丁俊元，張 敏，肖 婷

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設(shè)計有限公司，武漢 430060)

“華虎”號深遠(yuǎn)海工作船配電系統(tǒng)故障模式及影響

丁俊元，張 敏，肖 婷

(中船重工(武漢)船舶與海洋工程裝備設(shè)計有限公司，武漢 430060)

以“華虎”號深遠(yuǎn)海工作船的電力分配系統(tǒng)為研究對象，為避免在設(shè)計中出現(xiàn)重大的顛覆性錯誤，提高船舶系統(tǒng)的可靠性，在船舶系統(tǒng)風(fēng)險評估中，用故障模式與影響分析技術(shù)作為風(fēng)險分析方法，分析出配電系統(tǒng)所有故障模式、故障原因及其在DP模式下的影響， 驗證該船具備DP-2定位能力。

深遠(yuǎn)海工作船；配電系統(tǒng)；故障模式及影響分析

工程技術(shù)人員在進(jìn)行產(chǎn)品、工藝設(shè)計時，都自覺或不自覺地聯(lián)想自己的設(shè)計能否在實際操作中實現(xiàn)，有哪些因素對它產(chǎn)生影響或設(shè)計本身會對哪些方面產(chǎn)生影響等，但少有對其進(jìn)行系統(tǒng)、量化地預(yù)測和評估并采取必要的防范措施，故障模式影響分析(FMEA)是解決此問題的有效方法[1]。FMEA是通過對一個系統(tǒng)的功能或硬件的分析來判斷每一個潛在的故障對系統(tǒng)的影響，提出減輕故障后果的措施的分析方法。因此特別適合在制定船舶規(guī)范、初步設(shè)計和審圖階段應(yīng)用，預(yù)測可能存在的設(shè)計缺陷和不足。本文在分析“華虎號”船配電系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過故障模式影響分析(FMEA)，逐個找出每種模擬情況下的所有故障模式，分析這些故障模式對于船舶在DP工況下定位能力的影響，從而檢驗該船舶配電系統(tǒng)的設(shè)計是否滿足規(guī)范對于DP-2附加標(biāo)志的要求。

1 “華虎”號船配電系統(tǒng)介紹

“華虎”號船是武昌船舶重工有限公司為上海打撈局設(shè)計和建造的目前功率最大的海洋平臺工作船，能夠為深遠(yuǎn)海石油平臺提供操錨、拖帶、供應(yīng)以及守護(hù)等多種服務(wù)，同時還可作為工作母船向ROV和飽和潛水提供支持。

該船四機(jī)雙槳，每臺主機(jī)功率4 000 kW，設(shè)置2臺功率為2 500 kW的PTO軸帶發(fā)電機(jī)、2臺功率為400 kW的柴油發(fā)電機(jī)組以及1臺250 kW的停泊/應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，總功率為6 050 kW。電制采用三相三線AC400 V，50 Hz。

正常航行時1臺軸帶發(fā)電機(jī)向全船供電，另1臺備用，備用發(fā)電機(jī)能自動啟動，并連接至主配電板。進(jìn)出港、拖帶、操錨(DP-2)時，2臺軸帶發(fā)電機(jī)分區(qū)供電，1臺軸帶發(fā)電機(jī)向1臺伸縮舵槳裝置和1臺艉側(cè)推供電，另1臺軸帶發(fā)電機(jī)向1臺艏側(cè)推和另1臺艉側(cè)推供電，同時向全船其他負(fù)載供電。兩臺軸帶發(fā)電機(jī)不能長期并聯(lián)運(yùn)行，可以短時并聯(lián)作負(fù)載轉(zhuǎn)移。2臺柴油發(fā)電機(jī)組能長期并聯(lián)運(yùn)行，也能與任何1臺軸帶發(fā)電機(jī)作短期并車，用以負(fù)載轉(zhuǎn)移。柴油發(fā)電機(jī)組作為正常航行的備用機(jī)組。

圖1為該船的電力系統(tǒng)單線圖。#1、2號軸帶發(fā)電機(jī)(SG1、2)和#1、2號柴油發(fā)電機(jī)(DG1、2)分別對應(yīng)#1～4 AC400 V主匯流排，他們之間采用聯(lián)絡(luò)開關(guān)進(jìn)行連接。#3、4號AC400 V主匯流排經(jīng)由2臺容量為200 kVA的主變壓器(T1、T2)向#5、6號AC220 V匯流排供電。應(yīng)急AC 400 V匯流排也是經(jīng)由聯(lián)絡(luò)開關(guān)與#3 AC400 V 主匯流排連接，并經(jīng)過兩臺容量為40 kVA的應(yīng)急變壓器(T3、T4)向應(yīng)急AC220 V匯流排供電。為主機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)服務(wù)的風(fēng)機(jī)、油泵、水泵等動力系統(tǒng)的負(fù)載掛在#3、4 AC400 V主匯流排下；貨物系統(tǒng)、側(cè)推、拖纜機(jī)液壓泵站電機(jī)等大功率用電負(fù)載及非動力系統(tǒng)的負(fù)載掛在#1、2 AC400 V主匯流排下。照明系統(tǒng)、居住艙室生活及設(shè)備的控制用電等負(fù)載，按照規(guī)范要求，相應(yīng)地掛在正?；驊?yīng)急AC 220 V匯流排下。

圖1 “華虎”號電力系統(tǒng)單線圖

對于要取得DP-2附加標(biāo)志的船舶，CCS規(guī)范上明確提出：主配電板要布置成不因單個故障造成電源的全部中斷，這里的單個故障是指任何系統(tǒng)或部件的技術(shù)特性的破壞。主匯流排應(yīng)至少由2個部分組成，任一部分任何原因失電都應(yīng)有充足的可用功率向船舶的基本日用負(fù)載和重要操作負(fù)載供電，同時能在規(guī)定的環(huán)境條件下在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)保持船舶位置[2]。即通常要求的任何一個單點故障不能引起船舶的失位，其核心思想是設(shè)計的冗余性。

2 “華虎”號配電系統(tǒng)可靠性分析

主配電板共19屏，匯流排也分為2個部分，之間有空氣開關(guān)連接。冗余左側(cè)包括：1號400 V饋電屏A、1號400 V饋電屏B、1號400 V饋電屏C、1號400 V饋電屏和1號艉側(cè)推屏、3號匯流排和艏側(cè)推屏、1號柴油發(fā)電機(jī)屏以及1號軸帶發(fā)電機(jī)屏。冗余右側(cè)包括：同步屏、2號柴油發(fā)電機(jī)屏、2號軸帶發(fā)電機(jī)屏、4號匯流排和伸縮舵槳屏、2號艉側(cè)推屏、2號400 V饋電屏A、2號400 V饋電屏B、2號400 V饋電屏C。柴發(fā)匯流排1號聯(lián)絡(luò)開關(guān)和軸發(fā)匯流排2號聯(lián)絡(luò)開關(guān)連接到2個冗余組。根據(jù)兩組的冗余性，400 V和220 V系統(tǒng)被分為2部分，每一部分的DP關(guān)鍵用戶負(fù)載如下冗余分組。

1)左側(cè)400 V冗余分組。

①艏側(cè)推馬達(dá)起動器。

②1號艉側(cè)推馬達(dá)起動器。

③左舵機(jī)2號液壓泵起動器。

④P3(3號400 V分電箱):1號齒輪箱預(yù)潤滑泵、艏側(cè)推室風(fēng)機(jī)、左CPP滑油重力油柜壓力泵起動器。

⑤P5(5號400 V分電箱): 舵機(jī)艙風(fēng)機(jī)、Hipap 提升單元。

⑥左側(cè)滑油分油機(jī)控制柜。

⑦左側(cè)滑油分油機(jī)電加熱器。

⑧左側(cè)燃油分油機(jī)控制柜。

⑨1號主變壓器 T1。

⑩3號組合起動屏MCC3: 1號主機(jī)預(yù)潤滑泵、1號主機(jī)滑油備用泵、1號主機(jī)燃油供給泵、2號主機(jī)燃油供給泵、1號主機(jī)高溫淡水泵、2號主機(jī)高溫淡水泵、2號主機(jī)預(yù)潤滑泵、2號主機(jī)滑油備用泵、1號淡水冷卻泵、2號淡水冷卻泵、左海水冷卻泵、左燃油輸送泵、1號機(jī)艙風(fēng)機(jī)。

2)左側(cè)2 200 V冗余分組。

①1,3,5,7,8號照明分電箱。

②2號 24 V充放電板 B2。

③無線電220 V分電箱。

④3號220 V電力分電箱 3PL: 1號主機(jī)淡水冷卻溫控閥、2號主機(jī)淡水冷卻溫控閥、左淡水冷卻系統(tǒng)溫控閥、左推進(jìn)控制系統(tǒng)電源、左推進(jìn)控制系統(tǒng)UPS電源、1號主機(jī)電源單元、2號主機(jī)電源單元。

⑤220 V 應(yīng)急配電板: No.2 充放電板、No.3 充放電板、集控室220 V分電箱 LD3、前駕控臺220 V分電箱 LD1、后駕控臺220 V分電箱 LD2。

3)右側(cè)400 V冗余分組。

①伸縮舵槳推進(jìn)變壓器。

②2號艉側(cè)推馬達(dá)起動器。

③右舵機(jī)2號液壓泵起動器。

④2號CPP液壓控制單元。

⑤2號主啟動空壓機(jī)。

⑥P4(4號400 V分電箱): 2號齒輪箱預(yù)潤滑泵、右CPP滑油重力油柜壓力泵起動器。

⑦P8(8號400 V分電箱): 移向變壓器預(yù)充磁，冷卻風(fēng)機(jī)、變頻器1號冷卻水泵、變頻器2號冷卻水泵、伸縮舵槳液壓泵起動器、伸縮舵槳升降泵起動器。

⑧右側(cè)滑油分油機(jī)控制柜。

⑨右側(cè)滑油分油機(jī)電加熱器。

⑩右側(cè)燃油分油機(jī)控制柜。

4)右側(cè)220 V冗余分組。

①2,4,6,9,10號照明分電箱。

②3號 24 V充放電板 B3。

③航行燈控制板。

④集控室220 V分電箱 LD3。

⑤前駕控臺220 V分電箱 LD1。

⑥后駕控臺220 V分電箱 LD2。

⑦4號220 V電力分電箱 4PL: 3號主機(jī)淡水冷卻溫控閥、4號主機(jī)淡水冷卻溫控閥、右淡水冷卻系統(tǒng)溫控閥、右推進(jìn)控制系統(tǒng)電源、右推進(jìn)控制系統(tǒng)UPS電源、3號主機(jī)電源單元、4號主機(jī)電源單元、伸縮舵槳驅(qū)動系統(tǒng)UPS。

5)電力分配系統(tǒng)故障模式分析。

“華虎”動力與推進(jìn)系統(tǒng)兩冗余分組布置見圖2。

圖2 “華虎”動力與推進(jìn)系統(tǒng)兩冗余分組布置

由圖2可見電力分配系統(tǒng)的各個單點故障會對全船動力與推進(jìn)系統(tǒng)造成什么影響，進(jìn)而判斷其設(shè)計是否滿足了DP-2附加標(biāo)志的相關(guān)要求，詳盡的故障模式影響分析見表1。

3 結(jié)速語

FMEA應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計中是一個反復(fù)和逐步深化的過程，通過對“華虎”號電力系統(tǒng)的故障模式及影響分析，找到了船舶電力系統(tǒng)所有可能的故障模式、發(fā)生故障的原因、故障對整個系統(tǒng)的最終影響及嚴(yán)重程度。驗證了電力系統(tǒng)在自身單點故障時任然滿足DP系統(tǒng)定位能力的需求，其設(shè)計是符合船舶DP-2附加標(biāo)志要求的。

表1 “華虎”號配電系統(tǒng)FMEA表

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FMEA in Power Distribution System of Huahu Deepwater Multi-purpose Offshore Ship

DING Jun-yuan, ZHANG Min, XIAO Ting

(CSIC(Wuhan)Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430060, China)

In order to avoid major disruptive error in the design and improve the reliability of marine systems, the failure mode and effects analysis (FMEA) is an efficient and common method for risk analysis in risk assessment of marine systems. The power distribution system of Huahu deepwater multi-purpose offshore ship is taken as an example, all of the failure modes, failure reasons and the effect in DP mode are found, which can validate the vessel has DP-2 ability.

deepwater multi-purpose offshore ship; power distribution system; FMEA

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.006

2015-05-11

國家發(fā)展改革委2013年海工裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項基金

丁俊元(1982-)，男，碩士，工程師

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0023-05

修回日期：2015-06-02

研究方向:船舶電氣

E-mail: dingjunyuan@163.com