满足安全返港要求的起重铺管船电气设计浅析

孙 蕾 梁 荣 朱晖宇 蓝文昊

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.交通运输部广州打捞局 广州510260）

引 言

起重铺管船是海洋工程船的一种，同时具备起重和铺管两种功能，主要用于海上大型结构物吊装和海底石油或天然气管道的铺设作业等工程，属于高附加值船舶。本文以某型深水起重铺管船为例（以下称本船），探讨满足安全返港要求的起重铺管船的电力系统设计和安全返港要求对电气系统设计的一些影响。

1 船舶简介

本船作为特种用途船舶，在海上进行起重或铺管施工作业时，包括船员在内，可能同时有350 人在船上工作。根据《特种用途船安全规则（2008）》要求，本船是适用载运240 人或以上的特种用途船舶，应按照客船设计［5］。同时满足2010 年7 月1 日以后建造、船长≥120 m 或具有3 个（或以上）主竖区以及客船这3 个条件。根据SOLAS I-2 章第21 和22 条、II-1 章第8-1 条的要求，在火灾或进水事故未超出规定的事故界限，并提供了能够满足乘客和船员的基本生活要求的安全区域的情况下，本船有能力依靠自身动力，安全返回最近的港口。

根据起重铺管船的作业特点，在起吊重物或铺管作业时，船舶需要对抗受到的各种外力（如风、浪、流、惯性、起吊物状态或管线的拉力等），保持所希望的位置和艏向，如果发生失去船舶位置或艏向的情况，将产生难以预料的后果。因此，本船配备了DPS-2 附加标志的动力定位装置，在发生单点故障时，可最大限度地保证船舶和人员安全。

本船配置了6 台5 530 kW 主柴油发电机组、2台5 500 kW 主推进器、5 台3 500 kW 可伸缩式全回转推进器和1 台1500kW 艏侧推、铺管设备和起重机等。发电机及其辅助泵、推进器和配电板分别布置在两个机舱、泵舱、主推进器舱和高低压配电板间，舱室之间为A 级分隔（见图1）。

图1 发电机及推进器分布

2 安全返港的相关概念

当发生进水或者火灾事故时，会导致船舶部分受损，用于航行和应对紧急情况的推进系统、灭火系统、排水系统、通信系统等可能都无法正常工作，影响船舶的正常航行和应急响应，对船舶和人员的安全构成严重威胁。SOLAS II-2/21.4 条标识了14个重要系统，要在事故界限以内保持运行，包括推进、操舵系统和操舵控制、导航、燃油注入传输和服务、内部通信、外部通信、消防总管、固定式灭火、火灾探测、舱底和压载、动力操作的水密和半水密门、支持安全区域的系统、进水探测和主管机关认为对控制损害有至关重要影响的系统。当超过火灾事故界限，但不超过一个主竖区时，需有6 个系统仍能维持运行，包括消防总管、内部通信、外部通信方式、可转移消防水的舱底水系统、脱险通道、集合站和救生设备登乘站的照明、撤离引导系统。

就失火而言，事故界限的划分，取决于该原发处所是否设有固定灭火系统保护［4］：

（1）若原发处所设有固定灭火系统保护，事故的受损范围为从原发处所直至最近的“A”级边界，该边界可以是原发处所的一部分；

（2）若原发处所未设有固定灭火系统保护，事故的受损范围为从原发处所相邻处所直至最近的“A”级边界，该边界不是原发处所的一部分。

就进水而言，事故界限为任何单个水密舱室进水时。

表1 简单描述了事故程度与操作措施的关系。

表1 事故程度与操作措施的关系

当船上的某些处所中不存放可燃材料、易燃液体或可燃气体，也没有安装配电板和相关电气设备等时，这些处所发生火灾的危险可以忽略不计，即可被认为是非失火源处所，如：空舱、管弄、电缆通道和储存灭火剂的舱室等。

3 电力系统设计的研究

3.1 电力负荷分析

本船既可用于海上大型结构物吊装，也可用于海底石油或天然气管道的铺设作业。用电设备众多且复杂，对本船进行电力负荷分析，需分别计算动力定位生存、动力定位铺管、动力定位起重、航行、定位锚铺管、定位锚起重、进出港、停泊和应急这几种工况。

在计算某种工况的电力负荷时，需要了解此时有哪些设备需要同时工作？哪些设备因为单点故障而不能工作？然后分析其负荷状态及负荷系数，包括在这种工况中推进器的功率的不同需求，在动力定位能力分析之后，可按其分析结果来对应各推力器的功率，因此DP 能力分析中的工况和电力负荷计算中的各个DP 工况是一一对应的。

在计算三种动力定位工况时，还需分别计算完整工况和3 种高压配电板各母排分别发生单点故障工况的电力负荷：

（1）DP 生存工况下的环境条件恶劣，6 台发电机组并联运行，当发生单点故障时，如果高压配电板某段母排负荷率过高，DP 系统应及时限制推进器所用功率，并通过改变艏向来减少推进器的功率。

（2）DP 铺管工况，正常状态有1 台发电机备用，当发生单点故障时，如果电站实际负荷率过高，功率管理系统应根据实际电站功率，决定是否起动备用发电机组。

（3）DP 起重工况，当第2 段母排发生单点故障时，由于主吊机是由第1 段供电的，此时第1 段母排负荷率过高，功率管理系统应及时限制主吊所用功率。

需要特别注意的是：本船还需满足安全返港要求，即当发生不超过事故界限的火灾或进水事故时，剩余的电站容量还可满足安全返港要求。此时应计算包括SOLAS 第II-2/21.4 条定义的所有重要系统和21.5.1.2 条定义的支持安全区域用电的电力负荷平衡，并应考虑这些设备可能会同时工作。

考虑最严重的火灾或进水事故，分为以下3 种工况：

（1）其中1 个高压主配电板室发生火灾事故，将损失相应的高压主配电板，从而导致损失对应机舱的3 台发电机组和主推；

（2）其中1 个主推进室发生火灾或进水事故，将损失对应的主推进器；

（3）其中1 个泵舱发生火灾或进水事故，将损失3 台柴油发电机组的柴油循环泵，从而导致损失相应机舱的3 台发电机。

分别对这3 种工况进行电力负荷计算，校核在发生事故后，剩余的船舶电站是否还有能力进行安全返港。

3.2 确定发电机及汇流排结构型式

接下来要确定发电机及汇流排结构型式，DPS-2 要求需满足在最坏的单点故障时能够保持定位能力。单点故障状况中必须考虑配电板汇流排的故障［3］，这既牵涉到汇流排上供电的发电机，又关系到对推进器的馈电。汇流排设计时必须考虑这两方面的组合失效对动力定位能力的影响。本船的高压配电板，设计了六段汇流排，各汇流排之间由真空断路器连接（见下页图2）。

动力定位作业时，所有汇流排闭合，440 V 配电板和220 V 配电板联络开关始终断开工作。通过定向短路保护和定向接地故障保护将高压配电板的最严重故障限制在一段母排内，即一段母排发生单点故障，不会影响其他段母排。

3.3 馈 电

本船为DPS-2 附加标志，由于需满足在最坏的单点故障时的定位能力，推进器需按照布置位置的不同以及发生单点故障时，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。为了满足在单点故障时不致影响船舶的位置和艏向，因此必须考虑与动力定位有关的发电机、推进器和舵机等设备的辅助供电的冗余性。由于本船440 V 配电板和230 V 配电板只分成2 段，如果其中1 段配电板发生短路，将会影响几台推进器的辅助供电，因此各推进器的辅助供电分电箱需由两个440 V 配电板或230 V 配电板两路电源供电，延时1～2 s 自动切换。还有一种做法是将为推进器服务的辅助设备，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，即440 V 配电板和230 V 配电板也相应地分成6 段。这样不仅使馈电系统相互不受影响，也减少了自动切换，但相应会增加设备成本。

安全返港分析时还需对重要系统的馈电进行评估。逐个对在火灾事故发生时的原发处所和受影响的处所或进水事故发生时的水密舱室内SOLAS II-2/21.4 条标识的14 个重要系统的电气设备和电缆可能的受损情况进行分析，这些重要系统是否还能够在事故界限以内维持运行。当超出事故界限时，支持有序撤离的6 个系统仍能维持运行。

图2 起重铺管船高压配电板分段

4 安全返港要求对相关电气设计的影响

4.1 航行设备

根据《特种用途船安全规则（2008）》的要求，航行设备的配置需满足SOLAS 第V 章的要求即可。为满足安全返港要求，用于导航、定位和探测碰撞危险的必要设备在安全返港时应可使用，并应能按照现行的《国际海上避碰规则》配备适当的灯光信号显示。即需要考虑当驾驶室发生事故界限内的火灾事故之后，航行所必需的设备应能在驾驶室之外未受火灾影响的处所仍可维持操作。本船在桥楼甲板尾部设有作业控制室，作为起重和铺管作业的控制中心，与驾驶室之间有A 级分隔。因此考虑将航行所必需的设备在作业控制室进行冗余设计，解决方案如下页表2 所示。

4.2 内部通信

内部通信可以通过任何有效的便携式或固定通信手段来实现。控制站和执行安全返港操作位置之间可以进行双向通信，举例说明如下：

（1）控制站包括：桥楼/备用桥楼、集控室、安全中心和消防控制站等；

表2 解决方案

（2）安全返港操作位置：舵机室、机舱、需要手动操作的处所和消防/防损控制站等。

对于便携式通信设备，应在多于1 个主竖区配置充电装置，以保证其充电能力。

由于本船需满足客船要求，公共广播系统至少应有两个在整个线路上完全独立的回路，并应有两个分开和独立的扩音器。同时为满足安全返港的要求，需在不同的防火区内配置至少双套广播扩音器，因此将一套扩音器配置在仪表间，另一套配置在报务间。在同一区域至少配备由连接在不同扩音器上的两路扬声器回路，在最严重情况时损失一套扩音器，还有连接在另一套扩音器上的扬声器可以工作，但强度会有所减弱。此系统全部使用耐火电缆，中间不能使用接线盒；则可认为当一路扩音器所在的处所或扬声器回路中间某处所发生事故界限内的火灾事故时，广播兼通用报警系统在其他未受事故影响的主竖区可维持操作。

4.3 外部通信

根据《特种用途船安全规则（2008）》的要求，无线电通信系统的配置需满足SOLAS 对货船的要求即可。而为满足安全返港要求，即在主GMDSS设备损失时，船舶可通过GMDSS 或者海事VHF 和航空波段报警频率对外通信。需要对无线电通信系统的配置进行改造。

解决方案有以下两种：

（1）配置双套GMDSS 设备，分别布置在报务室和作业控制室；

（2）在报务室配置主GMDSS，在作业控制室配置一套带航空波段的海事VHF。

对比这两种方案，显然第二种方案配置更简单，更经济。

4.4 火灾报警系统

根据SOLAS 的要求，本船需满足对载客超过36 人的客船要求，在服务处所、控制站和起居处所，包括起居处所的走廊、梯道和脱险通道，应安装和布置固定式探火和失火报警系统，以探测这些处所的烟雾，探火报警装置集中于一个连续有人值班的集中控制站，故在驾驶室配置了一套可寻址式火灾报警系统主控板。而为了满足安全返港要求，考虑最严重的故障工况为安装火灾报警主控制单元的处所发生事故界限内的火灾，因此在作业控制室还配置了1 套主控板，2 套主控制单元之间热备，每一火灾报警回路的两端分别连接在2 套主控板上，此系统全部使用耐火电缆，中间不能使用接线盒，则可认为当1 部主控单元所在的处所或回路中间某处所发生事故界限内的火灾事故时，火灾报警系统在其他未受事故影响的主竖区可维持操作。

4.5 照 明

（1）安全区域：在未受事故影响的安全区域设置足够的照明或者使用便携式蓄电池灯，在每个安全区域提供足够的充电器。

（2）机械处所：在安全返港时，在所有需要进入的机械处所设置提供固定照明。

（3）需要手动操作的处所：在事故后需要进行人工操作的设备处所设置足够的照明，用于安全进入。

（4）逃生路径、集合站和登艇处：提供足够的主、应急照明。

4.6 耐火电缆的使用

使用满足IEC60331-1 和IEC60331-2 标准的耐火电缆穿过发生火灾的非服务区域时，视为可维持运行，而且在受火灾影响的区域内应没有电缆连接、接头和设备连接。

5 结 语

安全返港规定的实施对航运业带来了一定的影响，尤其是对载运超过240 人的特种用途船的设计、建造、检验及营运产生了很大的影响。我们可以通过分隔、双套、冗余或保护等设计方法，让工程船自身安全性能有极大的提升，自救能力进一步增强。在一定的条件下，让船舶成为自身的“救生艇”。