DP2動(dòng)力定位工作船電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王金苓（廣新海事重工股份有限公司,廣東 中山 528437）

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DP2動(dòng)力定位工作船電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王金苓
（廣新海事重工股份有限公司,廣東 中山 528437）

摘 要：電氣設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)的重要部分，在非動(dòng)力定位船舶上電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需要考慮單點(diǎn)故障的問題，而在具有動(dòng)力定位功能的船舶上必須考慮單點(diǎn)故障的問題，即電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要冗余，本文簡(jiǎn)介了動(dòng)力定位工作船電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的一些要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力定位；電力系統(tǒng)；單點(diǎn)故障

1 引言

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是一種廣泛應(yīng)用于海洋工程平臺(tái)工作船的全船自動(dòng)化系統(tǒng)，使用推力器的推力使船舶的位置保持于某一固定范圍內(nèi)，同時(shí)使船舶的艏向指向預(yù)先設(shè)定的方位。其由推力器系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)四大主要部分組成。

電力系統(tǒng)是船舶必不可少的重要組成部分，與普通船舶不同的是根據(jù)IMO MSC/Circ. 645的要求，在DP-2的船上電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，即要將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為“電力系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)分成兩個(gè)或更多的系統(tǒng)，并且當(dāng)其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)，至少有一個(gè)系統(tǒng)仍然處于運(yùn)行狀態(tài)?！边@種設(shè)計(jì)的目的就是保證當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，另一個(gè)系統(tǒng)仍然可以維持動(dòng)力定位系統(tǒng)工作，使船舶不致失去定位能力。因此在電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及與電氣相關(guān)的設(shè)備訂貨中要充分的認(rèn)識(shí)到這一要求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行貫徹，避免錯(cuò)誤的設(shè)計(jì)導(dǎo)致后期修改的發(fā)生。

2 電力系統(tǒng)單線圖

電力系統(tǒng)單線圖是DP船電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，通過確定電力系統(tǒng)單線圖可以大致明確本船電力系統(tǒng)的組成，對(duì)電力負(fù)荷的計(jì)算、配電板的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力定位相關(guān)設(shè)備的配電具有重要作用。

根據(jù)IMO MSC/Circ. 645的要求配電系統(tǒng)需要冗余設(shè)計(jì)，電力系統(tǒng)單線圖在確定的同時(shí)既要考慮推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)的數(shù)量、類型，也要考慮規(guī)范的冗余要求。不同的推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)配置，有不同的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，單線圖稍有不同。

2.1 推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)配置類型

DP2工作船根據(jù)主推進(jìn)系統(tǒng)的不同，其它推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)的配置大致分為如下幾類：

（1）主推進(jìn)為舵機(jī)和槳，一般配置二臺(tái)艏側(cè)推和一臺(tái)艉側(cè)推，至少三臺(tái)主發(fā)電機(jī)。

動(dòng)力定位船在動(dòng)力定位時(shí)主機(jī)的功率富余較大，為了充分利用主機(jī)的功率，不使主發(fā)電機(jī)組的容量過大，配置兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)二臺(tái)艏側(cè)推。

配置一臺(tái)艉側(cè)推的目的是彌補(bǔ)舵機(jī)和槳組合的主推進(jìn)系統(tǒng)側(cè)向推力的不足，因此還要對(duì)一臺(tái)艉側(cè)推的啟動(dòng)問題進(jìn)行特別考慮，第三臺(tái)主發(fā)電機(jī)用來與其它兩臺(tái)發(fā)電機(jī)并車解決艉側(cè)推的啟動(dòng)和運(yùn)行問題。

圖1是某項(xiàng)目采這種配置的電力系統(tǒng)單線圖。

如圖1所示主匯流排分為4段，當(dāng)進(jìn)行動(dòng)力定位時(shí)，4個(gè)匯流排斷路器全部打開，軸發(fā)S2和艏側(cè)推BT2處于匯流排D上，軸發(fā)S1和艏側(cè)推BT1處于匯流排C上，主發(fā)G1和G2分別處于匯流排A和B上，而主發(fā)G3和艉側(cè)推ST則可以通過不同的斷路器組合，分別于G1或G2組合，處于匯流排A或B上。

當(dāng)系統(tǒng)中無論最大單點(diǎn)故障發(fā)生在那段主匯流排，僅失去一個(gè)側(cè)推，滿足規(guī)范的冗余要求。

需要注意當(dāng)艉側(cè)推ST所處的匯流排發(fā)生故障時(shí)，需要將ST轉(zhuǎn)換到另一段匯流排上，這里有一個(gè)轉(zhuǎn)換過程，在這個(gè)過程中ST將失去補(bǔ)充舵力的功能，會(huì)造成艉部定位能力下降，有船級(jí)社如DNV不接受這種設(shè)計(jì)。

（2）主推進(jìn)采用全回轉(zhuǎn)，一般配置兩臺(tái)艏側(cè)推，至少配置二臺(tái)主發(fā)電機(jī)。

同理為利用主機(jī)富余功率，配置兩臺(tái)軸帶發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)側(cè)推。

將圖1中的G3、ST及相關(guān)的斷路器去掉即是這種系統(tǒng)的電力單線圖結(jié)構(gòu)。

（3）主推進(jìn)采用電力推進(jìn)，一般配置兩臺(tái)艏側(cè)推，至少配置二臺(tái)主發(fā)電機(jī)。

電力推進(jìn)的主推進(jìn)系統(tǒng)也分為舵槳組合和全回轉(zhuǎn)兩種，但舵槳組合的電力推進(jìn)船上一般不具有動(dòng)力定位功能，具有動(dòng)力定位功能的電力推進(jìn)船多采用全回轉(zhuǎn)形式的主推進(jìn)。

電力推進(jìn)系統(tǒng)船舶的單線圖與全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)類似，將主推進(jìn)改為電力驅(qū)動(dòng)由主發(fā)電機(jī)組分組分別供電，同時(shí)增加主發(fā)電機(jī)組的容量或者數(shù)量。

2.2 輔助設(shè)備的供電

為推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)所服務(wù)的輔助泵組等設(shè)備的供電，也應(yīng)按照左右對(duì)稱原則進(jìn)行布置，該輔助設(shè)備的電源應(yīng)與所服務(wù)的設(shè)備處于同一段匯流排的或其下級(jí)匯流排上。

3 用定位能力分析報(bào)告校核負(fù)荷計(jì)算

動(dòng)力定位能力分析報(bào)告根據(jù)初步確定的推進(jìn)器配置，在規(guī)定的風(fēng)速、水流速、浪高等環(huán)境下，建立在船舶受力和運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型上，對(duì)船舶定位能力進(jìn)行的仿真分析，提供兩種類型的蝴蝶圖報(bào)告。

第一種是可變推進(jìn)器功率蝴蝶圖，指定了環(huán)境數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)顯示推進(jìn)器功率最大使用百分比。第二種是可變洋流或風(fēng)速流蝴蝶圖，設(shè)定推進(jìn)器以100%功率輸出時(shí)且風(fēng)速固定時(shí)，可以適應(yīng)的洋流或風(fēng)速。

動(dòng)力定位報(bào)告中包括蝴蝶圖的數(shù)值化部分，數(shù)值化部分有0-360度范圍內(nèi)每10度一個(gè)單位的風(fēng)向時(shí)推進(jìn)器的實(shí)際功率。推進(jìn)器的功率占了發(fā)電機(jī)功率的絕大部分，采用動(dòng)力定位報(bào)告可以準(zhǔn)確的確定發(fā)電機(jī)的容量或數(shù)量，很明顯比傳統(tǒng)的方法更加合理。

4 其它系統(tǒng)注意事項(xiàng)

4.1 側(cè)推及主推進(jìn)控制系統(tǒng)

（1）出現(xiàn)任何會(huì)導(dǎo)致操作人員對(duì)推進(jìn)器失去控制的單點(diǎn)故障時(shí)，推進(jìn)命令應(yīng)自動(dòng)歸零。如該故障僅影響部分推進(jìn)器，受影響的推進(jìn)器其控制命令應(yīng)自動(dòng)歸零，其他未受影響的推進(jìn)器仍處于操縱控制下；

（2）手動(dòng)模式要隨時(shí)處于可使用狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)力定位模式出現(xiàn)故障時(shí)，可立即轉(zhuǎn)換至手動(dòng)控制模式；

（3）推進(jìn)器應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的應(yīng)急停止回路，每個(gè)推進(jìn)器的應(yīng)急停止裝置采用單獨(dú)的控制電纜，應(yīng)急停止回路應(yīng)設(shè)有斷開或短路的故障報(bào)警；

（4）推進(jìn)器控制系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有雙路電源，其中一路電源發(fā)生故障時(shí)，發(fā)出報(bào)警；

（5）接受來自功率管理系統(tǒng)的減小螺距信號(hào)以減小推進(jìn)器的負(fù)荷（CPP）；

（6）來自動(dòng)力定位系統(tǒng)的命令斷路時(shí)，受影響的推進(jìn)器螺距應(yīng)保持不變或歸零（CPP）；

（7）螺距反饋信號(hào)斷路時(shí)，受影響的推進(jìn)器螺距應(yīng)保持不變或歸零；

4.2 電站管理系統(tǒng)

（1）規(guī)范要求至少有兩套電站管理系統(tǒng)，但沒有明確具體作法。需要注意的是這里有100%冗余和50%冗余兩種說法，建議大家選擇100%冗余為好；

（2）在電站可分配功率降低時(shí)，能發(fā)出降螺距信號(hào)給對(duì)應(yīng)推進(jìn)器；

（3）要對(duì)電站管理系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立FMEA，要求假設(shè)電源、控制器、I/O模塊、通訊總線或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，但故障不會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)喪失功能。

4.3 DP控制系統(tǒng)

DP控制系統(tǒng)包括環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，一般由專業(yè)廠商提供標(biāo)準(zhǔn)配置設(shè)備。但在設(shè)計(jì)中常有船東對(duì)環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)中的風(fēng)速風(fēng)向儀要求全部采用超聲波形式，導(dǎo)致最后FMEA分析不通過。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求風(fēng)速風(fēng)向儀傳感器必須采用兩種不同的工作原理，即三臺(tái)傳感器中至少有一臺(tái)采用非超聲波形式，因此最好定貨時(shí)就按規(guī)范要求進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

動(dòng)力定位系統(tǒng)是一個(gè)全船化的自動(dòng)化系統(tǒng)，涉及到電氣系統(tǒng)的方方面面，在進(jìn)行電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一定要嚴(yán)格按照單點(diǎn)故障不會(huì)引起動(dòng)力定位能力失去的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)要有適當(dāng)?shù)娜哂喽?。本文僅是設(shè)計(jì)過程中需要注意的一些明顯的問題，在設(shè)計(jì)進(jìn)行過程中還需要與FMEA分析緊密結(jié)合，及時(shí)修正設(shè)計(jì)出現(xiàn)的錯(cuò)誤，避免設(shè)計(jì)成型后修改造成大量資源浪費(fèi)。

參考文獻(xiàn)：

［1］IMO MSC/Circ.645 Guidelines for vessels with dynamic positioning systems 1994.

［2］IMCA M113 Guidelines for vessels with dynamic positioning systems.

［3］IMCA M166 Guidance on Failure Modes & Effects Analysis （FMEA）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.219