柴油電力推進(jìn)DP船舶母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合排運(yùn)行有關(guān)的故障模式分析

夏純耀　蔣文星　徐方哲

(中國(guó)石化上海海洋石油局船舶分公司　上?！?01206)

柴油電力推進(jìn)DP船舶母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合排運(yùn)行有關(guān)的故障模式分析

夏純耀蔣文星徐方哲

(中國(guó)石化上海海洋石油局船舶分公司上海201206)

摘要為避免母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合排運(yùn)行故障對(duì)船舶電網(wǎng)產(chǎn)生影響，通過(guò)故障穿越分析和試驗(yàn)，實(shí)例分析了DP船舶冗余概念及其動(dòng)力和推進(jìn)器配置的冗余分組，對(duì)于柴油電力推進(jìn)DP船舶與母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合運(yùn)行有關(guān)的嚴(yán)重的故障模式進(jìn)行了剖析，介紹了有關(guān)故障模式識(shí)別的產(chǎn)品(AGP)和相關(guān)試驗(yàn)方法。

關(guān)鍵詞DP冗余FMEA單點(diǎn)故障高級(jí)發(fā)電機(jī)保護(hù)(AGP)電網(wǎng)故障穿越能力

1　DP2船舶故障模式影響分析

隨著國(guó)內(nèi)造船業(yè)的快速發(fā)展和國(guó)家深水戰(zhàn)略的實(shí)施，越來(lái)越多的電力推進(jìn)甚至混合推進(jìn)船舶將投入到海洋石油公司的船隊(duì)，它們均帶動(dòng)力定位2級(jí)(以下簡(jiǎn)稱DP2)甚至DP3的入級(jí)符號(hào)，在動(dòng)力和推進(jìn)器等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冗余配置[1]，現(xiàn)以勘探312輪為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖1為勘探312輪動(dòng)力、配電和推進(jìn)器配置示意圖，其動(dòng)力和推進(jìn)系統(tǒng)配置分成了左右2個(gè)冗余分組：

(1) 左冗余分組。1號(hào)柴油發(fā)電機(jī)、2號(hào)柴油發(fā)電機(jī)、左配電盤(pán)、左電站管理系統(tǒng)、左配電、1號(hào)首側(cè)推、左全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，以及它們的輔助系統(tǒng)。

(2) 右冗余分組。3號(hào)柴油發(fā)電機(jī)、4號(hào)柴油發(fā)電機(jī)、右配電盤(pán)、右電站管理系統(tǒng)、右配電、2號(hào)首側(cè)推、右全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，以及它們的輔助系統(tǒng)。

圖1　勘探312輪動(dòng)力、配電和推進(jìn)器配置示意圖

對(duì)DP2船舶的FMEA(故障模式影響分析)和試驗(yàn)需要重點(diǎn)分析和討論可能影響超出單一冗余分組的故障模式，防止其影響所有的冗余分組進(jìn)而導(dǎo)致船舶失去定位能力。2冗余分組之間有管系和電力的聯(lián)接，為安全起見(jiàn)，通常進(jìn)入DP作業(yè)前應(yīng)注意以下問(wèn)題[2]。

(1) 左右燃油供給和淡水冷卻系統(tǒng)之間有跨接閥，在DP2操作時(shí)需要關(guān)閉，防止有燃油污損或者冷卻水進(jìn)空氣等情況下影響所有的發(fā)電機(jī)或推進(jìn)器。

(2) 左右滑油系統(tǒng)之間需要隔離，如各推進(jìn)器液壓系統(tǒng)自成體系，不能對(duì)左右的發(fā)電機(jī)同時(shí)進(jìn)行滑油凈化作業(yè)等。

(3) DP控制系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)左右分區(qū)之間應(yīng)有冗余通信聯(lián)接，且配有能互為熱備用的冗余控制器。

(4) 各電壓等級(jí)的配電盤(pán)母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)需要斷開(kāi)以隔離可能嚴(yán)重的單一故障，這類故障可導(dǎo)致全船失電而使船舶失去動(dòng)力定位能力。

目前，從維護(hù)、燃油經(jīng)濟(jì)性和排放清潔等方面考慮，越來(lái)越多的船舶和平臺(tái)希望在DP作業(yè)時(shí)，母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)能閉合運(yùn)行，這就對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的安全保護(hù)提出了新的要求，以下先列出與母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合排運(yùn)行相關(guān)并會(huì)影響整個(gè)電網(wǎng)的嚴(yán)重故障模式，繼而討論具體的解決方案。

2　與母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)合排運(yùn)行有關(guān)的嚴(yán)重故障模式

2.1調(diào)速器故障

如舊的機(jī)械式松動(dòng)會(huì)引起柴油機(jī)飛車，油門(mén)拉桿抖動(dòng)或者卡在最大開(kāi)度，進(jìn)而可能導(dǎo)致和其并車運(yùn)行的發(fā)電機(jī)因逆功保護(hù)而脫扣，再其本身也會(huì)因超速保護(hù)而停機(jī)，進(jìn)而造成整個(gè)電網(wǎng)失電。

2.2發(fā)電機(jī)調(diào)壓器故障

和調(diào)速器故障類似，如有單臺(tái)發(fā)電機(jī)欠勵(lì)，過(guò)勵(lì)和勵(lì)磁抖動(dòng)會(huì)對(duì)整個(gè)船舶電網(wǎng)帶來(lái)沖擊。

2.3穿越整個(gè)電網(wǎng)的可能導(dǎo)致全船失電的嚴(yán)重故障

如：①有待并發(fā)電機(jī)同步器故障，或者并車操作(誤操作)失敗會(huì)沖擊整個(gè)電網(wǎng)；②當(dāng)并車運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)載在較高水平時(shí)，有單臺(tái)突然停機(jī)，引起剩下發(fā)電機(jī)過(guò)載(因?yàn)槠胀娬竟芾硐到y(tǒng)自動(dòng)減負(fù)載的動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)，在其動(dòng)作前，發(fā)電機(jī)就有可能因過(guò)載而保護(hù)停機(jī)，或者發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)因欠頻而脫扣)，導(dǎo)致全船失電；③母排短路或者斷相：如果母排發(fā)生短路，短路電流瞬時(shí)峰值將會(huì)超過(guò)短路前電流值的10倍，直接沖擊并車運(yùn)行發(fā)電機(jī)無(wú)功功率分配的穩(wěn)定性，而且短路還會(huì)帶來(lái)過(guò)大的瞬時(shí)電壓降，如電站保護(hù)沒(méi)有考慮到這一故障模式并進(jìn)行正確的整定將會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的后果，如和非短路母排聯(lián)接的發(fā)電機(jī)或者負(fù)載脫扣動(dòng)作，并引發(fā)隱藏的故障，直接導(dǎo)致全船失電。短路帶來(lái)的瞬時(shí)電壓降還可能使這些開(kāi)關(guān)保護(hù)動(dòng)作并對(duì)相關(guān)設(shè)備造成沖擊；④大功率設(shè)備起動(dòng)帶來(lái)的瞬時(shí)電壓降；⑤大功率起重設(shè)備再生制動(dòng)故障時(shí)帶來(lái)的沖擊；⑥船舶電站管理系統(tǒng)故障，如發(fā)出錯(cuò)誤的發(fā)電機(jī)并車(合排)或者大功率設(shè)備“充許啟動(dòng)”的指令，將會(huì)沖擊整船電網(wǎng)；⑦其他，如大功率AFE變頻器的前端故障可能給整個(gè)電網(wǎng)沖擊。

3　AGP工作原理

常規(guī)的發(fā)電機(jī)和電站保護(hù)裝置已經(jīng)不能識(shí)別并快速隔離2.1和2.2的故障模式，因此各大電氣系統(tǒng)集成商及專業(yè)的公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能持續(xù)監(jiān)控發(fā)電機(jī)和調(diào)速器和調(diào)壓器運(yùn)行情況，對(duì)上述故障模式進(jìn)行檢測(cè)，及時(shí)斷開(kāi)母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)并隔離故障的發(fā)電機(jī)的產(chǎn)品。相關(guān)產(chǎn)品并得到了船級(jí)社認(rèn)可，這類產(chǎn)品一般稱為高級(jí)的發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(advanced generator protection systems，AGP)。其工作原理如下。

3.1投票篩選功能

AGP持續(xù)監(jiān)控并比較并車運(yùn)行各臺(tái)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如有功和無(wú)功功率的變化，數(shù)據(jù)異常時(shí)能快速甄別出故障發(fā)電機(jī)[3]。如一電網(wǎng)3臺(tái)發(fā)電機(jī)并車運(yùn)行，其中2臺(tái)發(fā)電機(jī)因?yàn)橛推穯?wèn)題同時(shí)輸出功率下降并不穩(wěn)定，引起健康發(fā)電機(jī)過(guò)載。傳統(tǒng)的電站保護(hù)只可能脫掉過(guò)載的健康發(fā)電機(jī)，然后故障發(fā)電機(jī)會(huì)因?yàn)榍奉l等原因脫掉而造成全船失電。而AGP的投票功能能結(jié)合比較各發(fā)電機(jī)的功率和母排頻率，如果發(fā)電機(jī)都能發(fā)出更大的功率，母排頻率將升高；而有故障發(fā)電機(jī)因?yàn)椴荒転殡娋W(wǎng)上載更多的功率，反而導(dǎo)致母排頻率下降。經(jīng)過(guò)判斷甄別出故障發(fā)電機(jī)，從而在傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置動(dòng)作前快速斷開(kāi)母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)。

3.2發(fā)電機(jī)特性一致性預(yù)測(cè)

并車運(yùn)行的發(fā)電機(jī)需要有類似的調(diào)速特性和調(diào)壓特性，如圖2a)，發(fā)電機(jī)的調(diào)速特性應(yīng)在向下傾斜的方框范圍內(nèi)，但如果檢測(cè)到發(fā)電機(jī)G1工作點(diǎn)雖然在方框范圍內(nèi)，但卻在接受逆功；而發(fā)電機(jī)G2的工作點(diǎn)已經(jīng)偏移到方框范圍外如圖2b)，則可以判斷G2發(fā)電機(jī)調(diào)速器故障，如卡在全油門(mén)位置，搶掉了G1的有功功率，而導(dǎo)致其處于逆功狀態(tài)。這時(shí)，AGP會(huì)快速切斷故障發(fā)電機(jī)。而傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)保護(hù)會(huì)因健康發(fā)電機(jī)因承受故障發(fā)電機(jī)的功率而被逆功保護(hù)脫掉，而后故障發(fā)電機(jī)才會(huì)因超速(頻)保護(hù)而脫扣(停機(jī))，進(jìn)而引起全船失電。

圖2　發(fā)電機(jī)調(diào)速特性圖及故障時(shí)特性點(diǎn)位置變化

4　船舶電網(wǎng)的故障穿越(隔離故障恢復(fù))能力

母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合運(yùn)行時(shí)，為隔離2.3項(xiàng)所列的故障模式，即能快速隔離故障母排和設(shè)備，而和故障段非直接連接電網(wǎng)能快速恢復(fù)。這就對(duì)整個(gè)電網(wǎng)和用電設(shè)備的保護(hù)和整定等提出了更高的要求，即整個(gè)電網(wǎng)的故障穿越(隔離故障恢復(fù))能力。

母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)需要在DP作業(yè)閉合運(yùn)行時(shí)，就需要對(duì)整個(gè)電網(wǎng)進(jìn)行分析，并重點(diǎn)考慮如下情況。

(1) 整個(gè)電網(wǎng)的電壓降穿越能力，嚴(yán)重短路故障后造成的電壓降可能造成非直接影響的發(fā)電機(jī)，聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)，大功率負(fù)載開(kāi)關(guān)的欠壓保護(hù)脫扣或者負(fù)載自身保護(hù)停機(jī)。這一試驗(yàn)?zāi)芙沂倦[藏的故障，試驗(yàn)要模擬理論計(jì)算的最大電壓降和最長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。

(2) 母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)的過(guò)電流保護(hù)整定，嚴(yán)重短路故障后母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)能快速斷開(kāi)以隔離故障而保護(hù)健康發(fā)電機(jī)和負(fù)載。

(3) 故障后仍需要在網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的暫態(tài)穩(wěn)定性，故障會(huì)對(duì)其造成沖擊，如引起并車運(yùn)行的發(fā)電機(jī)失步等。

(4) 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)在故障后的恢復(fù)時(shí)段不會(huì)因?yàn)檫^(guò)壓脫扣健康發(fā)電機(jī)和負(fù)載開(kāi)關(guān)。

(5) 大功率驅(qū)動(dòng)器如推進(jìn)器變頻器的直流母排不會(huì)因過(guò)流保護(hù)而停機(jī)。

(6) 整個(gè)電網(wǎng)不會(huì)因?yàn)橥娇刂乒收隙斐扇щ姡@一故障可能是誤操作引發(fā)。

(7) 接地保護(hù)的整定。

(8) 其他故障模式。

分析實(shí)驗(yàn)可以計(jì)算機(jī)模擬但還需要實(shí)船測(cè)試。

5　故障穿越和接地試驗(yàn)方法

經(jīng)過(guò)IMCA(國(guó)際海事承包商協(xié)會(huì))和相關(guān)的行業(yè)統(tǒng)計(jì)，至少有數(shù)十起DP事故和母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)閉合運(yùn)行有關(guān)。2013年第一季度，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)調(diào)查了墨西哥灣的一起海上鉆井平臺(tái)的事故后發(fā)現(xiàn)，該平臺(tái)電站是母排合排運(yùn)行，由一推進(jìn)器維護(hù)后連接電網(wǎng)啟動(dòng)帶來(lái)的瞬時(shí)電壓降引起。為此該機(jī)構(gòu)發(fā)布了05-13號(hào)海事安全警告：海上移動(dòng)鉆井平臺(tái)(船舶)的檢驗(yàn)需要保證其推進(jìn)器驅(qū)動(dòng)裝置在電站系統(tǒng)受到?jīng)_擊時(shí)的故障穿越能力。試驗(yàn)應(yīng)測(cè)試電站母排受到嚴(yán)重沖擊如短路時(shí)的系統(tǒng)反應(yīng)。故障穿越能力是DP冗余概念的重要且必需部份，并需要按MTS(海事技術(shù)協(xié)會(huì))制定的“DP船舶設(shè)計(jì)原理指導(dǎo)”的9.2.5節(jié)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如模擬母排短路和接地試驗(yàn)，這些測(cè)試需要結(jié)合船舶DP驗(yàn)證試驗(yàn)進(jìn)行(如船舶5年DP檢驗(yàn))。所以，普通DP2/3船舶和平臺(tái)電站推薦母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)進(jìn)行DP作業(yè)。

母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)需要閉合運(yùn)行的船舶電網(wǎng)需要做相關(guān)試驗(yàn)以驗(yàn)證其性能，DP2/3船舶的FMEA也需要做這類試驗(yàn)。

由于這類試驗(yàn)通常具有破壞性，為保證設(shè)備及人員的安全，試驗(yàn)前應(yīng)做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)詁，并保障人員和設(shè)備的安全。DP協(xié)會(huì)(DP COMMITTEE)于2014年10月給出的實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)如下,如圖3所示，使用配電板內(nèi)一個(gè)容量較大的開(kāi)關(guān)接一根能承受全短路電流的電纜并且開(kāi)關(guān)能遙控操作，全程記錄模擬短路前后的數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4，母排聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)在短路出現(xiàn)后約200 ms時(shí)動(dòng)作，隔離了故障母排。

圖3　模擬短路試驗(yàn)方法示意圖

圖4　短路實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)跟蹤圖

具體試驗(yàn)方法可參考DP協(xié)會(huì)技術(shù)和操作指導(dǎo)出版的DP船舶電站故障穿越能力測(cè)試方法。

收稿日期：2015-05-14

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.054