動力定位船舶電站閉排運行的設計研究

余小青

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

船舶電站是以電力作為主要動力輸出的核心設備，其配置的合理性和安全性是設計時首先應該考慮的問題，對于電站閉排運行的DP船而言，在設計時，除了需要考慮電站自身的基本要求，還需要考慮DP系統和閉排運行對電站的額外要求，這些要求更多地體現在船舶電站的安全性上，一旦船舶電站出現故障，會直接導致DP系統失效，從而導致船舶失位而產生重大安全隱患，因此，這方面的研究非常必要。

1 DP系統等級劃分

根據DP系統的配置冗余情況，一般可以劃分為三級，DP-3為最高等級，如下：（1）DP-1，可以在規定的環境條件下自動保持船舶的位置和艏向，同時，還應設有獨立的集中手動船位控制和自動艏向控制。（2）DP-2，在出現單個故障(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)后，可以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艏向。（3）DP-3，在出現任一故障(包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失)后，可以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艏向。

2 DP船舶電站設計基本要素

（1）原動機及其輔助系統如供油、供水、供氣等系統。

（2）發電機組配置，發電機組容量需要通過電力負荷計算書來確定，滿足在各種DP作業模式下的電力需求。

（3）配電盤系統，通常對于DP船其配電盤供電形式可以分為以下三種：①開式供電，在DP模式下每段配電盤分段獨立供電（圖1）。②閉排供電，在DP模式下每段配電盤連成一段總排供電（圖2）。③閉環供電，指在DP作業時各段配電盤首尾相連形成環狀對外供電（圖3）。

圖1

圖2

圖3

（4）二次分配電系統：①輔助系統配電盤；②輔助系統組合和獨立啟動器；③輔助系統獨立組合和獨立分電箱；④不間斷電源（UPS）。

3 DP船舶電站設計的基本原則

（1）安全穩定原則。DP船在海上作業時，DP系統的安全穩定是需要優先考慮的，一旦DP系統失效，可能會使船舶失位從而發生事故，為了確保DP系統的安全，在設計船舶時，需要優先確保船舶電站的安全性，因為船舶電站的安全性是DP系統最重要的安全支撐，大量的DP船事故分析表明事故原因與船舶電站存在直接或間接的聯系。

（2）冗余原則：①配置冗余，配置冗余是指根據系統功能需求設置兩套或多套設備和元器件，當其中某一套失效時，其余硬件依然能夠保證設備的正常運行。②功能冗余，功能冗余是指不同系統和設備對同一系統和設備具有同樣的功能支撐，當一項功能失效時，其他功能能夠起到替代補充的作用。

（3）供電時間最短原則：①控制回路由UPS持續供電，當外界電源失效時，UPS依然能夠保持控制回路的主接觸器在一段時間內閉合，當電源再次恢復供電，負載在不需要重新啟動的情況下繼續運行。②控制回路延時脫口，當外界電源失效時，原控制回路中主接觸器通過延時脫扣器的延時保護，可以讓接觸器主觸頭保持很短時間，這種脫扣器的延時動作一般由主觸頭內的內置電容來實現。當電源在很短的時間內再次恢復，負載在不需要重新啟動的情況下繼續運行。③記憶啟動，當外界電源失效時，主控制回路完全失電，負載停止運行，但當再次恢復供電時設備可以自動運行，啟動器內配置的PLC具有記憶功能，它可以還原設備斷電前的狀態，當主控制回路恢復供電，PLC自動發出啟動命令以恢復到斷電前的狀態。④順序啟動，當外界電源失效時，主控制回路完全失電，負載停止運行，當再次恢復供電時，啟動器內的時間繼電器開始工作，當達到時間繼電器的設定時間，系統會自動依次重啟負載。

4 發電機組保護

發電機組從結構來看分為原動機和發電機，原動機是發電機的驅動設備，原動機發生故障會導致發電機無法正常運轉，因此，發電機組的保護也分為原動機保護和發電機保護，從保護原理來分可以分為機械保護和電氣保護。機械保護是指物理保護如壓力、溫度等，電氣保護則需要結合發電機在電網中的各項電氣參數如電壓、電流、頻率、功率是否正常來綜合判斷。

4.1 機械保護

（1）原動機保護，當原動機發生了很嚴重的故障時，影響足以對原動機造成損壞，如嚴重機械故障、機械磨損、發生火災或爆炸。例如，發動機超速，滑油壓力低，燃油溫度高，曲拐箱油霧濃度高等。當發生這些故障后原動機的控制系統將立即執行發動機停車保護讓發動機停止。

（2）原動機報警，當出現一些故障但這些故障不會對原動機造成致命損傷，發動機依然可以運行一段時間，系統觸發報警，船員可以通過故障類型來決定是否停車。

（3）發電機保護，發電機主要的機械保護有發電機軸承溫度、三相繞組溫度、冷卻空氣溫度，泄漏報警。當報警值超出設定值后，也會觸發報警停車。

4.2 電氣保護

發電機組的電氣保護是一個龐大的系統，從配電結構來看，配電盤是發電機對外供電的中樞，配電盤主要承擔發電機組的電氣保護功能，配電盤的主開關配置了繼電保護裝置（Relay），它是整個電網保護的核心部件，繼保采集電網的各項參數，當出現故障時，它會通過數據分析及保護設定來判斷以何種方式對電站進行保護。通常會執行脫扣保護和停車。

4.2.1 電站管理系統（PMS）

PMS可以對電站進行優化管理，滿足船舶在各種工況下的電力分配，具有全面的管理和保護功能，主要的保護功能包括：

（1）功率分配功能，PMS可以對在網發電機的有功功率和無功功率進行平均分配。

（2）自動恢復供電功能，當電網斷電后，PMS按程序發出發電機啟動指令，開關合閘指令和重要輔助負載的順序啟動指令。

（3）故障診斷報警功能，PMS對系統進行不間斷巡檢。

（4）自動卸載功能，根據電站負荷PMS自動增機和減機。同時，可以預防斷電，包括推進器功率限制及非重要負荷卸載。

（5）重載問詢功能，當電站剩余功率不足時，PMS禁止大負載啟動，如大負載需要啟動，則需向PMS發出重載問詢。

（6）功率限制：推進器功率限制適用于DP模式和非DP模式，當PMS發出的快速限制信號時，推進驅動系統優先采取“快速功率限制”；如快速限制信號消失或沒有接收到快速限制信號，則采取“動態功率限制”。

4.2.2 高階發電機保護系統（AGS）

高階發電機保護系統通過采集柴油機油門刻度、發電機電壓、發電機電流、發電機頻率、發電機勵磁電流、發電機勵磁電壓、推進器功率和電流、AVR故障等信號，在發生故障后，AGS提前甄別在網的故障機，并只對故障發電機的主開關進行脫扣保護，而不影響其他健康的發電機運轉。

5 故障模式與影響分析（FMEA）

FMEA的目的在于分析與DP系統功能有關的設備的不同故障模式，對于系統中的同一設備，可能存在多種故障模式，從而對DP系統產生不同的影響。對于DP-2和DP-3附加標志的船舶要求做FMEA報告，報告中應對每個單一故障、單個系統及其內部部件進行故障分析，所有技術功能進行獨立性考慮，當系統中存在某個部件無須冗余或無法冗余時，還要進一步考慮該部件的可靠性或機械保護，以此判斷單一故障影響對整個DP系統的影響。

6 船舶電站閉排運行的優缺點

船舶電站閉排運行是當下較主流的設計方案，也是業主和船級社比較推崇的方案，其優缺點都非常明顯，整體來說，利大于弊：

（1）優點：在滿足現行DP規范條件下可以保證電網和DP系統的安全運行，與傳統的開式供電結構相比，閉排運行是讓所有在線發電機組并車運行，PMS對電網功率進行平均分配，以此減少在線發電機的臺數，在線發電機臺數減少船舶的油耗下降，也就節約了成本。

（2）缺點：與傳統的開式供電結構相比，閉排運行會提高配電盤的硬件配置，如增加額外的開關和繼電保護裝置，同時，也提高PMS系統的軟硬件配置，主要是元器件的冗余配置，軟件控制程序變得復雜，故障分析難度也加大。

7 結語

DP船舶電站實行閉排運行是設計理念不斷優化的結果，經過各方不斷努力，這種設計理念最終被船級社和業主所接受，這種設計理念能將DP船舶電站的安全性和經濟性進行有機結合，在滿足船舶電站和DP系統安全的同時，為業主節省了更多的燃油成本，這非常契合綠色海洋和節能減排的理念。