滿足安全返港要求的起重鋪管船電氣設(shè)計(jì)淺析

孫 蕾 梁 榮 朱暉宇 藍(lán)文昊

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.交通運(yùn)輸部廣州打撈局 廣州510260）

引 言

起重鋪管船是海洋工程船的一種，同時(shí)具備起重和鋪管兩種功能，主要用于海上大型結(jié)構(gòu)物吊裝和海底石油或天然氣管道的鋪設(shè)作業(yè)等工程，屬于高附加值船舶。本文以某型深水起重鋪管船為例（以下稱本船），探討滿足安全返港要求的起重鋪管船的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和安全返港要求對(duì)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一些影響。

1 船舶簡(jiǎn)介

本船作為特種用途船舶，在海上進(jìn)行起重或鋪管施工作業(yè)時(shí)，包括船員在內(nèi)，可能同時(shí)有350 人在船上工作。根據(jù)《特種用途船安全規(guī)則（2008）》要求，本船是適用載運(yùn)240 人或以上的特種用途船舶，應(yīng)按照客船設(shè)計(jì)［5］。同時(shí)滿足2010 年7 月1 日以后建造、船長(zhǎng)≥120 m 或具有3 個(gè)（或以上）主豎區(qū)以及客船這3 個(gè)條件。根據(jù)SOLAS I-2 章第21 和22 條、II-1 章第8-1 條的要求，在火災(zāi)或進(jìn)水事故未超出規(guī)定的事故界限，并提供了能夠滿足乘客和船員的基本生活要求的安全區(qū)域的情況下，本船有能力依靠自身動(dòng)力，安全返回最近的港口。

根據(jù)起重鋪管船的作業(yè)特點(diǎn)，在起吊重物或鋪管作業(yè)時(shí)，船舶需要對(duì)抗受到的各種外力（如風(fēng)、浪、流、慣性、起吊物狀態(tài)或管線的拉力等），保持所希望的位置和艏向，如果發(fā)生失去船舶位置或艏向的情況，將產(chǎn)生難以預(yù)料的后果。因此，本船配備了DPS-2 附加標(biāo)志的動(dòng)力定位裝置，在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，可最大限度地保證船舶和人員安全。

本船配置了6 臺(tái)5 530 kW 主柴油發(fā)電機(jī)組、2臺(tái)5 500 kW 主推進(jìn)器、5 臺(tái)3 500 kW 可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器和1 臺(tái)1500kW 艏側(cè)推、鋪管設(shè)備和起重機(jī)等。發(fā)電機(jī)及其輔助泵、推進(jìn)器和配電板分別布置在兩個(gè)機(jī)艙、泵艙、主推進(jìn)器艙和高低壓配電板間，艙室之間為A 級(jí)分隔（見(jiàn)圖1）。

圖1 發(fā)電機(jī)及推進(jìn)器分布

2 安全返港的相關(guān)概念

當(dāng)發(fā)生進(jìn)水或者火災(zāi)事故時(shí)，會(huì)導(dǎo)致船舶部分受損，用于航行和應(yīng)對(duì)緊急情況的推進(jìn)系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等可能都無(wú)法正常工作，影響船舶的正常航行和應(yīng)急響應(yīng)，對(duì)船舶和人員的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。SOLAS II-2/21.4 條標(biāo)識(shí)了14個(gè)重要系統(tǒng)，要在事故界限以內(nèi)保持運(yùn)行，包括推進(jìn)、操舵系統(tǒng)和操舵控制、導(dǎo)航、燃油注入傳輸和服務(wù)、內(nèi)部通信、外部通信、消防總管、固定式滅火、火災(zāi)探測(cè)、艙底和壓載、動(dòng)力操作的水密和半水密門(mén)、支持安全區(qū)域的系統(tǒng)、進(jìn)水探測(cè)和主管機(jī)關(guān)認(rèn)為對(duì)控制損害有至關(guān)重要影響的系統(tǒng)。當(dāng)超過(guò)火災(zāi)事故界限，但不超過(guò)一個(gè)主豎區(qū)時(shí)，需有6 個(gè)系統(tǒng)仍能維持運(yùn)行，包括消防總管、內(nèi)部通信、外部通信方式、可轉(zhuǎn)移消防水的艙底水系統(tǒng)、脫險(xiǎn)通道、集合站和救生設(shè)備登乘站的照明、撤離引導(dǎo)系統(tǒng)。

就失火而言，事故界限的劃分，取決于該原發(fā)處所是否設(shè)有固定滅火系統(tǒng)保護(hù)［4］：

（1）若原發(fā)處所設(shè)有固定滅火系統(tǒng)保護(hù)，事故的受損范圍為從原發(fā)處所直至最近的“A”級(jí)邊界，該邊界可以是原發(fā)處所的一部分；

（2）若原發(fā)處所未設(shè)有固定滅火系統(tǒng)保護(hù)，事故的受損范圍為從原發(fā)處所相鄰處所直至最近的“A”級(jí)邊界，該邊界不是原發(fā)處所的一部分。

就進(jìn)水而言，事故界限為任何單個(gè)水密艙室進(jìn)水時(shí)。

表1 簡(jiǎn)單描述了事故程度與操作措施的關(guān)系。

表1 事故程度與操作措施的關(guān)系

當(dāng)船上的某些處所中不存放可燃材料、易燃液體或可燃?xì)怏w，也沒(méi)有安裝配電板和相關(guān)電氣設(shè)備等時(shí)，這些處所發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)可以忽略不計(jì)，即可被認(rèn)為是非失火源處所，如：空艙、管弄、電纜通道和儲(chǔ)存滅火劑的艙室等。

3 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究

3.1 電力負(fù)荷分析

本船既可用于海上大型結(jié)構(gòu)物吊裝，也可用于海底石油或天然氣管道的鋪設(shè)作業(yè)。用電設(shè)備眾多且復(fù)雜，對(duì)本船進(jìn)行電力負(fù)荷分析，需分別計(jì)算動(dòng)力定位生存、動(dòng)力定位鋪管、動(dòng)力定位起重、航行、定位錨鋪管、定位錨起重、進(jìn)出港、停泊和應(yīng)急這幾種工況。

在計(jì)算某種工況的電力負(fù)荷時(shí)，需要了解此時(shí)有哪些設(shè)備需要同時(shí)工作？哪些設(shè)備因?yàn)閱吸c(diǎn)故障而不能工作？然后分析其負(fù)荷狀態(tài)及負(fù)荷系數(shù)，包括在這種工況中推進(jìn)器的功率的不同需求，在動(dòng)力定位能力分析之后，可按其分析結(jié)果來(lái)對(duì)應(yīng)各推力器的功率，因此DP 能力分析中的工況和電力負(fù)荷計(jì)算中的各個(gè)DP 工況是一一對(duì)應(yīng)的。

在計(jì)算三種動(dòng)力定位工況時(shí)，還需分別計(jì)算完整工況和3 種高壓配電板各母排分別發(fā)生單點(diǎn)故障工況的電力負(fù)荷：

（1）DP 生存工況下的環(huán)境條件惡劣，6 臺(tái)發(fā)電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，如果高壓配電板某段母排負(fù)荷率過(guò)高，DP 系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)限制推進(jìn)器所用功率，并通過(guò)改變艏向來(lái)減少推進(jìn)器的功率。

（2）DP 鋪管工況，正常狀態(tài)有1 臺(tái)發(fā)電機(jī)備用，當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，如果電站實(shí)際負(fù)荷率過(guò)高，功率管理系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)實(shí)際電站功率，決定是否起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組。

（3）DP 起重工況，當(dāng)?shù)? 段母排發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，由于主吊機(jī)是由第1 段供電的，此時(shí)第1 段母排負(fù)荷率過(guò)高，功率管理系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)限制主吊所用功率。

需要特別注意的是：本船還需滿足安全返港要求，即當(dāng)發(fā)生不超過(guò)事故界限的火災(zāi)或進(jìn)水事故時(shí)，剩余的電站容量還可滿足安全返港要求。此時(shí)應(yīng)計(jì)算包括SOLAS 第II-2/21.4 條定義的所有重要系統(tǒng)和21.5.1.2 條定義的支持安全區(qū)域用電的電力負(fù)荷平衡，并應(yīng)考慮這些設(shè)備可能會(huì)同時(shí)工作。

考慮最嚴(yán)重的火災(zāi)或進(jìn)水事故，分為以下3 種工況：

（1）其中1 個(gè)高壓主配電板室發(fā)生火災(zāi)事故，將損失相應(yīng)的高壓主配電板，從而導(dǎo)致?lián)p失對(duì)應(yīng)機(jī)艙的3 臺(tái)發(fā)電機(jī)組和主推；

（2）其中1 個(gè)主推進(jìn)室發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水事故，將損失對(duì)應(yīng)的主推進(jìn)器；

（3）其中1 個(gè)泵艙發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水事故，將損失3 臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組的柴油循環(huán)泵，從而導(dǎo)致?lián)p失相應(yīng)機(jī)艙的3 臺(tái)發(fā)電機(jī)。

分別對(duì)這3 種工況進(jìn)行電力負(fù)荷計(jì)算，校核在發(fā)生事故后，剩余的船舶電站是否還有能力進(jìn)行安全返港。

3.2 確定發(fā)電機(jī)及匯流排結(jié)構(gòu)型式

接下來(lái)要確定發(fā)電機(jī)及匯流排結(jié)構(gòu)型式，DPS-2 要求需滿足在最壞的單點(diǎn)故障時(shí)能夠保持定位能力。單點(diǎn)故障狀況中必須考慮配電板匯流排的故障［3］，這既牽涉到匯流排上供電的發(fā)電機(jī)，又關(guān)系到對(duì)推進(jìn)器的饋電。匯流排設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮這兩方面的組合失效對(duì)動(dòng)力定位能力的影響。本船的高壓配電板，設(shè)計(jì)了六段匯流排，各匯流排之間由真空斷路器連接（見(jiàn)下頁(yè)圖2）。

動(dòng)力定位作業(yè)時(shí)，所有匯流排閉合，440 V 配電板和220 V 配電板聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān)始終斷開(kāi)工作。通過(guò)定向短路保護(hù)和定向接地故障保護(hù)將高壓配電板的最嚴(yán)重故障限制在一段母排內(nèi)，即一段母排發(fā)生單點(diǎn)故障，不會(huì)影響其他段母排。

3.3 饋 電

本船為DPS-2 附加標(biāo)志，由于需滿足在最壞的單點(diǎn)故障時(shí)的定位能力，推進(jìn)器需按照布置位置的不同以及發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，對(duì)定位能力影響最小的情況，由各分段匯流排合理均衡地饋電。為了滿足在單點(diǎn)故障時(shí)不致影響船舶的位置和艏向，因此必須考慮與動(dòng)力定位有關(guān)的發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器和舵機(jī)等設(shè)備的輔助供電的冗余性。由于本船440 V 配電板和230 V 配電板只分成2 段，如果其中1 段配電板發(fā)生短路，將會(huì)影響幾臺(tái)推進(jìn)器的輔助供電，因此各推進(jìn)器的輔助供電分電箱需由兩個(gè)440 V 配電板或230 V 配電板兩路電源供電，延時(shí)1～2 s 自動(dòng)切換。還有一種做法是將為推進(jìn)器服務(wù)的輔助設(shè)備，按各自推進(jìn)器分開(kāi)并由同段匯流排或?qū)?yīng)的低壓匯流排饋電，即440 V 配電板和230 V 配電板也相應(yīng)地分成6 段。這樣不僅使饋電系統(tǒng)相互不受影響，也減少了自動(dòng)切換，但相應(yīng)會(huì)增加設(shè)備成本。

安全返港分析時(shí)還需對(duì)重要系統(tǒng)的饋電進(jìn)行評(píng)估。逐個(gè)對(duì)在火災(zāi)事故發(fā)生時(shí)的原發(fā)處所和受影響的處所或進(jìn)水事故發(fā)生時(shí)的水密艙室內(nèi)SOLAS II-2/21.4 條標(biāo)識(shí)的14 個(gè)重要系統(tǒng)的電氣設(shè)備和電纜可能的受損情況進(jìn)行分析，這些重要系統(tǒng)是否還能夠在事故界限以內(nèi)維持運(yùn)行。當(dāng)超出事故界限時(shí)，支持有序撤離的6 個(gè)系統(tǒng)仍能維持運(yùn)行。

圖2 起重鋪管船高壓配電板分段

4 安全返港要求對(duì)相關(guān)電氣設(shè)計(jì)的影響

4.1 航行設(shè)備

根據(jù)《特種用途船安全規(guī)則（2008）》的要求，航行設(shè)備的配置需滿足SOLAS 第V 章的要求即可。為滿足安全返港要求，用于導(dǎo)航、定位和探測(cè)碰撞危險(xiǎn)的必要設(shè)備在安全返港時(shí)應(yīng)可使用，并應(yīng)能按照現(xiàn)行的《國(guó)際海上避碰規(guī)則》配備適當(dāng)?shù)臒艄庑盘?hào)顯示。即需要考慮當(dāng)駕駛室發(fā)生事故界限內(nèi)的火災(zāi)事故之后，航行所必需的設(shè)備應(yīng)能在駕駛室之外未受火災(zāi)影響的處所仍可維持操作。本船在橋樓甲板尾部設(shè)有作業(yè)控制室，作為起重和鋪管作業(yè)的控制中心，與駕駛室之間有A 級(jí)分隔。因此考慮將航行所必需的設(shè)備在作業(yè)控制室進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，解決方案如下頁(yè)表2 所示。

4.2 內(nèi)部通信

內(nèi)部通信可以通過(guò)任何有效的便攜式或固定通信手段來(lái)實(shí)現(xiàn)?？刂普竞蛨?zhí)行安全返港操作位置之間可以進(jìn)行雙向通信，舉例說(shuō)明如下：

（1）控制站包括：橋樓/備用橋樓、集控室、安全中心和消防控制站等；

表2 解決方案

（2）安全返港操作位置：舵機(jī)室、機(jī)艙、需要手動(dòng)操作的處所和消防/防損控制站等。

對(duì)于便攜式通信設(shè)備，應(yīng)在多于1 個(gè)主豎區(qū)配置充電裝置，以保證其充電能力。

由于本船需滿足客船要求，公共廣播系統(tǒng)至少應(yīng)有兩個(gè)在整個(gè)線路上完全獨(dú)立的回路，并應(yīng)有兩個(gè)分開(kāi)和獨(dú)立的擴(kuò)音器。同時(shí)為滿足安全返港的要求，需在不同的防火區(qū)內(nèi)配置至少雙套廣播擴(kuò)音器，因此將一套擴(kuò)音器配置在儀表間，另一套配置在報(bào)務(wù)間。在同一區(qū)域至少配備由連接在不同擴(kuò)音器上的兩路揚(yáng)聲器回路，在最嚴(yán)重情況時(shí)損失一套擴(kuò)音器，還有連接在另一套擴(kuò)音器上的揚(yáng)聲器可以工作，但強(qiáng)度會(huì)有所減弱。此系統(tǒng)全部使用耐火電纜，中間不能使用接線盒；則可認(rèn)為當(dāng)一路擴(kuò)音器所在的處所或揚(yáng)聲器回路中間某處所發(fā)生事故界限內(nèi)的火災(zāi)事故時(shí)，廣播兼通用報(bào)警系統(tǒng)在其他未受事故影響的主豎區(qū)可維持操作。

4.3 外部通信

根據(jù)《特種用途船安全規(guī)則（2008）》的要求，無(wú)線電通信系統(tǒng)的配置需滿足SOLAS 對(duì)貨船的要求即可。而為滿足安全返港要求，即在主GMDSS設(shè)備損失時(shí)，船舶可通過(guò)GMDSS 或者海事VHF 和航空波段報(bào)警頻率對(duì)外通信。需要對(duì)無(wú)線電通信系統(tǒng)的配置進(jìn)行改造。

解決方案有以下兩種：

（1）配置雙套GMDSS 設(shè)備，分別布置在報(bào)務(wù)室和作業(yè)控制室；

（2）在報(bào)務(wù)室配置主GMDSS，在作業(yè)控制室配置一套帶航空波段的海事VHF。

對(duì)比這兩種方案，顯然第二種方案配置更簡(jiǎn)單，更經(jīng)濟(jì)。

4.4 火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

根據(jù)SOLAS 的要求，本船需滿足對(duì)載客超過(guò)36 人的客船要求，在服務(wù)處所、控制站和起居處所，包括起居處所的走廊、梯道和脫險(xiǎn)通道，應(yīng)安裝和布置固定式探火和失火報(bào)警系統(tǒng)，以探測(cè)這些處所的煙霧，探火報(bào)警裝置集中于一個(gè)連續(xù)有人值班的集中控制站，故在駕駛室配置了一套可尋址式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主控板。而為了滿足安全返港要求，考慮最嚴(yán)重的故障工況為安裝火災(zāi)報(bào)警主控制單元的處所發(fā)生事故界限內(nèi)的火災(zāi)，因此在作業(yè)控制室還配置了1 套主控板，2 套主控制單元之間熱備，每一火災(zāi)報(bào)警回路的兩端分別連接在2 套主控板上，此系統(tǒng)全部使用耐火電纜，中間不能使用接線盒，則可認(rèn)為當(dāng)1 部主控單元所在的處所或回路中間某處所發(fā)生事故界限內(nèi)的火災(zāi)事故時(shí)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在其他未受事故影響的主豎區(qū)可維持操作。

4.5 照 明

（1）安全區(qū)域：在未受事故影響的安全區(qū)域設(shè)置足夠的照明或者使用便攜式蓄電池?zé)?，在每個(gè)安全區(qū)域提供足夠的充電器。

（2）機(jī)械處所：在安全返港時(shí)，在所有需要進(jìn)入的機(jī)械處所設(shè)置提供固定照明。

（3）需要手動(dòng)操作的處所：在事故后需要進(jìn)行人工操作的設(shè)備處所設(shè)置足夠的照明，用于安全進(jìn)入。

（4）逃生路徑、集合站和登艇處：提供足夠的主、應(yīng)急照明。

4.6 耐火電纜的使用

使用滿足IEC60331-1 和IEC60331-2 標(biāo)準(zhǔn)的耐火電纜穿過(guò)發(fā)生火災(zāi)的非服務(wù)區(qū)域時(shí)，視為可維持運(yùn)行，而且在受火災(zāi)影響的區(qū)域內(nèi)應(yīng)沒(méi)有電纜連接、接頭和設(shè)備連接。

5 結(jié) 語(yǔ)

安全返港規(guī)定的實(shí)施對(duì)航運(yùn)業(yè)帶來(lái)了一定的影響，尤其是對(duì)載運(yùn)超過(guò)240 人的特種用途船的設(shè)計(jì)、建造、檢驗(yàn)及營(yíng)運(yùn)產(chǎn)生了很大的影響。我們可以通過(guò)分隔、雙套、冗余或保護(hù)等設(shè)計(jì)方法，讓工程船自身安全性能有極大的提升，自救能力進(jìn)一步增強(qiáng)。在一定的條件下，讓船舶成為自身的“救生艇”。