DP—3動力定位冗余系統設計與分析

賀蓓蕾　徐俊路　于明

摘要：介紹國際海事組織對DP-3動力定位冗余系統的基本要求，分析目前主流的設計與系統布置上的要求。通過實際的工程實例，對比分析兩種不同的設計思路以及兩種冗余系統FMEA的接受標準，可作為工程設計的參考。

關鍵詞：動力定位；冗余；DP-3

中圖分類號：U662 文獻標識碼：A 文章編號：1006-7973（2016）06-0036-02

隨著海洋鉆探從淺海向深水及超深水區域發展，傳統的錨泊定位系統錨鏈長度和強度都要增加，進而船舶重量增加，鉆井甲板上的可變載荷減小，設備布置困難等缺點隨之出現。同時，錨泊定位系統也有自身的缺點，其較低的彈性和流體動力阻尼等使船舶一直暴露在風浪流的影響下，操作性和安全性都受到影響。因此，發展高性能的動力定位系統（Dynamic Positioning System）成為深水海洋鉆探的趨勢。

自上個世紀60年代起，伴隨著北海區域以及墨西哥灣海上油氣田的開發，幾大船級社、當地行業組織以及國際行業協會等對動力定位系統規范進行了大量的研究，并出臺了眾多的規范。1994年國際海事組織出臺了MSC Circ.645《GUIDELINES FOR VESSELS WITH DYNAMIC POSITIONING SYSTEMS》作為目前對動力定位系統的一個統一的法定要求。隨后，以DNV、ABS、LR、CCS等船級社為代表，以MSC Circ.645為基本準則，相繼發展了自己的最新規范。

1.DP-3動力定位系統冗余理念的發展

雖然從20世紀早期已經有很多國外公司研究生產船舶、海洋平臺的動力定位系統，但是從真正意義上的自動動力定位系統起源于1961年，當時采用了四點系泊加四臺手動可調螺旋槳，另外艏艉各配備一臺360度全回轉推進器，1971年自動動力定位系統第一次應用于航海鉆井。隨著技術的發展，1980年，全球衛星定位系統（GPS）被引入，大大提升了系統的定位精度。直到現在，DP-3動力定位系統的設計與物理雙冗余的高冗余度概念以及閉環電網技術的采用，大大提升了系統的可靠性，并且降低了系統能耗。

根據MSC Circ.645通函的基本準則，DP-3動力定位系統與DP-1以及DP-2動力定位系統的根本區別就在于系統設計的冗余度高低。對DP-3動力定位系統的設計以及圖紙審查核心就是確認其系統布置冗余度是否滿足規范要求，并且在建造完工后要通過FMEA試驗驗證其冗余功能達到預期的設計。

行業規范的制定與區域性行業的發展是密不可分的，由于北海地區以及墨西哥灣海上油氣田的開發，也直接促使了DNV和ABS動力定位規范的發展。因此，目前的動力定位系統規范主要以DNV和ABS為代表。與其相對應，國際上動力定位系統的設計與圖紙審查形成了兩大理念：完全冗余理念與不完全冗余理念。

2.IMO通函以及各船級社規范對DP-3動力定位的要求

動力定位系統發展到今天，其基本的結構主要由動力系統、推進器系統、控制系統以及傳感器等系統組成。IMO、DNV以及ABS以及其他船級社或組織對DP-3動力定位系統的系統布置與設備配備的要求基本是一致的，簡要說明如表1所示：

MSC Circ.645通函對DP-3動力定位系統的基本要求：在系統出現單項故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，可在規定的環境條件下，自動保持平臺或船舶的位置和艏向。DP-3動力定位系統的單項故障的界定包含一個艙室進水或者失火，因此，上表中描述的物理冗余系指冗余系統或設備與主系統之間應進行分艙布置，并進行水密和A60防火的隔離，這是DP-3設計的核心原則。

3.分析對比兩種不同的冗余度設計理念

由于動力定位系統的綜合性、復雜性，在實際的設計以及工程應用中，僅僅依靠MSC Circ.645通函中的基本要求往往不足以指導具體的工程實踐。因此DNV和ABS通過大量的工程實踐，在其規范體系中給出了一些具體的實際應用注釋，在這些注釋中就體現了他們各自對DP-3冗余系統的理解。下面以兩個DP-3冗余動力定位系統中的子系統的設計為例簡要說明其區別：

3.1動力系統一燃油系統

一般歐洲設計公司設計的DP-3冗余燃油系統在燃油柜、燃油供給泵及其電源、燃油管線的布置上是完全冗余的，即完全布置在其對應的機艙內，然而在燃油凈化環節，即分油機的布置則不進行完全冗余，在冗余機艙外布置單獨的分油機間，向幾個冗余機艙同時供給燃油，且燃油凈化單元的供電電源沒有冗余布置的特別要求。這種系統設計進行FMEA分析時，認為即使分油機間完全喪失，各冗余機艙內的燃油柜還有燃油供給，DP-3控位能力不會即刻喪失。DNV對這種設計是給予認可的，其布置如圖1所示。

而美國設計公司的理念則為完全冗余，即燃油系統中的燃油柜、燃油泵及其電源、燃油管線以及燃油凈化單元完全冗余，完全布置在其對應的機艙內，此時，每個機艙內的燃油凈化單元由本機艙內發電機供給，即完全冗余的對應關系。這種設計在做FMEA時，不存在上述分油機間的完全喪失的故障模式，每個機艙內的燃油系統與發電機組都自成系統，冗余機艙之間不會存在故障的蔓延。ABS在DP-3的設計上認可這種設計理念，其布置如圖2所示。

3.2動力系統一起動空氣系統

起動空氣系統兩種不同的DP-3冗余設計理念的原則與上述燃油系統基本相同，即每個冗余的機艙內有專供本機艙使用的起動空氣瓶，正常情況下其內充滿符合起動要求的壓縮空氣。非完全冗余設計時，在機艙外部設有一個獨立的起動空壓機室，可用于所有冗余機艙的空氣瓶充氣，空壓機的供電電源沒有冗余布置要求，這種設計理念在FMEA時，認為即使空壓機室完全喪失，各冗余機艙內仍然有起動空氣用于必要時的發電機組起動，不會喪失DP-3控位能力。而在完全冗余設計時，每個機艙都有自己專用的空氣瓶和空壓機用于發電機組的起動，且空壓機的供電電源與其所在機艙的發電機組成冗余對應關系，即其電源來自其所在機艙的發電機組。在FMEA時，各個冗余機艙之間沒有相互影響。其布置區別如圖3所示。

3.3冗余度高低的取決

在近些年來的實際工程設計中，除了上述燃油系統和起動空氣系統外，其他的諸如海水系統、淡水系統、滑油系統等動力定位子系統的設計，在完全冗余與非完全冗余之間，也或多或少的存在一些差異。如采用完全冗余的設計時，系統的冗余度高，然而卻需要更多的設備，在有限的機艙空間內將導致設備布置困難，船舶自重增加以及設備的供電更為復雜等缺點，因此在DP-3動力定位系統的設計時，冗余度選擇與系統設備布置之間存在一個平衡關系，不同的船級社有不同的要求，另外還要根據作業沿岸國對動力定位系統的冗余要求來進行選擇。

4.結語

兩種不同的DP-3冗余設計理念在設備布置以及建造及維護成本上有著較大的差異。無疑，完全冗余設計的成本及設備布置難度較大，但其冗余系統的可靠性更高。兩種不同的設計理念目前在行業內仍然存在一定的爭論，哪種更為合理在此不作討論。但是這兩種設計理念都已經通過大量的實際工程的實踐驗證，可作為實際工程設計的參考。