淺談特種海工作業船動力定位系統設計

翁 爽， 陸懿東， 桂滿海

(上海船舶研究設計院， 上海 201203)

淺談特種海工作業船動力定位系統設計

翁 爽， 陸懿東， 桂滿海

(上海船舶研究設計院， 上海 201203)

介紹了特種海工作業船動力定位系統的設計思路。依托某型深水海工作業船的研究、設計與建造，從船型設計入手，通過了解該船的作業區域、功能要求等，優化船舶設計，并從動力定位能力、測量與控制系統、電站系統、動力輔助系統等四個方面進行了設計優化。同時還介紹了所采用的動力定位系統設計方法的理論依據、具體系統配置和優化效果等。

海工作業船 動力定位

1 概況

隨著國家深水戰略的不斷推進，特種深水海工作業船舶需求不斷增加。在深水作業，環境條件惡劣，因此動力定位能力的好環是深水作業船舶的一個重要性能指標。如何擴大船舶在深海的作業窗口期，滿足在惡劣工況下，實現船舶作業功能的要求，提高船舶的作業能力，是現代特種深水海工作業船設計成功與否的關鍵技術指標。

動力定位系統的配置是能保證船舶保持某個固定位置或跟蹤預定的航跡以滿足特定的工作任務需要。動力定位系統是一個綜合系統，主要包括：動力系統、測量系統、推力器系統、遙控推力控制系統和計算機控制裝置。動力定位系統能根據船舶的實時位置與指定位置之間的偏差，對船舶各個推力器進行推力分配，使船舶保持在海上指定的位置和預定的航行軌跡。同時系統的冗余設計是動力定位系統的核心，決定著動力定位的等級。

某型深水海工作業船具有潛水支持、ROV作業支持、鉆孔取樣、大型海洋工程吊機等功能，是深水海洋石油開采的排頭兵。本文通過對該型深水海工作業船的動力定位系統進行設計研究，并依據安全性、先進性和實用性原則，結合工程美學設計，在突出船舶滿足海上作業功能需要的同時，提高船舶有效作業能力，在滿足需要的情況下，通過設計的優化進一步提升了船舶動力定位能力。

2 動力定位能力

特種海工作業船舶的動力定位能力一般都比較高，依托項目要求滿足國際海事組織(IMO)DP-2級動力定位能力的要求，也就是在最大單點故障發生時(一個艏部推進器和一個主推進器同時失效時)，船舶在所要求的環境條件下保持一定的位置和艏向(不失位)，如圖1所示。

動力定位能力與船舶主尺度、主推進器功率、艏側推個數和功率有著直接關系。基于依托項目的總體設計研發考慮，在初步認定主尺度、主推進功率和艏部推進器數量的前提下，通過計算，最后確定了艏部三個推進器的功率，達到ERN( 99.99.98)，實現了船舶所要求的動力定位能力。

(1) 動力定位能力計算。計算過程中假定外界環境力(風、浪和流)在同一個方向上作用于船上，此時為最惡劣條件。

計算中風的作用力采用的是“Blendermann” 方法，風力系數如圖2所示。計算中流的作用力采用的是“Modified strip-theory” 方法，流力系數如圖3所示。計算波浪漂移力采用的是經驗公式，波浪漂移力系數如圖4～6所示。

圖2 風力系數

圖3 流力系數

圖4 波浪漂移力縱蕩系數

圖5 波浪漂移力橫蕩系數

圖6 波浪漂移力艏搖系數

(2) 計算結果分析。在設計伊始，初步選定船舶的推進配置為：2個主推進器的功率為4 000 kW，2個隧道式艏側推的功率為2 000 kW，一個伸縮式的艏側推功率為1 200 kW。計算結果如圖7所示，在一個隧道式艏側推發生故障時，船舶能抵抗的外界環境是1.5 kn流和約30 kn 風。

圖7 動力定位計算結果(1個艏部推進器故障)

當船舶發生最大單點故障，即一個主推進器和一個隧道式艏側推同時發生故障時，船舶能抵抗的外界環境是1.5 kn流和約24 kn風，當流是2.0 kn時則是15 kn風,計算結果如圖8、9所示, 很顯然這種動力配置并不滿足項目任務書所要求的環境條件。

圖8 動力定位計算結果(1.5 kn流，最大單點故障)

圖9 動力定位計算結果(2 kn流，最大單點故障)

基于以上的計算，為了滿足任務書的要求，我們增大了伸縮式艏側推的功率，提高至1 500 kW。由于在船舶配電系統設計中保證了在最大單點故障中伸縮式艏側推始終能工作，因此提高該側推的功率是最有效地提高船舶動力定位能力的方法。圖10表明在所要求的外界環境條件即30 kn風、3 m有義波高和2 kn流作用下，船舶發生最大單點故障，即一個主推進器和一個隧道式艏側推同時不能工作時，船舶所配置的推進系統的能力是滿足2級動力定位要求的。

圖10 動力定位計算結果(給定條件，最大單點故障)

圖11則表明當外界環境條件增大到30 kn風、3 m有義波高和2.5 kn流，船舶發生最大單點故障，即一個主推進器和一個隧道式艏側推同時不能工作時，船舶所配置的推進系統的能力就不能滿足2級動力定位要求，這也說明現在的配置是滿足任務書所要求的條件下較為經濟的配置方案。圖12和圖13則表明了在給定2 kn流，推進系統沒有發生故障和發生最大故障時所能抵抗的風力和有義波高分別是47 kn風、9.3 m有義波高和21 kn風、3.4 m有義波高。

圖11 動力定位計算結果(2.5 kn流，最大單點故障)

圖12 動力定位計算結果(2 kn流，無故障)

圖13 動力定位計算結果(2 kn流，最大單點故障)

通過計算分析比較，確定了推進器的功率：

主推進2個，每個功率為4 000 kW；

艏部隧道式推進器2個，每個功率為2 000 kW；

艏部伸縮式推進器1個，每個功率為1 500 kW。

3 測量與控制系統

動力定位系統主要包括：電站系統、推進器系統、測量與控制系統。

動力定位系統的核心設備是測量與控制系統。通過監測船舶的位置狀態、電站負荷情況，發出推進器的控制指令，進行船舶控制模式的切換等。動力定位的測量與控制系統包括下列設備:

(1) 計算機系統(含顯示和報警裝置)；

(2) 推進器控制手柄；

(3) 推進器聯合控制手柄(Joystick)；

(4) 推進器自動控制系統；

(5) 位置參照系統；

(6) 傳感器系統。

圖14為動力定位系統的示意圖。

圖14 動力定位系統

依托項目從船型的作業功能特點出發，在滿足規范要求的前提下，進行動力定位測量與控制系統選型，確定最終配置如下：

1套雙冗余控制單元；

2臺操作站，設在后駕控臺；

3臺電羅經；

3臺風速風向儀；

3只運動參考單元(1只MRU5，2只MRU2)；

1臺DGPS；

1臺差分信號解碼器SPOTBEAM；

1套高精度水聲定位系統HiPAP；

1只標準信標，帶釋放裝置，3 000 m；

1臺SPT懸浮扼圈，3 000 m;

1套RADius位置參考系統;

1只RADius反射器;

1臺張繩系統(TAUT WIRE);

4臺不間斷電源(UPS);

1臺報警打印機。

雙冗余控制單元內部設有2套獨立的計算機控制系統，配有雙處理器、雙電源，以及模擬量、開關量輸入和輸出通道，滿足冗余要求，可實現動力定位系統數據采集、在線監測、動態分析、結果處理等功能。

2臺操作站內安裝有基于船舶數學模型的控制軟件，可檢測到數據的更改和信號的丟失或漂移。當檢測到有設備或傳感器故障時可將其斷開并發出報警，引起操作人員的注意。為滿足船舶操作功能的要求，控制軟件包括以下模式：聯合操作手柄模式；組合聯合操作手柄/自動模式；自動艏向模式；自動定位模式；目標跟蹤模式；自動舵模式等。動力定位系統各設備間接口如圖15所示。

圖15 動力定位系統接口示意圖

3.1 位置參照系統

位置參照系統能為動力定位操作提供足夠精確的數據, 當船舶偏離設定的航向或操作者決定的工作區域時，可自動發出聽覺和視覺報警。

依托項目位置參照系統配置為：1臺差分式衛星定位儀(DGPS)、1套高精度水聲定位系統(HiPAP)、1套RADius位置參考系統和1臺張繩系統(TAUT WIRE)。這些位置參照系統所采用的原理各不相同。依托項目設計作業水深達3 000 m，在水深超過500 m的海域，RADius和張繩系統(TAUT WIRE)將不能正常使用，只有1臺DGPS和1臺HiPAP可用。考慮到IMO/MSC/Circular 645 Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning Systems 中3.4.3.2的規定，我們將船上物探作業用的高精度DGPS信號也接入動力定位系統，以滿足冗余要求。

依托項目垂直面參照系統配置為：1只MRU5和2只MRU2，以監測船舶縱搖、橫搖和深沉起伏狀態。這些傳感器需安裝在振動小、且靠近船舶重心位置處。

3.2 控制系統

因此，如果以20%為一個分界線，可以大致判定魚粉中是否含有魚排粉，粗灰分含量的高低與魚排粉比例有直接的關系。當然，如果在蒸煮過程中添加的鹽過多，魚粉產品，尤其是全脂魚粉中的粗灰分含量也會相對較高。而單純的以魚排粉、魚片加工副產物為原料生產的魚排粉，其粗灰分含量則大于25%。

動力定位的控制系統包括：自動控制、聯合操縱手柄控制和推進器單獨的手柄控制。

聯合操縱手柄控制能實現對縱向推力、橫向推力、轉向力矩和這些推力分量的一切組合的控制。依托項目在后駕控臺設有聯合操縱手柄控制板，在駕駛室左、右兩舷設有插座盒，可與便攜式Joystick控制板連接。在前、后駕控臺設有5臺推進器的控制板，其上安裝有推進器的單獨控制手柄，可實現推進器起動、停車、推力方向和轉速的控制功能。

3.3 動力定位控制站

在后駕控臺設有兩臺動力定位控制站，滿足冗余要求。控制站采用船用工控機，由23寸彩色TFT液晶顯示器、操作面板、艏向輪、軌跡球等組成。

控制站在設計時，首先應確保熱備用，以便及時自動切換，滿足當1個DP操作站發生故障(包括電源故障、硬件故障或軟件故障)時，對整個DP系統不應產生直接影響。

其次控制站在設計時，應充分考慮到人體工程學和一人橋樓的要求，如圖16所示。

圖16 控制站區域示意圖

控制站上還設置有推進器不同控制方式的選擇模式開關，該選擇模式開關具有“一鍵切換”功能，即操作員只需一個動作就可切換所有推進器的工作模式，如“手動”、“Joystick”、“DP”等，可以保證單個故障不會導致所有推力器脫離自動控制方式。

4 電站系統

4.1 配電系統

主配電板的設計應確保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，通常考慮最惡劣的情況，即主匯流排直接短路。主匯流排設有兩個分段組。依托項目電力系統框架，如圖17所示。

圖17 電力系統示意圖

6.6 kV、690 V、400 V和230 V配電板都分別分為A、B兩段匯流排。#1、#2發電機連接至6.6 kV配電板的A排，#3、#4發電機連接至6.6 kV配電板的B排。左艉部主推進器、#1管隧式側推連接至6.6 kV配電板的A排，右艉部主推進器、#2管隧式側推連接至6.6 kV配電板的B排。艏部伸縮式側推由A、B兩排供電，且自動切換。其它與船舶動力定位相關的輔助設備，如空壓機、海水冷卻泵、淡水冷卻泵、機艙風機等，均應分別對應連接到400 V配電板A、B兩排，以滿足冗余供電要求。

當船舶工作在動力定位模式下時，6.6 kV、690 V、400 V和230 V配電板匯流排之間的聯絡開關應在斷開狀態。

依托項目400 V主配電板至應急配電板的饋電可以來自任一段400 V主配電板。在這種情況下，由任一段主配電板和應急配電板兩路供電的負載，其主配電板供電來自另一段主配電板或相應的分電箱。

電力系統在動力定位控制站內報警/顯示的相關參數如表1所示。

表1 控制站的報警和顯示

上述被監控參數可接入本船的機艙監測報警系統，該系統在動力定位控制站設有操作終端。

4.2 功率管理系統

依托項目配有功率管理系統(簡稱PMS)，圖18給出了系統框圖。

圖18 功率管理示意圖

電站管理系統用于控制和調節本船的中壓電網，包括4臺主發電機和1臺停泊發電機。電站管理系統在所有工況下為船舶用電設備提供足夠的電能，實現不間斷供電。此外，電站管理系統還應包含對中壓主配電板、主發電機和停泊發電機的保護監視功能，并對功率管理提供完善的可視化功能。

電站管理系統的硬件應采用冗余型可編程邏輯控制器、多功能保護繼電器以及觸摸式液晶控制顯示面板。電站功率管理的功能應由專用的可編程邏輯控制實現。電網和發電機的保護監視功能應由電子式多功能保護繼電器實現。電站管理系統的手動遙控功能和重要參數及狀態指示應由觸摸式液晶控制顯示面板實現。其功能主要包括：

(1) 電網失電時備用電源自動投入電網供電；

(2) 負荷超過整定值作報警并起動備用電源；

(3) 電網過載時自動卸載的功能；

(4) 電網負荷減少時運行發電機組自動解列；

(5) 重要負載順序重新自起動。

5 動力輔助系統

依托項目擬采用滿足DP-2級的動力定位系統，以確保船舶發生單點故障后，不至于失去定位能力，以致產生嚴重污染和重大經濟損失，并有可能給人員造成傷害。

動力輔助系統主要包括為主發電柴油機服務的燃油系統、滑油系統、冷卻水系統、壓縮空氣、通風系統，以及為推進器、變頻器和變壓器服務的冷卻水系統和空調通風系統。

國際海事組織MSC/Circ. 645《船舶動力定位系統指南》對于DP-2的船舶，關于動力輔助系統的要求比較籠統，只是要求：“……a loss of position is not to occur in the event of a single fault in any active component or system. ……”(“……由任何運動部件或者系統造成的單個故障不會引起失位。……”)以及“…… a single inadvertent act should be considered as a single fault if such an act is reasonably probable. ……”(“……任何具有相當可能性的無意動作不應被認為是單個故障……”)。

各大主流船級社對DP-2級動力定位輔助系統也有相關要求。在研究過程中，我們也參考了幾大船級社的一些相關要求，如：

(1) DNV DYNPOS-AUTR/DPS2附加標志的要求；

(2) CCS DP-2附加標志的要求；

(3) ABS DPS-2附加標志的要求等。

5.1 主發電柴油機輔助系統

本船設4臺發電柴油機，機帶燃、滑油泵，機帶高、低溫水泵。

(1) 燃油凈化系統。系統包括2臺燃油分油機，均為自清式分離機。每一分油機均組裝成一模塊，包括加熱器、濾器、控制箱等。分油機設有自己的起動控制箱，并提供必要的供水管路，且須設置單獨的電動油泵。其可對燃油艙，燃油沉淀艙，燃油日用艙進行分離，分離后至機艙內的燃油沉淀艙和日用艙。在機艙內設有兩只燃油沉淀艙，以便輪換使用。2臺分油機設有連通管，以防止一臺發生故障時，另一臺可用。兩臺分油機并聯使用。分油機設置就地手動控制，該控制處于最高優先級。另外，輸出公共報警，水份報警和油封故障報警至監測報警系統。

燃油凈化系統可通過機艙監測報警系統控制，也可通過機旁手動控制。系統設計如圖19所示。

圖19 燃油凈化系統

(2) 燃油日用系統。主發電柴油機燃用船用輕柴油，設2個燃油日用艙，由燃油日用艙引出各自的支管。

設2個獨立的燃油日用系統，每個獨立的系統應包括：1臺燃油供給泵；雙聯吸入濾器；2只流量計(供油和回油管路)。

各柴油機的回油經冷卻器流至燃油日用艙。在每臺柴油機的進油管和回油管上設置流量計以計量燃油的消耗。每臺柴油機配1臺電動燃油供油泵作為機帶泵的備用泵，為各主機服務，共4臺。(柴油機上應有備用接口, 濾器安裝在機體外部)。系統設計如圖20所示。

圖20 燃油供給系統

(3) 滑油系統。設2臺滑油分油機，每臺分油機為2臺主發電柴油機工作，全自動，自清式。分油機為模塊式，包括獨立的供油泵、加熱器、吸入濾器、控制箱和油渣柜。模塊上的油渣柜排至船上的油渣艙內。系統的設計應考慮在同一時間內只能對一臺柴油機抽油和回油。每一臺滑油分油機都可以為四臺主柴油機服務，可對主發電柴油機油底殼進行連續分油。每臺柴油機應有獨立的滑油循環系統，系統內包括必要的泵、濾器和冷卻器等。主發電柴油機采用濕式油底殼，機帶的主滑油泵通過吸入濾器從發動機濕式油底殼內吸油，經滑油冷卻器(附恒溫閥)、滑油精濾器至發動機各部件進行潤滑和冷卻。

4臺主發電柴油機共配一臺電動滑油泵作為備用泵。柴油機滑油油底殼可通過滑油輸送泵從儲存艙內抽油供給或由分油機供油。在備車狀態，柴油機通過預供油泵進行預潤滑。系統設計如圖21所示。

圖21 滑油供給、凈化系統

(4) 海水冷卻系統。4臺主發電機組設三套海水冷卻系統，每舷的2臺發電柴油機組配套一套，另一套為備用。每套系統包括： 1臺板式中央冷卻器，1臺電動海水冷卻水泵。主海水泵和備用海水泵可自動切換。

海水泵由海水總管吸水泵至中央冷卻器直接排出舷外，另一路返回海底門以控制進水溫度。

滿足DP-2級動力定位要求，海水冷卻系統必須要有冗余度，任何1個單點故障只能影響2臺主發電機組的操作。系統設計如圖22所示。

圖22 機艙海水冷卻系統

(5) 淡水冷卻系統。每臺發電柴油機和發電機設一套獨立的淡水冷卻系統。每套淡水冷卻系統由以下組成：

1臺主泵；1臺備用泵；1個膨脹水箱，由生活淡水系統補水，帶加藥口；1臺冷卻器(海/淡水冷卻器)。

柴油機冷卻水系統由一個低溫水系統，一個高溫水系統和一個預熱系統組成。低溫水系統包括空冷器和滑油冷卻器，也包括發電機冷卻器。高溫水系統包括缸套，缸頭和排氣系統非絕熱部分的冷卻。低溫和高溫水系統的溫度控制由柴油機上的溫控閥控制。三通溫控閥同樣用于低溫水系統以控制冷卻器的出口溫度。

根據制造廠的要求，一套帶泵的預熱器用于停車狀態下預熱柴油機用。預熱器和預熱泵做成模塊，預熱器采用溫度控制。

設置冷卻水泄放艙用于儲存塢修時系統內已處理過的淡水。系統設計如圖23所示。

圖23 主發電柴油機淡水冷卻系統

(6) 壓縮空氣系統。起動空氣分成兩個獨立的系統，每個系統的容量滿足2臺柴油機的需要。

兩個系統互相連通，設有隔斷閥，以避免其中一個系統出現故障時而無法使用。

設置2套獨立的控制空氣系統。

起動空氣瓶通過減壓閥提供控制空氣。

(7) 通風系統。設2臺軸流風機用于機艙送風。每個風機設有獨立的風管，任何1臺風機的風量可以滿足2臺柴油機正常工作需要的新鮮空氣量和2臺柴油機及附屬設備散熱通風要求，以確保在發生單點故障時，仍有2臺柴油機能正常工作。

5.2 其它設備輔助系統

(1) 海水冷卻系統。主推進裝置和艉部輔助設備的冷卻采用3臺海水泵，2用1備。配置3臺板式冷卻器，其中一臺備用。主推進裝置包括電動機，伺服油冷卻器，變壓器和變頻器等，艉部輔助設備包括平臺吊車和其他輔助系統。

海水泵由海水閥箱吸水泵至板式冷卻器直接排出舷外，另一路返回海底門以控制進水溫度。

輔助機械包括空調、冷藏、主空壓機、鉆機的主動補償液壓站等輔助系統，以及2臺側推及為側推服務的變壓器、變頻器等。設3臺為輔助機械冷卻用的海水泵，2用1備。為輔助機械配置3臺板式冷卻器，其中一臺備用。

輔助海水泵同時還提供海水給伸縮式舵槳冷卻器用，為滿足DP-2的要求，為伸縮式舵槳單獨設置一臺海-淡水冷卻器。

海水泵由海水總管吸水泵至板式冷卻器直接排出舷外，另一路返回海底門以控制進水溫度。艉部海水冷卻系統如圖24所示。

圖24 艉部海水冷卻系統

(2) 淡水冷卻系統。側推，伸縮式舵槳和其他輔助設備的淡水冷卻系統設置3套獨立的冷卻水系統，船的每舷一套。

其中的2套冷卻系統用于以下設備：起動空壓機；日用空壓機；冷藏壓縮機；空調壓縮機；側推的變壓器和變頻器；變壓器；側推的電動機；油冷卻器等。

第3套系統用于艏部的伸縮式舵槳：電動機、變壓器、變頻器和油冷卻器等。

淡水冷卻溫度通過安裝在中央冷卻器淡水側的三通溫控閥自動控制。艏部淡水冷卻系統如圖25所示。

圖25 艏部淡水冷卻系統

艉部主推進裝置和艉部輔助機械的淡水冷卻系統設3套獨立的淡水冷卻系統。艉部全回轉裝置連接2套冷卻水系統(一套推進裝置連接2套冷卻系統)：電動機、變壓器、變頻器和油冷卻器等。第3套系統用于海水平臺吊車和艉部其他輔助機械的冷卻。

淡水冷卻溫度通過安裝在中央冷卻器淡水側的三通溫控閥自動控制。艉部淡水冷卻系統如圖26所示。

圖26 艉部淡水冷卻系統

5.3 空調通風系統

空調通風系統主要考慮主要的電氣設備，包括變頻器、變壓器、配電板等能夠處于正常的工作狀態，不會因為環境溫度隨著設備散熱而提高，進而影響電氣設備的正常工作。空調通風系統的設計也考慮到了如果出現單個設備損壞，不至于影響所有電氣設備正常工作。

配電板間設2個獨立的風機盤管，每個100%制冷量，滿足推進器滿負荷工作時的散熱量，冷媒水來自中央空調冷水機組。

艏側推艙設有2個獨立的風機盤管，每個100%制冷量，滿足推進器滿負荷工作時的散熱量，冷媒水來自中央空調冷水機組。

中央空調冷水機組設2套獨立的壓縮冷凝機組(每套制冷量為總冷量的75%)，每套機組設有2套獨立的制冷回路，任何1個單點故障都不會影響中央空調冷水機組提供100%的制冷量。

主推進器艙設2套100%制冷量的獨立水冷柜機，由艉部低溫淡水泵提供冷卻淡水，該冷量滿足推進器滿負荷工作時的散熱量。

6 結語

特種深水海工作業船具有作業功能多的特點，這些作業都需要動力定位能力來保持船位或按照預先設定的航線航行，所以動力定位能力的實現需要應在綜合考慮這些作業工況、海上環境、船型和動力設備的基礎上進行選取。優秀的動力定位能力，確保依托項目可以在惡劣的海上環境下，完成鉆孔取樣、物探調查和海工輔助作業等多種作業。

高度的系統冗余能力，可以滿足系統在復雜海況條件下一旦發生意外，不會影響到作業安全和船舶安全。提高了依托項目的工作可靠性，確保依托項目具有足夠的市場競爭力，從而更好地為我國深水戰略服務。

[1] International Maritime Organization.Guidelines for vessels with dynamic positioning systems[S]. MSC Circular 645.

[2] 中國船級社.鋼質海船入級規范[S]. 2011.

[3] Det Norsk Veritus. Rules for Classification of Ships[S]. 2010.

[4] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing steel vessels[S]. 2011.

Discuss on Dynamic Positioning System Design in Special Offshore Construction Vessel

WENG Shuang， LU Yi-dong， GUI Man-hai

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203, China)

This article introduces the design thinking of dynamic positioning system in special offshore construction vessel. Taking a deepwater offshore construction vessel as an example, by understanding the operation area and operation requirements, the ship design is optimized from 4 aspects, which concludes dynamic positioning, measurement and control system, electric power station and force auxiliary system. The design basis, system configuration and optimization effect of the dynamic positioning system are detailed provided.

Offshore construction vessel Dynamic positioning

翁 爽(1981-)，女，海洋工程部電氣科科長助理。

U662

A