DP-3海工船舶動力輔助系統優化設計

邵建練 何慧彬 賈蓉萍

（1. 上海佳豪船海工程研究設計有限公司 上海 201612；2. 上海振華重工（集團）股份有限公司 上海200125）

引 言

近年來，隨著海洋開發事業的不斷發展，傳統的多點錨泊定位系統已不能滿足深海定位作業的需求，因此越來越多的海洋工程船采用動力定位系統，尤其是針對類似潛水支持船、大型起重船等對其作業情況下船舶定位要求極高的船舶，一套安全、可靠、具有足夠冗余度的動力定位系統對其至關重要。

國際海事組織（IMO）根據動力定位系統功能以及設備冗余度，將動力定位系統分為三個等級：DP-1、DP-2、DP-3，從系統功能、冗余度及安全等方面要求來講，DP-3為最高級別要求，其具體定義 為：安裝有動力定位系統的船舶，在出現單個故障（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，在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和首向［1］。

整個動力定位系統主要包括：動力系統（包括發電機、原動機、配電板及電站管理系統等）、推進器系統、控制系統（包括動力定位控制系統、位置參照系統及傳感器等）。發電機、原動機、推進器是動力系統及推進器系統的主要設備，也是船舶實現動力定位的最直接的執行設備。本文所述動力輔助系統即是保證上述主要設備正常運行的關鍵，其設計的可靠性、安全性以及冗余性將直接影響船舶的定位能力。

1 動力輔助系統組成

本文所述動力輔助系統主要包括：

（1）燃油系統

系統包括服務于發電機組或原動機的燃油供應系統及內部輸送系統，以實現用油設備的持續正常供油。

（2）滑油系統

系統包括服務于發電機組或原動機及推進器的滑油系統，以保證上述設備工作時候正常潤滑冷卻。

（3）冷卻水系統

系統包括服務于與動力定位相關設備（諸如：發電機組或原動機、推進器、變壓器等）的海水及淡水冷卻系統，以有效控制上述設備持續運行期間的工作溫度。

（4）壓縮空氣系統

系統包括服務于發電機組或原動機以及推進器等設備的壓縮空氣系統，以提供發電機組或原動機的正常起動用氣及相關控制氣源的供給。

2 動力輔助系統設計

與常規船舶動力輔助系統設計相比，DP-3動力定位船舶的動力輔助系統除了滿足常規船舶的基礎要求以外，還需做到在出現單個故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，不會因部分動力輔助系統的失效，導致超過允許范圍的發電機或原動機、推進器丟失，從而使船舶無法繼續在規定的環境條件下維持定位。因此，DP-3動力定位船舶的動力輔助系統需要進行FMEA分析（故障模式分析），分析各種假定的單點故障情況下，是否會因為部分動力輔助系統的失效而導致船舶無法維持定位。

為滿足上述要求，各大船級社對動力輔助系統設計的基本規范要求如下：

（1）中國船級社

不同DP分區動力輔助系統管系不應穿越同一個艙室，當不可避免時，對應管系應采用A60通道隔離，這種方式僅適用于布置在非高度失火危險區處所的管系。［2］

（2）美國船級社

不同DP分區動力輔助系統管系應相互隔離，如有聯通管應在隔離艙壁兩端設隔離閥且常閉。［3］

（3）挪威船級社

不同DP分區動力輔助系統管系應相互隔離，如有聯通管應在隔離艙壁兩端設隔離閥且常閉。［4］

從以上規范要求可知，各大船級社對動力輔助系統規范要求主體基本一致，即要求各DP分區的動力輔助系統應完全獨立。

下文通過舉例的方式闡述DP-3動力定位船舶動力輔助系統設計技術，在滿足DP-3動力定位相關規范及FMEA分析（故障模式分析）要求的基礎上，同時提出優化設計方案。對于常規船舶對動力輔助系統設計的通用性要求本文不作贅述。

下頁圖1為某DP-3海洋工程船舶“DP區域劃分圖”。由該圖可知，本船包含4個DP分區。每個DP分區包括2臺推進器及2臺主發電機組，對應關系如下頁表1所示。

本船為了滿足DP-3要求，根據動力定位能力分析最大允許損失一個DP分區，因此對應動力輔助系統的設計基本原則就是：在出現單個故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，不會導致超出一個DP分區以上的動力設備丟失（主要是對應分區的主發電機組及推進器）。根據該原則，下文對每個動力輔助系統的設計以及優化設計方案進行說明。

圖1 DP區域劃分圖

表1 各DP分區對應設備

2.1 燃油系統

本船的燃油系統旨在服務于4個DP分區的總共8臺主發電機組，根據前文提到的各船級社的基本規范要求，各DP分區的燃油管系應完全獨立，按照常規，該處的燃油管系主要指直接服務于主發電機組的燃油日用管系及凈化管系。

為保證每個DP分區燃油系統完全獨立，本船4個DP分區均設置一套如圖2所示的燃油日用及凈化系統服務對應分區主發電機組，且各DP分區之間由A60級防火絕緣且水密的艙壁隔離，這樣即可滿足在出現單個故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）后，最多只會導致一個DP分區燃油系統失效，最多丟失2臺主發電機組，船舶仍能保持定位。

圖2給出了典型的一個DP分區燃油日用及凈化系統設計的兩個方案（方案2為優化設計方案），均可滿足本船DP-3入級規范要求及FMEA分析（故障模式分析）的基本要求。

圖2 燃油日用及凈化系統圖

方案2相對方案1的區別在于：

（1）每臺發電機通過獨立的柴油日用柜，并采用獨立的燃油供油管系供油至發電機，沒有共用的柴油日用柜及供油管系；

（2）每個柴油日用柜通過獨立的分油機及沉淀油柜補油。

方案2設計的優勢在于：在出現非整艙損失的單個故障后（比如某段管路破損及某臺分油機損壞等情況），僅會導致一個DP分區內的1臺發電機組損失，只有在由于失火或進水導致的整個艙室損失的情況下才會導致一個DP分區內的整個燃油系統丟失，從而同時損失兩臺發電機組。方案2的設計能大大提高在常規單點故障（非失火或進水導致的整艙損失）下燃油日用及凈化系統的可靠性，從而能夠有效提升船舶動力定位的安全性。

此外，即使各大船級社對燃油系統關注的重點在于直接服務于發電機組或原動機的燃油系統（如圖2所示），但出于實際使用情況考慮，還應考慮到在出現單個故障（包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失）情況下，除故障區域外的其他DP區域的柴油沉淀艙是否能持續補油從而保證剩余發電機組或原動機的持續運行，如不能，需要證明單個故障后剩余DP區域內的柴油沉淀艙及日用艙的艙柜總容積能夠滿足船舶故障后安全退出DP操作所需時間內正常運行，以保證船舶安全。但實際設計過程，很難知道具體的安全退出動力定位操作所需時間，為此，燃油輸送系統的設計最好能夠滿足在單個故障情況下為除故障區域以外的其他DP區域內的柴油沉淀艙持續補油。如圖3所示，整個燃油輸送管系設計為環形總管，并在每個DP區域之間的隔離艙壁上兩端設置隔離閥。在某個DP區域出現故障（如失火或者浸水）的情況下，可以通過設置在隔離艙壁兩端的隔離閥隔斷故障DP區域，從而保證其他DP區域可實現持續補油。

圖3 燃油輸送系統圖

由以上分析說明可知，對于DP-3動力定位船舶，除滿足DP-3入籍規范要求及FMEA分析基本要求外，燃油系統優化設計關鍵在于：

（1）就單個DP分區的燃油系統，不應僅僅考慮滿足基本規范要求，同時應該盡可能保證每臺發電機或原動機的供油系統相對獨立，更大地提高船舶動力定位的安全性及可靠性；

（2）燃油輸送系統也應合理考慮冗余設計，以便故障后其他安全DP區域實現持續補油。

2.2 滑油系統

常規來說，所有發電機組或原動機、推進器的內部滑油系統基本都是各自獨立，且依據各設備商廠家標準圖紙設計，均能滿足上述規范要求［5］。對于發電機組的滑油系統除了設備內部潤滑以外，還涉及外部滑油的凈化。

圖4給出了典型的一個DP分區滑油凈化系統設計的兩個方案（方案2為優化設計方案），均可滿足本船DP-3入籍規范要求及FMEA分析（故障模式分析）的基本要求。

圖4 滑油凈化系統圖

方案2相對方案1的區別在于：單個DP分區內的2臺發電機組采用獨立的滑油分油機及凈化管系。方案2設計的優勢在于：在出現非整艙損失的單個故障后（比如某段管路破損及某臺分油機損壞等情況），僅會導致一個DP分區內的1臺發電機組損失，只有在由于失火或進水導致的整個艙室損失的情況下才會導致一個DP分區內的整個滑油凈化系統丟失，同時損失2臺發電機組。方案2的設計能大大提高在常規單點故障下（非失火或進水導致的整艙損失）滑油系統的可靠性，從而能夠有效提升船舶動力定位的安全性。

由以上分析說明可知，對于DP-3動力定位船舶，除滿足DP-3入級規范要求及FMEA分析基本要求外，滑油系統優化設計關鍵在于：就單個DP分區內，各設備除內部滑油系統獨立以外，設備正常使用需要用到的外圍滑油系統（如滑油凈化系統）最好也完全獨立，可更大的提高船舶動力定位的安全性及可靠性。

2.3 冷卻水系統

一般來說，DP相關的冷卻系統主要包括推進器冷卻水系統及發電機組或原動機冷卻水系統。

圖5給出了典型的一個DP分區發電機組冷卻水系統設計的兩個方案（方案2為優化設計方案），均可滿足本船DP-3入級規范要求及FMEA分析（故障模式分析）的基本要求。

圖5 發電機組冷卻水系統圖

方案2相對方案1的區別在于：單個DP分區內的2臺發電機組采用獨立的海、淡水冷卻系統，而且兩個系統之間的泵組仍然通過跨接管聯通并在聯通管上設置隔離閥。方案2設計的優勢在于：在DP模式下，2臺發電機組冷卻水泵聯通管上隔離閥關閉，在出現非整艙損失的單個故障后（如某段管路破損等情況），僅會導致一個DP分區內的1臺發電機組損失，只有在由于失火或進水導致的整個艙室損失的情況下才會導致一個DP分區內的整個冷卻水系統丟失，同時損失2臺發電機組。方案2的設計能大大提高在常規單點故障（非失火或進水導致的整艙損失）下冷卻水系統的可靠性，從而能夠有效提升船舶動力定位的安全性。

推進器的冷卻水系統原則上是各DP分區的冷卻水系統相互獨立即可，也就是說只要屬于同一個DP分區的推進器可以共用一套冷卻水系統（包括海水及淡水冷卻系統）。但一般來說，同一個DP分區的推進器都相距較遠，因為只有這樣才能讓事故后損失的推力不會集中在船體某一區域，這樣分組對事故后船舶的DP能力是有很大提高的。也正因此，使得同一DP分區推進器采用一套冷卻水系統變得困難，這樣會使冷卻水管路跨越整船且不可避免需要設置管弄用于避免上述冷卻水管穿過其他DP分區，而且同樣會有上述發電機冷卻水系統方案1的問題，即在出現非整艙損失的單個故障后（比如某段管路破損等情況），會導致同一DP分區的所有推進器都損失。因此，作為優化方案，建議同一DP分區的各推進器冷卻水系統也完全獨立，尤其是淡水冷卻水系統，各推進器的淡水冷卻水系統可以布置在對應推進器艙。而由于海水箱往往僅在每個DP分區的機艙附近設置，很難每個推進器設置一對海水箱，因此，同一DP分區的各推進器的海水冷卻泵可集中布置于對應DP分區的機艙內，海水冷卻管路按照圖7各DP分區控制空氣管路的布置方法布置。

其他DP相關設備的冷卻水一般根據布置位置由就近的發電機組淡水冷卻系統或推進器淡水冷卻系統提供，如各推進器的變頻器、變壓器及變頻器室空調等冷卻水一般由對應推進器淡水冷卻水系統提供。各DP分區的日用變壓器、配電板間空調等冷卻水一般由對應分區的發電機淡水冷卻系統提供。

由以上分析說明可知，對于DP-3動力定位船舶，除滿足DP-3入級規范要求及FMEA分析基本要求外，冷卻水系統優化設計關鍵在于：就單個DP分區內，發電機組或原動機（含其附屬設備）、推進器的冷卻水系統最好完全獨立，尤其是淡水冷卻系統由于管路復雜、服務的冷卻設備較多，出現管路泄漏、油污染、積氣等情況的可能性較大。因此，單個DP分區內各關鍵設備淡水冷卻系統建議完全獨立，更大地提高船舶動力定位的安全性及可靠性。

2.4 壓縮空氣系統

壓縮空氣系統主要用于發電機組或原動機起動用，以及相關設備控制氣源供給。因此，常規整個壓縮空氣系統分為：起動壓縮空氣系統以及控制壓縮空氣系統兩個系統。

下頁圖6給出了本船起動壓縮空氣系統設計的兩個方案（方案2為優化設計方案）。需要注意的是：單點故障后，船舶是否仍然具備動力定位能力是基于在線運行的推進器和發電機組分析的，即單點故障后重新起動并投入運行的推進器或發電機組不會被當做對船舶動力定位能力有貢獻?；谏鲜鲈?，用于起動發電機組的起動壓縮空氣系統一般在進行FMEA（故障模式分析）時不會被特別關注，僅會作為次級系統提供一些建議要求，但前提是起動壓縮空氣系統僅用于發電機組的起動，不用于發電機組正常運行時候的控制氣源供應。圖6中的兩個起動壓縮空氣系統設計方案都能滿足本船DP-3入籍規范要求及FMEA分析（故障模式分析）的基本要求。

方案2相對方案1的區別在于：在每個DP分區均設有獨立的起動空壓機實現持續供氣。方案2設計的優勢在于：在DP模式下，起動壓縮空氣系統各聯通管上的隔離閥需保持關閉以避免單個DP區域壓縮空氣管泄漏而導致其他DP區域壓縮空氣同樣泄漏。在隔離閥關閉的情況下，方案2可實現各DP區域起動壓縮空氣持續供氣，即使該起動空氣同時用于對應DP區域發電機組控制空氣的供給，方案2仍然能夠滿足相關規范及動力定位要求，而方案1能夠滿足要求的前提是該壓縮空氣系統僅用于發電機組起動。

圖6 起動壓縮空氣系統圖

圖7 控制壓縮空氣系統圖

圖7為本船控制壓縮空氣系統圖，由于控制空氣一般可視為持續消耗用氣，而且一般是設備正常運行所必須。因此，由該圖可知本船每個DP分區均設有各自獨立的空壓機，并且空氣瓶可實現各DP分區控制空氣的持續供給，而對于穿過不同DP分區的控制空氣管路采用A60絕緣通道隔離。

圖7設計方案是比較理想的，完全實現了各DP分區控制壓縮空氣獨立的設計理念。

但是控制壓縮空氣系統需要負責向全船設備提供控制壓縮空氣，管路走向復雜，某些處所很難做A60絕緣通道隔離不同DP分區控制壓縮空氣管路，對于這類情況可以考慮為每臺DP相關設備（主要是發電機組及推進器）單獨設置一臺空氣瓶并與對應服務的設備布置在一起，不同設備的上述空氣瓶可來自同一氣源補氣。這樣的話即使在故障情況下氣源丟失，也能保證每個設備有自己獨立的氣瓶供氣，從而可以不需要 為不同DP分區的供氣管路做A60絕緣通道隔離，但是這樣做的前提是：每個設備配置的獨立氣瓶應有足夠容量，至少保證船舶安全退出動力定位操作所需時間內對應設備的持續供氣。這類設計方案是個別案例，具體需以船級社及FMEA（故障模式分析）第三方要求為準。

由以上分析說明可知，對于DP-3動力定位船舶，起動壓縮空氣系統優化設計關鍵在于需確認該系統是否同時用于向動力設備提供控制空氣。如是的話，則各DP分區需實現獨立供氣并持續供氣，反之則可不考慮滿足冗余要求。

控制壓縮空氣系統優化設計的關鍵在于：

（1）每個DP分區控制壓縮空氣系統應完全獨立。如果有不同DP分區管路穿越同一處所，那么必須相應控制壓縮空氣管系采用A60結構通道隔離。

（2）若實在無法實現控制壓縮空氣完全隔離，可考慮為DP相關且需用氣的設備單獨各配置一個控制空氣瓶，并與對應設備布置在一起。這樣即使氣源丟失，各設備還有自身控制空氣瓶可用于故障后安全退出動力定位作業。

3 結 語

動力定位系統是目前大多海洋工程作業所必須應用的技術，該系統的安全冗余度直接決定海洋工程作業安全。DP-3海洋工程船舶動力輔助系統直接服務于發電機或原動機、推進器，其系統設計不應僅滿足基本規范要求，應在規范要求的基礎上，結合各船實際情況，選擇更為安全、可靠的設計方案。