滿足DP3動(dòng)力定位能力要求的飽和潛水支持船配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引言

近年來(lái)，海上油氣資源開(kāi)發(fā)向更深海域發(fā)展，對(duì)高規(guī)格深水船舶的需求日益增加。飽和潛水支持船是海工支持船舶中的高端裝備，能夠?yàn)闈撍藛T創(chuàng)造適宜的工作環(huán)境，使其能在高壓強(qiáng)條件下完成水下安裝、檢查、維修等作業(yè)。該船廣泛應(yīng)用于海底施工、水下資源勘探、搜救等領(lǐng)域，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 工程概況

本船為一艘具有DP3動(dòng)力定位能力的300 m水深飽和潛水支持船，可在滿足規(guī)定的海區(qū)作業(yè)環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)，并可在無(wú)限航區(qū)航行（除極區(qū)外），其效果圖如圖1所示。

圖1 300 m飽和潛水支持船效果圖

該船配備24人雙鐘飽和潛水系統(tǒng)，可搭載24名潛水員分批次進(jìn)行最大水下深度300 m的飽和潛水作業(yè)；配備滿足3000 m水深搶險(xiǎn)打撈要求的ROV系統(tǒng)，能在超過(guò)3000m水深的海域進(jìn)行各種水下?lián)岆U(xiǎn)打撈和深海作業(yè)；配備了帶升沉補(bǔ)償?shù)?50 t起重機(jī)（最大作業(yè)水深3000 m），可進(jìn)行深水大型結(jié)構(gòu)物的起吊和安裝。飽和潛水系統(tǒng)可聯(lián)合ROV系統(tǒng)進(jìn)行海底作業(yè)，起重機(jī)可聯(lián)合ROV系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行深水打撈作業(yè)。

本船入DNV GL和CCS雙船級(jí)。DNV GL入級(jí)符號(hào)為 DNV+1A1–E0, SF, DYNPOS AUTRO, SPS, CLEAN DESIGN, NAUT AW, DK(+), HELDK-SH, CRANE,COMF-C(3) V(3), BIS, DSV-SAT, DSV-SURFACE,BWM-T, RECYCLABLE, ECA (SOx-A)[1]。本船需按照DNV GL船級(jí)社的規(guī)范要求提供 ERN數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算為ERN(99.99.99.93)，動(dòng)力定位能力較高。

CCS入級(jí)符號(hào)為CCS*CSA, SPS,DSV-Sat, DSV-Air,Strengthened for Deck Cargoes, Loading Computer (S,I,D),Helicopter Facilities, Lifting Appliance, DP-3, In-Water Survey, COMF(NOISE 3, VIB3)*CSM, AUTO-0, LSFO,OMBO, Clean Plus, BWMP, BWMS, GPR[2]。

2 電站及配電系統(tǒng)

2.1 電站及重要設(shè)備配置

電站及重要設(shè)備配置包括：1）4臺(tái)3490 kW主發(fā)電機(jī)，1臺(tái)900 kW停泊發(fā)電機(jī)，1臺(tái)450 kW船用應(yīng)急發(fā)電機(jī)，1臺(tái)750 kW潛水用應(yīng)急發(fā)電機(jī)；2）2臺(tái)3250 kW主推進(jìn)器，2臺(tái)1400 kW首管道推進(jìn)器，2臺(tái)1600 kW首伸縮推進(jìn)器；3）本船配備雙鐘24人飽和潛水系統(tǒng)；4）1臺(tái)250 t主起重機(jī)，1臺(tái)30t輔助起重機(jī)；5）1套月池ROV系統(tǒng)，1套舷邊ROV系統(tǒng)[3]。

2.2 配電系統(tǒng)

2.2.1 滿足DP3規(guī)范要求的配電系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計(jì)

本船動(dòng)力定位系統(tǒng)滿足雙船級(jí)社DP3動(dòng)力定位規(guī)范的要求，即在預(yù)設(shè)的定位環(huán)境條件下，當(dāng)任意部件或系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)故障，甚至包括由于失火或進(jìn)水造成1個(gè)艙室的完全損失后，仍能自動(dòng)保持船舶的位置和首向[2]。所以本船的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須滿足 DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)的要求，即電站與推進(jìn)器的分組必須保持一致。

規(guī)范對(duì)DP3動(dòng)力定位的要求是：電站及配電系統(tǒng)應(yīng)至少在兩個(gè)艙室進(jìn)行合理布局。因此，本船設(shè)計(jì)有2個(gè)獨(dú)立的機(jī)艙和 2個(gè)獨(dú)立的配電板室。機(jī)艙之間具有A60及水密分隔，每個(gè)機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組及輔助系統(tǒng)都可獨(dú)立運(yùn)行，互不影響。配電板室之間及與各相鄰機(jī)艙之間全部為A60及水密分隔。

機(jī)艙、配電板室及推進(jìn)器艙分區(qū)如圖2所示。

圖2 機(jī)艙、配電板室及推進(jìn)器艙分區(qū)圖

2.2.2 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本船在設(shè)計(jì)之初根據(jù)發(fā)電機(jī)的容量，經(jīng)過(guò)初步的短路電流估算，最終選擇了電網(wǎng)的電制：

1）AC690V，用于電站電源設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)主設(shè)備、主起重機(jī)、輔助起重機(jī)；

2）AC440V，用于工程作業(yè)設(shè)備，包括潛水設(shè)備及ROV設(shè)備、泵組、風(fēng)機(jī)、輔助生活設(shè)備等；

3）AC230V，用于小風(fēng)機(jī)、輔助生活設(shè)備等。

根據(jù)系統(tǒng)特性及設(shè)備配置，共設(shè)計(jì)了12塊配電板，包括：2塊AC690V主配電板、2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊ROV及收放系統(tǒng)配電板、2塊潛水配電板、1塊船用配電板、1塊潛水用應(yīng)急配電板。

配電系統(tǒng)基本配置如圖3所示。

根據(jù)機(jī)艙及配電板室的分區(qū)，全船動(dòng)力設(shè)備完全分開(kāi)為前后2個(gè)系統(tǒng)。前機(jī)艙1號(hào)及3號(hào)主發(fā)電機(jī)連接至前AC690V主配電板，后機(jī)艙2號(hào)、4號(hào)主發(fā)電機(jī)及停泊發(fā)電機(jī)連接至后AC690V主配電板。

前 AC690V主配電板供電負(fù)載為左主推進(jìn)器、1號(hào)首管道推進(jìn)器、1號(hào)首伸縮推進(jìn)器、輔起重機(jī)、主起重機(jī)2號(hào)電機(jī)、1號(hào)配電板變壓器、1號(hào)潛水設(shè)備供電變壓器、1號(hào)ROV及甲板設(shè)備供電變壓器。后AC690V主配電板供電負(fù)載為右主推進(jìn)器、2號(hào)首管道推進(jìn)器、2號(hào)首伸縮推進(jìn)器、主起重機(jī)1號(hào)和3號(hào)電機(jī)、2號(hào)配電板變壓器、2號(hào)潛水設(shè)備供電變壓器、2號(hào)ROV及甲板設(shè)備供電變壓器。

在DP模式下，2塊AC690V主配電板之間的母聯(lián)開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，各自獨(dú)立運(yùn)行，分別給各自DP區(qū)內(nèi)的設(shè)備供電。同時(shí)，2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊ROV及收放系統(tǒng)配電板、2塊潛水配電板之間的母聯(lián)開(kāi)關(guān)也全部斷開(kāi)，保證了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和一致性。

圖3 配電系統(tǒng)單線圖

由于 2套電力系統(tǒng)分區(qū)獨(dú)立運(yùn)行，相應(yīng)分區(qū)的發(fā)電機(jī)容量必須滿足分區(qū)用電設(shè)備、保證人員安全。通過(guò)采用需要系數(shù)法對(duì)各種 DP工況下的發(fā)電機(jī)負(fù)荷率進(jìn)行計(jì)算，2個(gè)DP分區(qū)發(fā)電機(jī)容量滿足使用要求。電力負(fù)荷計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 電力負(fù)荷計(jì)算書(shū)

2.2.3 配電系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

本船采用的分開(kāi)獨(dú)立運(yùn)行式配電系統(tǒng)無(wú)論從結(jié)構(gòu)型式上還是冗余度上都能滿足DP3規(guī)范要求。2套配電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，結(jié)構(gòu)型式清晰明了，各DP分區(qū)設(shè)備由分區(qū)內(nèi)的配電板供電，保證了供電的獨(dú)立性及安全性。用于保持定位能力的設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行，不受另外分區(qū)設(shè)備影響。即使1個(gè)分區(qū)完全損失，也不會(huì)對(duì)另外1個(gè)分區(qū)造成影響，冗余度較好。

但是，分開(kāi)運(yùn)行的配電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較多的故障穿越風(fēng)險(xiǎn)。所謂故障穿越，即為當(dāng)1個(gè)分區(qū)發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)共同連接的系統(tǒng)將故障輸送至另 1個(gè)分區(qū)，從而導(dǎo)致2個(gè)分區(qū)均產(chǎn)生故障，將故障擴(kuò)大化[1]。這在DP3船舶設(shè)計(jì)中是不允許發(fā)生的。

2.3 故障穿越的風(fēng)險(xiǎn)及預(yù)防

基于本艘船舶設(shè)備的特點(diǎn)，下列 2種情況會(huì)帶來(lái)故障穿越的風(fēng)險(xiǎn)：1）對(duì)大功率設(shè)備供電時(shí)，如果使用單邊供電會(huì)導(dǎo)致 2段電網(wǎng)的極度不平衡，從而影響到部分負(fù)載的使用，進(jìn)而對(duì)動(dòng)力定位能力產(chǎn)生影響，在這種情況下，只能采用不同分區(qū)的配電板供電；2）設(shè)備較多，由于空間的限制，不可避免地出現(xiàn)了 2個(gè)分區(qū)配電板供電的設(shè)備放置在1個(gè)艙室內(nèi)的情況。

以本船在設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的實(shí)際情況為例，討論當(dāng)出現(xiàn)上述2種情況時(shí)應(yīng)采取什么措施避免故障穿越。

1）大功率設(shè)備2段電網(wǎng)供電

本船250 t主起重機(jī)共設(shè)有3臺(tái)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，功率均為925 kW。如果采用同一DP分區(qū)內(nèi)的配電板供電，會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域負(fù)荷率超出發(fā)電機(jī)容量，從而導(dǎo)致起重機(jī)不能全功率使用。如起重機(jī)全功率使用，則其他設(shè)備將會(huì)受到影響，導(dǎo)致定位能力的損失。而另一分區(qū)的發(fā)電機(jī)會(huì)輕載運(yùn)行。

為避免出現(xiàn)這種情況，經(jīng)綜合考慮，采用2個(gè)DP分區(qū)配電板同時(shí)供電的方案。其中前機(jī)艙主配電板給主起重機(jī) 2號(hào)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，后機(jī)艙主配電板給主起重機(jī)1號(hào)和3號(hào)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電。后機(jī)艙由于設(shè)有停泊發(fā)電機(jī)，如起重機(jī)全功率運(yùn)行，則可以將停泊發(fā)電機(jī)與主發(fā)電機(jī)并車(chē)使用。

但是，采用這種設(shè)計(jì)方法就會(huì)出現(xiàn)前面所描述的故障穿越問(wèn)題。當(dāng)主起重機(jī)本體發(fā)生火災(zāi)，則會(huì)導(dǎo)致2路供電電纜短路，短路故障會(huì)影響到2個(gè)DP分區(qū)的配電板而導(dǎo)致 2個(gè)分區(qū)全部失電。因此，必須采取措施來(lái)避免故障的發(fā)生。

本船采取了 3種方法以避免發(fā)生故障：（1）主起重機(jī)改變滑環(huán)結(jié)構(gòu)型式，滑環(huán)型式不推薦使用在 DP3分網(wǎng)運(yùn)行的船舶上，本船采用的是拖鏈型式，進(jìn)線采用裝在筒體內(nèi)的接線盒型式；（2）從前配電板供電至主起重機(jī)2號(hào)主驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電纜全部在A60絕緣通道內(nèi)敷設(shè)，直至筒體內(nèi)的接線盒；（3）筒體內(nèi)安裝 2個(gè)火警探頭，當(dāng) 2個(gè)探頭同時(shí)報(bào)警時(shí)，輸出開(kāi)關(guān)量信號(hào)至前后配電板，切斷主起重機(jī)主電機(jī)所有供電開(kāi)關(guān)。

2）同一艙室內(nèi)的2個(gè)設(shè)備由2個(gè)分區(qū)配電板供電

本船配備2套R(shí)OV收放系統(tǒng)，1套為月池收放系統(tǒng)，1套為舷邊收放系統(tǒng)，每套收放系統(tǒng)都配有1臺(tái)臍帶纜絞車(chē)，2臺(tái)臍帶纜絞車(chē)均布置在WROV絞車(chē)房。

根據(jù)設(shè)備本身的要求，當(dāng)船舶發(fā)生最大單點(diǎn)故障，即船舶損失一半動(dòng)力后，任何 1套收放系統(tǒng)還可回收ROV，速度減半。因此，每套臍帶纜絞車(chē)都設(shè)有 2臺(tái)電機(jī)，每臺(tái)電機(jī)配有1臺(tái)起動(dòng)器，1臺(tái)電機(jī)起動(dòng)器由左舷 WROV配電板供電，而左舷 WROV配電板由前AC690V配電板經(jīng)過(guò)變壓器供電；另1臺(tái)電機(jī)起動(dòng)器由右舷WROV配電板供電，而右舷WROV配電板由后AC690V配電板經(jīng)過(guò)變壓器供電。這樣就導(dǎo)致1個(gè)艙室內(nèi)即有前機(jī)艙供電設(shè)備，又有后機(jī)艙供電設(shè)備，當(dāng)這個(gè)艙室本身發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致 2個(gè)分區(qū)配電板短路，最終導(dǎo)致船舶損失所有電力系統(tǒng)。雖然電機(jī)供電開(kāi)關(guān)設(shè)有短路保護(hù)，可在短路瞬間切斷開(kāi)關(guān)，但是短路時(shí)的瞬態(tài)壓降會(huì)在很大程度上觸發(fā)跟 DP相關(guān)的設(shè)備供電開(kāi)關(guān)或接觸器保護(hù)動(dòng)作。

因此，為了避免1個(gè)艙室損失的故障影響2個(gè)分區(qū)，本船在WROV絞車(chē)房設(shè)置了火警探測(cè)和進(jìn)水探測(cè)裝置。當(dāng)絞車(chē)房?jī)?nèi)的火警探頭報(bào)警或者進(jìn)水探測(cè)傳感器達(dá)到設(shè)定值時(shí)，均送出開(kāi)關(guān)量切斷信號(hào)送至左舷WROV配電板，同時(shí)切斷配電板上的每臺(tái)臍帶纜絞車(chē)的1臺(tái)電機(jī)起動(dòng)器供電開(kāi)關(guān)，相當(dāng)于切斷1個(gè)分區(qū)的供電，避免故障穿越情況的發(fā)生。

另外，還有一種情況可能會(huì)導(dǎo)致故障穿越。例如本船主起重機(jī)設(shè)有 1臺(tái)輔助電機(jī)，此電機(jī)要求在主電機(jī)工作時(shí)必須工作。由于主電機(jī)由2個(gè)DP分區(qū)供電，因此輔助電機(jī)必須保證在 1個(gè)分區(qū)失效后仍能保持工作。為滿足這種情況，設(shè)計(jì)了手動(dòng)切換箱。1個(gè)分區(qū)配電板均供電至手動(dòng)切換箱，手動(dòng)切換箱輸出至輔助電機(jī)。當(dāng)輔助電機(jī)的供電電源損失，可通過(guò)手動(dòng)切換至另 1分區(qū)配電板供電，不影響主起重機(jī)的正常運(yùn)行。雖然這樣可以滿足使用要求，但是可能也會(huì)帶來(lái)故障穿越的問(wèn)題。當(dāng)手動(dòng)切換箱發(fā)生火災(zāi)，短路故障會(huì)影響到 2個(gè)分區(qū)供電配電板。因此，必須在供電至手動(dòng)切換箱的兩個(gè)分區(qū)配電板開(kāi)關(guān)上設(shè)置聯(lián)鎖，當(dāng) 1個(gè)開(kāi)關(guān)供電時(shí)，另外1個(gè)開(kāi)關(guān)必須保證斷開(kāi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本艘飽和潛水支持船配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)既要滿足動(dòng)力定位DP3要求，又要注意避免分段運(yùn)行的電網(wǎng)出現(xiàn)故障穿越，這種情況具有一定的代表性。文章分析了DP3船舶配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，介紹了避免故障穿越的措施，可為以后同類(lèi)型船舶的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)參考。

[1] DNV GL. Rules for Classification OF Ships[S].2015.

[2] 中國(guó)船級(jí)社. 鋼制海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2012.

[3] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司, 中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司,中國(guó)造船工程學(xué)會(huì). 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè) 電氣分冊(cè)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013.