深水半潛修井平臺電力系統FMEA關鍵點

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(大連船舶重工集團有限公司， 遼寧 大連 116005)

0 引 言

隨著科學技術的發展和油氣能源需求的增大，海洋油氣資源開采已經從淺水走入深水，動力定位(Dynamic Positioned, DP)系統廣泛應用于各種深水鉆井平臺、鋪管船、海工支持船等海工裝備。由于深海環境嚴酷，為了保證DP系統的可靠性，國際海事組織和各船級社都要求：任何DP 2和DP 3船舶均需進行故障模式及影響分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA)。電力系統作為DP系統的子系統，是平臺發電和輸配電的重要系統。因此，對電力系統FMEA關鍵點的研究具有重要意義。

DP船舶應取得船級社的某動力定位入級符號，以證明DP系統滿足該符號的相關技術要求。目前，對取得DP 2或DP 3某入級符號船舶的DP系統FMEA研究已經較多，但是對同時滿足DP 2和DP 3要求，可在兩種模式下自由轉換的DP系統FMEA鮮有介紹。本文以一型動力定位深水半潛修井平臺為例，分析兼顧DP 2和DP 3兩種模式的電力系統的FMEA關鍵點。

1 故障模式及影響分析

FMEA是一種能分析和識別產品、服務或工藝過程中各種潛在的故障模式，確定其優先等級，并對其中的薄弱環節和關鍵項目采取改進措施的系統分析工具，是“事前預防”，而非“事后糾正”[1]。DP FMEA的目的是分析驗證動力定位系統的冗余度，以確保船舶在任何最大單一故障下仍有能力自動保持位置和艏向。DP FMEA的分析范圍隨船型不同而有所不同，典型的DP FMEA范圍包括：電力系統、推進系統、DP控制系統、安全系統和輔助系統。

FMEA使用風險等級來標記DP系統潛在故障，根據風險等級的大小判斷是否有必要進行改進或確定改進的緊迫程度，進而以較低的成本減少故障損失，提高DP系統的可靠性。風險等級由故障的發生概率和嚴重程度組合獲得，風險等級=發生概率×嚴重程度，風險等級劃分矩陣見表1。風險等級高的潛在故障被定義為A類推薦項，須立即整改，以滿足船級社規范要求；風險等級中或低的潛在故障被定義為B或C類推薦項，可以與船舶所有人協商是否整改以及整改計劃[2]。

表1 FMEA風險等級劃分矩陣

2 項目簡介

該平臺采用2個浮體、4根立柱、雙層甲板箱形式，將在巴西、墨西哥灣等溫和海域作業，最大作業水深為2 400 m，最大鉆井深度為8 500 m，入級ABS船級社，取得DPS-3船級符號，是一型以修井為主、鉆井為輔的新型半潛平臺。平臺的發電機系統為6臺5 500 kW柴油發電機，配電系統為11 kV、440 V、230 V高/低壓系統，推進器為6臺3 500 kW全回轉推進器。電力系統可以在DP 3模式開環運行；也可根據船舶所有人要求，在1臺發電機維修的前提下，在DP 2模式下閉環運行。電力系統單線圖如圖1所示。為滿足DP 3要求，平臺的發電、配電、推進器和相關輔助系統被分割為4個獨立的DP組，DP組之間均采用水密和A60級防火艙壁隔離，DP設備分組如圖2所示。

圖1 電力系統單線圖

圖2 DP設備分組布置圖

3 電力系統FMEA關鍵點

根據ABS定義，“閉環”是一種操作模式，在此模式下，所有或大部分母排與所有或大部分配電盤是連接在一起的，即配電盤內部和配電盤之間的母聯開關是閉合的。與閉環對應的操作模式是“開環”，此時所有母聯開關均打開[3]。在閉環模式下電力系統將形成1個或2個整體系統，須統籌考慮各元件之間的控制和保護；在開環模式下每段母排都是一個獨立部分，可獨立自主運行。

3.1 配電盤保護

對于DP 2閉環模式，除了常規配電盤保護設定，發電機開關與母聯開關之間以及母聯開關與母聯開關之間的選擇性保護和方向性保護均需重點考慮；在DP3開環模式下，僅需要設計常規的發電機開關與下游開關之間的選擇性保護，方向性保護不適用。

該平臺的11 kV配電盤為發電機開關和母聯開關配備了GE Multilin系列保護繼電器，這些保護繼電器通過以太網連接組成環網拓撲結構，同時按照選擇性保護和方向性保護的要求合理設定保護繼電器，從而使配電盤可以快速、有效地隔離故障部分。FMEA試驗了兩種短路故障：(1)通過電流發生器模擬電流互感器反饋的母排短路信號，保護繼電器收到該信號后，按照預設邏輯脫扣該段母排相關的母聯開關和上/下游開關，同時電站管理系統(Power Management System， PMS)發出母排短路報警。(2)模擬母聯開關短路，保護繼電器將故障母聯開關脫扣，同時PMS發出母聯開關短路報警，發電機開關和下游開關狀態不變。

3.2 柴油機調速器

調速器通過調節柴油機燃油供應來控制柴油機轉速和有功功率輸出[4]。在DP 3開環模式下調速器僅能控制單臺柴油機，但在DP 2閉環模式下，調速器則通過負載分配線實現并聯運行發電機的同步模式有功負載分配，如果負載分配線故障，所有在網發電機將自動轉換至下降模式進行有功負載分配。

該平臺采用Woodward 828電子調速器，在DP 2閉環模式下選擇柴油機同步負載分配功能時，6個調速器通過負載分配網絡(LON總線)連接，形成冗余LON總線環網，而傳統的模擬量負載分配線僅作為備用，LON總線和負載分配線不可以同時使用，如圖3所示。

圖3 調速器網絡示例

LON總線用來傳遞交換調速器之間的用功負載分配數據，FMEA重點分析試驗了調速器和LON總線故障。如果1條LON總線出現短路或短線的故障，調速器可以自動切斷到備用LON總線，隔離故障LON總線，并向PMS發出次要報警。如果2條LON總線同時故障，調速器將自動轉換至下降模式，并向PMS發出主要報警。如果調速器故障，受影響的發電機將從電網中解裂，剩余的發電機重新分配負載，并向PMS發出報警。

3.3 電站管理系統

PMS在電力系統開環和閉環時都可以運行。對于DP 2閉環模式，失電恢復、功率儲備、功率限制等3個功能則非常關鍵，在系統設計和FMEA時應充分關注。

失電恢復功能是指在整個電網失電時，能夠按照預設邏輯快速啟動發電機和并網發電，推進器應能盡快啟動，恢復平臺的定位能力。不同船級社和石油公司對失電恢復的時間要求從45 s到180 s不等。功率儲備功能是指為提高電力系統可靠性，在網發電機的容量需大于負載功率，差值部分作為儲備功率以補償發生故障后的發電機容量損失。PMS根據功率需計算運行發電機的數量，儲備功率值也需實時顯示在PMS和DP控制站上。功率限制功能是指當電網突然出現故障時，PMS可以暫時減少功率消耗以穩定電網，避免全船失電。對于鉆井平臺，該功能主要是暫時降低推進器變頻器和鉆井變頻器輸出。

該平臺在FMEA試驗時，通過切斷PMS供電、硬線信號和通信鏈路等方式模擬PMS的各種故障，同時觀察上述3個功能的運行情況是否正常。

3.4 發電機調壓器

調壓器(Automatic Voltage Regulator， AVR)通過調節發電機勵磁來控制發電機電壓和無功功率輸出[4]。在DP 3開環模式下，AVR僅能控制單臺發電機，但在DP 2閉環模式下，AVR則通過通信網絡連接實現并聯運行發電機在同步模式下的無功負載分配。如果網絡故障，所有在網發電機將自動轉換至下降模式進行無功負載分配。

該平臺采用Basler DECS-250電子AVR，當DP 2閉環模式選擇發電機同步無功負載分配功能時，6個AVR通過無功負載分配網絡連接，形成單個環網。無功負載分配環網用以傳遞交換AVR之間的無功負載分配數據，FMEA重點分析試驗了AVR和無功負載分配環網故障。如果AVR故障，受影響的發電機將從電網中解裂，剩余發電機將自動轉換到下降模式，并重新分配無功負載。如果無功負載分配網絡故障，所有在網發電機將自動轉換到下降模式，并向PMS發出報警。

3.5 保護系統

發電機保護系統是不同于傳統發電機和配電盤保護，專門用于閉環電力系統或增強型DP系統的智能發電機保護系統，實時探測發電機組和配電盤主要元件的運行狀態，如果發現某個發電機可能出現故障，可極快地從電力系統提前隔離該發電機，避免故障發電機影響其他正常發電機以至全船失電。

該平臺采用通用電氣公司的增強型發電機保護系統(Enhanced Generator Monitoring System, EGMS)，每臺發電機均配備1套EGMS。在FMEA試驗時，通過切斷EGMS的供電、硬線信號，以及切斷EGMS與調速器、調壓器與EGMS之間的通信鏈路等方式模擬EGMS的各種故障，從而驗證上述任何單點故障不會影響電力系統供電能力。

3.6 故障穿越

短路及其導致的開關分閘會造成電力系統瞬間電壓降，故障穿越是指電氣設備應能夠承受一段時間短路導致的欠電壓而不失效，從而允許電力系統保護裝置有時間隔離短路故障的能力[5]。電力系統的發電機、配電盤都應具備故障穿越能力，以使短路故障導致的瞬間電壓降不會使平臺失去定位能力。為了提高電力系統故障穿越能力，常用方法有：(1)高壓配電盤、低壓配電盤和推進器變頻器的控制回路由不間斷電源(Uninterrupted Power Supply， UPS)供電。(2)避免某個DP設備使用雙路電源自動轉換，尤其避免雙路電源來自不同的DP組，因為電源自動轉換裝置故障可能造成兩路供電源頭配電盤的故障，從而同時影響兩個DP組。如果必須使用雙路電源自動轉換電路，則需作針對性的電壓降穿越計算，分析電源自動轉換裝置故障對DP系統造成的影響。

由于電力系統包括眾多電氣設備和電子原件，FMEA大都通過設備廠家提交的計算報告來分析評估故障穿越能力，如果做實船試驗只能做配電盤的實際短路試驗，但大部分船級社對此沒有強制要求。除了電力系統，船級社對計算機系統、網絡系統、通風系統等DP相關系統的故障穿越能力也有要求，需提交相關計算報告進行分析評估。

3.7 隱藏故障

隱藏故障是指操作和維護人員不能立即發現的故障。若系統中存在隱藏故障，且系統沒有提醒操作人員，則可能會發生對船舶定位產生重大影響的進一步故障，而此情況應作為單一故障考慮。FMEA會分析電力系統所有主要設備的隱藏故障以及可能造成的進一步故障和需要采取的措施[6]。常見的隱藏故障有：PMS軟件故障、開關機械故障導致無法打開/閉合、沒有自檢測功能的傳感器故障等。

DP 3開環模式與DP 2閉環模式電力系統FMEA關鍵點對比見表2。

表2 DP 3開環與DP 2閉環電力系統FMEA關鍵點的主要差異

4 結 語

出于節能減排的考慮，近年來越來越多的船舶所有人希望電力系統可以在閉環模式下運行。雖然閉環模式具有減少燃油消耗、減少機組維護時間等優點，但是從上述分析可知：DP 3開環模式的電力系統將被分割為4個母排部分，每部分獨立運行；DP 2閉環模式電力系統則需要考慮各母排部分之間的相互影響，其控制保護功能較開環模式更復雜、嚴格。因此，閉環模式才是電力系統FMEA的重點和難點，無論是FMEA還是電力系統設計，都需給予足夠關注。對于DP 3開環模式，FMEA的重點則是DP組分割和失艙分析，需要挑選很多典型艙室進行失艙試驗。

FMEA是DP系統設計的重要環節，只有通過了DP FMEA分析和試驗，才能證明DP系統滿足船級社規范要求。電力系統設計人員在設計過程中須時刻秉承提高系統可靠性的理念，與FMEA團隊持續溝通，及時整改設計缺陷，實現對電力系統設計的過程分析和控制，真正做到“事前預防”。不應把設計驗證完全依賴在FMEA分析和試驗上，如果此時再發現電力系統的某些重大缺陷，可能對系統設計、生產以及平臺建造、調試帶來重大負面影響。