动力定位工程船设计技术研究

缪燕华，吴斐文

（708研究所，上海 200011）

0 概 述

动力定位（Dynamic Positioning，DP）船舶是指仅使用推力器的推力来保持其自身位置和艏向的船舶。DP技术诞生于 1960～1970年代世界油气开发快速发展时期，在钻井平台和工程船上得到应用。经过近 50年的发展和提高，现今已是一门较成熟的技术。近年来我国已建或在建的DP船舶船型有：半潜钻井平台、海洋调查船、海洋监察船、综合科考船、钻井船、平台供应船、起重打捞船、起重铺管船、半潜船、救生船、布缆船、航标船、多功能工程船等。

作为船舶总体设计者，在开发研制需要采用DP的新船型时，应如何着手开始工作，并处理好有关DP船舶中相互之间有着复杂的辨证关系的系统和设备的设计是至关重要的。因为，这是一项牵涉到包括船舶使命分析、环境条件调查、总体布置原则、设备能力估算、DP能力分析、单故障模式确定及桨、机、电系统的合理匹配等多方面的多专业的研究工作。

在经过了多型DP船舶的开发研究后，总结出了有关DP船舶设计的程序和原则，其DP船舶设计程序如图1所示。

1 DP系统设备等级分析

国际海事组织（IMO）对DP规定了3种设备等级：1级、2级和3级。各国船级社据此制定了各自的等级和入级符号。

图1 DP船舶设计程序

中国船级社（CCS）规定了DP-1、DP-2、DP-33种入级附加标志，完全对应了IMO的3种设备等级。DP-1附加标志的船舶，可在规定的环境条件下自动保持船舶的位置和艏向并设有单独的集中手动船位控制和自动首向控制，无需冗余设计，即单个重要设备故障时不考虑保持其功能。DP-2附加标志的船舶，在出现单个故障（不包括1个舱室或几个舱室的损失）后可在规定的环境条件下在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向，其设计有冗余要求，但仅针对设备本身，故障设备可通过操作进行转换。DP-3附加标志的船舶，在出现任一故障（包括由于失火或浸水造成1个舱室的完全损失）后可在规定的环境条件下在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向，其设计除了冗余要求之外，还要求进行舱室分开布置的设计，以应对由于失火或浸水造成的1个舱室的完全损失，实际上涉及到多个设备同时失效的情况。

美国船级社（ABS）规定了 DPS-0、DPS-1、DPS-2和DPS-3共4种入级附加标志。

挪威船级社（DNV）规定了 DYNPOS-T、DYNPOS-AUTS、DYNPOS-AUT、DYNPOS-AUTR、DYNPOS-AUTRO 5种入级附加标志。

IMO的DP系统船舶指南（113IMO/IMO MSC circ.645）中指出，对一特殊操作所要求的船舶的设备等级，应由船东和客户在位置丧失后果风险分析的基础上认可。另外，主管机关或沿岸国家可对该特殊操作的这些设备的等级作出决定。

目前，DP船舶设计主要是按照船东的设计任务书中规定的入级附加标志来进行的。对于DP2级设备和 DP3级设备，船舶设计者是采用冗余来为DP系统提供可靠的设备，它必须在线或立即可用。这要求[1]：

1)一个项目的突然故障或一个失误的动作不会造成非预期的位置偏移；

2)在冗余设备之间，控制转移或服务转移应是平稳的；

3)推力器不发生意外的动作；

4)不管船舶如何复杂，应避免单个故障；如无法避免，那么故障应是安全的；

5)在作故障模式与影响分析时，应考虑所有的故障模式及其影响。

2 DP环境条件分析

DP是采用多个推力器产生的推力来抵消外界风、浪、流等环境条件对船的作用力而使船舶位置保持不变的高度综合的自动控制系统。船东应首先根据船舶的工作区域和工作状态，来确定适合船舶DP的环境条件。

在CCS钢质海船入级规范中对DP系统环境条件的要求是：对于在无限航区的船舶，环境条件应采用一套标准的北海环境状态；对于在有限航区的船舶，选择环境条件时，应考虑船舶作业海域的主要环境状态的长期分布。关于北海环境状态，在DNV船舶入级规范的DP系统中提出了环境规律性数（Environmental Regularity Numbers，ern或ERN）的概念。其定义为船舶的位置保持能力是按照环境规律性数的概念进行计算的。ern代表环境力和推力器输出的静态平衡。ern是用北海中选定位置的天气统计来定量的表示，该天气船的位置在“M”。因此，这个天气统计结果实际上反映了北海环境状态，在动力定位能力分析中，就用这个天气统计的概率作为环境条件的参数。由风、浪、流产生的环境力用公认的方法进行计算，也可考虑用船模试验来确定。ern是假定风、浪、流同时施加的力，其中流是取一个常数0.75m/s（1.5kn），风和浪考虑相同概率的量值见表1所列[2]，与ern数相对应。ern的格式是一列3个数字，即表1中的P值，范围从0到99，即ern(a,b,c)。第1个数字代表所有的推力器最佳使用时；第2个数字代表单个推力器故障的最小影响时；第3个数字代表单个推力器故障的最大影响时[2]。例如：ern（93，60，41），表示了动力定位能力在推力器有不同的使用工况时所适应的不同的天气环境参数。

表1 ern 风和浪的统计值

DP能力分析时，可以按设计任务书要求的环境条件或ern环境进行计算。

3 推力器配置分析

3.1 主推进器及DP推力器型式

主推进器一般包括吊舱式（POD）推进器、全回转（Z型或L型）舵桨推进器和尾轴推进器+舵3种型式。

DP推力器一般包括侧向推力器和可伸缩型全回转舵桨推力器。

目前在DP船舶中较多地采用全回转舵桨推力器，此型式的推力器兼有桨与舵的作用，舵角可达到±180°，桨的推力作用方向在 360°范围内均能够全力输出，定位作用最强。在将DP作为船舶主要且长期运行的工况时，舵桨推力器显然是首选的型式。

3.2 初估主推进器及推力器功率

主推进器按有无自由航行航速要求进行功率初估，无自由航行航速要求是指船舶只需较低的航速能力在工作区域内机动，而当需较长距离调遣时则采用拖航的方式。

DP推力器按多种型式推力器的不同数量、位置及功率配置论证来选择，并根据仿真分析和模型试验的结果加以调整。

推力器的数量和功率配置应满足在规定的环境条件下，推力器系统能提供足够的横向和纵向推力以及控制艏向的转向力矩。DP-2和DP-3附加标志的船舶推力器要求有冗余，即任意一个推力器发生故障时，仍有足够的横向和纵向推力以及控制艏向的转向力矩，实际设计时采用增多推力器的数量和增加功率来实现。

国际海事承包商协会（IMCA）的M103要求，对所有推力器，必须考虑其响应速度、效率和干扰，且其布置应尽可能地远，即使在最坏故障发生后仍能平衡配置。

基于上述这种设计考虑，往往在船舶的前后左右四个角上集中较多的推力器，并由于水动力效应，在船体的某个范围内有时出现推力器的推力失效现象，致使其功率有所损失，故在DP能力分析中需考虑此影响。

3.3 主推进器的螺旋桨设计

在自由航行主推进器兼做DP推力器时，该螺旋桨处于两种负荷工况。由于变频调速系统所特有的恒功率调速特性，完全兼顾转矩和转速的反比例工况的变化，所以能在两个不同工况时均能输出额定功率，达到动力上的完美配置。而螺旋桨设计上则较难做到完全兼顾，一般以船舶的主要工况为主来设计。如以DP工况为主，则该螺旋桨发出的推力必须满足DP能力分析中所规定的数值；而处于船舶自由航行工况时，则用提高转速的方式来吸收尽可能大的功率以满足尽可能高的航速要求。如以自由航行工况为主，则以满足航速要求来设计螺旋桨，因此螺旋桨的参数是以电动机的额定功率和额定转速为基础来决定的；而处于DP工况时，电动机的转矩因不能过载而只能被迫运行在比额定转速低的转速值上，电动机就达不到满功率运行。当然也可进行兼顾两种工况的螺旋桨设计，虽然不理想，但也能基本适应两种工况的要求。

4 全船电力负荷及电力系统单线图分析

4.1 初估电力负荷

4.1.1 确定船舶作业工况分类

动力定位船舶在进行DP操作时总是伴随有船舶特有的作业，这种作业可能还有几种工况，每种工况中使用了不同的作业设备。因此，首先必须确定每艘DP船舶的作业工况及其相应用电设备的分类。

在确定某种工况时，需要了解哪些设备需要同时工作，分析其负荷状态及负荷系数，包括在这种工况中推力器的不同需求。依次可列出全船完整的工况类别以便分类计算电站的用电负荷。

4.1.2 确定DP时各推力器的负荷系数

推力器作为DP系统的执行机构，用它所发出来的巨大能量来抵消海洋环境力对船舶的作用。它的总装置功率数十分可观，因而动力装置也必须为它提供充足的能源，它将是船舶电力负荷的主要成分。

然而，在初估推力器的功率后进行的电力负荷估算中，应取多大的推力器负荷系数成为一个很重要的因素。通过多型DP船舶的开发研究后，可初步确定如下的原则：

1)在作DP能力分析前，推力器的负荷系数可暂定为 0.9，若其中有主推进器且兼有自由航行推进功能时，该主推进器负荷系数可暂定为0.7；

2)在作DP能力分析后，可按其分析结果来判断（一种是环境条件承受极限值与要求值的差距，另一种是指定环境条件下推力器的使用系数值），推力器的功率可相应调整（对前者是减小差距，对后者是趋近于100%）。按照调整的幅值可重新确定负荷系数后作电力负荷估算（详见5.2节说明）。

4.1.3 初估除推力器负荷之外的其他用电负荷

除推力器负荷之外的其他用电负荷包括：推进辅助机械、专用工作机械、机舱辅机、空调、通风、冷藏、日用生活用电、观通导航等，一般按母型船或按常规设计估算即可。

4.1.4 确定优化的发电机组功率和数量

在对全船的用电负荷进行初步估算后，即可初步确定发电机组的数量和功率，在此基础上，估算发电机组在不同工况下的负荷率，并综合各工况下的负荷情况对发电机组的功率和数量进行优化。DP-2和DP-3附加标志的船舶要求发电机组冗余，实际设计时采用增多发电机组数量和增加发电机组功率来实现，以保证在缺少任意一台发电机组时，余下的发电机组功率仍能满足动力定位工况的要求。

4.2 初定电力系统单线图

4.2.1 确定各级电压

电力系统的电压等级是由单个设备的功率及电网的短路容量两个方面所决定的，即由配电板断路器的额定电流等级和分断能力的大小来决定；实际上只能由分断能力来决定，因为在最大分断能力的限制下，单个设备功率不可能达到其极限（系统中不会只有这一个设备）。低压690V开关最大额定电流为6300A，分断能力最大为100kA，短路容量最大为119MVA。根据断路器的分断能力，电网容量大于10000kW时已超出低压690V范围，一般选用中压。超过1kV直到15kV均是船舶允许采用的中压电压等级，每个电压等级的极限短路容量见表2，中压电网的容量最大将是低压的11倍。

表2 中压电网短路容量 MVA

4.2.2 确定发电机及汇流排结构型式

DP-1无需考虑单故障时发电机的冗余和对动力定位能力的保证，一般汇流排设为二段式即可，不需考虑发电机在两段汇流排之间的转换。

DP-2和DP-3要求需满足在最坏的单故障时对定位能力的保持。因为单故障状况中包括配电板汇流排的故障，这既牵涉到汇流排上供电的发电机，又关系到对推力器的馈电。汇流排设计时必须考虑这两方面的组合失效对 DP能力的影响。DP-2和DP-3汇流排一般采用多段式（3段～6段较多见，一般不转换或个别转换）、2段+转换式（转换较多）、多段+转换式（转换较少）[3]；汇流排分段两端之间的连接必须使用断路器并设置相应的保护，即使在同一组配电板结构内也需配置2台断路器，因为必须考虑断路器本身的故障。

4.2.3 推力器馈电

对于 DP-1船舶，推力器一般均衡地由分段汇流排的2段馈电即可。而DP-2和DP-3船舶，由于需满足在最坏单故障时的定位能力，推力器需按照布置位置的不同以及发生单故障时对定位能力影响最小的情况，由各分段汇流排合理均衡地馈电。

4.2.4 其他设备的馈电

其他设备，不管是中压设备还是低压设备一般由分段汇流排对称馈电。对于DP-2和DP-3船舶的多段汇流排型式，为推进器服务的辅助设备，一般按各自推进器分开并由同段汇流排或对应的低压汇流排馈电，如推力器馈电设有转换，则其辅助设备的馈电也应相应转换，这样可保证在发生舱室损失故障时不致造成更大的影响。

5 DP能力分析

5.1 DP能力分析基本要求

DP能力分析一般由有资质的公司或供应商承担，它需要的信息主要包括：

1)船舶总布置图及相关参数；

2)推力器布置位置、类型和功率、数量；

3)环境条件；

4)船舶外力（如铺管力、布缆力等）；

5)DP设备等级；

6)DP工况类型及组合；

7)电力系统单线图；

8)功率限制情况；

9)DP-2和DP-3提供不同组合下的单故障分析要求。

IMCA对DP能力分析有一份指导性文件，即IMCA M140 Rev.1 DP性能曲线图的技术说明书。该文件规定了风、浪、流的计算公式。

性能曲线图表用极坐标形式显示，表示出在0～360°范围内各个方向上的极限环境条件或指定环境条件下推力器的使用系数。

性能曲线图表上不显示DP船舶的偏移。它们显示可能发生的环境极限，在此极限内，如由于正常的外部干扰力产生偏移时，DP船舶能有效地回复到想要的位置。船舶偏移取决于环境条件、控制系统的调整和位置基准的精度。

IMCA M103文件要求在最低限度条件下工作在所定义的安全工作极限内的DP船舶必须记录船舶的偏移，并开发制作出在这些条件中的船舶“脚印痕迹”。同时要求控制系统提供在线性能曲线图表。该文件对DP系统定义为：能将一艘在直到额定的环境状态中工作的船舶可靠地保持位置。这样，离船舶运动（纵荡、横荡和艏摇）的最大偏移和位置控制系统的精度（DP脚印痕迹），就等于或小于进行工作时临界偏移的一半[1]。

5.2 DP能力分析结果的应用

5.2.1 100%推进功率使用的环境条件能力极坐标图

可分析其最小定位能力的方位及风速承受极限值，对现场作业时防止DP能力失效的薄弱方位的风及流的警戒具有指导意义，并可调整推力器布置及功率。

5.2.2 指定环境条件下的推力器推力使用系数极坐标图

可分析各个推力器的功率使用情况，即其负荷系数的准确值，可校准电力负荷估算中的负荷系数，重新计算发电机的负荷率，对发电机的功率进行调整或变更推力器的额定功率。

5.2.3 调整后的重新分析

在调整推力器布置及功率的情况下，反馈给动力定位能力分析的承担方重新进行结果分析。

5.2.4 DP-2和DP-3单故障时分析结果

检查是否符合所要求的故障情况分析，出现不满足时，相应作出上述类似的调整重新进行分析。

按照满意的动力定位能力结果分析，对推力器及电力系统作出必要调整后进入常规的深化设计。

6 DP船舶桨、机、电综合分析

将DP能力分析的结果与之前对桨、机、电的初估的设计作一比较，可以得出：

1)能力足够。就看富裕量是否恰当。如过大，则是推力器功率过大或是数量过多。一种措施是减小推力器功率或数量，这样会减小电力负荷降低装机容量。另一种措施是提高环境条件，使船舶适应范围更广或工作能力更强。

2)能力不够。就要分析是局部方向上的还是总体上的，是推力器功率过小还是数量过少或者布置不当。办法之一是增大推力器功率或数量，这样需增加电力负荷提高装机容量。办法之二是降低环境条件，或是设备等级。

总之，在 DP能力分析完成以后，都要对 DP船舶的桨、机、电的合理匹配作一综合分析。其中涉及到技术性能、经济性能，甚至船舶使命。因此，这也是图1中在DP船舶桨、机、电综合分析后，可能会反馈到最初的3个程序中去作重新的设计的原因。

7 故障模式与影响分析（Failure Modes & Effects Analyses，FMEA）

DP-1附加标志的DP船舶由于不需考虑单故障时的定位能力，不需进行FMEA，而DP-2和DP-3附加标志的船舶由于有冗余的设计要求，需作出FMEA报告并送船级社审查。

FMEA应尽可能详细地包括所有系统的主要部件，如电力系统故障、燃油系统故障、冷却水系统故障、控制空气系统故障、推力器系统故障、DP控制系统故障、DP计算机故障、发电机控制系统故障、通风系统故障等等。

IMCA 有一个关于 FMEA的重要出版物，即IMCA M166 FMEA指南，该文件详细规定了对FMEA的具体要求，这是最经典的文件。此外，IEC 60812系统可靠性分析技术——FMEA程序、IMO MSC circ.645 动力定位系统船舶指南、各国船级社的规范中也都有具体要求可以参照。IMCA M103动力定位船舶设计和操作指南中更是规定了对所有DP船舶适用的原则和9种具体船型的不同要求。

DP船舶操作员对于故障模式所采取的响应，应在船舶预定的操作方案的操作手册中反映出来。

FMEA是一个有生命力的文件，应定期进行审查，并且执行IMCA M178 FMEA管理指南的具体要求。

由 FMEA分析出来的船舶各系统中的缺陷应作改进修正。一般很少出现DP能力分析后反馈到最初程序中去的可能。但对DP船舶桨、机、电各个系统内部的局部出现调整是可能的，所以它的反馈是小范围的。

8 DP系统设备配置

按DP入级附加要求进行DP系统的计算机及控制型式的选择以及传感器的配置，原则上按照相关船级社的规范要求进行，不同的船级社略有区别，对位置参考系统应按照船舶工作性质选用相应合适的类型。表3为CCS对DP系统的布置要求。

表3 动力定位系统的布置

IMCA M103文件中特别提到了DP系统设备配置的两个问题：

1)每艘DP船舶必须有一本专门针对DP系统以及船东或操作员进行操作实践的操作手册。它必须覆盖船舶按此设计和可能使用的所有工作。它必须包括但不限于的内容是：① 性能曲线图表；②试验数据；③ 工作剖面图和设备性能；④ DP状态，警戒；应急响应和程序；⑤ 责任和通信；⑥ DP系统的途径，设定，核对和试验；⑦ 报告和记录；⑧ DP脚印痕迹；⑨ 人员配备。

2)对所有DP船舶，至少有3个级别DP警戒状态：① 绿色——正常操作状态：足够的设备在线，以符合在所标明的安全工作极限内所要求的性能。② 黄色——DP降级状态：通常，这是冗余DP设备中一个或多个项目已失效的状态，正在超越安全工作极限或可能艏向或位置的偏移。③ 红色——DP应急状态：位置丧失或位置丧失不可避免的状态。

[1]M103 IMCA[S]. Rev.1，2007.

[2]Dynamic Positioning Systems. Part 6 Chapter 7, Rules For Classification of Ships[S]. 2003.

[3]毕雨佳，吴斐文. DP-2/DP-3船舶电力系统设计要点[J].上海造船，2008，(4)∶ 59-63.