飽和潛水設(shè)備電氣接口研究及設(shè)計

賈穎暉

（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引 言

飽和潛水相比傳統(tǒng)潛水方式具有下潛深度大、作業(yè)時間長和工作效率高等優(yōu)勢，在海洋開發(fā)、海洋科學(xué)研究、水下設(shè)施建造和援潛救生等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到世界各國的高度重視，具有廣闊的發(fā)展前景。

使用飽和潛水設(shè)備能增加潛水作業(yè)深度，使?jié)撍畣T在深水長時間作業(yè)時，有效減少其減壓次數(shù)，大幅提高潛水作業(yè)效率，降低潛水員減壓病的發(fā)生率；同時，能為潛水人員創(chuàng)造良好的工作環(huán)境，使其在高壓強(qiáng)條件下完成水下安裝、檢查和維修等作業(yè)，具有廣闊的市場前景。

飽和潛水支持船是依托飽和潛水設(shè)備形成的船型，飽和潛水設(shè)備在船上有撬裝式和內(nèi)置式2種存放方式，其中：撬裝式即所有飽和潛水設(shè)備都安裝在集裝箱內(nèi)，集裝箱整體放置在船上的開敞甲板處；內(nèi)置式即所有飽和潛水設(shè)備都為散供，安裝在船上專門為飽和潛水設(shè)備設(shè)置的艙室內(nèi)。因此，內(nèi)置式飽和潛水設(shè)備對船舶的依存性更強(qiáng)，設(shè)計要求更高。飽和潛水系統(tǒng)由甲板（水下）居住艙、過渡艙、潛水鐘、吊放系統(tǒng)和生命支持系統(tǒng)等組成。

本文以某300m飽和潛水支持船（見圖1）為研究對象，對其飽和潛水設(shè)備電氣接口進(jìn)行研究設(shè)計。

圖1 300m飽和潛水支持船

1 背景工程概況

該300m飽和潛水支持船是一艘具有DP（Dynamic Positioning）3能力的可在規(guī)定海域的環(huán)境下進(jìn)行潛水作業(yè)的特種用途船，具有無限航區(qū)（極區(qū)除外）航行的能力。該船入 DNV GL和中國船級社（China Classification Society, CCS）雙船級，其中：

1) DNV GL入級符號為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]；

2) CCS入級符號為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]。

根據(jù)船東的要求，潛水設(shè)備配置能搭載24名潛水員分批次進(jìn)行最大水深為300m的飽和潛水作業(yè)的雙鐘飽和潛水系統(tǒng)。整套飽和潛水系統(tǒng)帶有高壓生活艙、潛水鐘、逃生艙、收放系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)和水下通信系統(tǒng)等設(shè)備，在充分考慮潛水安全的情況下，可滿足最大限度的雙潛水鐘深水飽和潛水作業(yè)需求。

該潛水設(shè)備的制造商為意大利DRASS飽和潛水公司。

2 飽和潛水設(shè)備和船舶電氣系統(tǒng)接口

2.1 基本概述

根據(jù)意大利飽和潛水公司DRASS提供的資料和DNV GL潛水規(guī)范的相關(guān)要求，主要從配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)和飽和潛水外部區(qū)域火災(zāi)報警系統(tǒng)等4個方面進(jìn)行設(shè)計分析。

2.2 配電系統(tǒng)接口

2.2.1 船舶配電系統(tǒng)

該船設(shè)有DP系統(tǒng)，滿足DP3規(guī)范的要求，即在預(yù)設(shè)的定位環(huán)境下，任意部件或系統(tǒng)發(fā)生單點(diǎn)故障，甚至因失火或進(jìn)水造成整個艙室完全受損之后，仍能自動保持船舶的位置和艏向。因此，該船的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須滿足DP3系統(tǒng)的要求，即電站與推進(jìn)器的分組必須保持一致[1]。

該船設(shè)計有2個獨(dú)立的機(jī)艙和2個獨(dú)立的配電板室。機(jī)艙之間具有A60和水密分隔，每個機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)組和輔助系統(tǒng)都可獨(dú)立運(yùn)行，互不影響。配電板室之間及各相鄰機(jī)艙之間全部為A60和水密分隔。

根據(jù)系統(tǒng)的特性和設(shè)備的配置，共設(shè)計12塊配電板，分別為2塊AC690V主配電板、2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊遙控?zé)o人潛水器（Remote Operated Vehicle, ROV）及收放系統(tǒng)配電板、2塊潛水配電板、1塊船用應(yīng)急配電板和1塊潛水用應(yīng)急配電板。

根據(jù)機(jī)艙和配電板室的分區(qū)，全船的動力設(shè)備完全分開為前后2個系統(tǒng)，其中：前機(jī)艙1號主發(fā)電機(jī)和3號主發(fā)電機(jī)連接至前AC690V主配電板；后機(jī)艙2號主發(fā)電機(jī)和4號主發(fā)電機(jī)連接至后AC690V主配電板。在DP模式下，2塊AC690V主配電板之間的母聯(lián)開關(guān)全部斷開，各自獨(dú)立運(yùn)行，分別給各自DP區(qū)內(nèi)的設(shè)備供電。

配電系統(tǒng)單線圖見圖2。

圖2 配電系統(tǒng)單線圖

2.2.2 飽和潛水設(shè)備電氣接口

DRASS公司提供的飽和潛水設(shè)備有潛水系統(tǒng)左主配電板、右主配電板和潛水系統(tǒng)應(yīng)急配電板，具體飽和潛水配電接口示意見圖3。

圖3 飽和潛水配電接口示意

根據(jù) DRASS的要求，飽和潛水系統(tǒng)同時使用的最大功率約為 1600kW，左右各需 800kW，電壓為AC440V。飽和潛水配電板為所有飽和潛水設(shè)備供電，主要包含潛水收放裝置、空壓機(jī)、環(huán)境單元、加熱泵組、冷卻泵組、各加熱單元、各控制單元及輔助設(shè)備等。飽和潛水變壓器負(fù)荷估算見表1。

表1 飽和潛水變壓器負(fù)荷估算

根據(jù)潛水系統(tǒng)作業(yè)安全性和可靠性等方面的技術(shù)要求，背景工程電源和配電系統(tǒng)已具備DP3定位作業(yè)能力，配置2套可完全獨(dú)立運(yùn)行的電網(wǎng)；2套電網(wǎng)分別通過1臺容量為1250kVA的AC690V/450V變壓器，為左配電系統(tǒng)和右配電系統(tǒng)供電，應(yīng)急電源由飽和潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)提供。

在 DP3正常作業(yè)狀態(tài)下，飽和潛水左主配電板由 DPI區(qū)船用主配電板經(jīng)容量為 1250kVA的左AC690V/450V船用變壓器供電；飽和潛水右主配電板和應(yīng)急配電板由 DPII區(qū)船用主配電板經(jīng)容量為1250kVA的右AC690V/450V船用變壓器供電。

在DP3的DPI區(qū)船用主配電板因發(fā)生故障而失電的狀態(tài)下，飽和潛水系統(tǒng)轉(zhuǎn)換至DPII區(qū)船用主配電板供電；飽和潛水左主配電板由右主配電板經(jīng)應(yīng)急配電板供電，但左主配電板不是重要負(fù)載，需卸載，僅為重要設(shè)備供電。反之亦然。

當(dāng)DP3的DPI區(qū)和DIPII區(qū)船用主配電板全部失電之后，飽和潛水左主配電板和右主配電板均由飽和潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)經(jīng)應(yīng)急配電板供電，但需將所有不重要的負(fù)載卸載，以保證人命安全和安全操作所需設(shè)備的正常供電。

為保證操作的安全性，在飽和潛水左主配電板上，需將船用變壓器進(jìn)線開關(guān)與飽和潛水應(yīng)急配電板供電開關(guān)聯(lián)鎖，即變壓器進(jìn)線開關(guān)閉合時，應(yīng)急配電板供電開關(guān)打開，反之亦然，以保證安全實(shí)現(xiàn)上述功能。

該船的飽和潛水設(shè)備采用獨(dú)立的應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，除了常規(guī)要求以外，DNV GL還提出該應(yīng)急發(fā)電機(jī)必須滿足以下要求：

1) 潛水系統(tǒng)應(yīng)急發(fā)電機(jī)運(yùn)行時間必須保證主電源失電之后，潛水人員從水下到減壓艙直至安全減壓等一系列安全操作能順利完成。

2) 根據(jù)不同飽和潛水設(shè)備配置的要求，其持續(xù)運(yùn)行時間一般為7～15d。在這段時間內(nèi)，需保證潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，即需保證正常運(yùn)行的設(shè)備通過潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電。但是，規(guī)范中并未定義哪些設(shè)備必須由潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)供電，因此需與各相關(guān)方討論各種可能性之后再確定。以背景工程為例，經(jīng)過與 DNV GL、飽和潛水設(shè)備商DRASS和飽和潛水故障模式分析公司協(xié)商，最終確定由潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)為潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)室送風(fēng)機(jī)、潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)缸套水加熱器和潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動蓄電池充電器供電。

3) 對于飽和潛水設(shè)備與船舶配電系統(tǒng)的接口，需針對相關(guān)規(guī)范和設(shè)備商的要求進(jìn)行整體分析設(shè)計。

2.3 通信系統(tǒng)接口

飽和潛水支持船區(qū)域一般分為內(nèi)部區(qū)域和外部區(qū)域，其中：內(nèi)部區(qū)域是指飽和減壓艙、潛水鐘等內(nèi)部的區(qū)域，包括連接減壓艙的通道和高壓救生艇艙；外部區(qū)域是指潛水作業(yè)時暴露在空氣中的潛水系統(tǒng)區(qū)域，例如潛水內(nèi)部系統(tǒng)的外部、包含潛水系統(tǒng)的艙室或區(qū)域等[1]。

飽和潛水系統(tǒng)分為內(nèi)部區(qū)域通信系統(tǒng)和外部區(qū)域通信系統(tǒng)，其中：內(nèi)部區(qū)域通信系統(tǒng)是指與飽和潛水設(shè)備配套的通信系統(tǒng)，包括潛水鐘控制臺、飽和潛水控制臺、潛水鐘、減壓艙、過渡艙和高壓逃生艇等區(qū)域之間的通信，一般都是飽和潛水廠家自行設(shè)計并配置的；外部區(qū)域通信系統(tǒng)是指在飽和潛水支持船上，在與飽和潛水操作相關(guān)的區(qū)域設(shè)置的獨(dú)立通信系統(tǒng)。

根據(jù)背景工程的飽和潛水設(shè)備布置和實(shí)船的船體布置，共設(shè)置 42門電話系統(tǒng)作為潛水系統(tǒng)的外部通信系統(tǒng)，包含的區(qū)域有主動力定位控制站、備用動力定位控制站、駕駛室勘察桌、集控室集控臺、起重機(jī)司機(jī)室、水下機(jī)器人控制室及辦公室、潛水應(yīng)急發(fā)電機(jī)室、潛水鐘棚、潛水鐘應(yīng)急控制站、潛水鐘控制臺、潛水配電板間、潛水技術(shù)監(jiān)督室、飽和潛水控制臺、空氣潛水區(qū)域、潛水減壓艙外部控制板、潛水用氣罐間、氣體操作間、潛水設(shè)備間和潛水艙壓力輸送區(qū)域（見圖4）。

飽和潛水系統(tǒng)既能保證各區(qū)域間必要的通信，又能保證船舶的安全性。即除了飽和潛水控制臺和潛水鐘控制臺以外，其他區(qū)域不能與潛水設(shè)備內(nèi)部區(qū)域（包括潛水鐘、減壓艙、過渡艙和高壓逃生艇等內(nèi)部區(qū)域）通信，保證非飽和潛水操作人員和非飽和潛水監(jiān)督人員不能指揮各潛水艙內(nèi)的潛水人員，保證命令的合理性和人員的安全性。

根據(jù)DNV GL規(guī)范的要求，需在飽和潛水控制站、飽和潛水操作位置、動力定位控制站、駕駛室、船舶主要控制站或鉆臺、起重機(jī)及水下機(jī)器人控制站等區(qū)域設(shè)置獨(dú)立的固定式雙向通信系統(tǒng)[1]。這些位置只是規(guī)范推薦的位置，具體位置還需根據(jù)實(shí)船的功能和船東的要求確定。

2.4 閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)接口

飽和潛水設(shè)備的閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)的工作機(jī)理通常是在飽和潛水控制站和潛水鐘控制站，通過攝像機(jī)監(jiān)視所有飽和潛水內(nèi)部區(qū)域的情況。通過飽和潛水控制站可監(jiān)視各減壓艙、過渡艙、過渡艙閘門處和高壓救生艇內(nèi)的情況；通過潛水鐘控制站可監(jiān)視潛水鐘內(nèi)的情況。為提高安全性，更好地對飽和潛水內(nèi)部區(qū)域的人員狀態(tài)和系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，可將所有內(nèi)部信號通過通信接口傳輸給船舶的閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)。

背景工程是通過網(wǎng)絡(luò)接口將所有飽和潛水內(nèi)部區(qū)域的閉路電視監(jiān)視信號傳輸給全船閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)。全船閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)在駕駛室動力定位控制站、安全中心控制站、水下機(jī)器人控制站和機(jī)艙集控站等處設(shè)置監(jiān)視器，飽和潛水內(nèi)部區(qū)域的人員和系統(tǒng)狀態(tài)可通過這些控制站進(jìn)行監(jiān)視。監(jiān)視器上既可設(shè)置各種畫面配置（4畫面、9畫面和16畫面等），又可隨時單畫面切換；既可集中監(jiān)視所有區(qū)域，又可單獨(dú)監(jiān)視某一區(qū)域。

可根據(jù)要求設(shè)置相關(guān)的權(quán)限，僅要求在部分重要的控制站設(shè)置對潛水內(nèi)部區(qū)域的監(jiān)視權(quán)限，以保證更高的安全性和私密性。

圖4 飽和潛水外部區(qū)域通信系統(tǒng)示意

2.5 飽和潛水外部區(qū)域火災(zāi)報警系統(tǒng)

火災(zāi)報警系統(tǒng)是針對飽和潛水外部區(qū)域設(shè)計的。對于內(nèi)置式飽和潛水支持船來說，飽和潛水外部區(qū)域的火災(zāi)報警設(shè)計除了需滿足常規(guī)火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計的要求以外，還需滿足以下要求：

1) 可成為全船火災(zāi)報警的一部分，但覆蓋飽和潛水外部區(qū)域的回路不能覆蓋其他區(qū)域；或單獨(dú)為飽和潛水外部區(qū)域設(shè)置一套火災(zāi)報警裝置[1]。

2) 在飽和潛水控制站和潛水鐘控制站設(shè)置火災(zāi)報警復(fù)視器[1]。

由于火災(zāi)報警系統(tǒng)是按客船的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的，產(chǎn)品本身回路較多，因此并未對飽和潛水外部區(qū)域采用獨(dú)立的火災(zāi)報警裝置，而是采用全船火災(zāi)報警系統(tǒng)的部分回路進(jìn)行設(shè)計?；芈啡园聪嚓P(guān)規(guī)范的要求設(shè)計，根據(jù)主豎區(qū)和其他不同區(qū)域的要求設(shè)置相應(yīng)的火災(zāi)報警回路，并按規(guī)范的要求在飽和潛水控制區(qū)域設(shè)置獨(dú)立的火災(zāi)報警復(fù)視器。

需注意，總體防火區(qū)域劃分圖對飽和潛水外部區(qū)域有獨(dú)立的定義和代號，飽和潛水外部區(qū)域的火災(zāi)報警系統(tǒng)需據(jù)此進(jìn)行設(shè)計。

3 結(jié) 語

結(jié)合DNV GL最新規(guī)范、規(guī)則的要求和設(shè)備資料的相關(guān)內(nèi)容，通過對內(nèi)置式飽和潛水設(shè)備和船舶的電氣系統(tǒng)接口進(jìn)行整體研究分析，掌握了主要的設(shè)計要點(diǎn)，并在背景工程中得到了充分的實(shí)施應(yīng)用，順利通過了船級社的驗收。

由于世界上的飽和潛水設(shè)備生產(chǎn)廠家較少，因此本文的研究具有廣泛的實(shí)用性和較高的參考價值。