王 穎

(福建省馬尾造船股份有限公司，福建福州350015)

0 引言

隨著船舶電力推進(jìn)的成熟和自動(dòng)控制理論的發(fā)展，以及動(dòng)力定位系統(tǒng)性能的不斷提高，海洋石油平臺(tái)、深水鉆井船、油田守護(hù)船、潛水器支持船等均裝備了動(dòng)力定位系統(tǒng)。動(dòng)力定位系統(tǒng)一般由動(dòng)力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和動(dòng)力定位控制系統(tǒng)組成，與動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)的輔助管路系統(tǒng)性能也直接會(huì)影響船舶動(dòng)力定位的能力。本文以設(shè)計(jì)建造具有DPS-2級(jí)動(dòng)力定位能力的86 m多用途平臺(tái)供應(yīng)船為例，對動(dòng)力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)的輔助管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析討論。

1 規(guī)范對動(dòng)力定位系統(tǒng)的要求

國際海事組織(IMO)和美國船級(jí)社ABS對動(dòng)力定位船舶的定義為:僅靠自身推進(jìn)器的推力自動(dòng)保持其自身船位(固定的位置或預(yù)先確定的航跡)和首向的船舶。根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)(DPS)冗余度不同，可分DPS-1、DPS-2和DPS-3這3個(gè)等級(jí)。各等級(jí)的技術(shù)要求為:DPS-1動(dòng)力定位船舶，出現(xiàn)單點(diǎn)故障后有可能失去定位;DPS-2動(dòng)力定位船舶，任何1個(gè)活動(dòng)部件或系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障(不包括1個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失)后不能失去定位;DPS-3動(dòng)力定位船舶，任何1個(gè)活動(dòng)部件或靜止部件或系統(tǒng)出現(xiàn)單點(diǎn)故障，包括由于失火或進(jìn)水導(dǎo)致失去1個(gè)艙室，不能失去定位。由此可見，DPS-1級(jí)船舶無需部件冗余;DPS-2級(jí)船舶要求所有相關(guān)活動(dòng)部件冗余;DPS-3級(jí)船舶要求所有相關(guān)活動(dòng)和靜止部件冗余，并且系統(tǒng)所處艙室需進(jìn)行物理分隔。規(guī)范規(guī)定，活動(dòng)部件主要包括發(fā)電機(jī)、推進(jìn)器、配電板、DP控制計(jì)算機(jī)、傳感器、遙控閥，補(bǔ)償器等;靜止部件主要包括電纜、管路、手動(dòng)閥等。

動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)需滿足規(guī)范對于系統(tǒng)冗余的要求。“冗余”的定義為:當(dāng)發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，1個(gè)部件或系統(tǒng)能保持或恢復(fù)其功能的能力。通過安裝多個(gè)部件、系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)相同功能的其他替代手段，可以實(shí)現(xiàn)冗余。冗余應(yīng)基于可立即投入使用的系統(tǒng)，即保持運(yùn)行的機(jī)械設(shè)備，完全停止和重新啟動(dòng)系統(tǒng)不能滿足這個(gè)要求。冗余系統(tǒng)間需進(jìn)行隔離，以防止系統(tǒng)間故障轉(zhuǎn)移。

規(guī)范要求FMEA(故障模式及影響分析)進(jìn)行單點(diǎn)故障分析的輔助管路系統(tǒng)有:燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣控系統(tǒng)、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以及管路系統(tǒng)中的設(shè)備［1］。

2 船舶簡述

86 m多用途平臺(tái)供應(yīng)船總長86 m，型寬20 m，型深8.4 m，設(shè)計(jì)吃水6.4 m;入級(jí)ABS，無人機(jī)艙，具有DPS-2級(jí)動(dòng)力定位能力。

動(dòng)力配置如下:

(1)主發(fā)電機(jī)組:4×1 825 kW，690 V/60 Hz/3 Phase，由4臺(tái)高速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，位于機(jī)艙。

(2)應(yīng)急/停泊發(fā)電機(jī)組:1×350 kW，690 V/60 Hz/3 Phase，由1臺(tái)高速柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)，位于應(yīng)急發(fā)電機(jī)間。

(3)艉部推進(jìn)器:2×2 200 kW全回轉(zhuǎn)舵槳，F(xiàn)PP(固定螺距螺旋槳)，由2臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用AFE(主動(dòng)前端整流)電力推進(jìn)系統(tǒng)，位于艉部推進(jìn)器間。

(4)艏部推進(jìn)器:2×880 kW艏側(cè)推，CPP(可調(diào)螺距螺旋槳)，由2臺(tái)定速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位于艏部推進(jìn)器間。

推進(jìn)器和配電系統(tǒng)框圖如圖1所示。1號(hào)和2號(hào)發(fā)電機(jī)組經(jīng)配電板母排A向1號(hào)艏側(cè)推和1號(hào)舵槳供電;3號(hào)和4號(hào)發(fā)電機(jī)組經(jīng)配電板母排B向2號(hào)艏側(cè)推和2號(hào)舵槳供電。根據(jù)規(guī)范要求，所有為DP系統(tǒng)服務(wù)的系統(tǒng)需劃分為至少2個(gè)冗余組。本船劃分為左舷冗余組和右舷冗余組。每個(gè)冗余組包括的主要設(shè)備見表1。

所有為左舷冗余組動(dòng)力設(shè)備服務(wù)的輔助設(shè)備，如:油泵、水泵、分油機(jī)、空壓機(jī)等，需由左舷配電板母排A供電;所有為右舷冗余組動(dòng)力設(shè)備服務(wù)的輔助設(shè)備需由右舷配電板母排B供電。

本船F(xiàn)MEA(故障模式及影響分析)規(guī)定的最惡劣故障設(shè)計(jì)工況(WCFDI)是失掉整個(gè)左舷或右舷冗余組，由此造成DP控制系統(tǒng)失去1臺(tái)舵槳和1臺(tái)艏側(cè)推。在此工況下，DP控制系統(tǒng)保留的1臺(tái)舵槳和1臺(tái)艏側(cè)推應(yīng)能使船舶在規(guī)定的環(huán)境區(qū)域內(nèi)保持船位和首向。

表1 設(shè)備冗余組劃分表

圖1 推進(jìn)器和配電系統(tǒng)框圖

3 燃油系統(tǒng)

本船使用燃油為輕質(zhì)柴油，燃油供給和凈化系統(tǒng)如圖2所示。

燃油供給和凈化系統(tǒng)按左右2個(gè)冗余組設(shè)計(jì)，每個(gè)冗余組包括1臺(tái)分油機(jī)及供給泵、2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組、1個(gè)燃油日用艙和1個(gè)燃油沉淀艙。同1個(gè)冗余組中，分油機(jī)可將沉淀艙的燃油凈化后輸送到日用艙;沉淀艙和日用艙的燃油也可單獨(dú)分別循環(huán)凈化;日用艙為2臺(tái)發(fā)電機(jī)組提供燃油。2個(gè)冗余組采用交叉管路進(jìn)行連通，應(yīng)急時(shí)2個(gè)冗余組中設(shè)備和艙柜可互為備用。交叉管路上需設(shè)隔離閥，DP操作時(shí)隔離閥常閉，以免1個(gè)冗余組出現(xiàn)故障時(shí)影響到另1個(gè)冗余組。

柴油機(jī)燃油由機(jī)帶泵供給。根據(jù)規(guī)范，船上4臺(tái)柴油機(jī)需配1臺(tái)燃油機(jī)帶泵備件。

系統(tǒng)中分油機(jī)是建議配置，它不會(huì)直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行。因?yàn)椴裼蜋C(jī)燃用輕質(zhì)柴油，如果加油的油品比較好，即使不分離柴油機(jī)也可以直接燃用，因此分油機(jī)出現(xiàn)故障不會(huì)馬上影響到發(fā)電機(jī)組，從而導(dǎo)致出現(xiàn)FMEA設(shè)定的最惡劣故障設(shè)計(jì)工況(WCFDI)。

燃油系統(tǒng)需考慮的故障點(diǎn)有:燃油污染、燃油分油機(jī)故障、濾器堵塞、柴油機(jī)帶燃油泵故障、管路泄漏和快關(guān)閥故障。本系統(tǒng)出現(xiàn)上述任何1個(gè)故障 點(diǎn)，2個(gè)冗余組的功能不會(huì)同時(shí)失效。

圖2 燃油供給和凈化系統(tǒng)

4 滑油系統(tǒng)

通常每臺(tái)柴油機(jī)和推進(jìn)器的滑油系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)都是相互獨(dú)立的系統(tǒng)，本船也一樣，因此單個(gè)設(shè)備故障不會(huì)影響其他柴油機(jī)或推進(jìn)器的運(yùn)行，滿足FMEA要求。

本船柴油機(jī)滑油泵是機(jī)帶泵，根據(jù)規(guī)范，船上4臺(tái)柴油機(jī)需配1臺(tái)滑油機(jī)帶泵備件。

對于柴油機(jī)采用中速機(jī)的船舶，滑油需要凈化，應(yīng)至少為每個(gè)冗余組配1臺(tái)滑油分油機(jī)?；头钟蜋C(jī)可為同1個(gè)冗余組內(nèi)的柴油機(jī)同時(shí)或輪流服務(wù)，但系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)防止柴油機(jī)油底殼的滑油被抽空或過量注入。冗余組之間可設(shè)置交叉管路，以便應(yīng)急時(shí)2臺(tái)分油機(jī)互為備用;交叉管路上需設(shè)隔離閥，DP操作時(shí)隔離閥常閉。

滑油系統(tǒng)需考慮的故障點(diǎn)有:滑油污染、滑油分油機(jī)故障、管路泄漏和柴油機(jī)帶滑油泵故障。出現(xiàn)上述任何1個(gè)故障點(diǎn)，2個(gè)冗余組的功能不能同時(shí)失效。

5 海水冷卻水系統(tǒng)

冷卻水系統(tǒng)分海水冷卻和淡水冷卻2個(gè)系統(tǒng)。

機(jī)艙海水冷卻系統(tǒng)如圖3所示。

本船機(jī)艙左右舷分別設(shè)高低位2個(gè)海水箱，二者通過海水總管連通。海水總管被中間的隔離閥CSV05分隔成左右2個(gè)管段，分屬左右2個(gè)冗余組，DP操作時(shí)隔離閥常閉。

柴油機(jī)配有內(nèi)置冷卻系統(tǒng)，每臺(tái)機(jī)有1臺(tái)機(jī)帶海水泵。根據(jù)規(guī)范，船上4臺(tái)機(jī)需配1臺(tái)海水機(jī)帶泵備件。

左右2個(gè)冗余組中，2臺(tái)主海水冷卻泵分別從高低位海水箱抽水冷卻各自冗余組中的主冷卻器，之后海水單獨(dú)排舷外。系統(tǒng)中每個(gè)冗余組只設(shè)1臺(tái)主海水冷卻泵已滿足產(chǎn)生FMEA設(shè)定的最惡劣故障設(shè)計(jì)工況(WCFDI)對系統(tǒng)冗余的要求。但這樣設(shè)計(jì)，若1臺(tái)水泵故障就會(huì)導(dǎo)致失掉2臺(tái)發(fā)電機(jī)組，從而失去1臺(tái)舵槳和1臺(tái)艏側(cè)推，顯然這是船東不會(huì)接受的?？紤]到在船上水泵是相對便宜而又會(huì)經(jīng)常發(fā)生故障的設(shè)備，最好為每個(gè)冗余組配1臺(tái)海水冷卻備用泵，海水泵出口設(shè)置壓力開關(guān)，以便主海水泵故障時(shí)備用泵能自動(dòng)啟動(dòng)運(yùn)行;但從船廠節(jié)約成本角度考慮，也可為2個(gè)冗余組只配1臺(tái)備用泵。管路設(shè)計(jì)時(shí)，為了讓備用泵既能為2個(gè)冗余組服務(wù)又能保證2個(gè)冗余組互相隔離，在備用泵的進(jìn)水和出口的左右支管上都安裝了止回閥。這樣，DP操作時(shí)隔離閥CSV05常閉，即使備用泵進(jìn)出口管路的閥件全開，2個(gè)冗余組仍然是單獨(dú)而互不影響的，滿足FMEA的要求。本船采用后1種方案，備用泵電源可由左舷配電板或右舷配電板提供。

艉部海水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與機(jī)艙的類似。

海水冷卻系統(tǒng)需考慮的故障點(diǎn)有:柴油機(jī)帶海水泵故障、主冷卻器堵塞、海水箱和海水濾器堵塞。出現(xiàn)上述任何1個(gè)故障點(diǎn)，2個(gè)冗余組的功能不會(huì)同時(shí)失效，滿足FMEA要求。

圖3 機(jī)艙海水冷卻系統(tǒng)

6 淡水冷卻系統(tǒng)

機(jī)艙左舷淡水冷卻系統(tǒng)如圖4所示。

本船柴油機(jī)高低溫淡水冷卻系統(tǒng)為內(nèi)置系統(tǒng)。根據(jù)規(guī)范，船上4臺(tái)柴油機(jī)需配備高低溫淡水機(jī)帶泵備件各1臺(tái)。

機(jī)艙淡水冷卻系統(tǒng)分為左右舷2個(gè)相互完全獨(dú)立的閉式循環(huán)系統(tǒng)，分屬左右冗余組。每個(gè)系統(tǒng)中包括設(shè)備有:2臺(tái)發(fā)電機(jī)組、1臺(tái)集控室空調(diào)、1臺(tái)外消防泵電機(jī)、1臺(tái)艏推電機(jī)、1臺(tái)主冷卻器、1個(gè)三通溫控閥和1個(gè)獨(dú)立的膨脹水柜。為了防止1臺(tái)泵故障就會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)最惡劣故障設(shè)計(jì)工況(WCFDI)，本系統(tǒng)每個(gè)冗余組配有2臺(tái)淡水冷卻泵，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用，主泵故障時(shí)備用泵可自動(dòng)啟動(dòng)。機(jī)艙右舷淡水冷卻系統(tǒng)與左舷相似。

艉部淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與機(jī)艙的類似。

淡水冷卻系統(tǒng)需考慮的故障點(diǎn)有:柴油機(jī)帶高低溫淡水泵故障、柴油機(jī)機(jī)帶溫控閥、主冷卻器堵塞、主冷卻淡水泵故障和艉部冷卻淡水泵故障。出現(xiàn)上述任何1個(gè)故障點(diǎn)，2個(gè)冗余組的功能不會(huì)同時(shí)失效，滿足FMEA要求。

7 壓縮空氣系統(tǒng)

本船配有2臺(tái)起動(dòng)空壓機(jī)和2個(gè)起動(dòng)空氣瓶，分屬2個(gè)冗余組。每個(gè)冗余組中，空壓機(jī)經(jīng)起動(dòng)空氣瓶為2臺(tái)柴油機(jī)提供起動(dòng)空氣。2個(gè)冗余組中的充氣管路和起動(dòng)空氣管路分別進(jìn)行交叉連接并用隔離閥隔離，以便應(yīng)急時(shí)2組設(shè)備可互為備用。

圖4 機(jī)艙左舷淡水冷卻系統(tǒng)

2個(gè)空氣瓶空氣分別減壓后在低壓側(cè)匯合，經(jīng)空氣干燥器干燥后為日用壓縮空氣系統(tǒng)提供氣源?？諝飧稍锲髟O(shè)旁通閥，以保證干燥器故障時(shí)壓縮空氣應(yīng)急使用。日用壓縮空氣系統(tǒng)與DP有關(guān)的空氣用戶有:海水箱吹氣、快關(guān)閥系統(tǒng)、分油機(jī)和舵槳?jiǎng)x車裝置。

壓縮空氣系統(tǒng)需考慮的故障點(diǎn)有:起動(dòng)空壓機(jī)故障和空氣干燥器故障。

8 通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)

本船機(jī)艙配有2臺(tái)供風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)有獨(dú)立風(fēng)道，布置在機(jī)艙左右舷。左舷風(fēng)道為機(jī)艙左舷區(qū)域供風(fēng)，右舷風(fēng)道為機(jī)艙右舷區(qū)域供風(fēng)。自然排風(fēng)口布置在煙囪壁上。2號(hào)風(fēng)機(jī)采用可逆風(fēng)機(jī)。

艏推間配有2臺(tái)風(fēng)機(jī)，1臺(tái)供風(fēng)，1臺(tái)抽風(fēng)。若1臺(tái)故障，另1臺(tái)能滿足房間換氣和設(shè)備風(fēng)冷要求。

集控室配有2臺(tái)空調(diào)單元，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用，為集控室內(nèi)的配電板等電氣設(shè)備提供冷卻。

駕駛室和舵槳間各配2臺(tái)空調(diào)單元，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用，為DP相關(guān)電氣設(shè)備提供冷卻。

上述同一處所的2臺(tái)風(fēng)機(jī)或空調(diào)單元，電源需由左右冗余組配電板分別提供。

居住區(qū)中央空調(diào)系統(tǒng)雖然與DP系統(tǒng)無關(guān)，但考慮設(shè)備單點(diǎn)故障后仍需保障船上人員一定的舒適度，中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也應(yīng)滿足冗余要求。本船空調(diào)壓縮機(jī)組配備2臺(tái)壓縮機(jī)，1臺(tái)使用，1臺(tái)備用，分別由左右冗余組配電板供電［1］。

通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)需考慮的故障點(diǎn)有:機(jī)艙風(fēng)機(jī)故障、艏推風(fēng)機(jī)故障、集控室空調(diào)故障、駕駛室空調(diào)故障、舵槳間空調(diào)故障和中央空調(diào)故障。出現(xiàn)上述任何1個(gè)故障點(diǎn)，2個(gè)冗余組的功能不會(huì)同時(shí)失效，滿足FMEA要求。

9 結(jié)語

經(jīng)實(shí)船試航證明，該船動(dòng)力定位輔助管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)完全滿足ABS規(guī)范和FMEA要求，系統(tǒng)使用性能優(yōu)異，安全可靠。通常，冷卻水系統(tǒng)是船上故障率相對較高的系統(tǒng)，但本船即使冷卻水系統(tǒng)主要設(shè)備出現(xiàn)單點(diǎn)故障，設(shè)備所屬冗余組功能都不會(huì)失效，船舶定位能力沒有任何降低。

在動(dòng)力定位船舶輔助管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，應(yīng)靈活掌據(jù)規(guī)范對冗余的要求，不要將“冗余”與“備用”的概念混淆?！皞溆谩钡囊馑紴?設(shè)備或部件處于準(zhǔn)備狀態(tài)，可以隨時(shí)投入運(yùn)行以支持或接管原設(shè)備或部件的功能。由此可見，“冗余”比“備用”在設(shè)備容量和數(shù)量方面要求更低。按備用理念設(shè)計(jì)系統(tǒng)，雖能滿足規(guī)范要求，但會(huì)增加船廠一定的建造成本。

［1］ 許文兵，向毅.深水鋪管起重船輪機(jī)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［J］.中國造船，2014，55(2):187-194.