鄭智

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學院，湖北武漢430050）

動力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System，簡稱DP)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其主要利用推進器產(chǎn)生的推力來抵抗海上各種環(huán)境力（例如風、浪、流等），從而使船舶在海面上盡可能地保持所要求的位置與艏向上。配備了動力定位系統(tǒng)的船舶可操縱大大提高，并且操作也比較方便，因而廣泛應(yīng)用于海洋鉆井船、鉆井平臺、飽和潛水船、鋪管船等高端海洋工程裝備上。

IMO和各大船級社對動力定位系統(tǒng)的配置提出了嚴格要求,制定了三個等級標準，分別是一級動力定位系統(tǒng)（DP-1）,二級動力定位系統(tǒng)（DP-2）,三級動力定位系統(tǒng)（DP-3）。CCS也對配置了動力定位系統(tǒng)的船舶授予附加標志，其要求有如下規(guī)定：

1 ）DP-1級?？稍谝?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級。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級。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[1]。

由此可見，三個級別的動力定位系統(tǒng)中，DP-3系統(tǒng)的設(shè)計要求最高。要實現(xiàn)這樣的功能要求，必須采用冗余設(shè)計，即船舶必須配置多套相互獨立的動力定位設(shè)備。除此之外，獨立的系統(tǒng)之間必須進行A60級的物理分隔。只有這樣才能保證由于失火或進水造成一個艙室的完全損失后，剩余系統(tǒng)仍然能夠自動保持船舶位置和艏向。這樣的冗余設(shè)計，不同于傳統(tǒng)的設(shè)計方法。因此DP-3船舶的詳細設(shè)計與生產(chǎn)設(shè)計相比于普通非DP-3船舶設(shè)計，大大增加了其船舶電氣的設(shè)計難度。

1 實船配置

該船為多功能深潛水打撈工作母船，可以開展海上打撈救援作業(yè)，作為工作母船還可以向ROV和飽和潛水提供支持。實船船體總長180.0m，型寬33.0m，配備了先進的DP3動力定位系統(tǒng)，船舶電站采用6.6kV的中壓電力系統(tǒng)，全船配備6臺主發(fā)電機，每臺功率為4656kW；3臺全回轉(zhuǎn)主推進器，每臺功率為5500kW；2臺側(cè)推，每臺功率為3100kW；2臺伸縮推，每臺功率為3100kW，動力定位設(shè)備配置詳見表1。

表1 動力定位設(shè)備配置表

2 詳細設(shè)計分析

船舶電氣詳細設(shè)計是以方案設(shè)計為基礎(chǔ)，解讀規(guī)范并開展電氣系統(tǒng)性設(shè)計。它為船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計提供詳細的系統(tǒng)圖，系統(tǒng)圖主要包括各種系統(tǒng)設(shè)備之間的電氣連接、電纜規(guī)格以及可供參考的設(shè)備布置位置。目前，國內(nèi)具備DP-3方案設(shè)計能力的設(shè)計院所極少，各大船舶設(shè)計院主要采用國外的方案設(shè)計，以方案設(shè)計為基礎(chǔ)，開展詳細設(shè)計業(yè)務(wù)。

2.1 船舶電站閉環(huán)設(shè)計

配備了DP-3動力定位系統(tǒng)的船舶，其電氣詳細設(shè)計方法不同于非DP-3船舶電氣設(shè)計的一個顯著特點是DP-3船舶的電站采用閉環(huán)冗余設(shè)計。簡單地說，DP-3船舶的多個配電板需要依次首尾聯(lián)結(jié)，形成一個閉環(huán)的電站。因為DP-3船舶的一個艙室完全損失后仍具有定位能力的特殊要求，所以電站配電板只有這樣的設(shè)計才能滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。另外，多臺發(fā)電機和推進器需要分別連接到多個配電板上形成多個分組，每個分組之間需采用A60級物理分隔，6.6kV中壓主配電板單線圖如圖1所示。

圖1 6.6kV主配電板單線示意圖

由此可見，DP-3船舶在動力定位模式下，每個主配電板之間相互隔離，每個主配電板上至少有一臺主發(fā)電機供電，從而可以有效避免配電板單一故障影響到其他配電板。相比非DP-3船舶電站，這樣的閉環(huán)設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)配電板極高的冗余要求，并且發(fā)電機均分負載，減少在網(wǎng)發(fā)電機的數(shù)量，可以提高運行效率。各船級社先后發(fā)布了閉環(huán)電網(wǎng)技術(shù)的指導(dǎo)意見，一些公司也相繼開發(fā)出閉環(huán)電網(wǎng)的產(chǎn)品并在實船上應(yīng)用[2]。

2.2 DP分區(qū)

DP-3船舶動力定位系統(tǒng)進行了A60級分隔冗余設(shè)計，為了生產(chǎn)設(shè)計以及后續(xù)現(xiàn)場施工建造過程中，能夠真正實現(xiàn)A60級的物理分隔，必須預(yù)先對動力定位系統(tǒng)的設(shè)備進行分區(qū)，簡稱DP分區(qū)。分區(qū)的依據(jù)是動力系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及推進系統(tǒng)所組成的多套定位系統(tǒng)在滿足冗余的情況下按規(guī)范配置，但是多套定位系統(tǒng)彼此之間都要滿足A60級分隔。只有這樣，當船舶遭遇丟失一個艙室后，仍然具備動力定位的能力。

根據(jù)本船動力定位設(shè)備配置，將六臺主發(fā)電機分為三組，每組包含有兩臺主發(fā)電機；三臺主推進器每臺為一個獨立的分組，共分三組，與三組發(fā)電機組對應(yīng)；四臺6.6kV主配電板分為四組，每組一臺；其他配電裝置和側(cè)推、伸縮推合理分組。本船DP設(shè)備分組見表2。

完成DP分區(qū)之后，詳細設(shè)計利用劃分好的DP分區(qū)來進行總布置圖的設(shè)計，主要包括機艙內(nèi)主發(fā)電機組的布置、配電板間的布置、推進器艙的布置等。通常來講，完成總布置圖的DP分區(qū)之后，可在總布置圖上用不同的顏色對不同的DP區(qū)加以區(qū)別，如圖2所示，藍色代表1號DP分區(qū)、洋紅色代表2號DP分區(qū)、綠色代表3號DP分區(qū)、青色代表4號DP分區(qū)，這樣可以為生產(chǎn)設(shè)計帶來更加精準的參照。

表2 DP分區(qū)的設(shè)備配置表

圖2 DP分區(qū)示意圖

3 生產(chǎn)設(shè)計分析

船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計是以詳細設(shè)計為基礎(chǔ)，開展施工設(shè)計，為現(xiàn)場施工提供指導(dǎo)依據(jù)。非DP-3船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計需要完成電纜冊的編制、電氣設(shè)備三維建模和三維綜合布置等設(shè)計任務(wù)。在深刻理解DP分區(qū)的意義后，DP-3船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計不同于非DP-3船舶設(shè)計的難點在于電纜走向設(shè)計。

3.1 DP電纜走向設(shè)計要求

全船與動力定位系統(tǒng)相關(guān)的電纜（簡稱DP電纜）需要單獨清理出來，在電纜冊中做特殊標識，然后按照其所屬的DP分區(qū)，在相對應(yīng)的DP分區(qū)內(nèi)完成DP電纜走向圖的設(shè)計。換句話說，例如2號DP分區(qū)里的DP設(shè)備和DP電纜只能在2號DP分區(qū)里完成三維布置和電纜走向圖，而不能穿越到1號DP分區(qū)內(nèi)或者3、4號DP分區(qū)內(nèi)。這樣的設(shè)計要求無疑增大了設(shè)計難度，因為非DP-3船舶的電纜走向理論上可以在船內(nèi)任意穿越，而DP-3船舶的DP電纜卻被劃分在所屬DP分區(qū)內(nèi)設(shè)計，這使得電纜走向的設(shè)計空間被壓縮。

少數(shù)不可避免地需要穿越到其他DP分區(qū)里的電纜，必須單獨對該電纜做A60級物理分隔。一般是在這些電纜外加A60級電纜管分隔，這也會增加施工工藝的復(fù)雜程度。

3.2 三維建模

DP-3船舶冗余設(shè)計要求，造成這類船舶的電纜量非常大，再加上DP電纜路徑空間受限的特點，使得三維建模與綜合布置異常困難。在船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計過程中，經(jīng)常出現(xiàn)各專業(yè)相互協(xié)調(diào)，反復(fù)溝通，以及信息誤差造成的設(shè)計返工。在開始三維建模設(shè)計之前，需要定義各類電纜的顏色，每個組別的顏色各不相同，以便于識別區(qū)分[3]。為了方便電纜托架和模型的區(qū)分，電纜的顏色需要在建模之前由總師或主管確定好，顏色定義和模型分別見表3和圖3。一旦確定好顏色后，各個區(qū)域設(shè)計人員按照要求開展三維建模設(shè)計。

圖3 電纜通道走向示意圖

表3 三維模型電纜顏色劃分示意表

三維設(shè)計人員根據(jù)電纜清冊，挑出本分區(qū)的所有DP電纜，優(yōu)先完成DP電纜走向的設(shè)計。設(shè)計過程中嚴格執(zhí)行本DP分區(qū)的DP電纜不得穿越經(jīng)過其他DP分區(qū)，有特殊情況的DP電纜待定。完成了DP電纜的三維設(shè)計之后，可以進行非DP電纜的三維設(shè)計。電纜通道與電纜托架的設(shè)計只需遵循設(shè)計手冊與工藝標準即可。

4 結(jié)語

DP-3船舶在操縱性、穩(wěn)定性與可靠性等方面優(yōu)勢突出，因此DP-3動力定位系統(tǒng)會越來越廣泛地應(yīng)用到高端船舶上。DP-3系統(tǒng)前景雖好，但是因其系統(tǒng)及布置的復(fù)雜，要求高、設(shè)計難度大，為船舶電氣設(shè)計人員帶來了諸多挑戰(zhàn)。例如，如何正確敷設(shè)動力定位系統(tǒng)電纜，以確保任一區(qū)域的電纜發(fā)生故障后不會超過設(shè)定的最大單點故障[4]，從而滿足FMEA的要求，這也是船舶電氣設(shè)計不可忽視的重要工作。本文通過DP-3實船案例，介紹分析DP-3船舶電氣詳細設(shè)計與生產(chǎn)設(shè)計的特點與難點，以及電纜路徑設(shè)計基本方法，為船舶行業(yè)設(shè)計人員提供借鑒與參考。