雙體半潛式居住平臺(tái)DPS-3動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

福建省馬尾造船股份有限公司技術(shù)中心 胡世江 暢家海

雙體半潛式居住平臺(tái)DPS-3動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

福建省馬尾造船股份有限公司技術(shù)中心 胡世江 暢家海

隨著人們生活水平的提高，能源消耗日益增加，陸上資源已不能滿足人們未來(lái)對(duì)于能源消耗的需求，豐富的海洋油氣、礦產(chǎn)資源正成為各國(guó)爭(zhēng)先開(kāi)采的方向，并且不斷向深海發(fā)展。由于深海環(huán)境比較惡劣，如何為工人提供安全舒適的生活和工作環(huán)境逐漸成為船東客戶著重考慮的問(wèn)題。馬尾造船股份有限公司針對(duì)市場(chǎng)需求，參與設(shè)計(jì)并建造的國(guó)內(nèi)首制雙體半潛式居住平臺(tái)，配備DPS-3動(dòng)力定位系統(tǒng)，為平臺(tái)作業(yè)提供居住和生活保障，大大提高了工人居住的舒適性和安全性。本文主要針對(duì)該船有關(guān)DPS-3動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行論述。

雙體半潛式居住平臺(tái) 動(dòng)力定位系統(tǒng) DPS-3

隨著海洋油田作業(yè)水深的增加，海工平臺(tái)或船舶依靠傳統(tǒng)的錨泊定位系統(tǒng)的造價(jià)和安裝費(fèi)用日益劇增，而且無(wú)法達(dá)到精確定位的效果。四點(diǎn)系泊系統(tǒng)由于水深增加也會(huì)導(dǎo)致造價(jià)和安裝成本增加，同時(shí)考慮到四點(diǎn)系泊系統(tǒng)操作的復(fù)雜性，DP定位系統(tǒng)更能容易被船東和租家接受。相對(duì)于傳統(tǒng)DPS-1、DPS-2的船舶，DPS-3的船舶安全性和穩(wěn)定性也大大增加。

動(dòng)力定位系統(tǒng)DPS（dynamic positioning system）是指使船舶在某種海況下保持定點(diǎn)位置不動(dòng)或者艏向移動(dòng)控制在允許偏差范圍內(nèi)的系統(tǒng)。影響船舶定位的因素主要有水流、風(fēng)速、海浪及船舶自身推進(jìn)能力等。動(dòng)力定位系統(tǒng)通過(guò)各因素的傳感器感知外界環(huán)境變化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)處理給出各推進(jìn)器需要執(zhí)行的命令，從而達(dá)到維持船舶位置或艏向不變的目的。動(dòng)力定位能適用各種水深的定位要求，定位成本隨水深的增加變化不大。本文基于馬尾造船股份有限公司（本文簡(jiǎn)稱“我司”）參與設(shè)計(jì)并建造的雙體半潛式居住平臺(tái)，對(duì)DPS-3系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 DPS-3動(dòng)力定位系統(tǒng)

1.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)介紹

動(dòng)力定位系統(tǒng)主要是通過(guò)位置參考系統(tǒng)、環(huán)境參考系統(tǒng)感知位置和環(huán)境信息，確定實(shí)時(shí)的數(shù)學(xué)模型。在確定定位位置或運(yùn)動(dòng)軌跡后，依據(jù)位置傳感器及環(huán)境傳感器感知的外部因素變化，通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算給出各推進(jìn)器指令，使各推進(jìn)器產(chǎn)生相應(yīng)的推力維持船舶的定位位置或設(shè)定的運(yùn)行軌跡。動(dòng)力定位系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）系統(tǒng)調(diào)試完畢后，定位過(guò)程可由電腦自動(dòng)完成，減少人員操作；（2）相對(duì)于錨泊定位，動(dòng)力定位精度高，效率高；（3）機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，更安全。

動(dòng)力定位系統(tǒng)由以下幾個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成：（1）配電系統(tǒng)。包括發(fā)電機(jī)、配電板以及分電箱等，提供船上設(shè)備運(yùn)作所需電力；（2）推進(jìn)系統(tǒng)。包含推進(jìn)器及其控制組件；（3）動(dòng)力定位遙控系統(tǒng)。包含控制器、控制臺(tái)、數(shù)據(jù)采集單元、位置參考系統(tǒng)、環(huán)境參考系統(tǒng)等。

1.2 動(dòng)力系統(tǒng)的規(guī)范要求

各船級(jí)社對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)要求略有不同，因我司建造項(xiàng)目是入級(jí)ABS船級(jí)社，所以列舉ABS船級(jí)社對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的要求如表1所示。

表1 動(dòng)力定位級(jí)別和ABS船級(jí)社描述

1.3 動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)備配置要求

動(dòng)力定位系統(tǒng)的等級(jí)不同，所要求的設(shè)備配置和分隔的要求也不一樣，表2列出了各定位等級(jí)對(duì)應(yīng)的設(shè)備布置最低要求。

表2 動(dòng)力定位系統(tǒng)的布置

依據(jù)表2，由于定位等級(jí)的不同，對(duì)于設(shè)備和布置的要求也不同，而DP-3動(dòng)力系統(tǒng)的要求最高，即使是一個(gè)艙室失火或進(jìn)水，依然能夠保持船舶的原有位置和艏向，也就是說(shuō)，DPS-3系統(tǒng)相對(duì)于DPS-2系統(tǒng)而言，除了考慮設(shè)備單點(diǎn)故障外，還要求艙室做到冗余，這對(duì)機(jī)艙布置、配電板間布置以及駕駛室布置等都提出了更高的要求，A60防火分隔布置也自然成為DPS-3船需要關(guān)注的重點(diǎn)。

2 “雙體半潛式居住平臺(tái)”動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)備布置和配置

2.1 配電系統(tǒng)

雙體半潛式居住平臺(tái)配置8臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組成，2800kW/臺(tái)(見(jiàn)圖1)，每2臺(tái)主發(fā)電機(jī)及其輔助設(shè)備布置在一個(gè)機(jī)艙。本船由四個(gè)機(jī)艙組成，每個(gè)機(jī)艙之間采用A60防火分隔以保證機(jī)艙之間相互獨(dú)立。每個(gè)機(jī)艙內(nèi)為兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組服務(wù)的燃油送泵、海水冷卻泵均是相對(duì)其他三個(gè)機(jī)艙獨(dú)立的設(shè)計(jì)，包括對(duì)應(yīng)的管線和油艙。這樣的布置用于保證在單個(gè)機(jī)艙失火或進(jìn)水的時(shí)候?qū)ζ渌齻€(gè)機(jī)艙不造成影響，使剩余動(dòng)力依然保證船舶的定位能力。

圖1 配電系統(tǒng)單線圖

2.2 推進(jìn)系統(tǒng)介紹

雙體半潛式居住平臺(tái)配置4臺(tái)4500kW AZIPOD全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，分別位于船身的四個(gè)角落，每個(gè)推進(jìn)器配備了獨(dú)立的滑油系統(tǒng)、海水冷卻系統(tǒng)、淡水冷卻系統(tǒng)，每個(gè)推進(jìn)器間配有兩臺(tái)獨(dú)立的空調(diào)。由于每個(gè)推進(jìn)器對(duì)應(yīng)單一獨(dú)立的推進(jìn)器艙、機(jī)艙以及配電板間，因此本船在最大單點(diǎn)故障情況下，將允許失去一臺(tái)推進(jìn)器。

從圖2可以看出，雙體半潛式居住平臺(tái)有左右兩個(gè)筒體，每個(gè)筒體下有兩個(gè)機(jī)艙，機(jī)艙及對(duì)應(yīng)設(shè)備相互獨(dú)立，單側(cè)的兩個(gè)機(jī)艙之間是A60艙壁，由A60水密移門連接，便于需要維護(hù)時(shí)人員出入。機(jī)艙編號(hào)方式：左艏部機(jī)艙是1號(hào)機(jī)艙；右艏部機(jī)艙是2號(hào)機(jī)艙；左艉部機(jī)艙是3號(hào)機(jī)艙；右艉部機(jī)艙是4號(hào)機(jī)艙。

每個(gè)機(jī)艙內(nèi)發(fā)電機(jī)組的輔助系統(tǒng)（如燃油輸送泵、海水冷卻泵、淡水冷卻泵）以及這些設(shè)備的供電系統(tǒng)相對(duì)于其它機(jī)艙都是獨(dú)立的，單個(gè)機(jī)艙內(nèi)的輔助系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響其他機(jī)艙內(nèi)的柴油機(jī)組正常運(yùn)行。

圖2 機(jī)艙布置圖

從圖3可以看出，雙體半潛式居住平臺(tái)配電板間的布置跟機(jī)艙布置類似，每個(gè)筒體下有兩個(gè)配電板間，配電板間相互獨(dú)立的對(duì)應(yīng)單個(gè)機(jī)艙。配電板間的編號(hào)以及編號(hào)方式跟機(jī)艙對(duì)應(yīng)，分別為：左艏部配電板間是1號(hào)配電板間；右艏部配電板間是2號(hào)配電板間；左艉部配電板間是3號(hào)配電板間；右艉部配電板間是4號(hào)配電板間。

每個(gè)配電板間提供其所對(duì)應(yīng)的推進(jìn)器、柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組及其輔助設(shè)備所需動(dòng)力。

圖2、圖3的布置是我司針對(duì)之前一艘DPS-3項(xiàng)目布置的改良，之前項(xiàng)目我們沒(méi)有對(duì)左右機(jī)艙再進(jìn)行分割，從而導(dǎo)致在失去單邊機(jī)艙的同時(shí)失去兩臺(tái)推進(jìn)器，降低了船舶抵抗惡劣環(huán)境的能力，在成本增加不多的情況下，通過(guò)這樣的優(yōu)化大大提高船舶的安全性和穩(wěn)定性。

2.3 動(dòng)力定位控制系統(tǒng)

本船動(dòng)力定位系統(tǒng)按照船級(jí)社對(duì)DPS-3的要求，配備了兩臺(tái)DP控制系統(tǒng)——主DP定位系統(tǒng)以及備用DP定位系統(tǒng)，還有一套操縱桿系統(tǒng)（Cjoy系統(tǒng)）。其中主DP定位系統(tǒng)包括以下設(shè)備：2臺(tái)控制站、1臺(tái)舷側(cè)操作終端、2臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向儀、2臺(tái)顛簸傳感器，2臺(tái)電羅經(jīng)，1臺(tái)衛(wèi)星定位系統(tǒng)，1臺(tái)激光定位系統(tǒng)以及1臺(tái)Hipap系統(tǒng)；備用DP定位系統(tǒng)包含以下設(shè)備：1臺(tái)控制站、1臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向儀、1臺(tái)顛簸傳感器、1臺(tái)電羅經(jīng)以及1臺(tái)衛(wèi)星定位系統(tǒng)。主DP系統(tǒng)布置在主駕駛室，備用DP系統(tǒng)布置在應(yīng)急駕駛室，主駕駛與應(yīng)急駕駛室之間采用A60分隔。具體DP控制系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖4。

圖3 配電板間布置

圖4 DP控制系統(tǒng)示意圖

2.4 其他輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雙體半潛式居住平臺(tái)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)方面根據(jù)FMEA分析要求，對(duì)以下輔助系統(tǒng)進(jìn)行了分析和改善：（1）輔助設(shè)備的電力分配系統(tǒng)，包含230V供電系統(tǒng)以及24V供電系統(tǒng)和UPS；（2）考慮了重要艙室空調(diào)冷卻系統(tǒng)的冗余；（3）考慮了推進(jìn)遙控系統(tǒng)、監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)以及DP動(dòng)力系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)冗余；（4）考慮了燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等使用上的冗余；（5）考慮了電纜鋪設(shè)過(guò)程中可能造成的交叉，并對(duì)交叉部分相應(yīng)的電纜進(jìn)行A60電纜管保護(hù)；（6）依照DP Zone Plan細(xì)化了防火分隔圖，以滿足DPS-3對(duì)艙室冗余的要求；（7）安裝了K-safe系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合了F&G（Fire&Gas system）以及ESD(Emergency shut down system)功能，在區(qū)域失火的情況下，通過(guò)邏輯分析判斷給出相應(yīng)的命令，停滯對(duì)應(yīng)區(qū)域的風(fēng)機(jī)、關(guān)閉對(duì)應(yīng)區(qū)域風(fēng)閘等功能。

3 結(jié)語(yǔ)

雙體半潛式居住平臺(tái)是目前比較先進(jìn)的輔助支持船，因其船體的雙體設(shè)計(jì)使得其抗搖能力強(qiáng)，又配有DPS-3動(dòng)力系統(tǒng)提供其穩(wěn)定性，得到了船東和用戶的一致好評(píng)，也為平臺(tái)上的工作人員提供了穩(wěn)定舒適的生活環(huán)境，被譽(yù)為“海上賓館”。

DPS-3動(dòng)力定位系統(tǒng)對(duì)設(shè)備布置和系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余度要求較高，需要在設(shè)計(jì)之初由第三方FMEA分析公司參與，對(duì)主要系統(tǒng)進(jìn)行失效分析及故障討論，避免在船舶建造過(guò)程中發(fā)生大量返工修改。目前DPS-3系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有大量普及，有待更好的優(yōu)化設(shè)計(jì)和進(jìn)一步探討。

[1] ABS Guide For Building and Classing Mobile Offshore Units, 2008.

[2] Dynamic Positioning System. DNV.

[3] CSS Complete Build Specification(雙體半潛居住平臺(tái)建造規(guī)格書).

[4] DP PLOT from Kongsberg.

[5] DP system KFDD and approval drawings from Kongsberg.

[6] Failure Modes and Effects Analysis of DPS-3 system from M3.

[7] 竇培林，袁洪濤，宋金揚(yáng)，孔維文. 深水半潛式鉆井平臺(tái)DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J]. 海洋工程，2010，28(4): 117-121.