227 m深海采矿船电气设备布置和电缆分隔方案

曾 晨

(福建省新能海上风电研发中心有限公司，福建 福州350108)

0 引言

随着陆地矿产资源逐渐耗竭，海底矿产将成为重要的来源。为了开采海底资源，世界各国都在大力发展深潜技术，研制深海采矿船。作为世界首创的船型，227 m深海采矿船的许多设计方案都是全新的尝试。由于该船的建造需要完成多类高难度的系统集成，作为支撑与保障全船设备运行的配电系统在设备布置分隔上面临着严峻的挑战，因此，研究其配备系统的设备布置是十分必要的。基于深海采矿船航程远、作业水域深、系统复杂且集成度高的特点，为了确保船舶工作性能与生产安全，必须采用船舶动力定位系统作为保障。由于不同等级的动力定位系统对船舶设备配置和布置方案有着不同的要求，因此，在设计初期就需要根据不同的动力定位等级要求，从发生故障穿越的风险入手进行分析，采取可有效防止故障穿越的措施[1]，以保障整体设计的完整性和合理性。

一般来说，动力定位系统、电力推进系统以及相应的配电系统中的固定式电气设备在冗余组的规划过程中可采用较为直观的设备布置分隔方案[2]。然而，固定式电气设备之间的软性连接——电缆，则是整套系统中最为薄弱的环节，电缆的分隔方案也最容易在设计过程中被忽略，从而导致大量的后期修改与物资损耗。因此，在设计初期系统考虑满足分级要求的设备布置与电缆分隔方案，是优化设计与降本增效的关键所在。

本文在研究DP系统的分级要求基础上，具体分析了“DPS-2,EHS-F”入级符号对于电力推进设备和电缆布置的要求，并以227 m深海采矿船为例，制定满足“DPS-2,EHS-F”入级符号所要求的电力推进设备布置和电缆分隔方案。

1 分级要求与对比

根据动力定位系统的功能以及设备冗余度,动力定位系统一般分为1级、2级与3级。分级要求如下：

1级动力定位系统的配置不考虑冗余，除了设置一套主DP系统外，还配备一套独立的手动操作系统作为应急备用。当DP系统的自动控制发生故障时，DP操作员可通过手动操作系统继续控制船位和艏向。

2级动力定位系统的要求比1级要严格，必须考虑冗余。因此，2级DP系统的配置一般为两套完整的动力定位系统互为备用，一套有故障时自动切换至另一套系统，外加一套手动操作系统。

3级动力定位系统的要求比1级和2级都更严苛，系统配置是在2级的全套配置基础上，再追加一套功能完备并且独立的DP系统作为备用。3级动力定位系统不仅在设备配置上满足冗余，在电缆和管路的路径设计上也要遵循相关的冗余原则，实行有效的物理分隔[3]。

2 入级符号说明

227 m深海采矿船入级美国船级社(ABS)，入级符号包含“DPS-2,EHS-F”。 DPS(Dynamic Positioning System，动力定位系统)表示安装有动力定位系统的船舶；DPS-2表示必须满足2级动力定位系统的相关要求； ESH-F属于2级DP系统的增强系统符号，表示针对防火分隔的加强要求。

由于“DPS-2,EHS-F”是在DP2入级符号上追加的补充符号，即要求船舶不仅需要满足DP2的基本规范，在设备布置和防火分隔等方面也必须遵循相关的要求。例如：发电机及原动机，要求其必须布置在独立舱室，若该舱室处于高危区域必须实行A60防火分隔；如位于破损水线以下则须确保水密性。配电系统/推进系统要求设置相应的冗余组，各组的设备之间(包括电缆)必须实行A0防火分隔，如设备位于破损水线以下则须确保水密性。

简单来说，“DPS-2,EHS-F”是升级版的DP2要求，但还未完全达到DP3的要求。

3 电气设备分隔方案

本文从船舶主要结构设置、船舶冗余组设置方面来研究基于“DPS-2，EHS-F”要求的电气设备布置和分隔方案。

3.1 船舶主要结构设置

船舶主要结构设置和主要设备配置见图1。

按照三个冗余组的设计原则，本船在结构上作如下设置：

图1 船舶主要结构设置和主要设备配置

(1)机舱：3个机舱(左机舱、舯机舱、右机舱)。

(2)配电板间：3个配电板间(左配电板间、舯配电板间、右配电板间)。

(3)推进器间：7个推进器间(艏推间、左伸缩推间、右伸缩推间、左舵桨间、舯舵桨间、右舵桨间)。

(4)电缆通道：3个独立分隔的电缆通道(左舷靠舷侧电缆通道、左舷靠船舯电缆通道、右舷电缆通道)。

由图1可见，7台推进器分别布置在各个推进器间，而1号艏推与2号艏推位于同一个舱内，因此这2台艏推在冗余设计中可合并为1台来考虑。

3.2 船舶冗余组设置和划分

3.2.1船舶冗余组设置

根据“DPS-2,EHS-F”的入级要求，该项目设置了三个冗余组，各冗余组之间电缆的连接采用左右交叉的方式。其中，1号冗余组主要设计用于备用应急DP控制系统，2号和3号冗余组设计用于主DP系统。船舶冗余组设置如图2所示。

图2 船舶冗余组设置

3.2.2船舶冗余组划分

结合图1和图2，方案对三个冗余组进行具体划分。

(1)1号冗余组

结构包括：左机舱、左配电板间、左伸缩推间、左舷靠舷侧电缆通道和右舵桨间。

设备包括：1号发电机、2号发电机、1号中压配电板、左舷440 V低压配电板、左舷230 V低压配电板、左伸缩推、右舵桨。

(2)2号冗余组

结构包括：舯机舱、舯配电板间、艏推间、左舷靠船舯电缆通道和舯舵桨间。

设备包括：3号发电机、4号发电机、2号中压配电板、舯440 V低压配电板、舯230 V低压配电板、1号艏推、2号艏推、舯舵桨。

(3)3号冗余组

结构包括：右机舱、右配电板间、右伸缩推间、右舷电缆通道和左舵桨间。

设备包括：5号发电机、6号发电机、3号中压配电板、右舷440 V低压配电板、右舷230 V低压配电板、右伸缩推、左舵桨。

三个冗余组设计的思路是为了使每一个冗余组的功能独立，当出现任一故障后，船舶仍能够自动保持定位和艏向。对于任一故障的定义，不单是指设备故障，也包括某个舱室的完全损失。为了满足这一点，冗余组之间的完全分隔尤为重要。

在考虑冗余组的分隔布置时，刚性的电气设备容易分隔，而穿舱走壁的电缆路径是相对薄弱的设计环节，很容易忽略冗余的设计原则。当某根电缆需要穿过其他冗余组的结构区域时，须确保该电缆由A0级别的电缆通道进行防火分隔；若该区域为高失火危险区域，则要求对电缆实行A60级别的防火分隔。这样，单一故障就能够有效控制在单一冗余组的区域范围内，避免该故障跨区域之后造成更多冗余组的损失，最终导致船舶定位能力的丢失[4]。

另外，ABS规范要求1 kV以上的高压电力电缆与低于1 kV的电力电缆不可铺设在同一托架或电缆框内，因此通向推进器间的所有低压电缆必须按照EHS-F的要求分别铺设，并实行A0防火分隔。

因此，本项目中各推进器的电力电缆主要路径设计也需要遵循三个冗余组的划分原则，电缆跨区域的部分设置合适的防火分隔。出于船舶整体安全考虑，船级社不允许电缆直接穿过防撞舱壁，因此通向艏推的电缆路径可能需要向上延伸翻越过防撞舱壁后再下行至各艏推间。在这种情况下，各冗余组之间的电缆路径设计原则仍须严格遵守，跨区电缆应实行相应的防火分隔，以确保每一个冗余组的独立性。

如上文提及，EHS-F是关于防火分隔的加强要求，在项目设计过程中应结合各冗余组的情况，对配电系统、推进设备、电缆路径等方面进行妥善的布置和分隔，尽量减少实际生产时由于电力设备布置不合理导致的跨区施工难度。

4 结语

227 m深海采矿船电气设计初期就按照冗余设计原则对船舶主要结构进行设置，采用左右交叉的方法连接各冗余组之间的电缆，解决了“DPS-2,EHS-F”入级符号所要求的备用系统与主系统之间分隔隔离的问题；在电缆分隔方面，摒弃在后期电缆敷设过程中穿管或临时增加通道的传统作法，创新性地采用了在船体结构设计初期即分隔出三个独立的主电缆通道的设计方案，在满足规范要求的同时，减少了设计冲突与现场施工难度。

精细化造船是船厂一直以来追求的目标，尤其是对于高技术含量、高附加值、高建造难度的大型船舶来说，如何提高设计图纸准确率，将对施工方案的正确制订以及降低后期修改率，避免资源损耗具有非常积极的意义。因此，充分了解相关规范要求与设计准则，结合实船项目经验，在设计初期系统性地考虑满足分级要求的设备布置与分隔方案，是优化设计与降本增效的关键所在。