滿足安全返港要求的起重鋪管船電氣設計淺析

孫 蕾 梁 榮 朱暉宇 藍文昊

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.交通運輸部廣州打撈局 廣州510260）

引 言

起重鋪管船是海洋工程船的一種，同時具備起重和鋪管兩種功能，主要用于海上大型結構物吊裝和海底石油或天然氣管道的鋪設作業等工程，屬于高附加值船舶。本文以某型深水起重鋪管船為例（以下稱本船），探討滿足安全返港要求的起重鋪管船的電力系統設計和安全返港要求對電氣系統設計的一些影響。

1 船舶簡介

本船作為特種用途船舶，在海上進行起重或鋪管施工作業時，包括船員在內，可能同時有350 人在船上工作。根據《特種用途船安全規則（2008）》要求，本船是適用載運240 人或以上的特種用途船舶，應按照客船設計［5］。同時滿足2010 年7 月1 日以后建造、船長≥120 m 或具有3 個（或以上）主豎區以及客船這3 個條件。根據SOLAS I-2 章第21 和22 條、II-1 章第8-1 條的要求，在火災或進水事故未超出規定的事故界限，并提供了能夠滿足乘客和船員的基本生活要求的安全區域的情況下，本船有能力依靠自身動力，安全返回最近的港口。

根據起重鋪管船的作業特點，在起吊重物或鋪管作業時，船舶需要對抗受到的各種外力（如風、浪、流、慣性、起吊物狀態或管線的拉力等），保持所希望的位置和艏向，如果發生失去船舶位置或艏向的情況，將產生難以預料的后果。因此，本船配備了DPS-2 附加標志的動力定位裝置，在發生單點故障時，可最大限度地保證船舶和人員安全。

本船配置了6 臺5 530 kW 主柴油發電機組、2臺5 500 kW 主推進器、5 臺3 500 kW 可伸縮式全回轉推進器和1 臺1500kW 艏側推、鋪管設備和起重機等。發電機及其輔助泵、推進器和配電板分別布置在兩個機艙、泵艙、主推進器艙和高低壓配電板間，艙室之間為A 級分隔（見圖1）。

圖1 發電機及推進器分布

2 安全返港的相關概念

當發生進水或者火災事故時，會導致船舶部分受損，用于航行和應對緊急情況的推進系統、滅火系統、排水系統、通信系統等可能都無法正常工作，影響船舶的正常航行和應急響應，對船舶和人員的安全構成嚴重威脅。SOLAS II-2/21.4 條標識了14個重要系統，要在事故界限以內保持運行，包括推進、操舵系統和操舵控制、導航、燃油注入傳輸和服務、內部通信、外部通信、消防總管、固定式滅火、火災探測、艙底和壓載、動力操作的水密和半水密門、支持安全區域的系統、進水探測和主管機關認為對控制損害有至關重要影響的系統。當超過火災事故界限，但不超過一個主豎區時，需有6 個系統仍能維持運行，包括消防總管、內部通信、外部通信方式、可轉移消防水的艙底水系統、脫險通道、集合站和救生設備登乘站的照明、撤離引導系統。

就失火而言，事故界限的劃分，取決于該原發處所是否設有固定滅火系統保護［4］：

（1）若原發處所設有固定滅火系統保護，事故的受損范圍為從原發處所直至最近的“A”級邊界，該邊界可以是原發處所的一部分；

（2）若原發處所未設有固定滅火系統保護，事故的受損范圍為從原發處所相鄰處所直至最近的“A”級邊界，該邊界不是原發處所的一部分。

就進水而言，事故界限為任何單個水密艙室進水時。

表1 簡單描述了事故程度與操作措施的關系。

表1 事故程度與操作措施的關系

當船上的某些處所中不存放可燃材料、易燃液體或可燃氣體，也沒有安裝配電板和相關電氣設備等時，這些處所發生火災的危險可以忽略不計，即可被認為是非失火源處所，如：空艙、管弄、電纜通道和儲存滅火劑的艙室等。

3 電力系統設計的研究

3.1 電力負荷分析

本船既可用于海上大型結構物吊裝，也可用于海底石油或天然氣管道的鋪設作業。用電設備眾多且復雜，對本船進行電力負荷分析，需分別計算動力定位生存、動力定位鋪管、動力定位起重、航行、定位錨鋪管、定位錨起重、進出港、停泊和應急這幾種工況。

在計算某種工況的電力負荷時，需要了解此時有哪些設備需要同時工作？哪些設備因為單點故障而不能工作？然后分析其負荷狀態及負荷系數，包括在這種工況中推進器的功率的不同需求，在動力定位能力分析之后，可按其分析結果來對應各推力器的功率，因此DP 能力分析中的工況和電力負荷計算中的各個DP 工況是一一對應的。

在計算三種動力定位工況時，還需分別計算完整工況和3 種高壓配電板各母排分別發生單點故障工況的電力負荷：

（1）DP 生存工況下的環境條件惡劣，6 臺發電機組并聯運行，當發生單點故障時，如果高壓配電板某段母排負荷率過高，DP 系統應及時限制推進器所用功率，并通過改變艏向來減少推進器的功率。

（2）DP 鋪管工況，正常狀態有1 臺發電機備用，當發生單點故障時，如果電站實際負荷率過高，功率管理系統應根據實際電站功率，決定是否起動備用發電機組。

（3）DP 起重工況，當第2 段母排發生單點故障時，由于主吊機是由第1 段供電的，此時第1 段母排負荷率過高，功率管理系統應及時限制主吊所用功率。

需要特別注意的是：本船還需滿足安全返港要求，即當發生不超過事故界限的火災或進水事故時，剩余的電站容量還可滿足安全返港要求。此時應計算包括SOLAS 第II-2/21.4 條定義的所有重要系統和21.5.1.2 條定義的支持安全區域用電的電力負荷平衡，并應考慮這些設備可能會同時工作。

考慮最嚴重的火災或進水事故，分為以下3 種工況：

（1）其中1 個高壓主配電板室發生火災事故，將損失相應的高壓主配電板，從而導致損失對應機艙的3 臺發電機組和主推；

（2）其中1 個主推進室發生火災或進水事故，將損失對應的主推進器；

（3）其中1 個泵艙發生火災或進水事故，將損失3 臺柴油發電機組的柴油循環泵，從而導致損失相應機艙的3 臺發電機。

分別對這3 種工況進行電力負荷計算，校核在發生事故后，剩余的船舶電站是否還有能力進行安全返港。

3.2 確定發電機及匯流排結構型式

接下來要確定發電機及匯流排結構型式，DPS-2 要求需滿足在最壞的單點故障時能夠保持定位能力。單點故障狀況中必須考慮配電板匯流排的故障［3］，這既牽涉到匯流排上供電的發電機，又關系到對推進器的饋電。匯流排設計時必須考慮這兩方面的組合失效對動力定位能力的影響。本船的高壓配電板，設計了六段匯流排，各匯流排之間由真空斷路器連接（見下頁圖2）。

動力定位作業時，所有匯流排閉合，440 V 配電板和220 V 配電板聯絡開關始終斷開工作。通過定向短路保護和定向接地故障保護將高壓配電板的最嚴重故障限制在一段母排內，即一段母排發生單點故障，不會影響其他段母排。

3.3 饋 電

本船為DPS-2 附加標志，由于需滿足在最壞的單點故障時的定位能力，推進器需按照布置位置的不同以及發生單點故障時，對定位能力影響最小的情況，由各分段匯流排合理均衡地饋電。為了滿足在單點故障時不致影響船舶的位置和艏向，因此必須考慮與動力定位有關的發電機、推進器和舵機等設備的輔助供電的冗余性。由于本船440 V 配電板和230 V 配電板只分成2 段，如果其中1 段配電板發生短路，將會影響幾臺推進器的輔助供電，因此各推進器的輔助供電分電箱需由兩個440 V 配電板或230 V 配電板兩路電源供電，延時1～2 s 自動切換。還有一種做法是將為推進器服務的輔助設備，按各自推進器分開并由同段匯流排或對應的低壓匯流排饋電，即440 V 配電板和230 V 配電板也相應地分成6 段。這樣不僅使饋電系統相互不受影響，也減少了自動切換，但相應會增加設備成本。

安全返港分析時還需對重要系統的饋電進行評估。逐個對在火災事故發生時的原發處所和受影響的處所或進水事故發生時的水密艙室內SOLAS II-2/21.4 條標識的14 個重要系統的電氣設備和電纜可能的受損情況進行分析，這些重要系統是否還能夠在事故界限以內維持運行。當超出事故界限時，支持有序撤離的6 個系統仍能維持運行。

圖2 起重鋪管船高壓配電板分段

4 安全返港要求對相關電氣設計的影響

4.1 航行設備

根據《特種用途船安全規則（2008）》的要求，航行設備的配置需滿足SOLAS 第V 章的要求即可。為滿足安全返港要求，用于導航、定位和探測碰撞危險的必要設備在安全返港時應可使用，并應能按照現行的《國際海上避碰規則》配備適當的燈光信號顯示。即需要考慮當駕駛室發生事故界限內的火災事故之后，航行所必需的設備應能在駕駛室之外未受火災影響的處所仍可維持操作。本船在橋樓甲板尾部設有作業控制室，作為起重和鋪管作業的控制中心，與駕駛室之間有A 級分隔。因此考慮將航行所必需的設備在作業控制室進行冗余設計，解決方案如下頁表2 所示。

4.2 內部通信

內部通信可以通過任何有效的便攜式或固定通信手段來實現。控制站和執行安全返港操作位置之間可以進行雙向通信，舉例說明如下：

（1）控制站包括：橋樓/備用橋樓、集控室、安全中心和消防控制站等；

表2 解決方案

（2）安全返港操作位置：舵機室、機艙、需要手動操作的處所和消防/防損控制站等。

對于便攜式通信設備，應在多于1 個主豎區配置充電裝置，以保證其充電能力。

由于本船需滿足客船要求，公共廣播系統至少應有兩個在整個線路上完全獨立的回路，并應有兩個分開和獨立的擴音器。同時為滿足安全返港的要求，需在不同的防火區內配置至少雙套廣播擴音器，因此將一套擴音器配置在儀表間，另一套配置在報務間。在同一區域至少配備由連接在不同擴音器上的兩路揚聲器回路，在最嚴重情況時損失一套擴音器，還有連接在另一套擴音器上的揚聲器可以工作，但強度會有所減弱。此系統全部使用耐火電纜，中間不能使用接線盒；則可認為當一路擴音器所在的處所或揚聲器回路中間某處所發生事故界限內的火災事故時，廣播兼通用報警系統在其他未受事故影響的主豎區可維持操作。

4.3 外部通信

根據《特種用途船安全規則（2008）》的要求，無線電通信系統的配置需滿足SOLAS 對貨船的要求即可。而為滿足安全返港要求，即在主GMDSS設備損失時，船舶可通過GMDSS 或者海事VHF 和航空波段報警頻率對外通信。需要對無線電通信系統的配置進行改造。

解決方案有以下兩種：

（1）配置雙套GMDSS 設備，分別布置在報務室和作業控制室；

（2）在報務室配置主GMDSS，在作業控制室配置一套帶航空波段的海事VHF。

對比這兩種方案，顯然第二種方案配置更簡單，更經濟。

4.4 火災報警系統

根據SOLAS 的要求，本船需滿足對載客超過36 人的客船要求，在服務處所、控制站和起居處所，包括起居處所的走廊、梯道和脫險通道，應安裝和布置固定式探火和失火報警系統，以探測這些處所的煙霧，探火報警裝置集中于一個連續有人值班的集中控制站，故在駕駛室配置了一套可尋址式火災報警系統主控板。而為了滿足安全返港要求，考慮最嚴重的故障工況為安裝火災報警主控制單元的處所發生事故界限內的火災，因此在作業控制室還配置了1 套主控板，2 套主控制單元之間熱備，每一火災報警回路的兩端分別連接在2 套主控板上，此系統全部使用耐火電纜，中間不能使用接線盒，則可認為當1 部主控單元所在的處所或回路中間某處所發生事故界限內的火災事故時，火災報警系統在其他未受事故影響的主豎區可維持操作。

4.5 照 明

（1）安全區域：在未受事故影響的安全區域設置足夠的照明或者使用便攜式蓄電池燈，在每個安全區域提供足夠的充電器。

（2）機械處所：在安全返港時，在所有需要進入的機械處所設置提供固定照明。

（3）需要手動操作的處所：在事故后需要進行人工操作的設備處所設置足夠的照明，用于安全進入。

（4）逃生路徑、集合站和登艇處：提供足夠的主、應急照明。

4.6 耐火電纜的使用

使用滿足IEC60331-1 和IEC60331-2 標準的耐火電纜穿過發生火災的非服務區域時，視為可維持運行，而且在受火災影響的區域內應沒有電纜連接、接頭和設備連接。

5 結 語

安全返港規定的實施對航運業帶來了一定的影響，尤其是對載運超過240 人的特種用途船的設計、建造、檢驗及營運產生了很大的影響。我們可以通過分隔、雙套、冗余或保護等設計方法，讓工程船自身安全性能有極大的提升，自救能力進一步增強。在一定的條件下，讓船舶成為自身的“救生艇”。