王 穎

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建福州350015)

0 引言

隨著船舶電力推進(jìn)的成熟和自動控制理論的發(fā)展，以及動力定位系統(tǒng)性能的不斷提高，海洋石油平臺、深水鉆井船、油田守護(hù)船、潛水器支持船等均裝備了動力定位系統(tǒng)。動力定位系統(tǒng)一般由動力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)組成，與動力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的輔助管路系統(tǒng)性能也直接會影響船舶動力定位的能力。本文以設(shè)計建造具有DPS-2級動力定位能力的86 m多用途平臺供應(yīng)船為例，對動力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)的輔助管路系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行分析討論。

1 規(guī)范對動力定位系統(tǒng)的要求

國際海事組織(IMO)和美國船級社ABS對動力定位船舶的定義為:僅靠自身推進(jìn)器的推力自動保持其自身船位(固定的位置或預(yù)先確定的航跡)和首向的船舶。根據(jù)動力定位系統(tǒng)(DPS)冗余度不同，可分DPS-1、DPS-2和DPS-3這3個等級。各等級的技術(shù)要求為:DPS-1動力定位船舶，出現(xiàn)單點故障后有可能失去定位;DPS-2動力定位船舶，任何1個活動部件或系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障(不包括1個艙室或幾個艙室的損失)后不能失去定位;DPS-3動力定位船舶，任何1個活動部件或靜止部件或系統(tǒng)出現(xiàn)單點故障，包括由于失火或進(jìn)水導(dǎo)致失去1個艙室，不能失去定位。由此可見，DPS-1級船舶無需部件冗余;DPS-2級船舶要求所有相關(guān)活動部件冗余;DPS-3級船舶要求所有相關(guān)活動和靜止部件冗余，并且系統(tǒng)所處艙室需進(jìn)行物理分隔。規(guī)范規(guī)定，活動部件主要包括發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、配電板、DP控制計算機(jī)、傳感器、遙控閥，補(bǔ)償器等;靜止部件主要包括電纜、管路、手動閥等。

動力定位系統(tǒng)設(shè)計需滿足規(guī)范對于系統(tǒng)冗余的要求。“冗余”的定義為:當(dāng)發(fā)生單點故障時，1個部件或系統(tǒng)能保持或恢復(fù)其功能的能力。通過安裝多個部件、系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)相同功能的其他替代手段，可以實現(xiàn)冗余。冗余應(yīng)基于可立即投入使用的系統(tǒng)，即保持運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，完全停止和重新啟動系統(tǒng)不能滿足這個要求。冗余系統(tǒng)間需進(jìn)行隔離，以防止系統(tǒng)間故障轉(zhuǎn)移。

規(guī)范要求FMEA(故障模式及影響分析)進(jìn)行單點故障分析的輔助管路系統(tǒng)有:燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)中的設(shè)備［1］。

2 船舶簡述

86 m多用途平臺供應(yīng)船總長86 m，型寬20 m，型深8.4 m，設(shè)計吃水6.4 m;入級ABS，無人機(jī)艙，具有DPS-2級動力定位能力。

動力配置如下:

(1)主發(fā)電機(jī)組:4×1 825 kW，690 V/60 Hz/3 Phase，由4臺高速柴油機(jī)驅(qū)動，位于機(jī)艙。

(2)應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)組:1×350 kW，690 V/60 Hz/3 Phase，由1臺高速柴油機(jī)驅(qū)動，位于應(yīng)急發(fā)電機(jī)間。

(3)艉部推進(jìn)器:2×2 200 kW全回轉(zhuǎn)舵槳，F(xiàn)PP(固定螺距螺旋槳)，由2臺變頻電機(jī)驅(qū)動，采用AFE(主動前端整流)電力推進(jìn)系統(tǒng)，位于艉部推進(jìn)器間。

(4)艏部推進(jìn)器:2×880 kW艏側(cè)推，CPP(可調(diào)螺距螺旋槳)，由2臺定速電機(jī)驅(qū)動，位于艏部推進(jìn)器間。

推進(jìn)器和配電系統(tǒng)框圖如圖1所示。1號和2號發(fā)電機(jī)組經(jīng)配電板母排A向1號艏側(cè)推和1號舵槳供電;3號和4號發(fā)電機(jī)組經(jīng)配電板母排B向2號艏側(cè)推和2號舵槳供電。根據(jù)規(guī)范要求，所有為DP系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)需劃分為至少2個冗余組。本船劃分為左舷冗余組和右舷冗余組。每個冗余組包括的主要設(shè)備見表1。

所有為左舷冗余組動力設(shè)備服務(wù)的輔助設(shè)備，如:油泵、水泵、分油機(jī)、空壓機(jī)等，需由左舷配電板母排A供電;所有為右舷冗余組動力設(shè)備服務(wù)的輔助設(shè)備需由右舷配電板母排B供電。

本船F(xiàn)MEA(故障模式及影響分析)規(guī)定的最惡劣故障設(shè)計工況(WCFDI)是失掉整個左舷或右舷冗余組，由此造成DP控制系統(tǒng)失去1臺舵槳和1臺艏側(cè)推。在此工況下，DP控制系統(tǒng)保留的1臺舵槳和1臺艏側(cè)推應(yīng)能使船舶在規(guī)定的環(huán)境區(qū)域內(nèi)保持船位和首向。

表1 設(shè)備冗余組劃分表

圖1 推進(jìn)器和配電系統(tǒng)框圖

3 燃油系統(tǒng)

本船使用燃油為輕質(zhì)柴油，燃油供給和凈化系統(tǒng)如圖2所示。

燃油供給和凈化系統(tǒng)按左右2個冗余組設(shè)計，每個冗余組包括1臺分油機(jī)及供給泵、2臺主發(fā)電機(jī)組、1個燃油日用艙和1個燃油沉淀艙。同1個冗余組中，分油機(jī)可將沉淀艙的燃油凈化后輸送到日用艙;沉淀艙和日用艙的燃油也可單獨分別循環(huán)凈化;日用艙為2臺發(fā)電機(jī)組提供燃油。2個冗余組采用交叉管路進(jìn)行連通，應(yīng)急時2個冗余組中設(shè)備和艙柜可互為備用。交叉管路上需設(shè)隔離閥，DP操作時隔離閥常閉，以免1個冗余組出現(xiàn)故障時影響到另1個冗余組。

柴油機(jī)燃油由機(jī)帶泵供給。根據(jù)規(guī)范，船上4臺柴油機(jī)需配1臺燃油機(jī)帶泵備件。

系統(tǒng)中分油機(jī)是建議配置，它不會直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。因為柴油機(jī)燃用輕質(zhì)柴油，如果加油的油品比較好，即使不分離柴油機(jī)也可以直接燃用，因此分油機(jī)出現(xiàn)故障不會馬上影響到發(fā)電機(jī)組，從而導(dǎo)致出現(xiàn)FMEA設(shè)定的最惡劣故障設(shè)計工況(WCFDI)。

燃油系統(tǒng)需考慮的故障點有:燃油污染、燃油分油機(jī)故障、濾器堵塞、柴油機(jī)帶燃油泵故障、管路泄漏和快關(guān)閥故障。本系統(tǒng)出現(xiàn)上述任何1個故障 點，2個冗余組的功能不會同時失效。

圖2 燃油供給和凈化系統(tǒng)

4 滑油系統(tǒng)

通常每臺柴油機(jī)和推進(jìn)器的滑油系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)都是相互獨立的系統(tǒng)，本船也一樣，因此單個設(shè)備故障不會影響其他柴油機(jī)或推進(jìn)器的運(yùn)行，滿足FMEA要求。

本船柴油機(jī)滑油泵是機(jī)帶泵，根據(jù)規(guī)范，船上4臺柴油機(jī)需配1臺滑油機(jī)帶泵備件。

對于柴油機(jī)采用中速機(jī)的船舶，滑油需要凈化，應(yīng)至少為每個冗余組配1臺滑油分油機(jī)。滑油分油機(jī)可為同1個冗余組內(nèi)的柴油機(jī)同時或輪流服務(wù)，但系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)防止柴油機(jī)油底殼的滑油被抽空或過量注入。冗余組之間可設(shè)置交叉管路，以便應(yīng)急時2臺分油機(jī)互為備用;交叉管路上需設(shè)隔離閥，DP操作時隔離閥常閉。

滑油系統(tǒng)需考慮的故障點有:滑油污染、滑油分油機(jī)故障、管路泄漏和柴油機(jī)帶滑油泵故障。出現(xiàn)上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不能同時失效。

5 海水冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)分海水冷卻和淡水冷卻2個系統(tǒng)。

機(jī)艙海水冷卻系統(tǒng)如圖3所示。

本船機(jī)艙左右舷分別設(shè)高低位2個海水箱，二者通過海水總管連通。海水總管被中間的隔離閥CSV05分隔成左右2個管段，分屬左右2個冗余組，DP操作時隔離閥常閉。

柴油機(jī)配有內(nèi)置冷卻系統(tǒng)，每臺機(jī)有1臺機(jī)帶海水泵。根據(jù)規(guī)范，船上4臺機(jī)需配1臺海水機(jī)帶泵備件。

左右2個冗余組中，2臺主海水冷卻泵分別從高低位海水箱抽水冷卻各自冗余組中的主冷卻器，之后海水單獨排舷外。系統(tǒng)中每個冗余組只設(shè)1臺主海水冷卻泵已滿足產(chǎn)生FMEA設(shè)定的最惡劣故障設(shè)計工況(WCFDI)對系統(tǒng)冗余的要求。但這樣設(shè)計，若1臺水泵故障就會導(dǎo)致失掉2臺發(fā)電機(jī)組，從而失去1臺舵槳和1臺艏側(cè)推，顯然這是船東不會接受的?？紤]到在船上水泵是相對便宜而又會經(jīng)常發(fā)生故障的設(shè)備，最好為每個冗余組配1臺海水冷卻備用泵，海水泵出口設(shè)置壓力開關(guān)，以便主海水泵故障時備用泵能自動啟動運(yùn)行;但從船廠節(jié)約成本角度考慮，也可為2個冗余組只配1臺備用泵。管路設(shè)計時，為了讓備用泵既能為2個冗余組服務(wù)又能保證2個冗余組互相隔離，在備用泵的進(jìn)水和出口的左右支管上都安裝了止回閥。這樣，DP操作時隔離閥CSV05常閉，即使備用泵進(jìn)出口管路的閥件全開，2個冗余組仍然是單獨而互不影響的，滿足FMEA的要求。本船采用后1種方案，備用泵電源可由左舷配電板或右舷配電板提供。

艉部海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計原理與機(jī)艙的類似。

海水冷卻系統(tǒng)需考慮的故障點有:柴油機(jī)帶海水泵故障、主冷卻器堵塞、海水箱和海水濾器堵塞。出現(xiàn)上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不會同時失效，滿足FMEA要求。

圖3 機(jī)艙海水冷卻系統(tǒng)

6 淡水冷卻系統(tǒng)

機(jī)艙左舷淡水冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

本船柴油機(jī)高低溫淡水冷卻系統(tǒng)為內(nèi)置系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范，船上4臺柴油機(jī)需配備高低溫淡水機(jī)帶泵備件各1臺。

機(jī)艙淡水冷卻系統(tǒng)分為左右舷2個相互完全獨立的閉式循環(huán)系統(tǒng)，分屬左右冗余組。每個系統(tǒng)中包括設(shè)備有:2臺發(fā)電機(jī)組、1臺集控室空調(diào)、1臺外消防泵電機(jī)、1臺艏推電機(jī)、1臺主冷卻器、1個三通溫控閥和1個獨立的膨脹水柜。為了防止1臺泵故障就會導(dǎo)致出現(xiàn)最惡劣故障設(shè)計工況(WCFDI)，本系統(tǒng)每個冗余組配有2臺淡水冷卻泵，1臺使用，1臺備用，主泵故障時備用泵可自動啟動。機(jī)艙右舷淡水冷卻系統(tǒng)與左舷相似。

艉部淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)計原理與機(jī)艙的類似。

淡水冷卻系統(tǒng)需考慮的故障點有:柴油機(jī)帶高低溫淡水泵故障、柴油機(jī)機(jī)帶溫控閥、主冷卻器堵塞、主冷卻淡水泵故障和艉部冷卻淡水泵故障。出現(xiàn)上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不會同時失效，滿足FMEA要求。

7 壓縮空氣系統(tǒng)

本船配有2臺起動空壓機(jī)和2個起動空氣瓶，分屬2個冗余組。每個冗余組中，空壓機(jī)經(jīng)起動空氣瓶為2臺柴油機(jī)提供起動空氣。2個冗余組中的充氣管路和起動空氣管路分別進(jìn)行交叉連接并用隔離閥隔離，以便應(yīng)急時2組設(shè)備可互為備用。

圖4 機(jī)艙左舷淡水冷卻系統(tǒng)

2個空氣瓶空氣分別減壓后在低壓側(cè)匯合，經(jīng)空氣干燥器干燥后為日用壓縮空氣系統(tǒng)提供氣源。空氣干燥器設(shè)旁通閥，以保證干燥器故障時壓縮空氣應(yīng)急使用。日用壓縮空氣系統(tǒng)與DP有關(guān)的空氣用戶有:海水箱吹氣、快關(guān)閥系統(tǒng)、分油機(jī)和舵槳剎車裝置。

壓縮空氣系統(tǒng)需考慮的故障點有:起動空壓機(jī)故障和空氣干燥器故障。

8 通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)

本船機(jī)艙配有2臺供風(fēng)機(jī)，每臺風(fēng)機(jī)設(shè)有獨立風(fēng)道，布置在機(jī)艙左右舷。左舷風(fēng)道為機(jī)艙左舷區(qū)域供風(fēng)，右舷風(fēng)道為機(jī)艙右舷區(qū)域供風(fēng)。自然排風(fēng)口布置在煙囪壁上。2號風(fēng)機(jī)采用可逆風(fēng)機(jī)。

艏推間配有2臺風(fēng)機(jī)，1臺供風(fēng)，1臺抽風(fēng)。若1臺故障，另1臺能滿足房間換氣和設(shè)備風(fēng)冷要求。

集控室配有2臺空調(diào)單元，1臺使用，1臺備用，為集控室內(nèi)的配電板等電氣設(shè)備提供冷卻。

駕駛室和舵槳間各配2臺空調(diào)單元，1臺使用，1臺備用，為DP相關(guān)電氣設(shè)備提供冷卻。

上述同一處所的2臺風(fēng)機(jī)或空調(diào)單元，電源需由左右冗余組配電板分別提供。

居住區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)雖然與DP系統(tǒng)無關(guān)，但考慮設(shè)備單點故障后仍需保障船上人員一定的舒適度，中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計也應(yīng)滿足冗余要求。本船空調(diào)壓縮機(jī)組配備2臺壓縮機(jī)，1臺使用，1臺備用，分別由左右冗余組配電板供電［1］。

通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)需考慮的故障點有:機(jī)艙風(fēng)機(jī)故障、艏推風(fēng)機(jī)故障、集控室空調(diào)故障、駕駛室空調(diào)故障、舵槳間空調(diào)故障和中央空調(diào)故障。出現(xiàn)上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不會同時失效，滿足FMEA要求。

9 結(jié)語

經(jīng)實船試航證明，該船動力定位輔助管路系統(tǒng)設(shè)計完全滿足ABS規(guī)范和FMEA要求，系統(tǒng)使用性能優(yōu)異，安全可靠。通常，冷卻水系統(tǒng)是船上故障率相對較高的系統(tǒng)，但本船即使冷卻水系統(tǒng)主要設(shè)備出現(xiàn)單點故障，設(shè)備所屬冗余組功能都不會失效，船舶定位能力沒有任何降低。

在動力定位船舶輔助管路系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)靈活掌據(jù)規(guī)范對冗余的要求，不要將“冗余”與“備用”的概念混淆?！皞溆谩钡囊馑紴?設(shè)備或部件處于準(zhǔn)備狀態(tài)，可以隨時投入運(yùn)行以支持或接管原設(shè)備或部件的功能。由此可見，“冗余”比“備用”在設(shè)備容量和數(shù)量方面要求更低。按備用理念設(shè)計系統(tǒng)，雖能滿足規(guī)范要求，但會增加船廠一定的建造成本。

［1］ 許文兵，向毅.深水鋪管起重船輪機(jī)管道系統(tǒng)設(shè)計研究［J］.中國造船，2014，55(2):187-194.