深海采礦船動力定位系統(tǒng)方案設(shè)計

殷文林

摘? ? 要：本文通過對DP-2 EHS-F入級符號要求進(jìn)行深入分析和理解，重點(diǎn)關(guān)注DP系統(tǒng)核心（環(huán)網(wǎng)和PMS的冗余性分組）內(nèi)容，根據(jù)規(guī)范及故障與失效模式分析的要求，對整個配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行冗余組的分配，設(shè)計出基于環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)的動力定位系統(tǒng)（簡稱DP系統(tǒng)）方案。

關(guān)鍵詞：深海采礦船;動力定位;冗余組;DP-2 EHS-F;功率管理系統(tǒng)

中圖分類號：U674.98 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： This paper expounds the design of a dynamic positioning system （hereinafter referred to as DP system） based on loop distribution network through the study on the requirement of DP2 EHS-F notation， and by focusing on the core of DP system， the loop power network and redundancy grouping of PMS， allocating the redundant groups of the whole power distribution network according to the requirements of the relevant rules and failure and failure mode analysis.

Key words： Deep-sea mining ship; Dynamic positioning system; Redundancy group; DP-2 EHS-F; Power management system

1? ? 序言

全球海洋面積占地球表面積的71%，海洋不僅提供了豐富的水資源、漁業(yè)資源、航道資源和空間資源，而且海底還蘊(yùn)藏有豐富的能源和礦產(chǎn)資源。隨著人類對海底認(rèn)知能力的不斷進(jìn)步，海底礦產(chǎn)資源逐漸被發(fā)現(xiàn)并使得開采越來越成為現(xiàn)實(shí)。

2015年福建馬尾造船股份有限公司（以下簡稱馬尾船廠）開始設(shè)計建造227 m深海采礦船。該項(xiàng)目是全球深海采礦作業(yè)領(lǐng)域的首制船，技術(shù)含量高、附加值大。該船總長227 m、寬40 m、深18.2 m、吃水13.2 m;居住艙室可滿足199人高舒適度居住的需求;設(shè)有礦物開采、深海礦物提升系統(tǒng)、脫水和裝卸貨系統(tǒng)等;具有航程遠(yuǎn)、作業(yè)水域深、作業(yè)周期長、系統(tǒng)復(fù)雜且集成度高、可變載荷多、船舶舒適度高等特點(diǎn)，可持續(xù)海上定位作業(yè)長達(dá)5年。

由于深海采礦船作業(yè)時需要長時間保持在DP系統(tǒng)狀態(tài)下，故DP系統(tǒng)至少需要滿足動力定位2級（簡稱DP-2）以上的要求。這就需要對與DP系統(tǒng)及動力系統(tǒng)相關(guān)的負(fù)載進(jìn)行相應(yīng)的分組供電、監(jiān)測和控制。本文詳細(xì)描述基于環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，滿足DP-2 EHS-F入級符號要求的各個冗余組的分配方案以及DP系統(tǒng)的設(shè)計方案。

2? ?深海采礦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的參數(shù)

深海采礦船采用電力推進(jìn)系統(tǒng)方案：全船共配置7臺推進(jìn)器和6臺主發(fā)電機(jī)組，其中尾部配置3套全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，首部安裝2套伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和2套隧道式推進(jìn)器;電網(wǎng)采用6.6? kV的中壓環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，可以針對作業(yè)過程中的不同工況合理調(diào)整發(fā)電機(jī)的在網(wǎng)數(shù)量和運(yùn)行時間，確保深海采礦船作業(yè)時的安全可靠性和運(yùn)營經(jīng)濟(jì)性。電力推進(jìn)系統(tǒng)各組成設(shè)備的詳細(xì)參數(shù)，見表1。

3? ?DP-2 EHS-F入級符號的要求

美國船級社（簡稱ABS）《動力定位系統(tǒng)指導(dǎo)手冊》中，描述了DP-2 EHS-F入級符號的要求：該符號涵蓋了防火和進(jìn)水保護(hù)的要求，同時考慮區(qū)域的風(fēng)險等級，這是對DPS-2系統(tǒng)的補(bǔ)充。

從ABS對EHS-F的定義中可以看到2個重點(diǎn)信息：一個是需要滿足防火和進(jìn)水保護(hù)的要求，即物理分隔要求;另一個是需要按區(qū)域的風(fēng)險等級來考慮設(shè)備布置和電纜走向。因此在機(jī)艙高危失火區(qū)域，冗余組之間需要A60分隔，包括與之相關(guān)的電纜走向也需要分隔;主DP控制站和備用DP控制站則無分隔要求，而主DP和備用DP控制系統(tǒng)的控制器等設(shè)備需要至少A-0分隔，主DP控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)正常區(qū)域需要A-0分隔，高危失火區(qū)域需要A-60分隔，破艙水線以下則需要水密艙壁。

除去EHS-F入級符號之外，還有EHS-P、EHS-C兩個增強(qiáng)符號：EHS-P指對動力及推進(jìn)系統(tǒng)的增強(qiáng);EHS-C指對DP控制系統(tǒng)的增強(qiáng)。三個入級符號的側(cè)重點(diǎn)不同（見表2），用戶可根據(jù)實(shí)際作業(yè)的工況要求來選擇相應(yīng)的入級符號。

4? ?電氣冗余組的設(shè)計方案

對于深海采礦船的DP系統(tǒng)而言，最重要的就是環(huán)網(wǎng)、功率管理系統(tǒng)（簡稱PMS）及其相關(guān)輔助系統(tǒng)的冗余分組，這是整個系統(tǒng)設(shè)計的核心。根據(jù)故障與失效模式分析（簡稱FMEA）對DP2的要求，深海采礦船發(fā)生單點(diǎn)故障時，最惡劣的情況為一臺發(fā)電機(jī)組和一臺推進(jìn)器停止運(yùn)行，在此情況下不會影響到船舶的定位能力。因此，DP2要求船上動力推進(jìn)系統(tǒng)及其相關(guān)輔助系統(tǒng)至少要有2個冗余組?？紤]到此項(xiàng)目中配電的環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)有6臺發(fā)電機(jī)及7臺推進(jìn)器，因此設(shè)計成了3個冗余組。每個冗余組包含2臺發(fā)電機(jī)組和1個推進(jìn)器，其中2臺首部隧道式推進(jìn)器可作為一個推進(jìn)器進(jìn)行考慮。

由于本船入級EHS-F符號，需要考慮到防火及進(jìn)水保護(hù)的要求，因此需要將每個冗余組之間進(jìn)行物理分隔。具體設(shè)計方案為：

（1）每2臺發(fā)電機(jī)組安裝在一個機(jī)艙內(nèi)，共設(shè)置3個機(jī)艙，每個機(jī)艙之間滿足A-60分隔及水密艙壁分隔的要求;

（2）3臺尾部全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器分別安裝在尾部三個推進(jìn)器間內(nèi)，每個推進(jìn)器間滿足A-0分隔及水密艙壁分隔的要求;

（3）2臺首部伸縮式推進(jìn)器分別安裝在首部三號和四號推進(jìn)器間、2臺首部隧道式推進(jìn)器共同安裝在一號與二號首部推進(jìn)器間。三個首部推進(jìn)器間滿足A-0分隔及水密艙壁分隔的要求;

（4）自動化系統(tǒng)內(nèi)與PMS相關(guān)的數(shù)據(jù)采集箱共6個，每臺發(fā)電機(jī)對應(yīng)一個，數(shù)量分配和安裝位置與發(fā)電機(jī)組一致;

（5）配電板包含6.6 kV中壓配電板、440 V及230 V低壓配電板分為三個冗余段，分別安裝在三個配電板間，每個配電間之間滿足A-0分隔及水密艙壁分隔的要求;

（6）自動化系統(tǒng)內(nèi)與PMS相關(guān)的不間斷電源（簡稱UPS）共6個，每個PMS數(shù)據(jù)采集箱對應(yīng)一個UPS，分別安裝在三個配電板間。

基于FMEA和DP2 EHS-F入級符號的要求，將整個配電網(wǎng)絡(luò)及與DP系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備分為三個大冗余組，每個大冗余組之間均有防火及防水的保護(hù)，確保單個大冗余組所在區(qū)域發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水情況時不會影響到其它冗余組的正常工作和運(yùn)行。

考慮到本船的設(shè)計條件：發(fā)生單點(diǎn)故障時，最惡劣情況只允許一臺發(fā)電機(jī)組和一臺推進(jìn)器停止運(yùn)行，故在大冗余組內(nèi)（兩臺發(fā)電機(jī)組和兩臺推進(jìn)器）配電板上的母排需要按照分段母排的方案來設(shè)計，即一臺發(fā)電機(jī)組和一臺推進(jìn)器需要布置在同一母排分段上，共有兩段母排，母排之間增加母聯(lián)開關(guān)。也就是說，每個大冗余組內(nèi)有2個小冗余組，單點(diǎn)故障發(fā)生時只會丟失故障所在小冗余組上一臺發(fā)電機(jī)組和對應(yīng)負(fù)載，只有區(qū)域著火或進(jìn)水時才會丟失區(qū)域內(nèi)大冗余組的2臺發(fā)電機(jī)組和對應(yīng)負(fù)載。

自動化系統(tǒng)中與PMS相關(guān)的數(shù)據(jù)采集箱、UPS、網(wǎng)絡(luò)分配單元，也需要按上述配電網(wǎng)絡(luò)的冗余分組情況進(jìn)行考慮。6個數(shù)據(jù)采集箱和UPS分別為每臺發(fā)電機(jī)服務(wù)，故分別位于對應(yīng)的機(jī)艙和配電板間內(nèi)。

綜上所述，整個配電網(wǎng)絡(luò)的冗余組分配，如圖1所示。圖1中，虛線框表示3個大冗余組，虛線框內(nèi)分段母排對應(yīng)各自的小冗余組。

5? ?DP系統(tǒng)的設(shè)計方案

DP系統(tǒng)的功能是在一定工況和環(huán)境條件下使船舶在某個定點(diǎn)位置的一定偏差范圍內(nèi)保持不動，且能夠按照指令首向移動。對DP系統(tǒng)有影響的外部因素主要是風(fēng)速、浪涌、水流及推進(jìn)器推力等，DP系統(tǒng)能夠收集這些外部因素的信息，從而控制各個推進(jìn)器的推力使船舶能夠按照要求保持在定點(diǎn)位置或者按照路線首向移動。

DP系統(tǒng)一般由下述系統(tǒng)構(gòu)成：（1）動力系統(tǒng)。包括發(fā)電機(jī)組、配電板、推進(jìn)器及其相關(guān)輔助系統(tǒng)等，為DP系統(tǒng)提供電力供應(yīng)和推力支持;（2）控制系統(tǒng)。包含操作控制單元、位置參考系統(tǒng)、環(huán)境參考系統(tǒng)、數(shù)據(jù)收集和分析單元等，能夠收集和分析各個傳感器傳輸過來的數(shù)據(jù)，并發(fā)出控制指令。

在DP系統(tǒng)最核心和重要部分的冗余分組確定之后，整個DP系統(tǒng)的方案就可以根據(jù)相關(guān)規(guī)范及FMEA要求進(jìn)行設(shè)計。深海采礦船的DP系統(tǒng)分為主DP系統(tǒng)及備用單操控DP系統(tǒng)，額外還有一套獨(dú)立操縱桿系統(tǒng)（簡稱Cjoy系統(tǒng)）。

主DP系統(tǒng)的主要設(shè)備組成如下：2套主操作站;2套兩翼操作終端;3臺運(yùn)動參考單元（簡稱MRU）;3臺風(fēng)速風(fēng)向儀;3臺電羅經(jīng);1臺衛(wèi)星定位系統(tǒng);2套高精度水下聲學(xué)定位系統(tǒng)（簡稱HiPAP）及其差分全球定位系統(tǒng)相關(guān)天線、UPS等。

備用DP系統(tǒng)的主要設(shè)備組成如下：1個操作控制臺;1臺風(fēng)速風(fēng)向儀;1臺電羅經(jīng);1臺衛(wèi)星定位系統(tǒng);1臺運(yùn)動參考單元及其相關(guān)UPS等。

從上述設(shè)備的組成可以看出：該項(xiàng)目的DP系統(tǒng)設(shè)計方案與常規(guī)方案區(qū)別不大;從設(shè)備布置上看，主DP控制站和備用DP控制站分別位于駕駛室的后駕控臺區(qū)域和前駕控臺區(qū)域，中間沒有物理分隔;主DP和備用DP系統(tǒng)的相關(guān)控制單元、UPS等電氣設(shè)備，分別安裝于主DP電氣設(shè)備間和備用DP電氣設(shè)備間。該布置符合EHS-F入級符號的要求，圖2為該項(xiàng)目整個DP系統(tǒng)的拓?fù)鋱D。

6? ?結(jié)語

隨著對船舶定位精度和水深的要求越來越高，傳統(tǒng)錨泊定位系統(tǒng)的局限性日益顯現(xiàn)，而DP系統(tǒng)因其穩(wěn)定性、安全性和可靠性的優(yōu)點(diǎn)也越來越被市場所認(rèn)可。根據(jù)每船的使用工況和設(shè)計條件不同，DP系統(tǒng)的設(shè)計方案也會有所不同。

本文通過對深海采礦船的環(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了基于DP2 EHS-F入級符號要求的冗余組分配方案和DP系統(tǒng)設(shè)計方案。經(jīng)過本文論述能夠?qū)Νh(huán)形配電網(wǎng)絡(luò)及DP2 EHS-F入級符號有一個基本的概念，可為今后同類型海工船舶的DP系統(tǒng)設(shè)計提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 美國船級社.Guide For Dynamic Positioning System [S].2013.

[2] M3 Marine Expertise Pte Ltd. M3ME/FJMW/094-DP FAILURE MODES &?EFFECTS ANALYSIS DOCUMENT [R]. 2017.