“華虎”號深遠海工作船配電系統故障模式及影響

丁俊元，張 敏，肖 婷

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設計有限公司，武漢 430060)

“華虎”號深遠海工作船配電系統故障模式及影響

丁俊元，張 敏，肖 婷

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設計有限公司，武漢 430060)

以“華虎”號深遠海工作船的電力分配系統為研究對象，為避免在設計中出現重大的顛覆性錯誤，提高船舶系統的可靠性，在船舶系統風險評估中，用故障模式與影響分析技術作為風險分析方法，分析出配電系統所有故障模式、故障原因及其在DP模式下的影響， 驗證該船具備DP-2定位能力。

深遠海工作船；配電系統；故障模式及影響分析

工程技術人員在進行產品、工藝設計時，都自覺或不自覺地聯想自己的設計能否在實際操作中實現，有哪些因素對它產生影響或設計本身會對哪些方面產生影響等，但少有對其進行系統、量化地預測和評估并采取必要的防范措施，故障模式影響分析(FMEA)是解決此問題的有效方法[1]。FMEA是通過對一個系統的功能或硬件的分析來判斷每一個潛在的故障對系統的影響，提出減輕故障后果的措施的分析方法。因此特別適合在制定船舶規范、初步設計和審圖階段應用，預測可能存在的設計缺陷和不足。本文在分析“華虎號”船配電系統設計的基礎上，通過故障模式影響分析(FMEA)，逐個找出每種模擬情況下的所有故障模式，分析這些故障模式對于船舶在DP工況下定位能力的影響，從而檢驗該船舶配電系統的設計是否滿足規范對于DP-2附加標志的要求。

1 “華虎”號船配電系統介紹

“華虎”號船是武昌船舶重工有限公司為上海打撈局設計和建造的目前功率最大的海洋平臺工作船，能夠為深遠海石油平臺提供操錨、拖帶、供應以及守護等多種服務，同時還可作為工作母船向ROV和飽和潛水提供支持。

該船四機雙槳，每臺主機功率4 000 kW，設置2臺功率為2 500 kW的PTO軸帶發電機、2臺功率為400 kW的柴油發電機組以及1臺250 kW的停泊/應急發電機組，總功率為6 050 kW。電制采用三相三線AC400 V，50 Hz。

正常航行時1臺軸帶發電機向全船供電，另1臺備用，備用發電機能自動啟動，并連接至主配電板。進出港、拖帶、操錨(DP-2)時，2臺軸帶發電機分區供電，1臺軸帶發電機向1臺伸縮舵槳裝置和1臺艉側推供電，另1臺軸帶發電機向1臺艏側推和另1臺艉側推供電，同時向全船其他負載供電。兩臺軸帶發電機不能長期并聯運行，可以短時并聯作負載轉移。2臺柴油發電機組能長期并聯運行，也能與任何1臺軸帶發電機作短期并車，用以負載轉移。柴油發電機組作為正常航行的備用機組。

圖1為該船的電力系統單線圖。#1、2號軸帶發電機(SG1、2)和#1、2號柴油發電機(DG1、2)分別對應#1～4 AC400 V主匯流排，他們之間采用聯絡開關進行連接。#3、4號AC400 V主匯流排經由2臺容量為200 kVA的主變壓器(T1、T2)向#5、6號AC220 V匯流排供電。應急AC 400 V匯流排也是經由聯絡開關與#3 AC400 V 主匯流排連接，并經過兩臺容量為40 kVA的應急變壓器(T3、T4)向應急AC220 V匯流排供電。為主機、柴油發電機服務的風機、油泵、水泵等動力系統的負載掛在#3、4 AC400 V主匯流排下；貨物系統、側推、拖纜機液壓泵站電機等大功率用電負載及非動力系統的負載掛在#1、2 AC400 V主匯流排下。照明系統、居住艙室生活及設備的控制用電等負載，按照規范要求，相應地掛在正常或應急AC 220 V匯流排下。

圖1 “華虎”號電力系統單線圖

對于要取得DP-2附加標志的船舶，CCS規范上明確提出：主配電板要布置成不因單個故障造成電源的全部中斷，這里的單個故障是指任何系統或部件的技術特性的破壞。主匯流排應至少由2個部分組成，任一部分任何原因失電都應有充足的可用功率向船舶的基本日用負載和重要操作負載供電，同時能在規定的環境條件下在規定的作業范圍內保持船舶位置[2]。即通常要求的任何一個單點故障不能引起船舶的失位，其核心思想是設計的冗余性。

2 “華虎”號配電系統可靠性分析

主配電板共19屏，匯流排也分為2個部分，之間有空氣開關連接。冗余左側包括：1號400 V饋電屏A、1號400 V饋電屏B、1號400 V饋電屏C、1號400 V饋電屏和1號艉側推屏、3號匯流排和艏側推屏、1號柴油發電機屏以及1號軸帶發電機屏。冗余右側包括：同步屏、2號柴油發電機屏、2號軸帶發電機屏、4號匯流排和伸縮舵槳屏、2號艉側推屏、2號400 V饋電屏A、2號400 V饋電屏B、2號400 V饋電屏C。柴發匯流排1號聯絡開關和軸發匯流排2號聯絡開關連接到2個冗余組。根據兩組的冗余性，400 V和220 V系統被分為2部分，每一部分的DP關鍵用戶負載如下冗余分組。

1)左側400 V冗余分組。

①艏側推馬達起動器。

②1號艉側推馬達起動器。

③左舵機2號液壓泵起動器。

④P3(3號400 V分電箱):1號齒輪箱預潤滑泵、艏側推室風機、左CPP滑油重力油柜壓力泵起動器。

⑤P5(5號400 V分電箱): 舵機艙風機、Hipap 提升單元。

⑥左側滑油分油機控制柜。

⑦左側滑油分油機電加熱器。

⑧左側燃油分油機控制柜。

⑨1號主變壓器 T1。

⑩3號組合起動屏MCC3: 1號主機預潤滑泵、1號主機滑油備用泵、1號主機燃油供給泵、2號主機燃油供給泵、1號主機高溫淡水泵、2號主機高溫淡水泵、2號主機預潤滑泵、2號主機滑油備用泵、1號淡水冷卻泵、2號淡水冷卻泵、左海水冷卻泵、左燃油輸送泵、1號機艙風機。

2)左側2 200 V冗余分組。

①1,3,5,7,8號照明分電箱。

②2號 24 V充放電板 B2。

③無線電220 V分電箱。

④3號220 V電力分電箱 3PL: 1號主機淡水冷卻溫控閥、2號主機淡水冷卻溫控閥、左淡水冷卻系統溫控閥、左推進控制系統電源、左推進控制系統UPS電源、1號主機電源單元、2號主機電源單元。

⑤220 V 應急配電板: No.2 充放電板、No.3 充放電板、集控室220 V分電箱 LD3、前駕控臺220 V分電箱 LD1、后駕控臺220 V分電箱 LD2。

3)右側400 V冗余分組。

①伸縮舵槳推進變壓器。

②2號艉側推馬達起動器。

③右舵機2號液壓泵起動器。

④2號CPP液壓控制單元。

⑤2號主啟動空壓機。

⑥P4(4號400 V分電箱): 2號齒輪箱預潤滑泵、右CPP滑油重力油柜壓力泵起動器。

⑦P8(8號400 V分電箱): 移向變壓器預充磁，冷卻風機、變頻器1號冷卻水泵、變頻器2號冷卻水泵、伸縮舵槳液壓泵起動器、伸縮舵槳升降泵起動器。

⑧右側滑油分油機控制柜。

⑨右側滑油分油機電加熱器。

⑩右側燃油分油機控制柜。

4)右側220 V冗余分組。

①2,4,6,9,10號照明分電箱。

②3號 24 V充放電板 B3。

③航行燈控制板。

④集控室220 V分電箱 LD3。

⑤前駕控臺220 V分電箱 LD1。

⑥后駕控臺220 V分電箱 LD2。

⑦4號220 V電力分電箱 4PL: 3號主機淡水冷卻溫控閥、4號主機淡水冷卻溫控閥、右淡水冷卻系統溫控閥、右推進控制系統電源、右推進控制系統UPS電源、3號主機電源單元、4號主機電源單元、伸縮舵槳驅動系統UPS。

5)電力分配系統故障模式分析。

“華虎”動力與推進系統兩冗余分組布置見圖2。

圖2 “華虎”動力與推進系統兩冗余分組布置

由圖2可見電力分配系統的各個單點故障會對全船動力與推進系統造成什么影響，進而判斷其設計是否滿足了DP-2附加標志的相關要求，詳盡的故障模式影響分析見表1。

3 結速語

FMEA應用于系統設計中是一個反復和逐步深化的過程，通過對“華虎”號電力系統的故障模式及影響分析，找到了船舶電力系統所有可能的故障模式、發生故障的原因、故障對整個系統的最終影響及嚴重程度。驗證了電力系統在自身單點故障時任然滿足DP系統定位能力的需求，其設計是符合船舶DP-2附加標志要求的。

表1 “華虎”號配電系統FMEA表

[1] 居季成，徐名聰，喬 靚.失效模式及后果分析的運用[J].現代制造工程,2004(6):83-86.

[2] 中國船級社.中國船級社鋼質海船入級規范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 趙俊豪.基于模糊FMEA的實習船主機系統安全評估[D].大連:大連海事大學,2007.

[4] 王紹印.故障模式和音響分析(FMEA)[M].廣州：中山大學出版社,2003.

[5] 馬 超，莊亞鋒，陳俊英.船舶動力定位系統技術[J].中國造船,2009(11)：52-57.

[6] 沈錦康.動力定位船舶的FMEA介紹[J].江蘇船舶,2010(6)：26-29.

[7] 竹建福,許樂平.FMEA在船舶系統風險評估中的應用[J].世界航運,2006(4):22-24.

[8] 王 民.FMEA在大型高速客滾船上的應用[J].現代船機維修技術,2005(8)：417-425.

[9] 曹召鋒,闞樹林,王錫雄,等.基于FMEA的調距槳液壓系統可靠性分析[J].液壓與氣動,2014(7):69-72.

[10] 繆燕華,吳斐文.動力定位工程船設計技術研究[J].上海造船，2010(1):46-50.

FMEA in Power Distribution System of Huahu Deepwater Multi-purpose Offshore Ship

DING Jun-yuan, ZHANG Min, XIAO Ting

(CSIC(Wuhan)Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430060, China)

In order to avoid major disruptive error in the design and improve the reliability of marine systems, the failure mode and effects analysis (FMEA) is an efficient and common method for risk analysis in risk assessment of marine systems. The power distribution system of Huahu deepwater multi-purpose offshore ship is taken as an example, all of the failure modes, failure reasons and the effect in DP mode are found, which can validate the vessel has DP-2 ability.

deepwater multi-purpose offshore ship; power distribution system; FMEA

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.006

2015-05-11

國家發展改革委2013年海工裝備研發及產業化專項基金

丁俊元(1982-)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0023-05

修回日期：2015-06-02

研究方向:船舶電氣

E-mail: dingjunyuan@163.com