深潛水工作母船電氣設(shè)計(jì)

王 鋒 李 學(xué)

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前言

近年來，國際造船行情逐漸趨于平穩(wěn)，異?；鸨倪\(yùn)輸船市場開始降溫，我國船舶工業(yè)發(fā)展受到了嚴(yán)峻考驗(yàn)。但與此同時(shí)，海工裝備業(yè)制造及海洋工程船舶的設(shè)計(jì)建造開始逐漸被推向新的高度。深潛水工作母船是交通運(yùn)輸部上海打撈局委托上海船舶研究設(shè)計(jì)院進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并由武昌船舶重工有限責(zé)任公司建造，入中國船級社。本項(xiàng)目適用于無限航區(qū)，作為300m飽和潛水和常規(guī)空氣潛水作業(yè)的支持母船，并配備水下遙控?zé)o人探測器（ROV），具有對水下沉船、飛行器進(jìn)行探測和打撈能力。本項(xiàng)目配置A字架、海工起重機(jī)，具有二級動力定位能力和海面消除油污作業(yè)能力。本項(xiàng)目的成功設(shè)計(jì)建造將是我院走向海工核心領(lǐng)域的堅(jiān)實(shí)一步。

1 本項(xiàng)目功能及規(guī)范

本項(xiàng)目主要用于海上救撈作業(yè)，配備有水下遙控?zé)o人探測器，具有對水下沉船、飛行器進(jìn)行探測和打撈能力，能作為300m飽和潛水和常規(guī)空氣潛水的潛水作業(yè)支持母船。

本項(xiàng)目具有拖曳擱淺、觸礁船舶脫險(xiǎn)、失去機(jī)動能力的船舶返回港口，對遇難進(jìn)行封艙、堵漏、排水和對外消防滅火作業(yè)能力。本項(xiàng)目配有海上起重A字架、海洋工程起重機(jī)和直升機(jī)平臺，可對外提供多種工程作業(yè)服務(wù)。

本項(xiàng)目主要作業(yè)用途如下：失事飛機(jī)、船舶擱淺/沉沒的救助；海工服務(wù)；飽和潛水/空氣潛水；ROV作業(yè)；對外消防；起拋錨作業(yè)；油、水、甲板貨供應(yīng)；應(yīng)急情況下的環(huán)境保護(hù)；應(yīng)急情況下的航線清理；清除水下障礙物及殘骸。

本項(xiàng)目按CCS現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)、建造，并取得下列船級符號：

★CSA ★CSM，Salvage Ship，AUT-0，OMBO，Ice ClassB，DSV-SAT，DP-2，Helicopter Facilities

2 電力系統(tǒng)配置

本項(xiàng)目電力系統(tǒng)采用三相三線制、中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，并采用中壓AC 6 600 V和低壓AC 400 V 50Hz的主電網(wǎng)。本項(xiàng)目采用電力推進(jìn)方式，主要的推進(jìn)器配置如下：

2.1 工況使用情況

在“航行”工況，6.6 kV主發(fā)電機(jī)通過6.6 kV主配電板為全船提供電源。主推進(jìn)電動機(jī)、伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)電動機(jī)、管隧式側(cè)推及主變壓器由6.6 kV主配電板供電。

在“停泊”工況，主發(fā)電機(jī)不運(yùn)行，1臺停泊發(fā)電機(jī)向全船供電。

在“應(yīng)急”工況下，應(yīng)急發(fā)電機(jī)給1臺全回轉(zhuǎn)舵槳、1臺主空壓機(jī)、1臺機(jī)艙通風(fēng)機(jī)、救生艇、海洋工程吊應(yīng)急下放供電以及其他應(yīng)急電源。DC 24 V主要用于船舶綜合管理系統(tǒng)和導(dǎo)航、報(bào)警電源。

在“DP作業(yè)”工況下，全船配電系統(tǒng)實(shí)行分區(qū)供電，從中壓6.6 kV到400 V/230 V配電板聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開，由兩側(cè)匯流排上的發(fā)電機(jī)分別向本側(cè)中、低壓負(fù)載供電。

本項(xiàng)目的作業(yè)功能較多，使用工況分為以下10類：航行工況；惡劣海況下使用動力定位、吊機(jī)和ROV；一般海況下使用動力定位、吊機(jī)和ROV；在DP I模式下進(jìn)行潛水操作；在DP II模式下進(jìn)行潛水操作；在4點(diǎn)錨泊情況下進(jìn)行潛水操作；拖帶工況；進(jìn)出港；停泊；應(yīng)急工況。

各工況下發(fā)電機(jī)的使用情況如表1所示。

表1 各工況下發(fā)電機(jī)使用情況

2.2 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)

本項(xiàng)目設(shè)置中壓主配電板（AC 6 600 V）1套、低壓主配電板（AC 400 V/AC 230 V）1套、甲板設(shè)備配電板 （AC 400 V）1套和應(yīng)急配電板 （AC 400 V/AC 230 V）1套。增加DP-2附加標(biāo)志，全船的正常配電網(wǎng)絡(luò)均須按照冗余對稱結(jié)構(gòu)進(jìn)行布置。對于所有重要負(fù)載，從配電板匯流排到變壓器，再到設(shè)備布置均為冗余對稱，保證在最大單點(diǎn)故障時(shí)，船舶仍具有定位能力，此時(shí)的能力應(yīng)得到船東的認(rèn)可。這就對于系統(tǒng)供電、電纜敷設(shè)和設(shè)備布置都提出了更高的要求。配電系統(tǒng)單線圖如圖1所示。

3 動力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 配電板單線圖

本項(xiàng)目主要用于海上救撈作業(yè)，配備有水下遙控?zé)o人探測器（ROV），具有對水下沉船、飛行器進(jìn)行探測和打撈能力，能作為300m飽和潛水和常規(guī)空氣潛水的潛水作業(yè)支持母船。因此本項(xiàng)目設(shè)一套雙冗余動力定位系統(tǒng)，設(shè)計(jì)要求須滿足DNV DYNPOS-AUTR及CCS二級動力定位（DP-2）關(guān)于冗余系統(tǒng)的規(guī)范要求，并取得CCSDP-2附加標(biāo)志。

3.1 動力定位系統(tǒng)配置要求

二級動力定位系統(tǒng)的設(shè)置要求：具有足夠的冗余度，在任何單點(diǎn)故障情況下可不中斷保持定位功能，包括任何運(yùn)動部件和系統(tǒng)的單個(gè)故障出現(xiàn)時(shí)。

需要指出的是，本項(xiàng)目配置二級動力定位的運(yùn)行應(yīng)由主配電板匯流排1或匯流排2供電給伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，具有手自動切換功能；2臺主推進(jìn)和2臺首側(cè)推分別由匯流排1和匯流排2供電。

系統(tǒng)配有2套控制計(jì)算機(jī)，并且相互冗余，系統(tǒng)軟件應(yīng)包括用于監(jiān)測、ROV、潛水操作的所有模式和功能。

DP-2入級符號要求船舶需要配置2臺互為備用的DP主操作站和一套獨(dú)立的Joystick系統(tǒng)。每套DP主操作站包含對所有5臺推進(jìn)器、舵槳、位置參考單元的控制和反饋信息連接。當(dāng)在線的DP控制器發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)會無縫切換至備用控制器，仍保持船的DP控制。獨(dú)立的Joystick系統(tǒng)應(yīng)完全獨(dú)立于DP系統(tǒng)的連接，所有來往于推進(jìn)器的信號須單獨(dú)接設(shè)，保證在DP系統(tǒng)故障時(shí)能手動操縱船舶而不使用參考系統(tǒng)。

3.2 DP參考傳感器

傳感器的設(shè)置應(yīng)使得單個(gè)輸入的丟失不會損害DP-2入級要求范圍內(nèi)船舶工作的能力。

根據(jù)CCSDP-2的入級要求以及船東對于船舶較高的定位要求，本項(xiàng)目的DP系統(tǒng)配置了如下傳感器：

——3套電羅經(jīng)；

——2套風(fēng)向風(fēng)速儀；

——2套DGPS；

——2套水下聲學(xué)定位系統(tǒng)（HIPAP）；

——1套雷達(dá)位置參考系統(tǒng)（RADius）；

——2套張繩位置參考系統(tǒng)（TautWire）；

——1套超聲波位置參考系統(tǒng)（Seapath）；

——3套運(yùn)動參考單元MRU。

4 橋樓布置及天線布置

4.1 滿足一人橋樓OMBO的橋樓布置

本項(xiàng)目在駕駛室上的布置須按照DNV NAUTOSV（A）的規(guī)范要求設(shè)計(jì)，并同時(shí)取得CCS船級社的OMBO的入級符號。對于駕駛室視線，駕控臺、儀器臺等的尺寸、操作位置的儀表安裝都有嚴(yán)格規(guī)定，應(yīng)能使得一名駕駛員在正常情況下有效地操作。

本項(xiàng)目中導(dǎo)航設(shè)備與動力定位系統(tǒng)共用配置的設(shè)備，以保證航行設(shè)備和動力定位相對獨(dú)立原則。對于電羅經(jīng)和風(fēng)速風(fēng)向儀等設(shè)備共用，但信號電纜分別敷設(shè)。

4.2 天線綜合布置

由于本項(xiàng)目在常規(guī)導(dǎo)航通信設(shè)備以外，還配置了動力定位系統(tǒng)以及航空電臺等設(shè)備，所以相關(guān)聯(lián)的無線電設(shè)備較多。這就使得布置于雷達(dá)桅和羅經(jīng)甲板的天線就非常繁多。此外，本項(xiàng)目還在羅經(jīng)甲板左右兩舷配置了2門對外消防炮，極大地限制了天線布置區(qū)域，對于天線間布置合理減小電磁干擾提出了高要求。經(jīng)過多套方案的反復(fù)論證，根據(jù)各天線的安裝要求，充分考慮各設(shè)備天線相互間的電磁干擾和影響，并對消防炮設(shè)置了限位角度，形成了最終的天線布置方案。

5 集中式船舶管理系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)有集中式船舶管理系統(tǒng)IVMS。該系統(tǒng)由分布式控制系統(tǒng)組成，通過一公共通信結(jié)構(gòu)集成了全船的主要控制任務(wù)。各種任務(wù)在各自的由專用計(jì)算機(jī)、子網(wǎng)和外圍設(shè)備組成的分系統(tǒng)內(nèi)執(zhí)行，各分系統(tǒng)的子網(wǎng)組通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)內(nèi)部連接，做到整個(gè)IVMS系統(tǒng)內(nèi)的無間隙通信。某一分系統(tǒng)的故障不會使IVMS內(nèi)其他分系統(tǒng)的操作和功能降低。

集中式船舶管理系統(tǒng)的主要分系統(tǒng)如下：

操縱系統(tǒng)，包括DP、Joystick、操舵、自動舵；

推進(jìn)器控制系統(tǒng)；

機(jī)艙自動化系統(tǒng)；

船舶日常管理系統(tǒng)，包括備品、備件管理，航行日志等；

安全管理系統(tǒng)。

對于IVMS需通過切換到雙冗余電子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的設(shè)備，主系統(tǒng)和備用系統(tǒng)應(yīng)安裝在單獨(dú)的箱體內(nèi)，確保即使在火災(zāi)情況下也不會影響其他完好部件的正常工作。

6 廣播和通用報(bào)警的客船要求

根據(jù)CCS《特種用途船舶安全規(guī)則》2008的要求，對船上載運(yùn)60人以上但不超過240人的船舶，對應(yīng)為載運(yùn)不超過36名乘客的客船的要求。因此本項(xiàng)目應(yīng)滿足客船關(guān)于應(yīng)急電源的要求，廣播和通用報(bào)警系統(tǒng)須由正常、應(yīng)急和臨時(shí)應(yīng)急三路供電。此外，應(yīng)對于船員和乘客單獨(dú)設(shè)置回路，能夠分別向船員或乘客進(jìn)行廣播和報(bào)警，也能同時(shí)向全員進(jìn)行廣播和報(bào)警。這對于雙功放的廣播系統(tǒng)和通用報(bào)警系統(tǒng)的線路布置提出了更高的要求。

7 滿足DP-2的冗余設(shè)計(jì)

7.1 電氣專業(yè)需冗余設(shè)計(jì)的系統(tǒng)

以下船舶系統(tǒng)的供電須考慮冗余設(shè)計(jì)：冷卻系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、通風(fēng)、空調(diào)（機(jī)艙及推進(jìn)器艙）、應(yīng)急切斷、柴油發(fā)電機(jī)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)、電站和船舶管理系統(tǒng)、高壓配電板、低壓配電板、側(cè)向推進(jìn)器及尾部主推進(jìn)器的電動機(jī)及驅(qū)動單元、電子單元和電源、輔助系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)的供電。

7.2 冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)的冗余供電設(shè)計(jì)主要包括柴油發(fā)電機(jī)海水冷卻泵、主推進(jìn)器淡水冷卻泵、主推進(jìn)器海水冷卻泵、伸縮式推進(jìn)器淡水泵、首側(cè)推淡水泵。在輪機(jī)專業(yè)配置上述冷卻水系統(tǒng)時(shí)，泵組采用一用一備和兩用兩備時(shí)，則為左排設(shè)備服務(wù)的泵組取電均來自于配電板左排，右排供電亦然。

其中值得說明的是，本項(xiàng)目配置3臺主推進(jìn)器海水冷卻泵，其中#1、#3泵組為主用泵，#2泵組為專用備用泵，因此無法做到完全冗余對稱布置。故本項(xiàng)目將#1、#2主推進(jìn)器海水冷卻泵電源來自配電板左排，#3主推進(jìn)器海水冷卻泵電源來自配電板右排。

此外，柴油發(fā)電機(jī)沒有配置機(jī)帶高溫淡水泵及低溫淡水泵，用備品泵作備用。

7.3 滑油系統(tǒng)

滑油系統(tǒng)的冗余供電設(shè)計(jì)主要包括滑油預(yù)供泵和滑油分油機(jī)。本項(xiàng)目共配置了4臺滑油預(yù)供泵和4臺滑油分油機(jī)，均為兩用兩備，則為左排設(shè)備服務(wù)的泵組取電均來自于配電板左排，右排供電亦然。

此外，本項(xiàng)目配置了主機(jī)機(jī)帶滑油泵，故未設(shè)電動滑油備用泵。

7.4 燃油系統(tǒng)

燃油系統(tǒng)的冗余供電設(shè)計(jì)主要包括燃油分油機(jī)和燃油供油單元。本項(xiàng)目共配置了2臺燃油分油機(jī)和2臺燃油供油單元，均為一用一備，則為左排設(shè)備服務(wù)的泵組取電來自于配電板左排，右排供電亦然。

7.5 壓縮空氣系統(tǒng)

本項(xiàng)目配置2臺主空壓機(jī)，#1主空壓機(jī)用于#1、#2柴油發(fā)電機(jī)組；#2主空壓機(jī)用于#3、#4柴油發(fā)電機(jī)組，且兼作應(yīng)急空壓機(jī)。故#1主空壓機(jī)電源來自低壓主配電板左排，#2主空壓機(jī)電源來自應(yīng)急配電板。

7.6 推進(jìn)裝置輔助系統(tǒng)

1）主推進(jìn)器的輔助系統(tǒng)。左主推進(jìn)器液壓泵、滑油泵及變頻器、變壓器輔電源來自配電板左排；右主推進(jìn)器相應(yīng)設(shè)備電源來自配電板右排。

2）伸縮式推進(jìn)器的輔助系統(tǒng)。由于首部伸縮式推進(jìn)器的主電源是跨接于AC 6 600 V兩段匯流排，當(dāng)出現(xiàn)單點(diǎn)最大故障（本項(xiàng)目即為中壓、低壓配電板一半的匯流排失電）時(shí)，會自動轉(zhuǎn)換到另一段匯流排，故本項(xiàng)目為伸縮式推進(jìn)器的輔助系統(tǒng)配置了1個(gè)專用電源轉(zhuǎn)換箱，匯流排故障時(shí)也同時(shí)自動切換至另一段，用于以下設(shè)備：

——伸縮式推進(jìn)器變壓器（伸縮式推進(jìn)變壓器風(fēng)機(jī)電源）；

——伸縮式推進(jìn)變頻器（伸縮變頻器水泵及充電電源）；

——伸縮式推進(jìn)器控制器電源；

——伸縮式推進(jìn)器液壓泵站起動器；

——伸縮式推進(jìn)器提升泵站起動器。

值得進(jìn)一步說明的是，伸縮式推進(jìn)器的中壓變頻部分3 s之內(nèi)斷電可不受影響，因本項(xiàng)目的中壓變頻設(shè)備可在0.2 s內(nèi)完成切換，低壓輔助電源轉(zhuǎn)換箱可在0.3 s內(nèi)完成切換。

8 特殊設(shè)備的電氣系統(tǒng)

8.1 潛水裝置

本項(xiàng)目設(shè)1套12人、300m飽和潛水系統(tǒng)，也是本項(xiàng)目最主要的作業(yè)功能。本項(xiàng)目作為該飽和潛水系統(tǒng)的支持母船，母船為該系統(tǒng)提供必要的二路電源、壓縮空氣、淡水和通信的連接，對該系統(tǒng)產(chǎn)生的污水和灰水進(jìn)行收集處理。由于一次完整的加壓、下沉、作業(yè)、上浮、減壓過程耗時(shí)非常長，所以為確保潛水員在整個(gè)過程中的人命安全，除必要的氣源、水源、電源外，該系統(tǒng)自帶一套應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，在應(yīng)急狀況下，能自動起動，保證潛水員安全回到水面。

8.2 減搖水艙及抗橫傾系統(tǒng)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)有三個(gè)被動式減搖水艙用以保持船舶姿態(tài)，盡量減少風(fēng)浪對于船舶的傾斜影響。這些水艙連接至壓載水系統(tǒng)。

本項(xiàng)目專門設(shè)一套抗橫傾系統(tǒng)，用來配合海洋工程起重機(jī)的操作。該系統(tǒng)能滿足海洋工程起重機(jī)在最大負(fù)荷和最大臂長的工況運(yùn)作的要求。每船舷設(shè)5個(gè)邊壓載水艙用于該系統(tǒng)采集橫傾信號。該系統(tǒng)和船舶液位遙測系統(tǒng)共用液位傳感器。這5對水艙的液位信號先傳至中控系統(tǒng)，再通過信號線傳輸給抗橫傾系統(tǒng)。

8.3 海洋工程起重機(jī)

本項(xiàng)目主甲板右舷設(shè)置1臺140 t折臂式海洋工程起重機(jī)，具有主動升沉補(bǔ)償和恒張力功能，可進(jìn)行人員吊運(yùn)。起重機(jī)設(shè)內(nèi)置式電動液壓動力單元，配置空調(diào)全封閉操作室，并配備UHF和船用VHF設(shè)備，用于與母船及船員聯(lián)系，并連接至船舶的廣播、通用報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警和電話系統(tǒng)。

8.4 水下遙控?zé)o人探測器

本項(xiàng)目設(shè)置2個(gè)ROV專用作業(yè)站，分別用于觀察作業(yè)和潛水作業(yè)支持。各ROV作業(yè)站附近設(shè)置1個(gè)接口站，用于為ROV提供相關(guān)母船信息。

9 設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問題

9.1 電纜的電壓等級

CCS規(guī)范要求在交流絕緣系統(tǒng)中，或者在高阻抗接地系統(tǒng)中（發(fā)生接地故障時(shí)電源不斷開），電纜額定電壓應(yīng)不低于表2要求。

表2 電壓等級與電纜額定電壓對照

電纜的額定電壓U0/U，其中，U0為電纜任一導(dǎo)體和“地”（金屬護(hù)套）之間的電壓；U為電纜任何兩相導(dǎo)體之間的電壓。

本項(xiàng)目中壓配電板在發(fā)生接地故障時(shí)真空斷路器切斷，故中壓系統(tǒng)選用電纜額定電壓為6.0/10.0 kV。

9.2 中壓電纜的敷設(shè)

中壓電纜應(yīng)與其他不同工作電壓的電纜分隔開。特別是它們不應(yīng)敷設(shè)在同一電纜束、或同一電纜槽、同一電纜管道中。設(shè)計(jì)時(shí)，《主干電纜走向圖》中應(yīng)注意將中、低壓電纜分開敷設(shè)，且該圖應(yīng)送審CCS。

9.3 中壓變壓器的布置

中壓變壓器的外殼防護(hù)等級至少應(yīng)為IP23，按裝在非專職人員可以到達(dá)的處所時(shí)，其外殼防護(hù)等級至少為IP4X。

本項(xiàng)目選用防護(hù)等級IP23的中壓變壓器，電力變壓器安裝在配電板室，甲板變壓器安裝在非封閉艙室?？紤]到防護(hù)要求，將該區(qū)域加裝門改為封閉艙室。

9.4 航行工況的發(fā)電機(jī)配置

對于電力推進(jìn)船舶，公共電站應(yīng)滿足：在一臺發(fā)電機(jī)不工作時(shí)，剩余的機(jī)組應(yīng)能向所有重要設(shè)備和船舶常用設(shè)備供電，同時(shí)應(yīng)維持有效推進(jìn)，即應(yīng)保證船舶航速不小于7 kn或設(shè)計(jì)航速的一半，兩者中取大者。

所以，電力推進(jìn)船舶航行狀態(tài)發(fā)電機(jī)配置不需要考慮備用發(fā)電機(jī)，滿足上述要求即可。

9.5 電力變壓器的預(yù)充磁

本項(xiàng)目的2臺電力變壓器容量為3 500 kVA，由于容量較大，需設(shè)置預(yù)勵磁變壓器為電力變壓器預(yù)充磁后起動，目的防止變壓器空載起動使過勵磁或過電流保護(hù)繼電器動作而導(dǎo)致起動失敗。由于本項(xiàng)目配置了一套甲板設(shè)備配電板，由中壓配電板經(jīng)甲板變壓器后供電，由此甲板配電板的交流電相序與中壓側(cè)一致，因此電力變壓器的預(yù)充磁電源來自于甲板設(shè)備配電板。

10 結(jié)語

我國正在向深?？蒲虚_發(fā)領(lǐng)域扎實(shí)穩(wěn)步前進(jìn)，深潛水工作母船所具備的300m水深的飽和潛水支持作業(yè)能力具有里程碑式的歷史意義，是我國目前為止支持潛水深度最大、船舶能力最強(qiáng)的特種船舶。

本項(xiàng)目的一些設(shè)計(jì)特點(diǎn)為海洋工程其他項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供了一定技術(shù)儲備和技術(shù)人才積累。本人首次參與設(shè)計(jì)此類船舶，如有不妥之處請專家指正。