DP2动力定位工作船电气设计要点

王金苓（广新海事重工股份有限公司,广东 中山 528437）



DP2动力定位工作船电气设计要点

王金苓
（广新海事重工股份有限公司,广东 中山 528437）

摘 要：电气设计是船舶设计的重要部分，在非动力定位船舶上电气系统设计时不需要考虑单点故障的问题，而在具有动力定位功能的船舶上必须考虑单点故障的问题，即电气系统的设计需要冗余，本文简介了动力定位工作船电气系统设计需要注意的一些要点。

关键词：动力定位；电力系统；单点故障

1 引言

船舶动力定位系统是一种广泛应用于海洋工程平台工作船的全船自动化系统，使用推力器的推力使船舶的位置保持于某一固定范围内，同时使船舶的艏向指向预先设定的方位。其由推力器系统、动力系统、环境测量系统、计算机控制系统四大主要部分组成。

电力系统是船舶必不可少的重要组成部分，与普通船舶不同的是根据IMO MSC/Circ. 645的要求，在DP-2的船上电力系统结构需要进行冗余设计，即要将系统设计为“电力系统应当分成两个或更多的系统，并且当其中一个系统出现单点故障时，至少有一个系统仍然处于运行状态。”这种设计的目的就是保证当一个系统出现故障，另一个系统仍然可以维持动力定位系统工作，使船舶不致失去定位能力。因此在电力系统的设计及与电气相关的设备订货中要充分的认识到这一要求，在系统设计中进行贯彻，避免错误的设计导致后期修改的发生。

2 电力系统单线图

电力系统单线图是DP船电气系统设计的第一步，通过确定电力系统单线图可以大致明确本船电力系统的组成，对电力负荷的计算、配电板的结构和动力定位相关设备的配电具有重要作用。

根据IMO MSC/Circ. 645的要求配电系统需要冗余设计，电力系统单线图在确定的同时既要考虑推进器和发电机的数量、类型，也要考虑规范的冗余要求。不同的推进器和发电机配置，有不同的电力系统结构，单线图稍有不同。

2.1 推进器和发电机配置类型

DP2工作船根据主推进系统的不同，其它推进器和发电机的配置大致分为如下几类：

（1）主推进为舵机和桨，一般配置二台艏侧推和一台艉侧推，至少三台主发电机。

动力定位船在动力定位时主机的功率富余较大，为了充分利用主机的功率，不使主发电机组的容量过大，配置两台轴带发电机用于驱动二台艏侧推。

配置一台艉侧推的目的是弥补舵机和桨组合的主推进系统侧向推力的不足，因此还要对一台艉侧推的启动问题进行特别考虑，第三台主发电机用来与其它两台发电机并车解决艉侧推的启动和运行问题。

图1是某项目采这种配置的电力系统单线图。

如图1所示主汇流排分为4段，当进行动力定位时，4个汇流排断路器全部打开，轴发S2和艏侧推BT2处于汇流排D上，轴发S1和艏侧推BT1处于汇流排C上，主发G1和G2分别处于汇流排A和B上，而主发G3和艉侧推ST则可以通过不同的断路器组合，分别于G1或G2组合，处于汇流排A或B上。

当系统中无论最大单点故障发生在那段主汇流排，仅失去一个侧推，满足规范的冗余要求。

需要注意当艉侧推ST所处的汇流排发生故障时，需要将ST转换到另一段汇流排上，这里有一个转换过程，在这个过程中ST将失去补充舵力的功能，会造成艉部定位能力下降，有船级社如DNV不接受这种设计。

（2）主推进采用全回转，一般配置两台艏侧推，至少配置二台主发电机。

同理为利用主机富余功率，配置两台轴带发电机驱动侧推。

将图1中的G3、ST及相关的断路器去掉即是这种系统的电力单线图结构。

（3）主推进采用电力推进，一般配置两台艏侧推，至少配置二台主发电机。

电力推进的主推进系统也分为舵桨组合和全回转两种，但舵桨组合的电力推进船上一般不具有动力定位功能，具有动力定位功能的电力推进船多采用全回转形式的主推进。

电力推进系统船舶的单线图与全回转主推进类似，将主推进改为电力驱动由主发电机组分组分别供电，同时增加主发电机组的容量或者数量。

2.2 辅助设备的供电

为推进器和发电机所服务的辅助泵组等设备的供电，也应按照左右对称原则进行布置，该辅助设备的电源应与所服务的设备处于同一段汇流排的或其下级汇流排上。

3 用定位能力分析报告校核负荷计算

动力定位能力分析报告根据初步确定的推进器配置，在规定的风速、水流速、浪高等环境下，建立在船舶受力和运行的数学模型上，对船舶定位能力进行的仿真分析，提供两种类型的蝴蝶图报告。

第一种是可变推进器功率蝴蝶图，指定了环境数据，横坐标显示推进器功率最大使用百分比。第二种是可变洋流或风速流蝴蝶图，设定推进器以100%功率输出时且风速固定时，可以适应的洋流或风速。

动力定位报告中包括蝴蝶图的数值化部分，数值化部分有0-360度范围内每10度一个单位的风向时推进器的实际功率。推进器的功率占了发电机功率的绝大部分，采用动力定位报告可以准确的确定发电机的容量或数量，很明显比传统的方法更加合理。

4 其它系统注意事项

4.1 侧推及主推进控制系统

（1）出现任何会导致操作人员对推进器失去控制的单点故障时，推进命令应自动归零。如该故障仅影响部分推进器，受影响的推进器其控制命令应自动归零，其他未受影响的推进器仍处于操纵控制下；

（2）手动模式要随时处于可使用状态，当动力定位模式出现故障时，可立即转换至手动控制模式；

（3）推进器应设有独立的应急停止回路，每个推进器的应急停止装置采用单独的控制电缆，应急停止回路应设有断开或短路的故障报警；

（4）推进器控制系统应设有双路电源，其中一路电源发生故障时，发出报警；

（5）接受来自功率管理系统的减小螺距信号以减小推进器的负荷（CPP）；

（6）来自动力定位系统的命令断路时，受影响的推进器螺距应保持不变或归零（CPP）；

（7）螺距反馈信号断路时，受影响的推进器螺距应保持不变或归零；

4.2 电站管理系统

（1）规范要求至少有两套电站管理系统，但没有明确具体作法。需要注意的是这里有100%冗余和50%冗余两种说法，建议大家选择100%冗余为好；

（2）在电站可分配功率降低时，能发出降螺距信号给对应推进器；

（3）要对电站管理系统进行独立FMEA，要求假设电源、控制器、I/O模块、通讯总线或网络发生故障，但故障不会导致整个系统丧失功能。

4.3 DP控制系统

DP控制系统包括环境测量系统和计算机控制系统，一般由专业厂商提供标准配置设备。但在设计中常有船东对环境测量系统中的风速风向仪要求全部采用超声波形式，导致最后FMEA分析不通过。

根据相关规范要求风速风向仪传感器必须采用两种不同的工作原理，即三台传感器中至少有一台采用非超声波形式，因此最好定货时就按规范要求进行。

5 结语

动力定位系统是一个全船化的自动化系统，涉及到电气系统的方方面面，在进行电气系统设计时一定要严格按照单点故障不会引起动力定位能力失去的原则进行设计，系统要有适当的冗余度。本文仅是设计过程中需要注意的一些明显的问题，在设计进行过程中还需要与FMEA分析紧密结合，及时修正设计出现的错误，避免设计成型后修改造成大量资源浪费。

参考文献：

［1］IMO MSC/Circ.645 Guidelines for vessels with dynamic positioning systems 1994.

［2］IMCA M113 Guidelines for vessels with dynamic positioning systems.

［3］IMCA M166 Guidance on Failure Modes & Effects Analysis （FMEA）.

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.219