电力推进多用途供应船的DP系统和FMEA试验研究

黄睿 刘英策 潘东 米燕

摘 要：本文介绍一种电力推进多用途海工供应船（PSV）的动力定位（DP）系统，并通过对其故障模式与影响分析（FMEA）的实船海上试验及检验过程的分析，阐述了电力推进船二级定位系统的相应规范要点和设计要求，验证了所设计建造的二级动力定位系统的合理性。

关键词：多用途海工供应船；动力定位；故障模式与影响分析

中图分类号：V665.13 文献标识码：A

Abstract： This paper introduces the DP system for an electrically-propelled PSV and describes the key rules and design requirements of DP-2 system in electrically-propelled vessels through the analysis of the FMEA sea trial. The DP-2 system is verified to be properly designed and built according to the rules.

Key words： PSV； Dynamic Positioning； FMEA

1 引言

國际海事组织（IMO）根据动力定位船舶发生单点故障所引起的后果的严重程度不同，将动力定位（DP）系统分为不同的等级[1，2]。各国船级社通常在IMO的基础上，针对不同等级所要求的定位能力和系统冗余度将DP分为三级，并有不同等级的相应入级符号。

电力推进与传统的柴油机驱动推进相比，具有生命力强、经济性好、操纵灵活及方便智能化自动控制等优点。同时，电力推进船舶因其良好的环保节能性能符合当今“ 绿色船舶”的理念。对于大部分的动力定位船舶，采用电力推进的综合技术经济性能要更为优越，因此目前大部分的动力定位船舶均采用电力推进型式。

本文基于一种双电机带双全回转推进器的电力推进多用途海洋工程供应船，通过对该船所配置的二级动力定位系统的设计和实船FMEA海上试验过程的研究分析，阐述了动力定位系统在电力推进船舶中的应用以及二级动力定位系统的相应规范和设计要点，验证了该船DP系统的设计、建造符合相关规范规则的要求[3]。

2 DP系统简介

该船是一艘航行于无限航区、支持ROV和DSV操作、具有海洋工程建设作业、海上平台供应、散料运输、溢油回收和对外一级消防等功能的近海多用途海洋工程供应船。该船采用电力推进系统，入ABS船级社，取得DPS-2动力定位等级符号[4，5]。

该船主要参数：总长90.2 m；型宽18.8 m；型深7.4 m；设计吃水5.9 m；航速14 .3 kn。

本船在机舱配置四台2 250 kW柴油发电机组为全船供电提供动力；一台350 kW应急兼停泊柴油发电机组作为应急电源；主电网采用690 V、60 Hz电制，三相三线绝缘系统。

全船的推进系统由5台电力推进器组成：尾部安装两台带导管的2 000 kW变频驱动全回转舵桨推进器；首部安装3台1 100 kW可调螺距桨式侧推器。

动力定位控制系统由KONGSBERG公司提供，主要包括：2套DP操作台；1套双冗余的控制单元和1套联合操纵杆控制台。

传感器测量系统包括：3个风速风向传感器；3个MRU；3个电罗经和一个磁罗经。

位置参照系统包括：2套差分全球定位仪；1套激光定位系统；1套水下声纳位置参照系统；1套轻质张紧索系统。

3 DP系统设计冗余性分析

本船的动力定位相关系统按照IMO和ABS船级社对二级动力定位船舶的要求进行冗余性配置和设计[3，5，6]。

3.1 推进器和电力布置的冗余性

本船配置的5台推进器和4台主发电机机组的布置图，如图1所示。1号首侧推器和1号全回转主推进器的动力和控制电源，来自1号和2号柴油发电机的配电系统；2号首侧推器和2号全回转主推进器的动力和控制电源，来自于3号和4号柴油发电机的配电系统；3号首侧推的动力和控制电源则有两路，可以由不同断路器组合，分别由1号和2号柴油发电机的配电系统或3号和4号柴油发电机的配电系统供电。

本船的电力系统单线图，如图2所示：

主汇流排分为2段：当进行动力定位模式时，汇流排断路器打开，1号首侧推器和左舷全回转主推进器处于主配电板的A段汇流排上，属于冗余配置中的左舷集合；2号首侧推器和右舷全回转主推进器处于主配电板的B段汇流排上， 属于冗余配置中的右舷集合；而3号首侧推器则可以通过断路器的选择，分别处于A段或B段汇流排上。

230 V电力系统也分为两段：C段230 V汇流排从1号变压器馈电；D段230 V汇流排从2号变压器馈电。

应急发电机通过690 V应急配电板和两个应急变压器向230 V应急配电板馈电。每台发电机均有一个控制、监测、报警等功能高度集成的控制单元模块。每一个控制模块都有一路来自UPS1的24 V主电源和一路来自UPS2的备用电源，而且每一个备用电源都配置有DC/DC的转换模块以防止失效故障传递到其它的冗余集合。系统中的任何单点故障都不会使以上各项中相互冗余的两者同时失效[3]。

从以上分析可知，本船最严重的单点故障为母排短路，从而导致丢掉汇流排一侧的两台发电机组，同时该侧全回转主推进器和两台首侧推进器（假设短路点发生在3号首侧推的供电侧汇流排）及其辅助设备停止运转且失效，使本船DP定位能力降低。在这种情况下，船的推进只能依靠另一边全回转主推进器和另一台首侧推器，而3号首侧推则可以通过断路器开关的切换重新补充推进动力。该情况下，船舶的侧向定位能力将大幅降低，剩余有效的推进器各自的输出功率将大幅度增大，但仍不超过其最大功率，故船舶仍能保持动力定位，符合设计要求。

3.2 辅助设备的供电冗余性

机舱辅机仍根据冗余性要求进行配置和设计，按其所服务的对象分属左右舷冗余集合：1号与2号主发电机组、l号首侧推器和左舷全回转主推进器服务的辅助和控制设备，其动力和控制的配电按隶属于左舷冗余集合原则进行设计；为3号与4号主发电机、2号首侧推器和右舷全回转主推进器服务的辅助和控制设备，其按隶属于右舷冗余集合原则进行设计。所有辅助设备分割清楚，任何单点故障都不会导致两侧的柴油发电机或推进器同时故障停机。

3.3 DP控制系统的冗余性

本船的DP控制系統采用Kongsberg公司的K-POS 21型DP控制系统，该系统配置两台DP控制器，每台配置相同的软硬件及接口系统并具有相同的任务执行能力。

两台DP操作站分别通过同时工作的双通道网络连接到DP控制器，即使其中之一失效了仍能通过另一通道实现操作站和控制器之间的连接通讯。

DP控制系统中还包括一套三轴的独立操纵杆控制系统，该系统的控制器由220 V应急配电板供电，独立于其它DP系统设备电源，同时与推进器之间的信号传输也通过独立的硬线连接单独传输，系统中的任何故障都不会影响正常的DP操作。图3为控制系统结构示意图。

除此之外，本船的电站管理系统、UPS系统等以及管系布置（如通风系统、燃油系统，滑油系统、冷却水系统和压缩空气系统）和必要的风机、泵浦、油舱、水舱、水箱等的布置，同样按照相应的冗余性要求进行配置和设计，在此不逐一进行详细论述。

4 DPS-2系统FMEA海上试验分析

本船于 2017年 1 月在中国南海海域进行海上试验，其中FMEA验证性试验按照不同的系统分阶段进行[7]，大约耗时5天。

4.1 推进器及其辅助系统单点故障试验

推进器及其辅助系统单点故障试验项目主要包括：推进器应急停止试验；推进器丢失试验；推进器辅助设备故障试验；推进器失电试验；推进器控制信号丢失试验等。

（1）推进器应急停止试验

本船的每个推进器均设有独立的应急停止回路，采用单独的控制电缆并设有断开或者短路的故障报警。进行推进器应急停止试验时，分别按下相应推进器的应急停止按钮或断开应急停止控制回路，相应的推进器停止运转并在DP系统、中央集控系统 IAS和相应的控制面板上发出报警信号，不影响其余4台推进器工作，DP系统状态依靠剩余推进器自动保持。

（2）推进器丢失试验

模拟推进器丢失试验时，分别模拟所有推进器都在线和停掉正在运行的5个推进器之一时船舶对DP系统不同的前进、回转等命令的执行情况，验证各情况下船舶的动力定位能力。当停掉其中一个推进器时，船舶的DP系统能够重新进行推力分配，DP系统因此失掉的部分推力由其它仍然在线的推进器进行补充，船舶的整体定位能力不受影响，DP系统的控制命令仍能得到充分精准地实现。

（3）推进器辅助设备故障试验

模拟推进器辅助设备单点故障时，分别模拟液压泵失效、重力油柜液位报警、液压油/滑油温度高、液压油/滑油滤器堵塞等故障。此时系统会自动启动备用设备并在中央集控系统 IAS和相应的控制面板上发出报警信号，对船舶的DP状态没有影响。

（4）推进器失电试验

模拟推进器失电试验时，将各推进器设置为自动模式，同时要保证手动模式随时可用，以便于当动力定位模式出现故障时可立即转换为手动模式。当分别断开3台首侧推的液压油柜供电电源时，中央集控系统 IAS发出报警信号，对DP状态无影响；当断开电机的690 V供电电源时，DP系统发出相应推进器不可用的报警信号，相应推进器掉出DP状态，电机停止，船舶的位置和首向仍保持；当断开推进器控制系统中220 V和24 V双路控制电源中任一路时，发出报警信号，推进器仍能正常工作，对DP状态无影响；而当同时断开双路控制电源时，DP系统发出推进器不可用的报警信号，相应推进器掉出DP状态，电机停止。

主推进器的失电试验与此类似，由于主推进器是变频控制，当出现变频器的原动机或调速单元失电等单点故障时，DP系统发出推进器不可用的报警信号，推进命令自动归零，相应推进器掉出DP状态，电机停止，其它未受影响的推进器仍处于操纵控制下。

（5）推进器控制信号丢失试验

模拟推进器控制信号丢失试验时，当断开相应信号线，模拟推进器丢失启动请求信号、动力定位系统命令、PMS启动信号或螺距反馈信号等时，中央集控系统 IAS和相应的控制面板上发出报警信号，DP系统发出推进器不可用的报警信号，相应推进器掉出DP状态，受影响的推进器螺距归零。

4.2 主发电机及电站单点故障试验

本船的主发电机及电站单点故障试验是按照左舷和右舷两个不同的冗余组分别进行的。该项试验中分别模拟某一主发电机停机、低速、超速、控制电源失电、电子调速器、电子调压器或其它某部件故障，以及缸套水温度高、滑油压力低等安全保护系统单点故障的情况。此时该故障机组断路器开关断开，故障机组被迫下线，主配电板的汇流排触发功率限制功能或进行非重要负载的卸载，验证船舶在该种情况下保持位置和首向的能力。

（1）模拟配电板控制电源失效的情况：分别断开两侧配电板来自于UPS的24 V控制电源，模拟左舷和右舷两个690 V不同配电冗余组的控制电源失效情况，中央集控系统 IAS发出报警信号，对正在运行的推进器和发电机没有影响，也不影响船舶的位置保持。

（2）模拟电站失效的情况，将配电板上1号和2号主发电机的主开关断开，当执行完以上命令时：整个690 V主配电板A 段汇流排立即处于失电状态，继而 A 段汇流排内所有的下游配电装置和用电设备也将失电，包括1号、3号首推进器和左舷主推进器以及相关的辅助系统也将停止工作。在此过程中，需查看中央集控系统 IAS、电力管理系统 PMS 控制台、 DP控制台上实际报警和预期报警是否对应且正确，核验相应用电设备的运行状态是否正确。

试验结果显示不影响右舷电站B段汇流排及其配电系统下的所有设备和系统的正常运行，船舶仍能保持位置和首向，从而表明电站及DP控制系统冗余组分隔正确，无交叉影响。

（3）将上述测试涉及到的所有设备和系统恢复到正常运行状态，进行B段汇流排对应的右舷电站失效模拟试验。将配电板上3号和4号主发电机的主开关断开，采用与A段汇流排对应的左舷电站失效模拟试验相同的步骤，检查各设备和系统的报警信息和运行状态，验证此时船舶的动力定位保持能力。

（4）分别关闭左舷和右舷电站440 V负载屏变压器的原边开关，模拟440 V配电板失效试验，此时各配电板下相应的用电设备失电，DP系统状态保持，船舶的预设位置和首向不丢失。

（5）分别进行230 V配电板、应急配电板的失电故障模式模拟试验，其操作过程与相应的结果验证分析与上述类似。

船舶的电站管理系统负责对整船的电站功率进行管理，在对船舶进行FMEA分析试验时要对电站管理系统进行独立的FMEA。在对PMS进行FMEA试验时，首先对PMS系统界面进行测试，验证开关断路器的状态指示是否错误或状态指示信号回路在发生断路或者短路故障时能否产生相应报警，但对系统的正常工作没有影响；然后分别模拟PMS系统不同操作站和处理单元等模块电源失电、控制器、I/O 模块、通讯总线或网络发生故障，相应故障会在中央集控系统IAS中报警，但故障不会对发电机和推进器产生影响，也不会导致整个系统丧失功能。

4.3 不间断电源（UPS）失电及放电持久性试验

不间断电源（UPS）的失电及放电试验是随同各系统的FMEA试验分别进行的。分别将2个通用报警UPS、两个电源管理系统UPS、两个主推进器UPS、3个DP系统UPS和5个通用UPS的馈电开关断开进行失电操作，检查蓄电池的馈电状态和报警信号，测试单一UPS失电故障情况下船舶的动力定位能力以及UPS的耐久性是否满足30 min。试验过程中，相应配电系统下的相关用电设备，例如相应的主发电机的控制单元及对应的DP 控制系统等部件失去主电源，自动转换为由备用电源供电，并在中央集控系统 IAS和 DP控制台上发出报警，过程中DP系统始终正常运行，不影响船舶保持位置和首向的能力。

4.4 辅助系统失效试验

对于燃油系统、冷却系统、压缩空气系统等辅助系统的失效试验比较琐碎，主要是：模拟舱、柜液位低、空气压力低、相关阀门关闭、泵故障失效等，测试相应的舱柜液位报警和设备故障报警；检查快关阀箱对机舱各油柜气动隔离阀的独立控制；验证主系统自动停止、备用系统自动启动来接替主系统而不影响所服务的主要设备运行的情况等；对于通风和空调系统，还要分别模拟在用的风机、空调、防火风闸失效等情况，记录在各故障情况下30分钟内相关舱室的温度变化情况和对相关设备运行所产生的影响，验证单点故障对DP系统的影响。

5 结论

本文通过对一艘DP-2等级电力推进动力定位船舶的设计建造和海上试验的分析研究，讨论了动力定位船舶冗余性设计和FMEA试验的一些重要项目和关键点，具有一定的借鉴意义，也为未来类似工作的开展提供一定的经验。

参考文献

[1] A Guide to DP Electrical Power and Control Systems[S]， IMCA M206.

[2] Specification for DP Capability Plots， IMCA M104， 2000.

[3] Guidelines for Vessels with DP Systems IMO MSC Circular 645， IMO 113， 1994.

[4] Rules for Building and Classing Offshore Support Vessels[S]， ABS 2014.

[5] Guide for Dynamic Systems[S]， ABS 2014.

[6]邊信黔，付明玉，王元慧.船舶动力定位[M].科学出版社.

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