2 000 t風(fēng)電安裝平臺(tái)故障模式分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘" " 要：本文基于2000t風(fēng)電安裝平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)，針對(duì)DP2符號(hào)的設(shè)計(jì)要求，闡述FMEA試驗(yàn)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；結(jié)合全船的故障設(shè)計(jì)意圖和實(shí)船的電氣設(shè)計(jì)方法，提出設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，避免在實(shí)際試驗(yàn)過程中出現(xiàn)單點(diǎn)故障影響冗余組正常運(yùn)行，確保FMEA試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，減少因試驗(yàn)結(jié)論引起的技術(shù)修改。

關(guān)鍵詞：設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；故障模式影響和分析

中圖分類號(hào)：U662.2" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

FMEA Design Requirement of 2 000 t Wind Power Installation Platform

ZHENG Chuzhong，" LIANG Shaohui，" YANG Zhigang，" JIANG Ziyu

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" GuangZhou 510715 ）

Abstract： Based on the design requirements of 2 000 t wind turbine installation platform with DP2 symbol， this paper analyzes and expounds the design points of the FMEA test. In combination with the fault design intent of the whole vessel and the electrical design method of real vessel， the design precautions are proposed， in order to avoid the phenomenon of single point failure affecting the normal operation of the redundancy group in the actual test process， ensure the accuracy of the FMEA test results and reduce technical modifications caused by test conclusions.

Key words： design;" test;" FMEA

1" " "引言

2 000 t風(fēng)電安裝平臺(tái)具備2級(jí)動(dòng)力定位能力（DP-2），裝配有一臺(tái)2 000 t全回轉(zhuǎn)起重機(jī)、一臺(tái)200 t輔助起重機(jī)及一臺(tái)50 t的雜用起重機(jī)，擁有4套升降系統(tǒng)、3個(gè)全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器及3個(gè)艏側(cè)推進(jìn)器，是可用于12 MW及以上的海上風(fēng)電機(jī)組安裝的第四代風(fēng)電安裝平臺(tái)。

本平臺(tái)擁有DP-2的標(biāo)志，根據(jù)船舶規(guī)范中相關(guān)要求，應(yīng)在出現(xiàn)單一故障（不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船位和首向[1]。根據(jù)這一要求，該平臺(tái)在設(shè)計(jì)過程中需要考慮設(shè)備冗余的問題，而且單一的冗余組出現(xiàn)故障時(shí)不應(yīng)影響其他冗余組的運(yùn)行。本文將從這要求出發(fā)，簡(jiǎn)析該平臺(tái)電氣設(shè)計(jì)要求，并對(duì)DP故障模式與影響分析試驗(yàn)（FMEA）進(jìn)行研究，通過列舉相應(yīng)的設(shè)計(jì)案例來闡述相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。

2" " DP2冗余組的電氣設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

本平臺(tái)采用中壓電站，在航行模式下整個(gè)中壓配電板為開環(huán)運(yùn)行，將母排分成A，B，C三段排，可以合排運(yùn)行也可分段運(yùn)行，每段中壓母排由兩個(gè)6600V發(fā)電機(jī)供電，任意兩個(gè)發(fā)電機(jī)都能進(jìn)行并車。在DP2模式的工況，6 600 V、400 V、230V各主配電板母排斷開，電力系統(tǒng)分為三個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)行，三段排分別對(duì)應(yīng)一臺(tái)主推進(jìn)、一臺(tái)側(cè)推及其相應(yīng)的輔助設(shè)備，230 V配電板根據(jù)負(fù)載需求只有兩段，分別為A段，C段，為滿足B段相關(guān)設(shè)備的230 V供電需求，設(shè)計(jì)了由B段400V帶一個(gè)變壓器供電至一分電箱來實(shí)現(xiàn)230V的B段要求，如圖1所示。其電站整體形成的3個(gè)冗余度，劃分為A、B、C三段匯流排進(jìn)行故障模式分析。

2.1" "FMEA驗(yàn)證試驗(yàn)的結(jié)論

FMEA目的在于分析及論證出現(xiàn)單一故障后動(dòng)力定位船舶是否能保持船位，及系統(tǒng)是否滿足冗余設(shè)計(jì)的要求。

FMEA驗(yàn)證試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論，進(jìn)行了以下三類排列[2]：

“A”類：涉及超過最嚴(yán)重故障設(shè)計(jì)意圖、引起安全問題或不符合船級(jí)社要求的潛在嚴(yán)重故障模式；

“B”類：解決故障模式的問題，這些故障模式不超過最嚴(yán)重故障設(shè)計(jì)意圖，不會(huì)引起安全問題也符合船級(jí)社要求， 但是很重要， 改善后可以使動(dòng)力定位能力更加穩(wěn)定；

“C”類：如果解決這些問題，其目的是改善系統(tǒng)運(yùn)行。這些僅是建議， 如無必要不必處理。

在DP故障模式與影響分析試驗(yàn)基礎(chǔ)上的設(shè)計(jì)，需圍繞FMEA的目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免單一故障引起的其他連鎖所應(yīng)?！癆”類問題屬于必須規(guī)避整改的問題，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)就需對(duì)全船的最嚴(yán)重故障設(shè)計(jì)意圖有全面的理解。但在FMEA驗(yàn)證試驗(yàn)中，并不是意味著所有未超過最嚴(yán)重故障設(shè)計(jì)意圖的設(shè)計(jì)都是可以被接受的，畢竟船舶運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行的穩(wěn)定性及能力才是關(guān)鍵的，所以，在未產(chǎn)生最嚴(yán)重故障的前提下，由單一故障產(chǎn)生的影響也不應(yīng)明顯地減弱動(dòng)力定位的能力。

2.2" "最嚴(yán)重故障設(shè)計(jì)意圖

本平臺(tái)設(shè)計(jì)的船舶最嚴(yán)重情況故障意圖是失去任一動(dòng)力和推力系統(tǒng)冗余組（ A、 B 或 C）， 即失去一段 6.6kV 母排、兩臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)、一臺(tái)艏側(cè)推和一臺(tái)全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器。如圖2所示，失去實(shí)線A，虛線B或點(diǎn)劃線C三個(gè)匯流排任一個(gè)包括其所帶負(fù)載不應(yīng)影響船舶定位能力。

如圖2所示，本平臺(tái)配備了3個(gè)冗余分組，即3套獨(dú)立的推進(jìn)/電力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)冗余，其定義如表1。這3個(gè)冗余組在DP下將圖2中的母聯(lián)開關(guān)斷開形成三個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，能夠單獨(dú)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)上包括其輔助設(shè)備也不應(yīng)由其它冗余組的故障而影響本身系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.3" "單一故障的分析

在冗余的條件下，對(duì)各個(gè)設(shè)備各個(gè)可能出現(xiàn)的單一故障進(jìn)行分析，包括故障產(chǎn)生的原因、探測(cè)潛在的故障，故障對(duì)系統(tǒng)局部和整個(gè)動(dòng)力定位系統(tǒng)的影響。單一故障的分析不包括對(duì)以下部件進(jìn)行分析：船體結(jié)構(gòu)的分析、人為或故意的誤操作行為以及靜態(tài)部件。

單一故障的分析結(jié)合全船所有設(shè)備系統(tǒng)，針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行假設(shè)其可能出現(xiàn)的故障分析各故障點(diǎn)對(duì)船舶定位產(chǎn)生的影響，分析只在同一時(shí)間內(nèi)的單一故障有效，而對(duì)于同一時(shí)間內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)故障則不在考慮范疇內(nèi)。

設(shè)備的單一故障，主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行假設(shè)：

1）設(shè)備的供電故障，包括失電、短路等；

2）設(shè)備的信號(hào)丟失或故障，包括：接口斷線、信號(hào)錯(cuò)誤、傳感器故障等；

3）設(shè)備單一機(jī)械性故障，如冷卻、油壓、媒介溫度等。

從本平臺(tái)實(shí)際出發(fā)，在單一故障上的分析，除了動(dòng)力定位相關(guān)設(shè)備上滿足的冗余外，對(duì)三段匯流排的冗余設(shè)備的分析主要針對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)器本身的故障分析外，還需對(duì)其相關(guān)輔助設(shè)備如燃油供給、空氣供給、冷卻水管系及電氣原理進(jìn)行單一故障的模擬分析。其最終所要達(dá)到的檢測(cè)目的為：

1）單一的故障是否影響其它冗余設(shè)備的運(yùn)行；

2）單一的故障是否存在影響船舶定位整體能力；

3）單一故障是否能通過某些技術(shù)手段避免其影響范圍。

3" " FMEA試驗(yàn)的設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)

3.1" "FMEA的試驗(yàn)步驟

FMEA的試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證流程如圖3所示。

3.2" "FMEA電氣專業(yè)的設(shè)計(jì)

1）電氣總體的設(shè)計(jì)方向

根據(jù)前面的分析，本平臺(tái)的設(shè)計(jì)采用了三個(gè)冗余度的設(shè)計(jì)，分別分成A、B、C三套。在動(dòng)力定位模式下，配電板之間的母聯(lián)開關(guān)全部斷開形成三個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，而應(yīng)急配電板由C段母排供電，因此電氣總體需按這三個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的供電冗余設(shè)計(jì)，如海淡水泵、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的供電也需嚴(yán)格按照其在DP狀態(tài)下相應(yīng)隔離閥的分區(qū)狀態(tài)進(jìn)行供電。

全船的主要輔助設(shè)備的供電單線圖如圖4所示。

根據(jù)輪機(jī)管系原理圖，全船配備了4臺(tái)海水泵、4臺(tái)淡水泵、3臺(tái)空壓機(jī)及8臺(tái)機(jī)艙風(fēng)機(jī)（4臺(tái)抽風(fēng)機(jī)、4臺(tái)送風(fēng)機(jī)）。

4臺(tái)海水泵和推進(jìn)淡水泵在DP模式下，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)分別對(duì)應(yīng)母排A、B、C上的柴油機(jī)冷卻管系，4號(hào)海水泵在DP模式下只作為1號(hào)海水泵的備用泵，目的在于減少最嚴(yán)重故障點(diǎn)，提高其定位的能力；2號(hào)、3號(hào)海水泵任一臺(tái)在故障時(shí)會(huì)導(dǎo)致對(duì)應(yīng)母排柴油機(jī)上的冷卻出現(xiàn)故障，從而導(dǎo)致發(fā)生最嚴(yán)重故障；4號(hào)淡水泵在DP模式下不運(yùn)行、不作為備用泵，相關(guān)的控制邏輯由中控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

3號(hào)空壓機(jī)與1、2號(hào)空壓機(jī)區(qū)別為自帶冷卻水泵，作用是為癱船時(shí)的應(yīng)急空壓機(jī)使用，所以只能由應(yīng)急配電板供電。由于應(yīng)急配電板在DP模式下歸入C段的負(fù)載，所以另外兩臺(tái)空壓機(jī)只能由A、B段匯流排供電。

機(jī)艙風(fēng)機(jī)在DP 模式下自動(dòng)起動(dòng)， 3 臺(tái)機(jī)艙送風(fēng)機(jī)（可逆）和3臺(tái)機(jī)艙抽風(fēng)機(jī)（可逆），且 DP一直保持 3 臺(tái)機(jī)艙送風(fēng)機(jī)（可逆）和3 臺(tái)機(jī)艙抽風(fēng)機(jī)（可逆）運(yùn)行，剩下 1 臺(tái)機(jī)艙送風(fēng)機(jī)（可逆）和1 臺(tái)機(jī)艙抽風(fēng)機(jī)（可逆）作為備用。

2）電氣基本設(shè)計(jì)的若干注意事項(xiàng)

DP2在FMEA上無物理區(qū)域分割要求，因此，在設(shè)備布置時(shí)存在同一區(qū)域內(nèi)冗余設(shè)備服務(wù)于不同冗余組設(shè)備的情況，其供電需由不同匯流母排進(jìn)行供電，防止在FMEA試驗(yàn)中考驗(yàn)艙室內(nèi)溫升的問題。如，中壓配電間內(nèi)的兩臺(tái)水冷空調(diào)柜機(jī)，其在供電需分別由來自不同母排的電源供電，以避免在失去一個(gè)冗余度后，導(dǎo)致其設(shè)備出現(xiàn)明顯的溫升情況。同類的設(shè)備有空調(diào)、柜室空調(diào)及風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

在冷卻系統(tǒng)上，涉及到冷卻器上溫控閥的電氣設(shè)計(jì)，在溫控閥出現(xiàn)故障后（包括溫度偏差或電源故障），需在中控上進(jìn)行報(bào)警，并且在設(shè)備選型時(shí)，需注意溫控閥（包括控制器控制電或溫控閥電源）在失電后，溫控閥芯需有自保持能力，不應(yīng)出現(xiàn)閥芯隨媒介的流動(dòng)而擺動(dòng)或出現(xiàn)全關(guān)/全開的現(xiàn)象。在FMEA考驗(yàn)上，此做法為滿足單一故障不減弱動(dòng)力定位的能力，在中控報(bào)警提供相關(guān)值班人員能進(jìn)行處理而不致于由于溫控閥的小故障而導(dǎo)致失去一個(gè)冗余組的能力，畢竟相關(guān)的冷卻在柴油機(jī)或推進(jìn)器上存在相關(guān)的安保能力。具體的實(shí)船F(xiàn)MEA考驗(yàn)見圖5所示第2項(xiàng)內(nèi)容，模擬低溫淡水溫控閥故障的方法可以通過溫控閥失電來實(shí)現(xiàn)，其試驗(yàn)預(yù)期結(jié)果要求“溫控閥有故障報(bào)警及閥位保持”。

推進(jìn)器與動(dòng)力定位（DP）之間的接口基本上是通過推進(jìn)器的遙控系統(tǒng)接入到DP的信號(hào)采集箱（DPC），主要包含了轉(zhuǎn)速命令、轉(zhuǎn)舵命令、轉(zhuǎn)速反饋、轉(zhuǎn)舵反饋等信號(hào)。FMEA的試驗(yàn)都會(huì)對(duì)以上各信號(hào)進(jìn)行故障模擬，方法大致為斷線模擬信號(hào)丟（下轉(zhuǎn)第頁）（上接第頁）

失，而FMEA的預(yù)期結(jié)論都為對(duì)應(yīng)推進(jìn)器退出DP模式并報(bào)警。由于以上控制命令與反饋信號(hào)從設(shè)計(jì)上基本為4～20 mA信號(hào)，因此，需要在信號(hào)的接收方需設(shè)計(jì)信號(hào)斷線反饋報(bào)警，以便在信號(hào)丟失后，發(fā)送方知道命令或反饋信號(hào)已丟失。在設(shè)備無法執(zhí)行DP的命令或命令與反饋不一致時(shí)退出DP，并將相應(yīng)的推進(jìn)器轉(zhuǎn)速歸零，以避免在推進(jìn)器在退出DP后保持轉(zhuǎn)速給船舶產(chǎn)生非必要的推力以減弱整船的定位能力。

4" " "結(jié)束語

故障模式分析作為對(duì)船舶整體設(shè)計(jì)冗余性、安全性、可靠性的檢驗(yàn)，在設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮相關(guān)的故障點(diǎn)及故障點(diǎn)產(chǎn)生的影響，把握單一故障的影響及最嚴(yán)重故障設(shè)計(jì)意圖，針對(duì)不同的DP符號(hào)的船舶做相應(yīng)的設(shè)計(jì)交底，避免故障交叉影響冗余組。在FMEA試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，需做到有故障就有響應(yīng)，響應(yīng)的方法包括了故障報(bào)警、退出DP模式、自備冗余切換等方法。因此，在船舶設(shè)計(jì)初期，需對(duì)相應(yīng)FMEA理念的設(shè)計(jì)提前介入，全盤考慮，避免后期試驗(yàn)過程出現(xiàn)A類或B類故障意見導(dǎo)致的修改。

目前，船舶的故障模式分析設(shè)計(jì)方式已日益成熟，各種理論及原理也比較完善，也基本融入了船舶設(shè)計(jì)的理念中，為船舶安全可靠運(yùn)營(yíng)提供了強(qiáng)大的保障。

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