余小青

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海 200125）

船舶電站是以電力作為主要動力輸出的核心設(shè)備，其配置的合理性和安全性是設(shè)計時首先應(yīng)該考慮的問題，對于電站閉排運行的DP船而言，在設(shè)計時，除了需要考慮電站自身的基本要求，還需要考慮DP系統(tǒng)和閉排運行對電站的額外要求，這些要求更多地體現(xiàn)在船舶電站的安全性上，一旦船舶電站出現(xiàn)故障，會直接導(dǎo)致DP系統(tǒng)失效，從而導(dǎo)致船舶失位而產(chǎn)生重大安全隱患，因此，這方面的研究非常必要。

1 DP系統(tǒng)等級劃分

根據(jù)DP系統(tǒng)的配置冗余情況，一般可以劃分為三級，DP-3為最高等級，如下：（1）DP-1，可以在規(guī)定的環(huán)境條件下自動保持船舶的位置和艏向，同時，還應(yīng)設(shè)有獨立的集中手動船位控制和自動艏向控制。（2）DP-2，在出現(xiàn)單個故障(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)后，可以在規(guī)定的環(huán)境條件下在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向。（3）DP-3，在出現(xiàn)任一故障(包括由于失火或進水造成一個艙室的完全損失)后，可以在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和艏向。

2 DP船舶電站設(shè)計基本要素

（1）原動機及其輔助系統(tǒng)如供油、供水、供氣等系統(tǒng)。

（2）發(fā)電機組配置，發(fā)電機組容量需要通過電力負(fù)荷計算書來確定，滿足在各種DP作業(yè)模式下的電力需求。

（3）配電盤系統(tǒng)，通常對于DP船其配電盤供電形式可以分為以下三種：①開式供電，在DP模式下每段配電盤分段獨立供電（圖1）。②閉排供電，在DP模式下每段配電盤連成一段總排供電（圖2）。③閉環(huán)供電，指在DP作業(yè)時各段配電盤首尾相連形成環(huán)狀對外供電（圖3）。

圖1

圖2

圖3

（4）二次分配電系統(tǒng)：①輔助系統(tǒng)配電盤；②輔助系統(tǒng)組合和獨立啟動器；③輔助系統(tǒng)獨立組合和獨立分電箱；④不間斷電源（UPS）。

3 DP船舶電站設(shè)計的基本原則

（1）安全穩(wěn)定原則。DP船在海上作業(yè)時，DP系統(tǒng)的安全穩(wěn)定是需要優(yōu)先考慮的，一旦DP系統(tǒng)失效，可能會使船舶失位從而發(fā)生事故，為了確保DP系統(tǒng)的安全，在設(shè)計船舶時，需要優(yōu)先確保船舶電站的安全性，因為船舶電站的安全性是DP系統(tǒng)最重要的安全支撐，大量的DP船事故分析表明事故原因與船舶電站存在直接或間接的聯(lián)系。

（2）冗余原則：①配置冗余，配置冗余是指根據(jù)系統(tǒng)功能需求設(shè)置兩套或多套設(shè)備和元器件，當(dāng)其中某一套失效時，其余硬件依然能夠保證設(shè)備的正常運行。②功能冗余，功能冗余是指不同系統(tǒng)和設(shè)備對同一系統(tǒng)和設(shè)備具有同樣的功能支撐，當(dāng)一項功能失效時，其他功能能夠起到替代補充的作用。

（3）供電時間最短原則：①控制回路由UPS持續(xù)供電，當(dāng)外界電源失效時，UPS依然能夠保持控制回路的主接觸器在一段時間內(nèi)閉合，當(dāng)電源再次恢復(fù)供電，負(fù)載在不需要重新啟動的情況下繼續(xù)運行。②控制回路延時脫口，當(dāng)外界電源失效時，原控制回路中主接觸器通過延時脫扣器的延時保護，可以讓接觸器主觸頭保持很短時間，這種脫扣器的延時動作一般由主觸頭內(nèi)的內(nèi)置電容來實現(xiàn)。當(dāng)電源在很短的時間內(nèi)再次恢復(fù)，負(fù)載在不需要重新啟動的情況下繼續(xù)運行。③記憶啟動，當(dāng)外界電源失效時，主控制回路完全失電，負(fù)載停止運行，但當(dāng)再次恢復(fù)供電時設(shè)備可以自動運行，啟動器內(nèi)配置的PLC具有記憶功能，它可以還原設(shè)備斷電前的狀態(tài)，當(dāng)主控制回路恢復(fù)供電，PLC自動發(fā)出啟動命令以恢復(fù)到斷電前的狀態(tài)。④順序啟動，當(dāng)外界電源失效時，主控制回路完全失電，負(fù)載停止運行，當(dāng)再次恢復(fù)供電時，啟動器內(nèi)的時間繼電器開始工作，當(dāng)達(dá)到時間繼電器的設(shè)定時間，系統(tǒng)會自動依次重啟負(fù)載。

4 發(fā)電機組保護

發(fā)電機組從結(jié)構(gòu)來看分為原動機和發(fā)電機，原動機是發(fā)電機的驅(qū)動設(shè)備，原動機發(fā)生故障會導(dǎo)致發(fā)電機無法正常運轉(zhuǎn)，因此，發(fā)電機組的保護也分為原動機保護和發(fā)電機保護，從保護原理來分可以分為機械保護和電氣保護。機械保護是指物理保護如壓力、溫度等，電氣保護則需要結(jié)合發(fā)電機在電網(wǎng)中的各項電氣參數(shù)如電壓、電流、頻率、功率是否正常來綜合判斷。

4.1 機械保護

（1）原動機保護，當(dāng)原動機發(fā)生了很嚴(yán)重的故障時，影響足以對原動機造成損壞，如嚴(yán)重機械故障、機械磨損、發(fā)生火災(zāi)或爆炸。例如，發(fā)動機超速，滑油壓力低，燃油溫度高，曲拐箱油霧濃度高等。當(dāng)發(fā)生這些故障后原動機的控制系統(tǒng)將立即執(zhí)行發(fā)動機停車保護讓發(fā)動機停止。

（2）原動機報警，當(dāng)出現(xiàn)一些故障但這些故障不會對原動機造成致命損傷，發(fā)動機依然可以運行一段時間，系統(tǒng)觸發(fā)報警，船員可以通過故障類型來決定是否停車。

（3）發(fā)電機保護，發(fā)電機主要的機械保護有發(fā)電機軸承溫度、三相繞組溫度、冷卻空氣溫度，泄漏報警。當(dāng)報警值超出設(shè)定值后，也會觸發(fā)報警停車。

4.2 電氣保護

發(fā)電機組的電氣保護是一個龐大的系統(tǒng)，從配電結(jié)構(gòu)來看，配電盤是發(fā)電機對外供電的中樞，配電盤主要承擔(dān)發(fā)電機組的電氣保護功能，配電盤的主開關(guān)配置了繼電保護裝置（Relay），它是整個電網(wǎng)保護的核心部件，繼保采集電網(wǎng)的各項參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)故障時，它會通過數(shù)據(jù)分析及保護設(shè)定來判斷以何種方式對電站進行保護。通常會執(zhí)行脫扣保護和停車。

4.2.1 電站管理系統(tǒng)（PMS）

PMS可以對電站進行優(yōu)化管理，滿足船舶在各種工況下的電力分配，具有全面的管理和保護功能，主要的保護功能包括：

（1）功率分配功能，PMS可以對在網(wǎng)發(fā)電機的有功功率和無功功率進行平均分配。

（2）自動恢復(fù)供電功能，當(dāng)電網(wǎng)斷電后，PMS按程序發(fā)出發(fā)電機啟動指令，開關(guān)合閘指令和重要輔助負(fù)載的順序啟動指令。

（3）故障診斷報警功能，PMS對系統(tǒng)進行不間斷巡檢。

（4）自動卸載功能，根據(jù)電站負(fù)荷PMS自動增機和減機。同時，可以預(yù)防斷電，包括推進器功率限制及非重要負(fù)荷卸載。

（5）重載問詢功能，當(dāng)電站剩余功率不足時，PMS禁止大負(fù)載啟動，如大負(fù)載需要啟動，則需向PMS發(fā)出重載問詢。

（6）功率限制：推進器功率限制適用于DP模式和非DP模式，當(dāng)PMS發(fā)出的快速限制信號時，推進驅(qū)動系統(tǒng)優(yōu)先采取“快速功率限制”；如快速限制信號消失或沒有接收到快速限制信號，則采取“動態(tài)功率限制”。

4.2.2 高階發(fā)電機保護系統(tǒng)（AGS）

高階發(fā)電機保護系統(tǒng)通過采集柴油機油門刻度、發(fā)電機電壓、發(fā)電機電流、發(fā)電機頻率、發(fā)電機勵磁電流、發(fā)電機勵磁電壓、推進器功率和電流、AVR故障等信號，在發(fā)生故障后，AGS提前甄別在網(wǎng)的故障機，并只對故障發(fā)電機的主開關(guān)進行脫扣保護，而不影響其他健康的發(fā)電機運轉(zhuǎn)。

5 故障模式與影響分析（FMEA）

FMEA的目的在于分析與DP系統(tǒng)功能有關(guān)的設(shè)備的不同故障模式，對于系統(tǒng)中的同一設(shè)備，可能存在多種故障模式，從而對DP系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響。對于DP-2和DP-3附加標(biāo)志的船舶要求做FMEA報告，報告中應(yīng)對每個單一故障、單個系統(tǒng)及其內(nèi)部部件進行故障分析，所有技術(shù)功能進行獨立性考慮，當(dāng)系統(tǒng)中存在某個部件無須冗余或無法冗余時，還要進一步考慮該部件的可靠性或機械保護，以此判斷單一故障影響對整個DP系統(tǒng)的影響。

6 船舶電站閉排運行的優(yōu)缺點

船舶電站閉排運行是當(dāng)下較主流的設(shè)計方案，也是業(yè)主和船級社比較推崇的方案，其優(yōu)缺點都非常明顯，整體來說，利大于弊：

（1）優(yōu)點：在滿足現(xiàn)行DP規(guī)范條件下可以保證電網(wǎng)和DP系統(tǒng)的安全運行，與傳統(tǒng)的開式供電結(jié)構(gòu)相比，閉排運行是讓所有在線發(fā)電機組并車運行，PMS對電網(wǎng)功率進行平均分配，以此減少在線發(fā)電機的臺數(shù)，在線發(fā)電機臺數(shù)減少船舶的油耗下降，也就節(jié)約了成本。

（2）缺點：與傳統(tǒng)的開式供電結(jié)構(gòu)相比，閉排運行會提高配電盤的硬件配置，如增加額外的開關(guān)和繼電保護裝置，同時，也提高PMS系統(tǒng)的軟硬件配置，主要是元器件的冗余配置，軟件控制程序變得復(fù)雜，故障分析難度也加大。

7 結(jié)語

DP船舶電站實行閉排運行是設(shè)計理念不斷優(yōu)化的結(jié)果，經(jīng)過各方不斷努力，這種設(shè)計理念最終被船級社和業(yè)主所接受，這種設(shè)計理念能將DP船舶電站的安全性和經(jīng)濟性進行有機結(jié)合，在滿足船舶電站和DP系統(tǒng)安全的同時，為業(yè)主節(jié)省了更多的燃油成本，這非常契合綠色海洋和節(jié)能減排的理念。