（天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引言

近年來，海上油氣資源開發(fā)向更深海域發(fā)展，對高規(guī)格深水船舶的需求日益增加。飽和潛水支持船是海工支持船舶中的高端裝備，能夠為潛水人員創(chuàng)造適宜的工作環(huán)境，使其能在高壓強條件下完成水下安裝、檢查、維修等作業(yè)。該船廣泛應(yīng)用于海底施工、水下資源勘探、搜救等領(lǐng)域，具有廣闊的市場前景。

1 工程概況

本船為一艘具有DP3動力定位能力的300 m水深飽和潛水支持船，可在滿足規(guī)定的海區(qū)作業(yè)環(huán)境條件下進(jìn)行作業(yè)，并可在無限航區(qū)航行（除極區(qū)外），其效果圖如圖1所示。

圖1 300 m飽和潛水支持船效果圖

該船配備24人雙鐘飽和潛水系統(tǒng)，可搭載24名潛水員分批次進(jìn)行最大水下深度300 m的飽和潛水作業(yè)；配備滿足3000 m水深搶險打撈要求的ROV系統(tǒng)，能在超過3000m水深的海域進(jìn)行各種水下?lián)岆U打撈和深海作業(yè)；配備了帶升沉補償?shù)?50 t起重機（最大作業(yè)水深3000 m），可進(jìn)行深水大型結(jié)構(gòu)物的起吊和安裝。飽和潛水系統(tǒng)可聯(lián)合ROV系統(tǒng)進(jìn)行海底作業(yè)，起重機可聯(lián)合ROV系統(tǒng)來執(zhí)行深水打撈作業(yè)。

本船入DNV GL和CCS雙船級。DNV GL入級符號為 DNV+1A1–E0, SF, DYNPOS AUTRO, SPS, CLEAN DESIGN, NAUT AW, DK(+), HELDK-SH, CRANE,COMF-C(3) V(3), BIS, DSV-SAT, DSV-SURFACE,BWM-T, RECYCLABLE, ECA (SOx-A)[1]。本船需按照DNV GL船級社的規(guī)范要求提供 ERN數(shù)據(jù)，經(jīng)計算為ERN(99.99.99.93)，動力定位能力較高。

CCS入級符號為CCS*CSA, SPS,DSV-Sat, DSV-Air,Strengthened for Deck Cargoes, Loading Computer (S,I,D),Helicopter Facilities, Lifting Appliance, DP-3, In-Water Survey, COMF(NOISE 3, VIB3)*CSM, AUTO-0, LSFO,OMBO, Clean Plus, BWMP, BWMS, GPR[2]。

2 電站及配電系統(tǒng)

2.1 電站及重要設(shè)備配置

電站及重要設(shè)備配置包括：1）4臺3490 kW主發(fā)電機，1臺900 kW停泊發(fā)電機，1臺450 kW船用應(yīng)急發(fā)電機，1臺750 kW潛水用應(yīng)急發(fā)電機；2）2臺3250 kW主推進(jìn)器，2臺1400 kW首管道推進(jìn)器，2臺1600 kW首伸縮推進(jìn)器；3）本船配備雙鐘24人飽和潛水系統(tǒng)；4）1臺250 t主起重機，1臺30t輔助起重機；5）1套月池ROV系統(tǒng)，1套舷邊ROV系統(tǒng)[3]。

2.2 配電系統(tǒng)

2.2.1 滿足DP3規(guī)范要求的配電系統(tǒng)分區(qū)設(shè)計

本船動力定位系統(tǒng)滿足雙船級社DP3動力定位規(guī)范的要求，即在預(yù)設(shè)的定位環(huán)境條件下，當(dāng)任意部件或系統(tǒng)發(fā)生單點故障，甚至包括由于失火或進(jìn)水造成1個艙室的完全損失后，仍能自動保持船舶的位置和首向[2]。所以本船的配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須滿足 DP3動力定位系統(tǒng)的要求，即電站與推進(jìn)器的分組必須保持一致。

規(guī)范對DP3動力定位的要求是：電站及配電系統(tǒng)應(yīng)至少在兩個艙室進(jìn)行合理布局。因此，本船設(shè)計有2個獨立的機艙和 2個獨立的配電板室。機艙之間具有A60及水密分隔，每個機艙內(nèi)的發(fā)電機組及輔助系統(tǒng)都可獨立運行，互不影響。配電板室之間及與各相鄰機艙之間全部為A60及水密分隔。

機艙、配電板室及推進(jìn)器艙分區(qū)如圖2所示。

圖2 機艙、配電板室及推進(jìn)器艙分區(qū)圖

2.2.2 配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本船在設(shè)計之初根據(jù)發(fā)電機的容量，經(jīng)過初步的短路電流估算，最終選擇了電網(wǎng)的電制：

1）AC690V，用于電站電源設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)主設(shè)備、主起重機、輔助起重機；

2）AC440V，用于工程作業(yè)設(shè)備，包括潛水設(shè)備及ROV設(shè)備、泵組、風(fēng)機、輔助生活設(shè)備等；

3）AC230V，用于小風(fēng)機、輔助生活設(shè)備等。

根據(jù)系統(tǒng)特性及設(shè)備配置，共設(shè)計了12塊配電板，包括：2塊AC690V主配電板、2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊ROV及收放系統(tǒng)配電板、2塊潛水配電板、1塊船用配電板、1塊潛水用應(yīng)急配電板。

配電系統(tǒng)基本配置如圖3所示。

根據(jù)機艙及配電板室的分區(qū)，全船動力設(shè)備完全分開為前后2個系統(tǒng)。前機艙1號及3號主發(fā)電機連接至前AC690V主配電板，后機艙2號、4號主發(fā)電機及停泊發(fā)電機連接至后AC690V主配電板。

前 AC690V主配電板供電負(fù)載為左主推進(jìn)器、1號首管道推進(jìn)器、1號首伸縮推進(jìn)器、輔起重機、主起重機2號電機、1號配電板變壓器、1號潛水設(shè)備供電變壓器、1號ROV及甲板設(shè)備供電變壓器。后AC690V主配電板供電負(fù)載為右主推進(jìn)器、2號首管道推進(jìn)器、2號首伸縮推進(jìn)器、主起重機1號和3號電機、2號配電板變壓器、2號潛水設(shè)備供電變壓器、2號ROV及甲板設(shè)備供電變壓器。

在DP模式下，2塊AC690V主配電板之間的母聯(lián)開關(guān)全部斷開，各自獨立運行，分別給各自DP區(qū)內(nèi)的設(shè)備供電。同時，2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊ROV及收放系統(tǒng)配電板、2塊潛水配電板之間的母聯(lián)開關(guān)也全部斷開，保證了電力系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和一致性。

圖3 配電系統(tǒng)單線圖

由于 2套電力系統(tǒng)分區(qū)獨立運行，相應(yīng)分區(qū)的發(fā)電機容量必須滿足分區(qū)用電設(shè)備、保證人員安全。通過采用需要系數(shù)法對各種 DP工況下的發(fā)電機負(fù)荷率進(jìn)行計算，2個DP分區(qū)發(fā)電機容量滿足使用要求。電力負(fù)荷計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 電力負(fù)荷計算書

2.2.3 配電系統(tǒng)冗余設(shè)計

本船采用的分開獨立運行式配電系統(tǒng)無論從結(jié)構(gòu)型式上還是冗余度上都能滿足DP3規(guī)范要求。2套配電系統(tǒng)獨立運行，結(jié)構(gòu)型式清晰明了，各DP分區(qū)設(shè)備由分區(qū)內(nèi)的配電板供電，保證了供電的獨立性及安全性。用于保持定位能力的設(shè)備獨立運行，不受另外分區(qū)設(shè)備影響。即使1個分區(qū)完全損失，也不會對另外1個分區(qū)造成影響，冗余度較好。

但是，分開運行的配電系統(tǒng)會產(chǎn)生較多的故障穿越風(fēng)險。所謂故障穿越，即為當(dāng)1個分區(qū)發(fā)生故障時，通過共同連接的系統(tǒng)將故障輸送至另 1個分區(qū)，從而導(dǎo)致2個分區(qū)均產(chǎn)生故障，將故障擴大化[1]。這在DP3船舶設(shè)計中是不允許發(fā)生的。

2.3 故障穿越的風(fēng)險及預(yù)防

基于本艘船舶設(shè)備的特點，下列 2種情況會帶來故障穿越的風(fēng)險：1）對大功率設(shè)備供電時，如果使用單邊供電會導(dǎo)致 2段電網(wǎng)的極度不平衡，從而影響到部分負(fù)載的使用，進(jìn)而對動力定位能力產(chǎn)生影響，在這種情況下，只能采用不同分區(qū)的配電板供電；2）設(shè)備較多，由于空間的限制，不可避免地出現(xiàn)了 2個分區(qū)配電板供電的設(shè)備放置在1個艙室內(nèi)的情況。

以本船在設(shè)計過程中遇到的實際情況為例，討論當(dāng)出現(xiàn)上述2種情況時應(yīng)采取什么措施避免故障穿越。

1）大功率設(shè)備2段電網(wǎng)供電

本船250 t主起重機共設(shè)有3臺主驅(qū)動電機，功率均為925 kW。如果采用同一DP分區(qū)內(nèi)的配電板供電，會導(dǎo)致該區(qū)域負(fù)荷率超出發(fā)電機容量，從而導(dǎo)致起重機不能全功率使用。如起重機全功率使用，則其他設(shè)備將會受到影響，導(dǎo)致定位能力的損失。而另一分區(qū)的發(fā)電機會輕載運行。

為避免出現(xiàn)這種情況，經(jīng)綜合考慮，采用2個DP分區(qū)配電板同時供電的方案。其中前機艙主配電板給主起重機 2號主驅(qū)動電機供電，后機艙主配電板給主起重機1號和3號主驅(qū)動電機供電。后機艙由于設(shè)有停泊發(fā)電機，如起重機全功率運行，則可以將停泊發(fā)電機與主發(fā)電機并車使用。

但是，采用這種設(shè)計方法就會出現(xiàn)前面所描述的故障穿越問題。當(dāng)主起重機本體發(fā)生火災(zāi)，則會導(dǎo)致2路供電電纜短路，短路故障會影響到2個DP分區(qū)的配電板而導(dǎo)致 2個分區(qū)全部失電。因此，必須采取措施來避免故障的發(fā)生。

本船采取了 3種方法以避免發(fā)生故障：（1）主起重機改變滑環(huán)結(jié)構(gòu)型式，滑環(huán)型式不推薦使用在 DP3分網(wǎng)運行的船舶上，本船采用的是拖鏈型式，進(jìn)線采用裝在筒體內(nèi)的接線盒型式；（2）從前配電板供電至主起重機2號主驅(qū)動電機的電纜全部在A60絕緣通道內(nèi)敷設(shè)，直至筒體內(nèi)的接線盒；（3）筒體內(nèi)安裝 2個火警探頭，當(dāng) 2個探頭同時報警時，輸出開關(guān)量信號至前后配電板，切斷主起重機主電機所有供電開關(guān)。

2）同一艙室內(nèi)的2個設(shè)備由2個分區(qū)配電板供電

本船配備2套ROV收放系統(tǒng)，1套為月池收放系統(tǒng)，1套為舷邊收放系統(tǒng)，每套收放系統(tǒng)都配有1臺臍帶纜絞車，2臺臍帶纜絞車均布置在WROV絞車房。

根據(jù)設(shè)備本身的要求，當(dāng)船舶發(fā)生最大單點故障，即船舶損失一半動力后，任何 1套收放系統(tǒng)還可回收ROV，速度減半。因此，每套臍帶纜絞車都設(shè)有 2臺電機，每臺電機配有1臺起動器，1臺電機起動器由左舷 WROV配電板供電，而左舷 WROV配電板由前AC690V配電板經(jīng)過變壓器供電；另1臺電機起動器由右舷WROV配電板供電，而右舷WROV配電板由后AC690V配電板經(jīng)過變壓器供電。這樣就導(dǎo)致1個艙室內(nèi)即有前機艙供電設(shè)備，又有后機艙供電設(shè)備，當(dāng)這個艙室本身發(fā)生火災(zāi)或進(jìn)水故障時，會導(dǎo)致 2個分區(qū)配電板短路，最終導(dǎo)致船舶損失所有電力系統(tǒng)。雖然電機供電開關(guān)設(shè)有短路保護(hù)，可在短路瞬間切斷開關(guān)，但是短路時的瞬態(tài)壓降會在很大程度上觸發(fā)跟 DP相關(guān)的設(shè)備供電開關(guān)或接觸器保護(hù)動作。

因此，為了避免1個艙室損失的故障影響2個分區(qū)，本船在WROV絞車房設(shè)置了火警探測和進(jìn)水探測裝置。當(dāng)絞車房內(nèi)的火警探頭報警或者進(jìn)水探測傳感器達(dá)到設(shè)定值時，均送出開關(guān)量切斷信號送至左舷WROV配電板，同時切斷配電板上的每臺臍帶纜絞車的1臺電機起動器供電開關(guān)，相當(dāng)于切斷1個分區(qū)的供電，避免故障穿越情況的發(fā)生。

另外，還有一種情況可能會導(dǎo)致故障穿越。例如本船主起重機設(shè)有 1臺輔助電機，此電機要求在主電機工作時必須工作。由于主電機由2個DP分區(qū)供電，因此輔助電機必須保證在 1個分區(qū)失效后仍能保持工作。為滿足這種情況，設(shè)計了手動切換箱。1個分區(qū)配電板均供電至手動切換箱，手動切換箱輸出至輔助電機。當(dāng)輔助電機的供電電源損失，可通過手動切換至另 1分區(qū)配電板供電，不影響主起重機的正常運行。雖然這樣可以滿足使用要求，但是可能也會帶來故障穿越的問題。當(dāng)手動切換箱發(fā)生火災(zāi)，短路故障會影響到 2個分區(qū)供電配電板。因此，必須在供電至手動切換箱的兩個分區(qū)配電板開關(guān)上設(shè)置聯(lián)鎖，當(dāng) 1個開關(guān)供電時，另外1個開關(guān)必須保證斷開。

3 結(jié)束語

本艘飽和潛水支持船配電系統(tǒng)的設(shè)計既要滿足動力定位DP3要求，又要注意避免分段運行的電網(wǎng)出現(xiàn)故障穿越，這種情況具有一定的代表性。文章分析了DP3船舶配電系統(tǒng)的設(shè)計思路，介紹了避免故障穿越的措施，可為以后同類型船舶的設(shè)計提供設(shè)計參考。

[1] DNV GL. Rules for Classification OF Ships[S].2015.

[2] 中國船級社. 鋼制海船入級規(guī)范[S]. 2012.

[3] 中國船舶工業(yè)集團公司, 中國船舶重工集團公司,中國造船工程學(xué)會. 船舶設(shè)計實用手冊 電氣分冊[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2013.