Ship Ship Collision ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Jiang Huatao and Gu Yongning( 16) T he numerical dynamic simulation of the deformable striking ship bow colliding the deformable struck ship side structure is per formed by non linear ex plicit finite element met hod. T hroug h the ex ample of a 40000 DWT oil tanker colliding a 30000 DW T bulk cargo ship, the key technique of simulation of ship ship collision is discussed in t he paper. Some practical ways in improving comput ing efficiency, accuracy and stability for collision simulat ions are given. Experimental Research Methods of Very Large Floating Structure ? ? ? ? ? ? ? ? ? Chen Guoj ian and Yang Jianming( 22) T he V er y Larg e F loating Structure( V LF S) is paid more and mor e attentio n now in ocean eng ineering field. T he V LF S can be used as a floating air port, a base to exploit the ocean resources, as well as a mobile ocean base ( M OB) . V LF Ss have been studied and developed by many countr ies, such as Japan, N orway and U SA. T he hug e scale of V LF Ss brings difficult ies in ex perimental research, such as consider atio n of hydroelasticity . T his paper presents an intr oduction to recent exper imental r esearches on VL FSs in the wor ld, including test met hods of VL FSs in waves, mooring system and multi body, which mainly focuses on box shaped VL FSs.

MARINE POWER INSTALLATION
Development and Prospect of Ship Electric Propulsion ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? Sun Shinan ( 25) T his article rev iew s the development pro cess of ship electr ic propulsion technolog y, and looks into the futur e application and de velopment dir ection of electric propulsion in civil ships, specially in nav al ships.

SHIP POWER STATION (S
Research on Combined Generation System of Marine Electric Power Plant ? ? Xu Xiaoy an, Li Jieren and Xia Yongming( 29) In this paper, dynamic models o f three types of generation systems of marine electric power plant, including the generation sys tem of diesel generator, the gener at ion system of main shaft generator and the gener atio n system of exhaust gas turbo gener ator , are established. T he sinmulational combined generation system is researched on its behavior in fuel co nsumption and reliabilit y of electric power supply, as w ell as its contributions to the safety of navig at ion. T he result of the research shows that the combined generation system of diesel generator, main shaft generator of conv er ter type and ex haust g as turbo generator is o ne of the best choices as fuel consumpt ion being concerned. It also makes sure that the electr ic pow er supply is uninterr upted during switching ov er to another ty pe of g enerator . Further mor e, it pr omo tes safety w hen t he main engine is working under fault conditions.


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