穿梭油轮DP2系统设计分析

李 群，许东方，刘 文

（舟山中远海运重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

穿梭油轮是一种用于海上生产油田和岸边终端站或炼油厂之间定期往返的运输油船，通过动力定位（Dynamic Positioning 2，DP2）系统实现动力定位。与纯电力推进系统不同，穿梭油轮的推进系统不仅有电力推进器，还有低速燃油主机、舵系和调矩桨（Control Pitch Propeller，CPP）。穿梭油轮在航行和动力定位时主要燃烧重油，会涉及到锅炉热冗余设计等问题。本文对某穿梭油轮DP2系统的设计情况进行介绍，进行故障模式和影响分析（Failure Model and Effects Analysis，FMEA），并根据分析结果制定相应的优化方案。

1 DP 2系统的基本配置

本文研究的穿梭油轮为苏伊士 MAX型，其DP2系统的配置情况见图1。在DP运行模式下，电站的中压母排、低压母排和推进动力系统均要分为彼此独立的3组。配电板室包括中压配电板室和低压配电板室，中压配电板和低压配电板均为分组设计但不作物理隔离的一体化结构。海水冷却系统、淡水冷却系统、燃油日用柜及燃油增压系统需进行完全独立的3组套冗余设计。机舱采用未做物理分区隔离的整体结构，6台发电机布置在同一平台，低速主机布置在机舱底层。

图1 穿梭油轮DP2系统配置情况

根据DP系统原理对穿梭油轮进行故障模式和影响分析（Failure Model and Effects Analysis，FMEA），该分析主要针对电力系统的发电机、配电板供电系统及发电机辅助系统，动力系统的低速推进器及其推进辅助系统，电路、水路、气路、油路、通风空调等系统。FMEA结果表明：穿梭油轮的DP2系统主要存在供电问题、压缩空气问题、配电板室空调与通风问题、锅炉系统热源冗余设计文体等。

2 DP2系统设计问题分析

2.1 电力系统的供电设计问题

1）单设备双路供电问题

电力系统的供电设计图见图2。单设备双路供电问题是FMEA的基本考核点，本穿梭油轮的电力系统采用中压环形母排和孤岛式开环运行模式。需要特别注意中控系统（Integrated Control System，IAS）、广播通用报警（Public Address & General Alert，PAGA）、火警、不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）、消防灭火设备和逃生报警设备通常采用双电源供电。FMEA重点关注双路供电设备的故障传播问题，当双路供电设备内部发生短路故障时，不仅会对当前供电上游的配电板造成影响，还会将故障继续传播到上游另外组别的配电板。若另外组别配电板的保护开关有隐性故障，不能及时分断，则会持续拉低配电板的电压，这会严重影响负载的正常运行，甚至会丧失动力定位的能力。

图2 电力系统的供电设计图

单设备双路供电问题主要有3种解决方法：

1）厂家须给出相关材料证明设备内部短路不会将故障传播到上游其他组别，这些证明材料需要得到船级社的认可。

2）在动力定位时，220 V负载可采用单组别供电策略。若厂家可提供电源短路设计保护措施报告或短路计算模拟报告，且该报告获得船级社的认可，则该设备可保持异组别双路供电。

3）对于泡沫泵、水雾喷淋等440 V负载，除非有第三方能源驱动，否则船级社不允许采用单边供电模式，必须双路同时供电。最简单有效的解决方案是采取应急电源与主电源同组的供电方式，即使发生故障也不会对其他组别的配电板产生影响，符合最大单点故障原则。

在进行双路供电设计时，需要充分考虑故障传播的问题。在设计初期就要规划好供电源头，若在后期FMEA报告出具后再整改，很可能会影响配电板的设计和制造。

2）冗余双泵异组别交叉供电问题

本穿梭油轮艏推进器和主机的辅助冗余双泵系统采用异组别交叉供电，FMEA不推荐采用该供电方式，这是由于异组别交叉供电存在较多弊端：（1）逻辑结构不够清晰；（2）在进行正常DP运行操作时必须选择使用同组泵；（3）只能在应急情况下使用备用异组泵；（4）双泵使用寿命差异较大。根据穿梭油轮的低速主机参与动力定位的特点，制定最终DP冗余双泵设计方案：主机的冗余双泵辅助系统由A组和C组供电，其余所有电力推进器的辅助冗余双泵系统均由本组供电。该设计方案既保证了动力定位的基本要求，也满足了安全航行的要求。

3）调矩桨控制问题

主推进器的调矩桨需要参与动力定位，船级社相关规范要求参与动力定位的调矩桨必须配备独立的零螺距系统。在调矩桨出现故障时，零螺距系统可自动将调矩桨的螺距归零并发出警报，提醒操作人员调矩桨存在故障。与此同时，DP2系统会放弃对主推进器系统的控制。调矩桨和零螺距系统的接口各自有独立的螺距控制命令信号和指示反馈信号，调矩桨还需要提供应答请求信号。信号传导逻辑流程的衔接问题是FMEA的考核点，需要特别关注。

2.2 压缩空气问题

DP模式下压缩空气系统的管道仪表流程图（Process and Instrumentation Drawing，PID）见图3，2路独立气源同时供6台发电机和1台主机使用。该设计方案可靠性不高，这是由于空气管与发电机接口通过弹性软管连接，橡胶软管存在因老化破裂而泄露的故障隐患。若发生压缩空气泄露事故，则会造成2套独立气路压力不足，进而影响其他组别发电机的启动和空气控制。

图3 DP模式下压缩空气系统的管道仪表流程图

在不改变PID图的情况下，定义每个阀的开闭状态，关闭两主空气瓶间的互通阀，并将应急空气瓶兼用于B组发电机的空气控制和应急启动功能。通过以上优化措施，可将压缩空气系统的模式更改为3组独立供气模式，大大提高了压缩空气系统的可靠性。

2.3 配电板室空调通风系统设计问题

优化前后配电板室空调通风系统设计方案见表1。在原设计方案中，通过配电板室的2台空调为配电板和变压器降温，2台空调的水路均在A组，但其供电均在C组。该设计方案虽理论上可行，但实际中存在很多缺陷，不符合DP冗余设计的基本理念，也不符合配电板操作的环境要求。配电板室的2台空调应是冗余备用关系，配电板的通风功能仅用于换气。若空调水路或供电出现问题，仅靠通风来降温和散热，则无法保证配电板室的电气设备在高湿高温的环境下能正常工作。此外，原设计方案还具有易受潮、易脏、易腐蚀等缺点。在原设计方案中，空调的水路和电路不在同一组，不符合DP2系统的设计要求。优化方案将配电板室的2台空调改为互为备用的关系，冷却水和供电分别来自A组和C组，水路电路同组，满足DP2系统双套设备的组别分区和冗余设计的思想，提高了系统运行的可靠性，改善了配电板室的环境。优化方案的航行配电负荷相较原方案大幅降低，可满足相关运行要求。

表1 优化前后配电板室空调通风系统设计方案

2.4 锅炉系统热源冗余设计问题

原设计方案的锅炉系统包括经济废气锅炉（不带燃烧器）和辅锅炉。在负荷较小时，DP2系统的废气不足，经济废气锅炉无法作为重燃油供油单元的热源。供油单元B组和C组需要设计为辅锅炉蒸汽热源与电加热器互为备用的冗余关系（见图4）。若在动力定位时辅锅炉出现故障，A组的主机和艏推可在30 min后安全退出动力定位模式，并将燃油切换至船用轻柴油。虽然B组和C组可在其各自供油单元电加热器的支持下继续工作，但重油日用柜会因锅炉蒸汽的缺失而逐步冷却，进而出现不可输送的状况，这大幅增加了运营成本和燃油切换时机把控的风险。

图4 供油单元设计示意图

优化方案在动力定位时将废气组合锅炉（废气锅炉带燃烧器）和辅锅炉均投入工作模式。双锅炉冗余系统和3组独立的燃油增压单元的系统设计可满足船级社对DP2系统冗余可靠性的要求。

3 结论

与纯电力推进系统不同，穿梭油轮的 DP2 系统的设计覆盖面更广。本文对某穿梭油轮DP2系统的设计情况进行介绍，进行故障模式和影响分析，并根据分析结果对DP2系统的设计进行优化。DP2系统设计要注意整体动力设备系统、管系、通风系统、电气系统的组别对应关系和一致性匹配问题。充分理解DP2系统的设计理念，满足规格书的相关要求，才能避免故障模式和影响分析后整改的被动和延误。