穿梭油輪DP2系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

李 群，許東方，劉 文

（舟山中遠(yuǎn)海運(yùn)重工有限公司，浙江舟山 316131）

0 引言

穿梭油輪是一種用于海上生產(chǎn)油田和岸邊終端站或煉油廠之間定期往返的運(yùn)輸油船，通過動(dòng)力定位（Dynamic Positioning 2，DP2）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位。與純電力推進(jìn)系統(tǒng)不同，穿梭油輪的推進(jìn)系統(tǒng)不僅有電力推進(jìn)器，還有低速燃油主機(jī)、舵系和調(diào)矩槳（Control Pitch Propeller，CPP）。穿梭油輪在航行和動(dòng)力定位時(shí)主要燃燒重油，會(huì)涉及到鍋爐熱冗余設(shè)計(jì)等問題。本文對(duì)某穿梭油輪DP2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹，進(jìn)行故障模式和影響分析（Failure Model and Effects Analysis，F(xiàn)MEA），并根據(jù)分析結(jié)果制定相應(yīng)的優(yōu)化方案。

1 DP 2系統(tǒng)的基本配置

本文研究的穿梭油輪為蘇伊士 MAX型，其DP2系統(tǒng)的配置情況見圖1。在DP運(yùn)行模式下，電站的中壓母排、低壓母排和推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)均要分為彼此獨(dú)立的3組。配電板室包括中壓配電板室和低壓配電板室，中壓配電板和低壓配電板均為分組設(shè)計(jì)但不作物理隔離的一體化結(jié)構(gòu)。海水冷卻系統(tǒng)、淡水冷卻系統(tǒng)、燃油日用柜及燃油增壓系統(tǒng)需進(jìn)行完全獨(dú)立的3組套冗余設(shè)計(jì)。機(jī)艙采用未做物理分區(qū)隔離的整體結(jié)構(gòu)，6臺(tái)發(fā)電機(jī)布置在同一平臺(tái)，低速主機(jī)布置在機(jī)艙底層。

圖1 穿梭油輪DP2系統(tǒng)配置情況

根據(jù)DP系統(tǒng)原理對(duì)穿梭油輪進(jìn)行故障模式和影響分析（Failure Model and Effects Analysis，F(xiàn)MEA），該分析主要針對(duì)電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、配電板供電系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)輔助系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)的低速推進(jìn)器及其推進(jìn)輔助系統(tǒng)，電路、水路、氣路、油路、通風(fēng)空調(diào)等系統(tǒng)。FMEA結(jié)果表明：穿梭油輪的DP2系統(tǒng)主要存在供電問題、壓縮空氣問題、配電板室空調(diào)與通風(fēng)問題、鍋爐系統(tǒng)熱源冗余設(shè)計(jì)文體等。

2 DP2系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題分析

2.1 電力系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)問題

1）單設(shè)備雙路供電問題

電力系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)圖見圖2。單設(shè)備雙路供電問題是FMEA的基本考核點(diǎn)，本穿梭油輪的電力系統(tǒng)采用中壓環(huán)形母排和孤島式開環(huán)運(yùn)行模式。需要特別注意中控系統(tǒng)（Integrated Control System，IAS）、廣播通用報(bào)警（Public Address & General Alert，PAGA）、火警、不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）、消防滅火設(shè)備和逃生報(bào)警設(shè)備通常采用雙電源供電。FMEA重點(diǎn)關(guān)注雙路供電設(shè)備的故障傳播問題，當(dāng)雙路供電設(shè)備內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，不僅會(huì)對(duì)當(dāng)前供電上游的配電板造成影響，還會(huì)將故障繼續(xù)傳播到上游另外組別的配電板。若另外組別配電板的保護(hù)開關(guān)有隱性故障，不能及時(shí)分?jǐn)啵瑒t會(huì)持續(xù)拉低配電板的電壓，這會(huì)嚴(yán)重影響負(fù)載的正常運(yùn)行，甚至?xí)适?dòng)力定位的能力。

圖2 電力系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)圖

單設(shè)備雙路供電問題主要有3種解決方法：

1）廠家須給出相關(guān)材料證明設(shè)備內(nèi)部短路不會(huì)將故障傳播到上游其他組別，這些證明材料需要得到船級(jí)社的認(rèn)可。

2）在動(dòng)力定位時(shí)，220 V負(fù)載可采用單組別供電策略。若廠家可提供電源短路設(shè)計(jì)保護(hù)措施報(bào)告或短路計(jì)算模擬報(bào)告，且該報(bào)告獲得船級(jí)社的認(rèn)可，則該設(shè)備可保持異組別雙路供電。

3）對(duì)于泡沫泵、水霧噴淋等440 V負(fù)載，除非有第三方能源驅(qū)動(dòng)，否則船級(jí)社不允許采用單邊供電模式，必須雙路同時(shí)供電。最簡單有效的解決方案是采取應(yīng)急電源與主電源同組的供電方式，即使發(fā)生故障也不會(huì)對(duì)其他組別的配電板產(chǎn)生影響，符合最大單點(diǎn)故障原則。

在進(jìn)行雙路供電設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮故障傳播的問題。在設(shè)計(jì)初期就要規(guī)劃好供電源頭，若在后期FMEA報(bào)告出具后再整改，很可能會(huì)影響配電板的設(shè)計(jì)和制造。

2）冗余雙泵異組別交叉供電問題

本穿梭油輪艏推進(jìn)器和主機(jī)的輔助冗余雙泵系統(tǒng)采用異組別交叉供電，F(xiàn)MEA不推薦采用該供電方式，這是由于異組別交叉供電存在較多弊端：（1）邏輯結(jié)構(gòu)不夠清晰；（2）在進(jìn)行正常DP運(yùn)行操作時(shí)必須選擇使用同組泵；（3）只能在應(yīng)急情況下使用備用異組泵；（4）雙泵使用壽命差異較大。根據(jù)穿梭油輪的低速主機(jī)參與動(dòng)力定位的特點(diǎn)，制定最終DP冗余雙泵設(shè)計(jì)方案：主機(jī)的冗余雙泵輔助系統(tǒng)由A組和C組供電，其余所有電力推進(jìn)器的輔助冗余雙泵系統(tǒng)均由本組供電。該設(shè)計(jì)方案既保證了動(dòng)力定位的基本要求，也滿足了安全航行的要求。

3）調(diào)矩槳控制問題

主推進(jìn)器的調(diào)矩槳需要參與動(dòng)力定位，船級(jí)社相關(guān)規(guī)范要求參與動(dòng)力定位的調(diào)矩槳必須配備獨(dú)立的零螺距系統(tǒng)。在調(diào)矩槳出現(xiàn)故障時(shí)，零螺距系統(tǒng)可自動(dòng)將調(diào)矩槳的螺距歸零并發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員調(diào)矩槳存在故障。與此同時(shí)，DP2系統(tǒng)會(huì)放棄對(duì)主推進(jìn)器系統(tǒng)的控制。調(diào)矩槳和零螺距系統(tǒng)的接口各自有獨(dú)立的螺距控制命令信號(hào)和指示反饋信號(hào)，調(diào)矩槳還需要提供應(yīng)答請(qǐng)求信號(hào)。信號(hào)傳導(dǎo)邏輯流程的銜接問題是FMEA的考核點(diǎn)，需要特別關(guān)注。

2.2 壓縮空氣問題

DP模式下壓縮空氣系統(tǒng)的管道儀表流程圖（Process and Instrumentation Drawing，PID）見圖3，2路獨(dú)立氣源同時(shí)供6臺(tái)發(fā)電機(jī)和1臺(tái)主機(jī)使用。該設(shè)計(jì)方案可靠性不高，這是由于空氣管與發(fā)電機(jī)接口通過彈性軟管連接，橡膠軟管存在因老化破裂而泄露的故障隱患。若發(fā)生壓縮空氣泄露事故，則會(huì)造成2套獨(dú)立氣路壓力不足，進(jìn)而影響其他組別發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)和空氣控制。

圖3 DP模式下壓縮空氣系統(tǒng)的管道儀表流程圖

在不改變PID圖的情況下，定義每個(gè)閥的開閉狀態(tài)，關(guān)閉兩主空氣瓶間的互通閥，并將應(yīng)急空氣瓶兼用于B組發(fā)電機(jī)的空氣控制和應(yīng)急啟動(dòng)功能。通過以上優(yōu)化措施，可將壓縮空氣系統(tǒng)的模式更改為3組獨(dú)立供氣模式，大大提高了壓縮空氣系統(tǒng)的可靠性。

2.3 配電板室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題

優(yōu)化前后配電板室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見表1。在原設(shè)計(jì)方案中，通過配電板室的2臺(tái)空調(diào)為配電板和變壓器降溫，2臺(tái)空調(diào)的水路均在A組，但其供電均在C組。該設(shè)計(jì)方案雖理論上可行，但實(shí)際中存在很多缺陷，不符合DP冗余設(shè)計(jì)的基本理念，也不符合配電板操作的環(huán)境要求。配電板室的2臺(tái)空調(diào)應(yīng)是冗余備用關(guān)系，配電板的通風(fēng)功能僅用于換氣。若空調(diào)水路或供電出現(xiàn)問題，僅靠通風(fēng)來降溫和散熱，則無法保證配電板室的電氣設(shè)備在高濕高溫的環(huán)境下能正常工作。此外，原設(shè)計(jì)方案還具有易受潮、易臟、易腐蝕等缺點(diǎn)。在原設(shè)計(jì)方案中，空調(diào)的水路和電路不在同一組，不符合DP2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化方案將配電板室的2臺(tái)空調(diào)改為互為備用的關(guān)系，冷卻水和供電分別來自A組和C組，水路電路同組，滿足DP2系統(tǒng)雙套設(shè)備的組別分區(qū)和冗余設(shè)計(jì)的思想，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，改善了配電板室的環(huán)境。優(yōu)化方案的航行配電負(fù)荷相較原方案大幅降低，可滿足相關(guān)運(yùn)行要求。

表1 優(yōu)化前后配電板室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.4 鍋爐系統(tǒng)熱源冗余設(shè)計(jì)問題

原設(shè)計(jì)方案的鍋爐系統(tǒng)包括經(jīng)濟(jì)廢氣鍋爐（不帶燃燒器）和輔鍋爐。在負(fù)荷較小時(shí)，DP2系統(tǒng)的廢氣不足，經(jīng)濟(jì)廢氣鍋爐無法作為重燃油供油單元的熱源。供油單元B組和C組需要設(shè)計(jì)為輔鍋爐蒸汽熱源與電加熱器互為備用的冗余關(guān)系（見圖4）。若在動(dòng)力定位時(shí)輔鍋爐出現(xiàn)故障，A組的主機(jī)和艏推可在30 min后安全退出動(dòng)力定位模式，并將燃油切換至船用輕柴油。雖然B組和C組可在其各自供油單元電加熱器的支持下繼續(xù)工作，但重油日用柜會(huì)因鍋爐蒸汽的缺失而逐步冷卻，進(jìn)而出現(xiàn)不可輸送的狀況，這大幅增加了運(yùn)營成本和燃油切換時(shí)機(jī)把控的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 供油單元設(shè)計(jì)示意圖

優(yōu)化方案在動(dòng)力定位時(shí)將廢氣組合鍋爐（廢氣鍋爐帶燃燒器）和輔鍋爐均投入工作模式。雙鍋爐冗余系統(tǒng)和3組獨(dú)立的燃油增壓單元的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可滿足船級(jí)社對(duì)DP2系統(tǒng)冗余可靠性的要求。

3 結(jié)論

與純電力推進(jìn)系統(tǒng)不同，穿梭油輪的 DP2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)覆蓋面更廣。本文對(duì)某穿梭油輪DP2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行介紹，進(jìn)行故障模式和影響分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)DP2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。DP2系統(tǒng)設(shè)計(jì)要注意整體動(dòng)力設(shè)備系統(tǒng)、管系、通風(fēng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)的組別對(duì)應(yīng)關(guān)系和一致性匹配問題。充分理解DP2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，滿足規(guī)格書的相關(guān)要求，才能避免故障模式和影響分析后整改的被動(dòng)和延誤。