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(大連船舶重工集團(tuán)有限公司， 遼寧 大連 116005)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和油氣能源需求的增大，海洋油氣資源開(kāi)采已經(jīng)從淺水走入深水，動(dòng)力定位(Dynamic Positioned, DP)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各種深水鉆井平臺(tái)、鋪管船、海工支持船等海工裝備。由于深海環(huán)境嚴(yán)酷，為了保證DP系統(tǒng)的可靠性，國(guó)際海事組織和各船級(jí)社都要求：任何DP 2和DP 3船舶均需進(jìn)行故障模式及影響分析(Failure Mode and Effect Analysis, FMEA)。電力系統(tǒng)作為DP系統(tǒng)的子系統(tǒng)，是平臺(tái)發(fā)電和輸配電的重要系統(tǒng)。因此，對(duì)電力系統(tǒng)FMEA關(guān)鍵點(diǎn)的研究具有重要意義。

DP船舶應(yīng)取得船級(jí)社的某動(dòng)力定位入級(jí)符號(hào)，以證明DP系統(tǒng)滿足該符號(hào)的相關(guān)技術(shù)要求。目前，對(duì)取得DP 2或DP 3某入級(jí)符號(hào)船舶的DP系統(tǒng)FMEA研究已經(jīng)較多，但是對(duì)同時(shí)滿足DP 2和DP 3要求，可在兩種模式下自由轉(zhuǎn)換的DP系統(tǒng)FMEA鮮有介紹。本文以一型動(dòng)力定位深水半潛修井平臺(tái)為例，分析兼顧DP 2和DP 3兩種模式的電力系統(tǒng)的FMEA關(guān)鍵點(diǎn)。

1 故障模式及影響分析

FMEA是一種能分析和識(shí)別產(chǎn)品、服務(wù)或工藝過(guò)程中各種潛在的故障模式，確定其優(yōu)先等級(jí)，并對(duì)其中的薄弱環(huán)節(jié)和關(guān)鍵項(xiàng)目采取改進(jìn)措施的系統(tǒng)分析工具，是“事前預(yù)防”，而非“事后糾正”[1]。DP FMEA的目的是分析驗(yàn)證動(dòng)力定位系統(tǒng)的冗余度，以確保船舶在任何最大單一故障下仍有能力自動(dòng)保持位置和艏向。DP FMEA的分析范圍隨船型不同而有所不同，典型的DP FMEA范圍包括：電力系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、DP控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。

FMEA使用風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)來(lái)標(biāo)記DP系統(tǒng)潛在故障，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的大小判斷是否有必要進(jìn)行改進(jìn)或確定改進(jìn)的緊迫程度，進(jìn)而以較低的成本減少故障損失，提高DP系統(tǒng)的可靠性。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)由故障的發(fā)生概率和嚴(yán)重程度組合獲得，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)=發(fā)生概率×嚴(yán)重程度，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣見(jiàn)表1。風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高的潛在故障被定義為A類推薦項(xiàng)，須立即整改，以滿足船級(jí)社規(guī)范要求；風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)中或低的潛在故障被定義為B或C類推薦項(xiàng)，可以與船舶所有人協(xié)商是否整改以及整改計(jì)劃[2]。

表1 FMEA風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分矩陣

2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

該平臺(tái)采用2個(gè)浮體、4根立柱、雙層甲板箱形式，將在巴西、墨西哥灣等溫和海域作業(yè)，最大作業(yè)水深為2 400 m，最大鉆井深度為8 500 m，入級(jí)ABS船級(jí)社，取得DPS-3船級(jí)符號(hào)，是一型以修井為主、鉆井為輔的新型半潛平臺(tái)。平臺(tái)的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)為6臺(tái)5 500 kW柴油發(fā)電機(jī)，配電系統(tǒng)為11 kV、440 V、230 V高/低壓系統(tǒng)，推進(jìn)器為6臺(tái)3 500 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。電力系統(tǒng)可以在DP 3模式開(kāi)環(huán)運(yùn)行；也可根據(jù)船舶所有人要求，在1臺(tái)發(fā)電機(jī)維修的前提下，在DP 2模式下閉環(huán)運(yùn)行。電力系統(tǒng)單線圖如圖1所示。為滿足DP 3要求，平臺(tái)的發(fā)電、配電、推進(jìn)器和相關(guān)輔助系統(tǒng)被分割為4個(gè)獨(dú)立的DP組，DP組之間均采用水密和A60級(jí)防火艙壁隔離，DP設(shè)備分組如圖2所示。

圖1 電力系統(tǒng)單線圖

圖2 DP設(shè)備分組布置圖

3 電力系統(tǒng)FMEA關(guān)鍵點(diǎn)

根據(jù)ABS定義，“閉環(huán)”是一種操作模式，在此模式下，所有或大部分母排與所有或大部分配電盤是連接在一起的，即配電盤內(nèi)部和配電盤之間的母聯(lián)開(kāi)關(guān)是閉合的。與閉環(huán)對(duì)應(yīng)的操作模式是“開(kāi)環(huán)”，此時(shí)所有母聯(lián)開(kāi)關(guān)均打開(kāi)[3]。在閉環(huán)模式下電力系統(tǒng)將形成1個(gè)或2個(gè)整體系統(tǒng)，須統(tǒng)籌考慮各元件之間的控制和保護(hù)；在開(kāi)環(huán)模式下每段母排都是一個(gè)獨(dú)立部分，可獨(dú)立自主運(yùn)行。

3.1 配電盤保護(hù)

對(duì)于DP 2閉環(huán)模式，除了常規(guī)配電盤保護(hù)設(shè)定，發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)與母聯(lián)開(kāi)關(guān)之間以及母聯(lián)開(kāi)關(guān)與母聯(lián)開(kāi)關(guān)之間的選擇性保護(hù)和方向性保護(hù)均需重點(diǎn)考慮；在DP3開(kāi)環(huán)模式下，僅需要設(shè)計(jì)常規(guī)的發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)與下游開(kāi)關(guān)之間的選擇性保護(hù)，方向性保護(hù)不適用。

該平臺(tái)的11 kV配電盤為發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)和母聯(lián)開(kāi)關(guān)配備了GE Multilin系列保護(hù)繼電器，這些保護(hù)繼電器通過(guò)以太網(wǎng)連接組成環(huán)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)按照選擇性保護(hù)和方向性保護(hù)的要求合理設(shè)定保護(hù)繼電器，從而使配電盤可以快速、有效地隔離故障部分。FMEA試驗(yàn)了兩種短路故障：(1)通過(guò)電流發(fā)生器模擬電流互感器反饋的母排短路信號(hào)，保護(hù)繼電器收到該信號(hào)后，按照預(yù)設(shè)邏輯脫扣該段母排相關(guān)的母聯(lián)開(kāi)關(guān)和上/下游開(kāi)關(guān)，同時(shí)電站管理系統(tǒng)(Power Management System， PMS)發(fā)出母排短路報(bào)警。(2)模擬母聯(lián)開(kāi)關(guān)短路，保護(hù)繼電器將故障母聯(lián)開(kāi)關(guān)脫扣，同時(shí)PMS發(fā)出母聯(lián)開(kāi)關(guān)短路報(bào)警，發(fā)電機(jī)開(kāi)關(guān)和下游開(kāi)關(guān)狀態(tài)不變。

3.2 柴油機(jī)調(diào)速器

調(diào)速器通過(guò)調(diào)節(jié)柴油機(jī)燃油供應(yīng)來(lái)控制柴油機(jī)轉(zhuǎn)速和有功功率輸出[4]。在DP 3開(kāi)環(huán)模式下調(diào)速器僅能控制單臺(tái)柴油機(jī)，但在DP 2閉環(huán)模式下，調(diào)速器則通過(guò)負(fù)載分配線實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的同步模式有功負(fù)載分配，如果負(fù)載分配線故障，所有在網(wǎng)發(fā)電機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換至下降模式進(jìn)行有功負(fù)載分配。

該平臺(tái)采用Woodward 828電子調(diào)速器，在DP 2閉環(huán)模式下選擇柴油機(jī)同步負(fù)載分配功能時(shí)，6個(gè)調(diào)速器通過(guò)負(fù)載分配網(wǎng)絡(luò)(LON總線)連接，形成冗余LON總線環(huán)網(wǎng)，而傳統(tǒng)的模擬量負(fù)載分配線僅作為備用，LON總線和負(fù)載分配線不可以同時(shí)使用，如圖3所示。

圖3 調(diào)速器網(wǎng)絡(luò)示例

LON總線用來(lái)傳遞交換調(diào)速器之間的用功負(fù)載分配數(shù)據(jù)，F(xiàn)MEA重點(diǎn)分析試驗(yàn)了調(diào)速器和LON總線故障。如果1條LON總線出現(xiàn)短路或短線的故障，調(diào)速器可以自動(dòng)切斷到備用LON總線，隔離故障LON總線，并向PMS發(fā)出次要報(bào)警。如果2條LON總線同時(shí)故障，調(diào)速器將自動(dòng)轉(zhuǎn)換至下降模式，并向PMS發(fā)出主要報(bào)警。如果調(diào)速器故障，受影響的發(fā)電機(jī)將從電網(wǎng)中解裂，剩余的發(fā)電機(jī)重新分配負(fù)載，并向PMS發(fā)出報(bào)警。

3.3 電站管理系統(tǒng)

PMS在電力系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)時(shí)都可以運(yùn)行。對(duì)于DP 2閉環(huán)模式，失電恢復(fù)、功率儲(chǔ)備、功率限制等3個(gè)功能則非常關(guān)鍵，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和FMEA時(shí)應(yīng)充分關(guān)注。

失電恢復(fù)功能是指在整個(gè)電網(wǎng)失電時(shí)，能夠按照預(yù)設(shè)邏輯快速啟動(dòng)發(fā)電機(jī)和并網(wǎng)發(fā)電，推進(jìn)器應(yīng)能盡快啟動(dòng)，恢復(fù)平臺(tái)的定位能力。不同船級(jí)社和石油公司對(duì)失電恢復(fù)的時(shí)間要求從45 s到180 s不等。功率儲(chǔ)備功能是指為提高電力系統(tǒng)可靠性，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的容量需大于負(fù)載功率，差值部分作為儲(chǔ)備功率以補(bǔ)償發(fā)生故障后的發(fā)電機(jī)容量損失。PMS根據(jù)功率需計(jì)算運(yùn)行發(fā)電機(jī)的數(shù)量，儲(chǔ)備功率值也需實(shí)時(shí)顯示在PMS和DP控制站上。功率限制功能是指當(dāng)電網(wǎng)突然出現(xiàn)故障時(shí)，PMS可以暫時(shí)減少功率消耗以穩(wěn)定電網(wǎng)，避免全船失電。對(duì)于鉆井平臺(tái)，該功能主要是暫時(shí)降低推進(jìn)器變頻器和鉆井變頻器輸出。

該平臺(tái)在FMEA試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)切斷PMS供電、硬線信號(hào)和通信鏈路等方式模擬PMS的各種故障，同時(shí)觀察上述3個(gè)功能的運(yùn)行情況是否正常。

3.4 發(fā)電機(jī)調(diào)壓器

調(diào)壓器(Automatic Voltage Regulator， AVR)通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁來(lái)控制發(fā)電機(jī)電壓和無(wú)功功率輸出[4]。在DP 3開(kāi)環(huán)模式下，AVR僅能控制單臺(tái)發(fā)電機(jī)，但在DP 2閉環(huán)模式下，AVR則通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行發(fā)電機(jī)在同步模式下的無(wú)功負(fù)載分配。如果網(wǎng)絡(luò)故障，所有在網(wǎng)發(fā)電機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換至下降模式進(jìn)行無(wú)功負(fù)載分配。

該平臺(tái)采用Basler DECS-250電子AVR，當(dāng)DP 2閉環(huán)模式選擇發(fā)電機(jī)同步無(wú)功負(fù)載分配功能時(shí)，6個(gè)AVR通過(guò)無(wú)功負(fù)載分配網(wǎng)絡(luò)連接，形成單個(gè)環(huán)網(wǎng)。無(wú)功負(fù)載分配環(huán)網(wǎng)用以傳遞交換AVR之間的無(wú)功負(fù)載分配數(shù)據(jù)，F(xiàn)MEA重點(diǎn)分析試驗(yàn)了AVR和無(wú)功負(fù)載分配環(huán)網(wǎng)故障。如果AVR故障，受影響的發(fā)電機(jī)將從電網(wǎng)中解裂，剩余發(fā)電機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到下降模式，并重新分配無(wú)功負(fù)載。如果無(wú)功負(fù)載分配網(wǎng)絡(luò)故障，所有在網(wǎng)發(fā)電機(jī)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換到下降模式，并向PMS發(fā)出報(bào)警。

3.5 保護(hù)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)是不同于傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)和配電盤保護(hù)，專門用于閉環(huán)電力系統(tǒng)或增強(qiáng)型DP系統(tǒng)的智能發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)探測(cè)發(fā)電機(jī)組和配電盤主要元件的運(yùn)行狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)發(fā)電機(jī)可能出現(xiàn)故障，可極快地從電力系統(tǒng)提前隔離該發(fā)電機(jī)，避免故障發(fā)電機(jī)影響其他正常發(fā)電機(jī)以至全船失電。

該平臺(tái)采用通用電氣公司的增強(qiáng)型發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)(Enhanced Generator Monitoring System, EGMS)，每臺(tái)發(fā)電機(jī)均配備1套EGMS。在FMEA試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)切斷EGMS的供電、硬線信號(hào)，以及切斷EGMS與調(diào)速器、調(diào)壓器與EGMS之間的通信鏈路等方式模擬EGMS的各種故障，從而驗(yàn)證上述任何單點(diǎn)故障不會(huì)影響電力系統(tǒng)供電能力。

3.6 故障穿越

短路及其導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)分閘會(huì)造成電力系統(tǒng)瞬間電壓降，故障穿越是指電氣設(shè)備應(yīng)能夠承受一段時(shí)間短路導(dǎo)致的欠電壓而不失效，從而允許電力系統(tǒng)保護(hù)裝置有時(shí)間隔離短路故障的能力[5]。電力系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)、配電盤都應(yīng)具備故障穿越能力，以使短路故障導(dǎo)致的瞬間電壓降不會(huì)使平臺(tái)失去定位能力。為了提高電力系統(tǒng)故障穿越能力，常用方法有：(1)高壓配電盤、低壓配電盤和推進(jìn)器變頻器的控制回路由不間斷電源(Uninterrupted Power Supply， UPS)供電。(2)避免某個(gè)DP設(shè)備使用雙路電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換，尤其避免雙路電源來(lái)自不同的DP組，因?yàn)殡娫醋詣?dòng)轉(zhuǎn)換裝置故障可能造成兩路供電源頭配電盤的故障，從而同時(shí)影響兩個(gè)DP組。如果必須使用雙路電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路，則需作針對(duì)性的電壓降穿越計(jì)算，分析電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置故障對(duì)DP系統(tǒng)造成的影響。

由于電力系統(tǒng)包括眾多電氣設(shè)備和電子原件，F(xiàn)MEA大都通過(guò)設(shè)備廠家提交的計(jì)算報(bào)告來(lái)分析評(píng)估故障穿越能力，如果做實(shí)船試驗(yàn)只能做配電盤的實(shí)際短路試驗(yàn)，但大部分船級(jí)社對(duì)此沒(méi)有強(qiáng)制要求。除了電力系統(tǒng)，船級(jí)社對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)等DP相關(guān)系統(tǒng)的故障穿越能力也有要求，需提交相關(guān)計(jì)算報(bào)告進(jìn)行分析評(píng)估。

3.7 隱藏故障

隱藏故障是指操作和維護(hù)人員不能立即發(fā)現(xiàn)的故障。若系統(tǒng)中存在隱藏故障，且系統(tǒng)沒(méi)有提醒操作人員，則可能會(huì)發(fā)生對(duì)船舶定位產(chǎn)生重大影響的進(jìn)一步故障，而此情況應(yīng)作為單一故障考慮。FMEA會(huì)分析電力系統(tǒng)所有主要設(shè)備的隱藏故障以及可能造成的進(jìn)一步故障和需要采取的措施[6]。常見(jiàn)的隱藏故障有：PMS軟件故障、開(kāi)關(guān)機(jī)械故障導(dǎo)致無(wú)法打開(kāi)/閉合、沒(méi)有自檢測(cè)功能的傳感器故障等。

DP 3開(kāi)環(huán)模式與DP 2閉環(huán)模式電力系統(tǒng)FMEA關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 DP 3開(kāi)環(huán)與DP 2閉環(huán)電力系統(tǒng)FMEA關(guān)鍵點(diǎn)的主要差異

4 結(jié) 語(yǔ)

出于節(jié)能減排的考慮，近年來(lái)越來(lái)越多的船舶所有人希望電力系統(tǒng)可以在閉環(huán)模式下運(yùn)行。雖然閉環(huán)模式具有減少燃油消耗、減少機(jī)組維護(hù)時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，但是從上述分析可知：DP 3開(kāi)環(huán)模式的電力系統(tǒng)將被分割為4個(gè)母排部分，每部分獨(dú)立運(yùn)行；DP 2閉環(huán)模式電力系統(tǒng)則需要考慮各母排部分之間的相互影響，其控制保護(hù)功能較開(kāi)環(huán)模式更復(fù)雜、嚴(yán)格。因此，閉環(huán)模式才是電力系統(tǒng)FMEA的重點(diǎn)和難點(diǎn)，無(wú)論是FMEA還是電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)，都需給予足夠關(guān)注。對(duì)于DP 3開(kāi)環(huán)模式，F(xiàn)MEA的重點(diǎn)則是DP組分割和失艙分析，需要挑選很多典型艙室進(jìn)行失艙試驗(yàn)。

FMEA是DP系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，只有通過(guò)了DP FMEA分析和試驗(yàn)，才能證明DP系統(tǒng)滿足船級(jí)社規(guī)范要求。電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過(guò)程中須時(shí)刻秉承提高系統(tǒng)可靠性的理念，與FMEA團(tuán)隊(duì)持續(xù)溝通，及時(shí)整改設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程分析和控制，真正做到“事前預(yù)防”。不應(yīng)把設(shè)計(jì)驗(yàn)證完全依賴在FMEA分析和試驗(yàn)上，如果此時(shí)再發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)的某些重大缺陷，可能對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)以及平臺(tái)建造、調(diào)試帶來(lái)重大負(fù)面影響。