86 m 平臺供應船動力定位輔助管路系統設計

王 穎

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建福州350015)

0 引言

隨著船舶電力推進的成熟和自動控制理論的發展，以及動力定位系統性能的不斷提高，海洋石油平臺、深水鉆井船、油田守護船、潛水器支持船等均裝備了動力定位系統。動力定位系統一般由動力系統、推進系統和動力定位控制系統組成，與動力系統和推進系統相關的輔助管路系統性能也直接會影響船舶動力定位的能力。本文以設計建造具有DPS-2級動力定位能力的86 m多用途平臺供應船為例，對動力系統和推進系統的輔助管路系統設計進行分析討論。

1 規范對動力定位系統的要求

國際海事組織(IMO)和美國船級社ABS對動力定位船舶的定義為:僅靠自身推進器的推力自動保持其自身船位(固定的位置或預先確定的航跡)和首向的船舶。根據動力定位系統(DPS)冗余度不同，可分DPS-1、DPS-2和DPS-3這3個等級。各等級的技術要求為:DPS-1動力定位船舶，出現單點故障后有可能失去定位;DPS-2動力定位船舶，任何1個活動部件或系統出現單點故障(不包括1個艙室或幾個艙室的損失)后不能失去定位;DPS-3動力定位船舶，任何1個活動部件或靜止部件或系統出現單點故障，包括由于失火或進水導致失去1個艙室，不能失去定位。由此可見，DPS-1級船舶無需部件冗余;DPS-2級船舶要求所有相關活動部件冗余;DPS-3級船舶要求所有相關活動和靜止部件冗余，并且系統所處艙室需進行物理分隔。規范規定，活動部件主要包括發電機、推進器、配電板、DP控制計算機、傳感器、遙控閥，補償器等;靜止部件主要包括電纜、管路、手動閥等。

動力定位系統設計需滿足規范對于系統冗余的要求。“冗余”的定義為:當發生單點故障時，1個部件或系統能保持或恢復其功能的能力。通過安裝多個部件、系統或實現相同功能的其他替代手段，可以實現冗余。冗余應基于可立即投入使用的系統，即保持運行的機械設備，完全停止和重新啟動系統不能滿足這個要求。冗余系統間需進行隔離，以防止系統間故障轉移。

規范要求FMEA(故障模式及影響分析)進行單點故障分析的輔助管路系統有:燃油系統、滑油系統、冷卻水系統、壓縮空氣系統、液壓系統、氣控系統、通風空調系統以及管路系統中的設備［1］。

2 船舶簡述

86 m多用途平臺供應船總長86 m，型寬20 m，型深8.4 m，設計吃水6.4 m;入級ABS，無人機艙，具有DPS-2級動力定位能力。

動力配置如下:

(1)主發電機組:4×1 825 kW，690 V/60 Hz/3 Phase，由4臺高速柴油機驅動，位于機艙。

(2)應急/停泊發電機組:1×350 kW，690 V/60 Hz/3 Phase，由1臺高速柴油機驅動，位于應急發電機間。

(3)艉部推進器:2×2 200 kW全回轉舵槳，FPP(固定螺距螺旋槳)，由2臺變頻電機驅動，采用AFE(主動前端整流)電力推進系統，位于艉部推進器間。

(4)艏部推進器:2×880 kW艏側推，CPP(可調螺距螺旋槳)，由2臺定速電機驅動，位于艏部推進器間。

推進器和配電系統框圖如圖1所示。1號和2號發電機組經配電板母排A向1號艏側推和1號舵槳供電;3號和4號發電機組經配電板母排B向2號艏側推和2號舵槳供電。根據規范要求，所有為DP系統服務的系統需劃分為至少2個冗余組。本船劃分為左舷冗余組和右舷冗余組。每個冗余組包括的主要設備見表1。

所有為左舷冗余組動力設備服務的輔助設備，如:油泵、水泵、分油機、空壓機等，需由左舷配電板母排A供電;所有為右舷冗余組動力設備服務的輔助設備需由右舷配電板母排B供電。

本船FMEA(故障模式及影響分析)規定的最惡劣故障設計工況(WCFDI)是失掉整個左舷或右舷冗余組，由此造成DP控制系統失去1臺舵槳和1臺艏側推。在此工況下，DP控制系統保留的1臺舵槳和1臺艏側推應能使船舶在規定的環境區域內保持船位和首向。

表1 設備冗余組劃分表

圖1 推進器和配電系統框圖

3 燃油系統

本船使用燃油為輕質柴油，燃油供給和凈化系統如圖2所示。

燃油供給和凈化系統按左右2個冗余組設計，每個冗余組包括1臺分油機及供給泵、2臺主發電機組、1個燃油日用艙和1個燃油沉淀艙。同1個冗余組中，分油機可將沉淀艙的燃油凈化后輸送到日用艙;沉淀艙和日用艙的燃油也可單獨分別循環凈化;日用艙為2臺發電機組提供燃油。2個冗余組采用交叉管路進行連通，應急時2個冗余組中設備和艙柜可互為備用。交叉管路上需設隔離閥，DP操作時隔離閥常閉，以免1個冗余組出現故障時影響到另1個冗余組。

柴油機燃油由機帶泵供給。根據規范，船上4臺柴油機需配1臺燃油機帶泵備件。

系統中分油機是建議配置，它不會直接關系到發電機組的運行。因為柴油機燃用輕質柴油，如果加油的油品比較好，即使不分離柴油機也可以直接燃用，因此分油機出現故障不會馬上影響到發電機組，從而導致出現FMEA設定的最惡劣故障設計工況(WCFDI)。

燃油系統需考慮的故障點有:燃油污染、燃油分油機故障、濾器堵塞、柴油機帶燃油泵故障、管路泄漏和快關閥故障。本系統出現上述任何1個故障 點，2個冗余組的功能不會同時失效。

圖2 燃油供給和凈化系統

4 滑油系統

通常每臺柴油機和推進器的滑油系統和液壓系統都是相互獨立的系統，本船也一樣，因此單個設備故障不會影響其他柴油機或推進器的運行，滿足FMEA要求。

本船柴油機滑油泵是機帶泵，根據規范，船上4臺柴油機需配1臺滑油機帶泵備件。

對于柴油機采用中速機的船舶，滑油需要凈化，應至少為每個冗余組配1臺滑油分油機。滑油分油機可為同1個冗余組內的柴油機同時或輪流服務，但系統設計應防止柴油機油底殼的滑油被抽空或過量注入。冗余組之間可設置交叉管路，以便應急時2臺分油機互為備用;交叉管路上需設隔離閥，DP操作時隔離閥常閉。

滑油系統需考慮的故障點有:滑油污染、滑油分油機故障、管路泄漏和柴油機帶滑油泵故障。出現上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不能同時失效。

5 海水冷卻水系統

冷卻水系統分海水冷卻和淡水冷卻2個系統。

機艙海水冷卻系統如圖3所示。

本船機艙左右舷分別設高低位2個海水箱，二者通過海水總管連通。海水總管被中間的隔離閥CSV05分隔成左右2個管段，分屬左右2個冗余組，DP操作時隔離閥常閉。

柴油機配有內置冷卻系統，每臺機有1臺機帶海水泵。根據規范，船上4臺機需配1臺海水機帶泵備件。

左右2個冗余組中，2臺主海水冷卻泵分別從高低位海水箱抽水冷卻各自冗余組中的主冷卻器，之后海水單獨排舷外。系統中每個冗余組只設1臺主海水冷卻泵已滿足產生FMEA設定的最惡劣故障設計工況(WCFDI)對系統冗余的要求。但這樣設計，若1臺水泵故障就會導致失掉2臺發電機組，從而失去1臺舵槳和1臺艏側推，顯然這是船東不會接受的。考慮到在船上水泵是相對便宜而又會經常發生故障的設備，最好為每個冗余組配1臺海水冷卻備用泵，海水泵出口設置壓力開關，以便主海水泵故障時備用泵能自動啟動運行;但從船廠節約成本角度考慮，也可為2個冗余組只配1臺備用泵。管路設計時，為了讓備用泵既能為2個冗余組服務又能保證2個冗余組互相隔離，在備用泵的進水和出口的左右支管上都安裝了止回閥。這樣，DP操作時隔離閥CSV05常閉，即使備用泵進出口管路的閥件全開，2個冗余組仍然是單獨而互不影響的，滿足FMEA的要求。本船采用后1種方案，備用泵電源可由左舷配電板或右舷配電板提供。

艉部海水冷卻系統設計原理與機艙的類似。

海水冷卻系統需考慮的故障點有:柴油機帶海水泵故障、主冷卻器堵塞、海水箱和海水濾器堵塞。出現上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不會同時失效，滿足FMEA要求。

圖3 機艙海水冷卻系統

6 淡水冷卻系統

機艙左舷淡水冷卻系統如圖4所示。

本船柴油機高低溫淡水冷卻系統為內置系統。根據規范，船上4臺柴油機需配備高低溫淡水機帶泵備件各1臺。

機艙淡水冷卻系統分為左右舷2個相互完全獨立的閉式循環系統，分屬左右冗余組。每個系統中包括設備有:2臺發電機組、1臺集控室空調、1臺外消防泵電機、1臺艏推電機、1臺主冷卻器、1個三通溫控閥和1個獨立的膨脹水柜。為了防止1臺泵故障就會導致出現最惡劣故障設計工況(WCFDI)，本系統每個冗余組配有2臺淡水冷卻泵，1臺使用，1臺備用，主泵故障時備用泵可自動啟動。機艙右舷淡水冷卻系統與左舷相似。

艉部淡水冷卻系統設計原理與機艙的類似。

淡水冷卻系統需考慮的故障點有:柴油機帶高低溫淡水泵故障、柴油機機帶溫控閥、主冷卻器堵塞、主冷卻淡水泵故障和艉部冷卻淡水泵故障。出現上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不會同時失效，滿足FMEA要求。

7 壓縮空氣系統

本船配有2臺起動空壓機和2個起動空氣瓶，分屬2個冗余組。每個冗余組中，空壓機經起動空氣瓶為2臺柴油機提供起動空氣。2個冗余組中的充氣管路和起動空氣管路分別進行交叉連接并用隔離閥隔離，以便應急時2組設備可互為備用。

圖4 機艙左舷淡水冷卻系統

2個空氣瓶空氣分別減壓后在低壓側匯合，經空氣干燥器干燥后為日用壓縮空氣系統提供氣源。空氣干燥器設旁通閥，以保證干燥器故障時壓縮空氣應急使用。日用壓縮空氣系統與DP有關的空氣用戶有:海水箱吹氣、快關閥系統、分油機和舵槳剎車裝置。

壓縮空氣系統需考慮的故障點有:起動空壓機故障和空氣干燥器故障。

8 通風和空調系統

本船機艙配有2臺供風機，每臺風機設有獨立風道，布置在機艙左右舷。左舷風道為機艙左舷區域供風，右舷風道為機艙右舷區域供風。自然排風口布置在煙囪壁上。2號風機采用可逆風機。

艏推間配有2臺風機，1臺供風，1臺抽風。若1臺故障，另1臺能滿足房間換氣和設備風冷要求。

集控室配有2臺空調單元，1臺使用，1臺備用，為集控室內的配電板等電氣設備提供冷卻。

駕駛室和舵槳間各配2臺空調單元，1臺使用，1臺備用，為DP相關電氣設備提供冷卻。

上述同一處所的2臺風機或空調單元，電源需由左右冗余組配電板分別提供。

居住區中央空調系統雖然與DP系統無關，但考慮設備單點故障后仍需保障船上人員一定的舒適度，中央空調系統設計也應滿足冗余要求。本船空調壓縮機組配備2臺壓縮機，1臺使用，1臺備用，分別由左右冗余組配電板供電［1］。

通風和空調系統需考慮的故障點有:機艙風機故障、艏推風機故障、集控室空調故障、駕駛室空調故障、舵槳間空調故障和中央空調故障。出現上述任何1個故障點，2個冗余組的功能不會同時失效，滿足FMEA要求。

9 結語

經實船試航證明，該船動力定位輔助管路系統設計完全滿足ABS規范和FMEA要求，系統使用性能優異，安全可靠。通常，冷卻水系統是船上故障率相對較高的系統，但本船即使冷卻水系統主要設備出現單點故障，設備所屬冗余組功能都不會失效，船舶定位能力沒有任何降低。

在動力定位船舶輔助管路系統設計中，應靈活掌據規范對冗余的要求，不要將“冗余”與“備用”的概念混淆。“備用”的意思為:設備或部件處于準備狀態，可以隨時投入運行以支持或接管原設備或部件的功能。由此可見，“冗余”比“備用”在設備容量和數量方面要求更低。按備用理念設計系統，雖能滿足規范要求，但會增加船廠一定的建造成本。

［1］ 許文兵，向毅.深水鋪管起重船輪機管道系統設計研究［J］.中國造船，2014，55(2):187-194.