電力推進(jìn)多用途供應(yīng)船的DP系統(tǒng)和FMEA試驗(yàn)研究

黃睿 劉英策 潘東 米燕

摘 要：本文介紹一種電力推進(jìn)多用途海工供應(yīng)船（PSV）的動力定位（DP）系統(tǒng)，并通過對其故障模式與影響分析（FMEA）的實(shí)船海上試驗(yàn)及檢驗(yàn)過程的分析，闡述了電力推進(jìn)船二級定位系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)范要點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)建造的二級動力定位系統(tǒng)的合理性。

關(guān)鍵詞：多用途海工供應(yīng)船；動力定位；故障模式與影響分析

中圖分類號：V665.13 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper introduces the DP system for an electrically-propelled PSV and describes the key rules and design requirements of DP-2 system in electrically-propelled vessels through the analysis of the FMEA sea trial. The DP-2 system is verified to be properly designed and built according to the rules.

Key words： PSV； Dynamic Positioning； FMEA

1 引言

國際海事組織（IMO）根據(jù)動力定位船舶發(fā)生單點(diǎn)故障所引起的后果的嚴(yán)重程度不同，將動力定位（DP）系統(tǒng)分為不同的等級[1，2]。各國船級社通常在IMO的基礎(chǔ)上，針對不同等級所要求的定位能力和系統(tǒng)冗余度將DP分為三級，并有不同等級的相應(yīng)入級符號。

電力推進(jìn)與傳統(tǒng)的柴油機(jī)驅(qū)動推進(jìn)相比，具有生命力強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好、操縱靈活及方便智能化自動控制等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，電力推進(jìn)船舶因其良好的環(huán)保節(jié)能性能符合當(dāng)今“ 綠色船舶”的理念。對于大部分的動力定位船舶，采用電力推進(jìn)的綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能要更為優(yōu)越，因此目前大部分的動力定位船舶均采用電力推進(jìn)型式。

本文基于一種雙電機(jī)帶雙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的電力推進(jìn)多用途海洋工程供應(yīng)船，通過對該船所配置的二級動力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)船F(xiàn)MEA海上試驗(yàn)過程的研究分析，闡述了動力定位系統(tǒng)在電力推進(jìn)船舶中的應(yīng)用以及二級動力定位系統(tǒng)的相應(yīng)規(guī)范和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，驗(yàn)證了該船DP系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建造符合相關(guān)規(guī)范規(guī)則的要求[3]。

2 DP系統(tǒng)簡介

該船是一艘航行于無限航區(qū)、支持ROV和DSV操作、具有海洋工程建設(shè)作業(yè)、海上平臺供應(yīng)、散料運(yùn)輸、溢油回收和對外一級消防等功能的近海多用途海洋工程供應(yīng)船。該船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)，入ABS船級社，取得DPS-2動力定位等級符號[4，5]。

該船主要參數(shù)：總長90.2 m；型寬18.8 m；型深7.4 m；設(shè)計(jì)吃水5.9 m；航速14 .3 kn。

本船在機(jī)艙配置四臺2 250 kW柴油發(fā)電機(jī)組為全船供電提供動力；一臺350 kW應(yīng)急兼停泊柴油發(fā)電機(jī)組作為應(yīng)急電源；主電網(wǎng)采用690 V、60 Hz電制，三相三線絕緣系統(tǒng)。

全船的推進(jìn)系統(tǒng)由5臺電力推進(jìn)器組成：尾部安裝兩臺帶導(dǎo)管的2 000 kW變頻驅(qū)動全回轉(zhuǎn)舵槳推進(jìn)器；首部安裝3臺1 100 kW可調(diào)螺距槳式側(cè)推器。

動力定位控制系統(tǒng)由KONGSBERG公司提供，主要包括：2套DP操作臺；1套雙冗余的控制單元和1套聯(lián)合操縱桿控制臺。

傳感器測量系統(tǒng)包括：3個(gè)風(fēng)速風(fēng)向傳感器；3個(gè)MRU；3個(gè)電羅經(jīng)和一個(gè)磁羅經(jīng)。

位置參照系統(tǒng)包括：2套差分全球定位儀；1套激光定位系統(tǒng)；1套水下聲納位置參照系統(tǒng)；1套輕質(zhì)張緊索系統(tǒng)。

3 DP系統(tǒng)設(shè)計(jì)冗余性分析

本船的動力定位相關(guān)系統(tǒng)按照IMO和ABS船級社對二級動力定位船舶的要求進(jìn)行冗余性配置和設(shè)計(jì)[3，5，6]。

3.1 推進(jìn)器和電力布置的冗余性

本船配置的5臺推進(jìn)器和4臺主發(fā)電機(jī)機(jī)組的布置圖，如圖1所示。1號首側(cè)推器和1號全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器的動力和控制電源，來自1號和2號柴油發(fā)電機(jī)的配電系統(tǒng)；2號首側(cè)推器和2號全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器的動力和控制電源，來自于3號和4號柴油發(fā)電機(jī)的配電系統(tǒng)；3號首側(cè)推的動力和控制電源則有兩路，可以由不同斷路器組合，分別由1號和2號柴油發(fā)電機(jī)的配電系統(tǒng)或3號和4號柴油發(fā)電機(jī)的配電系統(tǒng)供電。

本船的電力系統(tǒng)單線圖，如圖2所示：

主匯流排分為2段：當(dāng)進(jìn)行動力定位模式時(shí)，匯流排斷路器打開，1號首側(cè)推器和左舷全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器處于主配電板的A段匯流排上，屬于冗余配置中的左舷集合；2號首側(cè)推器和右舷全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器處于主配電板的B段匯流排上， 屬于冗余配置中的右舷集合；而3號首側(cè)推器則可以通過斷路器的選擇，分別處于A段或B段匯流排上。

230 V電力系統(tǒng)也分為兩段：C段230 V匯流排從1號變壓器饋電；D段230 V匯流排從2號變壓器饋電。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)通過690 V應(yīng)急配電板和兩個(gè)應(yīng)急變壓器向230 V應(yīng)急配電板饋電。每臺發(fā)電機(jī)均有一個(gè)控制、監(jiān)測、報(bào)警等功能高度集成的控制單元模塊。每一個(gè)控制模塊都有一路來自UPS1的24 V主電源和一路來自UPS2的備用電源，而且每一個(gè)備用電源都配置有DC/DC的轉(zhuǎn)換模塊以防止失效故障傳遞到其它的冗余集合。系統(tǒng)中的任何單點(diǎn)故障都不會使以上各項(xiàng)中相互冗余的兩者同時(shí)失效[3]。

從以上分析可知，本船最嚴(yán)重的單點(diǎn)故障為母排短路，從而導(dǎo)致丟掉匯流排一側(cè)的兩臺發(fā)電機(jī)組，同時(shí)該側(cè)全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器和兩臺首側(cè)推進(jìn)器（假設(shè)短路點(diǎn)發(fā)生在3號首側(cè)推的供電側(cè)匯流排）及其輔助設(shè)備停止運(yùn)轉(zhuǎn)且失效，使本船DP定位能力降低。在這種情況下，船的推進(jìn)只能依靠另一邊全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器和另一臺首側(cè)推器，而3號首側(cè)推則可以通過斷路器開關(guān)的切換重新補(bǔ)充推進(jìn)動力。該情況下，船舶的側(cè)向定位能力將大幅降低，剩余有效的推進(jìn)器各自的輸出功率將大幅度增大，但仍不超過其最大功率，故船舶仍能保持動力定位，符合設(shè)計(jì)要求。

3.2 輔助設(shè)備的供電冗余性

機(jī)艙輔機(jī)仍根據(jù)冗余性要求進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，按其所服務(wù)的對象分屬左右舷冗余集合：1號與2號主發(fā)電機(jī)組、l號首側(cè)推器和左舷全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器服務(wù)的輔助和控制設(shè)備，其動力和控制的配電按隸屬于左舷冗余集合原則進(jìn)行設(shè)計(jì)；為3號與4號主發(fā)電機(jī)、2號首側(cè)推器和右舷全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器服務(wù)的輔助和控制設(shè)備，其按隸屬于右舷冗余集合原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。所有輔助設(shè)備分割清楚，任何單點(diǎn)故障都不會導(dǎo)致兩側(cè)的柴油發(fā)電機(jī)或推進(jìn)器同時(shí)故障停機(jī)。

3.3 DP控制系統(tǒng)的冗余性

本船的DP控制系統(tǒng)采用Kongsberg公司的K-POS 21型DP控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)配置兩臺DP控制器，每臺配置相同的軟硬件及接口系統(tǒng)并具有相同的任務(wù)執(zhí)行能力。

兩臺DP操作站分別通過同時(shí)工作的雙通道網(wǎng)絡(luò)連接到DP控制器，即使其中之一失效了仍能通過另一通道實(shí)現(xiàn)操作站和控制器之間的連接通訊。

DP控制系統(tǒng)中還包括一套三軸的獨(dú)立操縱桿控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制器由220 V應(yīng)急配電板供電，獨(dú)立于其它DP系統(tǒng)設(shè)備電源，同時(shí)與推進(jìn)器之間的信號傳輸也通過獨(dú)立的硬線連接單獨(dú)傳輸，系統(tǒng)中的任何故障都不會影響正常的DP操作。圖3為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

除此之外，本船的電站管理系統(tǒng)、UPS系統(tǒng)等以及管系布置（如通風(fēng)系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)，滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)）和必要的風(fēng)機(jī)、泵浦、油艙、水艙、水箱等的布置，同樣按照相應(yīng)的冗余性要求進(jìn)行配置和設(shè)計(jì)，在此不逐一進(jìn)行詳細(xì)論述。

4 DPS-2系統(tǒng)FMEA海上試驗(yàn)分析

本船于 2017年 1 月在中國南海海域進(jìn)行海上試驗(yàn)，其中FMEA驗(yàn)證性試驗(yàn)按照不同的系統(tǒng)分階段進(jìn)行[7]，大約耗時(shí)5天。

4.1 推進(jìn)器及其輔助系統(tǒng)單點(diǎn)故障試驗(yàn)

推進(jìn)器及其輔助系統(tǒng)單點(diǎn)故障試驗(yàn)項(xiàng)目主要包括：推進(jìn)器應(yīng)急停止試驗(yàn)；推進(jìn)器丟失試驗(yàn)；推進(jìn)器輔助設(shè)備故障試驗(yàn)；推進(jìn)器失電試驗(yàn)；推進(jìn)器控制信號丟失試驗(yàn)等。

（1）推進(jìn)器應(yīng)急停止試驗(yàn)

本船的每個(gè)推進(jìn)器均設(shè)有獨(dú)立的應(yīng)急停止回路，采用單獨(dú)的控制電纜并設(shè)有斷開或者短路的故障報(bào)警。進(jìn)行推進(jìn)器應(yīng)急停止試驗(yàn)時(shí)，分別按下相應(yīng)推進(jìn)器的應(yīng)急停止按鈕或斷開應(yīng)急停止控制回路，相應(yīng)的推進(jìn)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)并在DP系統(tǒng)、中央集控系統(tǒng) IAS和相應(yīng)的控制面板上發(fā)出報(bào)警信號，不影響其余4臺推進(jìn)器工作，DP系統(tǒng)狀態(tài)依靠剩余推進(jìn)器自動保持。

（2）推進(jìn)器丟失試驗(yàn)

模擬推進(jìn)器丟失試驗(yàn)時(shí)，分別模擬所有推進(jìn)器都在線和停掉正在運(yùn)行的5個(gè)推進(jìn)器之一時(shí)船舶對DP系統(tǒng)不同的前進(jìn)、回轉(zhuǎn)等命令的執(zhí)行情況，驗(yàn)證各情況下船舶的動力定位能力。當(dāng)停掉其中一個(gè)推進(jìn)器時(shí)，船舶的DP系統(tǒng)能夠重新進(jìn)行推力分配，DP系統(tǒng)因此失掉的部分推力由其它仍然在線的推進(jìn)器進(jìn)行補(bǔ)充，船舶的整體定位能力不受影響，DP系統(tǒng)的控制命令仍能得到充分精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)。

（3）推進(jìn)器輔助設(shè)備故障試驗(yàn)

模擬推進(jìn)器輔助設(shè)備單點(diǎn)故障時(shí)，分別模擬液壓泵失效、重力油柜液位報(bào)警、液壓油/滑油溫度高、液壓油/滑油濾器堵塞等故障。此時(shí)系統(tǒng)會自動啟動備用設(shè)備并在中央集控系統(tǒng) IAS和相應(yīng)的控制面板上發(fā)出報(bào)警信號，對船舶的DP狀態(tài)沒有影響。

（4）推進(jìn)器失電試驗(yàn)

模擬推進(jìn)器失電試驗(yàn)時(shí)，將各推進(jìn)器設(shè)置為自動模式，同時(shí)要保證手動模式隨時(shí)可用，以便于當(dāng)動力定位模式出現(xiàn)故障時(shí)可立即轉(zhuǎn)換為手動模式。當(dāng)分別斷開3臺首側(cè)推的液壓油柜供電電源時(shí)，中央集控系統(tǒng) IAS發(fā)出報(bào)警信號，對DP狀態(tài)無影響；當(dāng)斷開電機(jī)的690 V供電電源時(shí)，DP系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)推進(jìn)器不可用的報(bào)警信號，相應(yīng)推進(jìn)器掉出DP狀態(tài)，電機(jī)停止，船舶的位置和首向仍保持；當(dāng)斷開推進(jìn)器控制系統(tǒng)中220 V和24 V雙路控制電源中任一路時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號，推進(jìn)器仍能正常工作，對DP狀態(tài)無影響；而當(dāng)同時(shí)斷開雙路控制電源時(shí)，DP系統(tǒng)發(fā)出推進(jìn)器不可用的報(bào)警信號，相應(yīng)推進(jìn)器掉出DP狀態(tài)，電機(jī)停止。

主推進(jìn)器的失電試驗(yàn)與此類似，由于主推進(jìn)器是變頻控制，當(dāng)出現(xiàn)變頻器的原動機(jī)或調(diào)速單元失電等單點(diǎn)故障時(shí)，DP系統(tǒng)發(fā)出推進(jìn)器不可用的報(bào)警信號，推進(jìn)命令自動歸零，相應(yīng)推進(jìn)器掉出DP狀態(tài)，電機(jī)停止，其它未受影響的推進(jìn)器仍處于操縱控制下。

（5）推進(jìn)器控制信號丟失試驗(yàn)

模擬推進(jìn)器控制信號丟失試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)斷開相應(yīng)信號線，模擬推進(jìn)器丟失啟動請求信號、動力定位系統(tǒng)命令、PMS啟動信號或螺距反饋信號等時(shí)，中央集控系統(tǒng) IAS和相應(yīng)的控制面板上發(fā)出報(bào)警信號，DP系統(tǒng)發(fā)出推進(jìn)器不可用的報(bào)警信號，相應(yīng)推進(jìn)器掉出DP狀態(tài)，受影響的推進(jìn)器螺距歸零。

4.2 主發(fā)電機(jī)及電站單點(diǎn)故障試驗(yàn)

本船的主發(fā)電機(jī)及電站單點(diǎn)故障試驗(yàn)是按照左舷和右舷兩個(gè)不同的冗余組分別進(jìn)行的。該項(xiàng)試驗(yàn)中分別模擬某一主發(fā)電機(jī)停機(jī)、低速、超速、控制電源失電、電子調(diào)速器、電子調(diào)壓器或其它某部件故障，以及缸套水溫度高、滑油壓力低等安全保護(hù)系統(tǒng)單點(diǎn)故障的情況。此時(shí)該故障機(jī)組斷路器開關(guān)斷開，故障機(jī)組被迫下線，主配電板的匯流排觸發(fā)功率限制功能或進(jìn)行非重要負(fù)載的卸載，驗(yàn)證船舶在該種情況下保持位置和首向的能力。

（1）模擬配電板控制電源失效的情況：分別斷開兩側(cè)配電板來自于UPS的24 V控制電源，模擬左舷和右舷兩個(gè)690 V不同配電冗余組的控制電源失效情況，中央集控系統(tǒng) IAS發(fā)出報(bào)警信號，對正在運(yùn)行的推進(jìn)器和發(fā)電機(jī)沒有影響，也不影響船舶的位置保持。

（2）模擬電站失效的情況，將配電板上1號和2號主發(fā)電機(jī)的主開關(guān)斷開，當(dāng)執(zhí)行完以上命令時(shí)：整個(gè)690 V主配電板A 段匯流排立即處于失電狀態(tài)，繼而 A 段匯流排內(nèi)所有的下游配電裝置和用電設(shè)備也將失電，包括1號、3號首推進(jìn)器和左舷主推進(jìn)器以及相關(guān)的輔助系統(tǒng)也將停止工作。在此過程中，需查看中央集控系統(tǒng) IAS、電力管理系統(tǒng) PMS 控制臺、 DP控制臺上實(shí)際報(bào)警和預(yù)期報(bào)警是否對應(yīng)且正確，核驗(yàn)相應(yīng)用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)是否正確。

試驗(yàn)結(jié)果顯示不影響右舷電站B段匯流排及其配電系統(tǒng)下的所有設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行，船舶仍能保持位置和首向，從而表明電站及DP控制系統(tǒng)冗余組分隔正確，無交叉影響。

（3）將上述測試涉及到的所有設(shè)備和系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行B段匯流排對應(yīng)的右舷電站失效模擬試驗(yàn)。將配電板上3號和4號主發(fā)電機(jī)的主開關(guān)斷開，采用與A段匯流排對應(yīng)的左舷電站失效模擬試驗(yàn)相同的步驟，檢查各設(shè)備和系統(tǒng)的報(bào)警信息和運(yùn)行狀態(tài)，驗(yàn)證此時(shí)船舶的動力定位保持能力。

（4）分別關(guān)閉左舷和右舷電站440 V負(fù)載屏變壓器的原邊開關(guān)，模擬440 V配電板失效試驗(yàn)，此時(shí)各配電板下相應(yīng)的用電設(shè)備失電，DP系統(tǒng)狀態(tài)保持，船舶的預(yù)設(shè)位置和首向不丟失。

（5）分別進(jìn)行230 V配電板、應(yīng)急配電板的失電故障模式模擬試驗(yàn)，其操作過程與相應(yīng)的結(jié)果驗(yàn)證分析與上述類似。

船舶的電站管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對整船的電站功率進(jìn)行管理，在對船舶進(jìn)行FMEA分析試驗(yàn)時(shí)要對電站管理系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的FMEA。在對PMS進(jìn)行FMEA試驗(yàn)時(shí)，首先對PMS系統(tǒng)界面進(jìn)行測試，驗(yàn)證開關(guān)斷路器的狀態(tài)指示是否錯(cuò)誤或狀態(tài)指示信號回路在發(fā)生斷路或者短路故障時(shí)能否產(chǎn)生相應(yīng)報(bào)警，但對系統(tǒng)的正常工作沒有影響；然后分別模擬PMS系統(tǒng)不同操作站和處理單元等模塊電源失電、控制器、I/O 模塊、通訊總線或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障，相應(yīng)故障會在中央集控系統(tǒng)IAS中報(bào)警，但故障不會對發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器產(chǎn)生影響，也不會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)喪失功能。

4.3 不間斷電源（UPS）失電及放電持久性試驗(yàn)

不間斷電源（UPS）的失電及放電試驗(yàn)是隨同各系統(tǒng)的FMEA試驗(yàn)分別進(jìn)行的。分別將2個(gè)通用報(bào)警UPS、兩個(gè)電源管理系統(tǒng)UPS、兩個(gè)主推進(jìn)器UPS、3個(gè)DP系統(tǒng)UPS和5個(gè)通用UPS的饋電開關(guān)斷開進(jìn)行失電操作，檢查蓄電池的饋電狀態(tài)和報(bào)警信號，測試單一UPS失電故障情況下船舶的動力定位能力以及UPS的耐久性是否滿足30 min。試驗(yàn)過程中，相應(yīng)配電系統(tǒng)下的相關(guān)用電設(shè)備，例如相應(yīng)的主發(fā)電機(jī)的控制單元及對應(yīng)的DP 控制系統(tǒng)等部件失去主電源，自動轉(zhuǎn)換為由備用電源供電，并在中央集控系統(tǒng) IAS和 DP控制臺上發(fā)出報(bào)警，過程中DP系統(tǒng)始終正常運(yùn)行，不影響船舶保持位置和首向的能力。

4.4 輔助系統(tǒng)失效試驗(yàn)

對于燃油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)的失效試驗(yàn)比較瑣碎，主要是：模擬艙、柜液位低、空氣壓力低、相關(guān)閥門關(guān)閉、泵故障失效等，測試相應(yīng)的艙柜液位報(bào)警和設(shè)備故障報(bào)警；檢查快關(guān)閥箱對機(jī)艙各油柜氣動隔離閥的獨(dú)立控制；驗(yàn)證主系統(tǒng)自動停止、備用系統(tǒng)自動啟動來接替主系統(tǒng)而不影響所服務(wù)的主要設(shè)備運(yùn)行的情況等；對于通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)，還要分別模擬在用的風(fēng)機(jī)、空調(diào)、防火風(fēng)閘失效等情況，記錄在各故障情況下30分鐘內(nèi)相關(guān)艙室的溫度變化情況和對相關(guān)設(shè)備運(yùn)行所產(chǎn)生的影響，驗(yàn)證單點(diǎn)故障對DP系統(tǒng)的影響。

5 結(jié)論

本文通過對一艘DP-2等級電力推進(jìn)動力定位船舶的設(shè)計(jì)建造和海上試驗(yàn)的分析研究，討論了動力定位船舶冗余性設(shè)計(jì)和FMEA試驗(yàn)的一些重要項(xiàng)目和關(guān)鍵點(diǎn)，具有一定的借鑒意義，也為未來類似工作的開展提供一定的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

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