动力定位船总布置设计方法研究

2015-01-07仲伟东王飞跃

船舶 2015年2期

仲伟东王飞跃羊卫

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011； 2.海油工程水下技术有限公司深圳518067）

引言

带有动力定位能力的船舶总布置要求有别于常规船舶。对于DP1级别的船舶［1］，允许任何单个设备或系统的故障即可造成定位能力的丧失，因此总布置要求相对简单，仅需满足设备的空间布置和动力定位相关系统的完整性；对于DP2级别的船舶［1］，任何单个设备或系统的单个故障不会引起定位能力的丧失，其单个故障主要包括：任何相关设备或系统（发电机、推进器、配电板、遥控阀、手动阀等）的单个故障，以及任何相关结构物、电缆、管路等的单个故障。因此，DP2级别总布置的要求明显高于DP1级别，主要是由于设备和系统的冗余使得布置空间要求提高。

对于DP3动力定位船总布置的设计要求，明显高于DP1和DP2级别。DP3级别要求任何部件或系统单个故障不会引起定位能力的丧失。其单个故障除了与DP2级别相同的部分外，还包括因失火或进水而导致的任意一个水密空间或防火区域内所有部件的故障。因此，DP3级别的船要求设备和系统的冗余设计周全，并将其布置在不同的防火区域和水密区域，使布置要求更加严苛。本文通过对DP3动力定位船总布置设计的基本要求的归纳，希望能为有关设计人员提供参考。

1 研究方法

根据动力定位级别的从低到高，相应船舶的总布置要求也逐步提高，通过对DP3级别船舶的总布置设计方法分析，也可以指导DP1或DP2级别的船舶总布置设计。研究DP3动力定位船总布置的设计方法主要采用解析归纳法和分类总结法。简而言之，即：首先，将动力定位系统分解为各个子系统或设备，确定相应的布置要求，并综合说明整个系统的布置要求；其次，针对几种常见的DP3基本船型进行分析，阐述具体的布置要求。

开展DP3动力定位船总布置设计工作需首先掌握一些基础资料。主要包括：船型功能的说明文件（如设计规格书等）、动力定位能力分析报告（满足相应环境条件的推进器配置）以及与动力定位有关的系统原理图和设备外形图等。

2 系统和设备布置要求

2.1 动力定位基本系统

动力定位基本系统包括控制系统、位置参考系统、首向参考系统和环境参考系统等。这些系统还包括船舶系统中的部分设备，如风力风向仪、测深仪、GPS等。这些基本系统均要求冗余设计，即按规范要求配备2套、3套甚至多套，部分设备冗余配置还要求具有不同的基础原理。在DP3级别船舶设计要求中，需要对这些系统设置防火和水密的分隔（防火要求为A-60级别，水密要求根据设备或系统所处位置与破损平衡水线之间的关系确定）。在特殊情形下，如果做不到水密，可相应采取一些等同的处理措施。

DP3控制系统的布置要求体现在控制站的设计中。IMO［2］及各船级社均要求DP控制系统布置在DP控制站中，其位置应保证操作员对船舶外界和周围区域有良好的视野。DNV［3］和 CCS［4］还要求该控制站的位置应适合船舶的主要业务活动。对DP3系统的应急/备用（冗余）控制站，IMO及各船级社均要求与主控制站以A-60等级隔离。使操作者能在紧急情况下，方便地从主DP控制站到达备用DP控制站。DNV和CCS还要求备用控制站应位于从主控制站最易于到达的位置。DNV明确应急控制站的布置要求与主控制站相同，能保证操作员对船舶外界和周围区域有良好的视野。除了主控制站和冗余控制站的主要布置空间要求外，还应考虑相应的电缆通道、通风系统、电源系统和辅助电源系统等的冗余布置，并关注相应的防火和水密要求。

除了各船级社及IMO提出的各项布置和冗余要求之外，DP控制系统所在的控制站还需要满足船舶设计所规定的其他布置要求，如环境条件包括防火、防水、防爆、防干扰等，且同样对于因这些因素造成控制系统失效则应配备相应的冗余措施。DP控制站很多都布置在驾驶室内，一般作业时应与驾驶室的航行控制台分开设置，为了不干扰航行设备在夜间的操作，至少应安装相应的遮光设施。同时，为了DP本身所要求的视野要求，还应该分别为主控制站和冗余控制站配置相应合理的空间位置。对于控制系统的电缆和管系的布置，应根据DP3附加标志的冗余要求。注意：备用控制系统的电缆和管系不与主控制系统穿越同一舱室；当不可避免时，电缆应安装在A-60 级电缆通道内，电缆的接线箱不应设置在这类电缆通道内。

此外，还应该考虑一些细节，如：显示和报警系统的位置必须清晰可见，能非常醒目地被操作者所发现；显示屏和操作设备不应被其他设施干扰，以免影响操作者的操作准确性和安全性；合理的DP控制站还应设计休息区，并且配置相应的休闲设施以减少操作者长期作业的疲劳感。

位置参照系统为动力定位操作提供足够精确的数据，其相应的安全性和可靠性具有高标准的设计要求。冗余要求至少安装3套位置参照系统，且不应采用相同的工作原理，在操作过程中应能同时使用。位置参照系统设计时，应综合考虑操作需求、布置习惯和可能出现的工作情况。此外，至少应有一套位置参照系统连接至备用控制站，布置上要求能够方便操作者迅速转移进行应急操作作业。

动力定位船舶的首向控制是通过一套或多套罗经设备，将采集的信号转换成数据后传输到动力定位系统进行控制。同样由于冗余要求，通常配置2～3套罗经。首向参考系统也可以采用多套GPS接收设备。布置空间要求上首先是便于信号的采集与传输。

环境参考系统是通过仪器采集船舶外界的风、浪、流等环境力的方向和大小，这些数据必须精准、实时且满足冗余要求。由于环境参考系统采集的是外界的环境因素，系统仪表如风力传感器、潮流计等必须与外界环境有良好的接触，且不应有物体等对采集传感器产生干扰，因此，相应信号采集设备的布置要求在船底平整部位或罗经甲板非遮蔽的部位。

2.2 动力及推进器系统

动力系统为全船设备及系统提供动力支持，包括直接驱动推进器的柴油机以及提供电力的发电机组等。此外，还包括动力定位系统需求的动力源，由于动力定位系统所需的推进器数量多、功率大，往往成为全船用电需求的大户。因此很多船往往都设计全电力的动力系统，配置若干套发电机组，布置在若干独立机舱内供电给全船设备。DP3船的动力系统应该由两个或以上相互独立的子系统组成，以保证一个子系统发生故障后不影响DP系统的整体运行。因此，各子系统分隔布置于不同的用A-60分隔的舱室内，若位于水线以下，还应同时满足水密要求。同时为了保障在故障模式下对推进器系统、动力定位控制系统等影响最小，往往为每个机舱甚至每台发电机组配置配电板，并设置相互独立的配电板间；对于装机功率较大，需要变压变频配置的船舶来说，还需要设置相互独立的变压变频器间；为了每个机舱独立运作作业正常，相应的燃油供给、冷却、通风及管路等系统也应相互独立；这些给船舶的总体布置增加了难度，一般要求在船型尺度规划初期就进行合理筹划。

整船DP系统的适应环境能力最终是由推进系统来保障的。配置根据船型、功能甚至包括用户的个性化要求而确定，因此即使在相类似船型上的推进器配置也会存在明显差异。推进器布置必须源于对型式与功率大小的选择，而这些取决于船型的功能和DP3规范要求。在初步进行动力定位能力分析后，选定推进器的型式与功率等级，按船型的情况布置各个推进器的具体位置。一般情况下，DP船上装有三种主要类型的推进器：主推进器、管隧式侧推器以及全回转型推进器。

若主推进器设计为常规推进系统，对于DP3动力定位船，一般需要配置2～3套常规主推进系统和舵设备系统，相应的电力推进型式推进链上的设备一般包括变压器、变频器、电动机、轴系以及螺旋桨等。每一条推进链系统都要求相互独立，且在空间上要求A-60防火分隔和水密分隔。对于每一条推进链上的辅助系统，也要从布置空间上考虑A-60防火分隔和水密分隔的要求；若为全回转推进器系统，此类推进器类型很多，包括有全回转舵桨（水下为机械部分）、吊舱桨推进器（水下部分包括电机舱）、可伸缩式全回转推进器等。这些推进器可根据动力定位能力分析的要求，布置在船首或船尾，如布置在首部，则可能影响有航速要求船舶的航行，因此多设置为可伸缩的型式；若为管遂式侧推器系统，此类推进器主要为船舶提供横向的推力和力矩，常设置在船首和船尾，有的船舶的尾部不具备布置条件，则也可以根据需要设置较为宽大的尾部呆木，用于布置尾管遂式侧推器。

各个推进器的布置首先要考虑能够发挥功效，且不相互干扰影响最终的定位能力；其次还要考虑推进器的布置不能干扰正常的作业和安全生产，即保持与月池等船底水下设备之间的适当距离；最后按照DP3冗余设计要求，配置相应的独立舱室、驱动设备与辅助设备等。

2.3 其他相关系统

其他相关系统指的是与动力定位系统关系不是非常密切的一些系统，有的系统和动力定位系统的关联度与船型功能有关，如功率管理系统、消防系统、机械通风系统、快速关闭系统以及某些系统的阀门控制等。例如：对具有复杂和冗余发电以及具有分级卸载系统的推力器系统的船舶，功率管理必须采用自动化综合管理，并为所有配电板和汇流排联络开关工作。它自身也必须是冗余安全的，因此，在功率管理系统故障时不会丧失功率或推力。

3 典型船型布置要求

目前采用DP3级别的船型还是相对有限的，因此，总布置设计上可根据几种常见船型进行分类研究，遇到类似的船型可参考相近船型的布置要求。

3.1 半潜平台

为满足DP3级动力定位系统的要求，半潜式平台一般配置6～8台全回转推进器，分别布置在平台的4个最远端角落［5］。每个角落1～2台，为了满足钻井工况和生存工况的定位要求，需考虑舱室的损失，平台最多可以失去对角布置的1～2台推进器，使用剩余的5～6台推进器提供足够的横向和纵向推力以及控制首向的转向力矩。

半潜平台一般配置满足相应推进器数量的主柴油发电机组，每套柴油发电机组配置独立的燃油输送、冷却水等辅助系统，一般布置在有确定要求数量的相对独立的机舱内。机舱之间以A60和水密要求进行分隔，以保证任一个机舱失火后不会影响到其它处所。对于配电板等设备也是采用独立配电板室等设备舱室予以A60防火和水密划分，相应设备分处于独立的舱室之内。

3.2 起重/铺管船

起重/铺管船是一类常见的带DP3的大型海工作业辅助船舶。配置DP3级的起重/铺管船基本为肥大型主船体和宽敞的主甲板面，首部设有甲板室，主要布置船员及施工作业人员的生活居住舱室和部分工作舱室。尾部设置一台全回转起重机。带有铺管功能的船型上可能设有中间甲板，用于布置铺管流水线的各种作业设备。

DP3级起重/铺管船的主推进器一般配置为2套全回转推进器，可兼顾航行和动力定位的要求。鉴于DP3级别的冗余配置要求，一般还需另外配置4～5套全回转推进器（也可小部分为管隧式侧推）。由于起重铺管船主船体内多为压载水舱，较易提供空间用于布置这些推进器，但推进器必须在位置、电缆路径和控制电源方面是独立的。需注意各推进器的相关设备与管路布置舱的防火与水密隔离，保证因电源故障、失火和浸水不会造成一个以上的推力器丧失功能。

甲板室由于布置在首部甚至是单舷侧布置，相应需要注意的是动力定位各个相互独立系统的管路与通风系统的布置设计。

3.3 钻井船

配备DP3的钻井船一般为深水钻井船，它是一类具有传统船形的钻井装置，在船体中部有月池开口用于钻井作业。目前配备DP3级的钻井船，一般选用6台全回转推进器，分别布置在6个独立的推进器间内。每套推进器系统均由独立的推进电气、机械和控制设备等组成。为了满足钻井工况和生存工况的定位要求，需考虑任一单独故障，钻井船可以失去1～2个推进器，使用剩余的5～4个推进器仍应有足够的横向和纵向推力以及控制首向的转向力矩。

钻井船在总体布置上仍遵循DP3级别所要求的冗余设计内容，但由于钻井船舱室众多、设备和系统庞杂，较之其他船型更难以布置。总体布置设计中应充分考虑由于动力定位系统的冗余所引起的船型尺度空间要求，同时应密切关注与钻井作业有关的系统在空间和电力系统方面均不能受到动力定位系统的影响。