摘" " 要：本文基于2000t風電安裝平臺電氣設計，針對DP2符號的設計要求，闡述FMEA試驗的設計要點；結合全船的故障設計意圖和實船的電氣設計方法，提出設計注意事項，避免在實際試驗過程中出現(xiàn)單點故障影響冗余組正常運行，確保FMEA試驗結果的準確性，減少因試驗結論引起的技術修改。

關鍵詞：設計；試驗；故障模式影響和分析

中圖分類號：U662.2" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A

FMEA Design Requirement of 2 000 t Wind Power Installation Platform

ZHENG Chuzhong，" LIANG Shaohui，" YANG Zhigang，" JIANG Ziyu

（ CSSC Huangpu Wenchong Shipbuilding Co.， Ltd.，" GuangZhou 510715 ）

Abstract： Based on the design requirements of 2 000 t wind turbine installation platform with DP2 symbol， this paper analyzes and expounds the design points of the FMEA test. In combination with the fault design intent of the whole vessel and the electrical design method of real vessel， the design precautions are proposed， in order to avoid the phenomenon of single point failure affecting the normal operation of the redundancy group in the actual test process， ensure the accuracy of the FMEA test results and reduce technical modifications caused by test conclusions.

Key words： design;" test;" FMEA

1" " "引言

2 000 t風電安裝平臺具備2級動力定位能力（DP-2），裝配有一臺2 000 t全回轉起重機、一臺200 t輔助起重機及一臺50 t的雜用起重機，擁有4套升降系統(tǒng)、3個全回轉主推進器及3個艏側推進器，是可用于12 MW及以上的海上風電機組安裝的第四代風電安裝平臺。

本平臺擁有DP-2的標志，根據(jù)船舶規(guī)范中相關要求，應在出現(xiàn)單一故障（不包括一個艙室或幾個艙室的損失）后，可在規(guī)定的環(huán)境下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內自動保持船位和首向[1]。根據(jù)這一要求，該平臺在設計過程中需要考慮設備冗余的問題，而且單一的冗余組出現(xiàn)故障時不應影響其他冗余組的運行。本文將從這要求出發(fā)，簡析該平臺電氣設計要求，并對DP故障模式與影響分析試驗（FMEA）進行研究，通過列舉相應的設計案例來闡述相應的設計方法。

2" " DP2冗余組的電氣設計要點分析

本平臺采用中壓電站，在航行模式下整個中壓配電板為開環(huán)運行，將母排分成A，B，C三段排，可以合排運行也可分段運行，每段中壓母排由兩個6600V發(fā)電機供電，任意兩個發(fā)電機都能進行并車。在DP2模式的工況，6 600 V、400 V、230V各主配電板母排斷開，電力系統(tǒng)分為三個獨立系統(tǒng)運行，三段排分別對應一臺主推進、一臺側推及其相應的輔助設備，230 V配電板根據(jù)負載需求只有兩段，分別為A段，C段，為滿足B段相關設備的230 V供電需求，設計了由B段400V帶一個變壓器供電至一分電箱來實現(xiàn)230V的B段要求，如圖1所示。其電站整體形成的3個冗余度，劃分為A、B、C三段匯流排進行故障模式分析。

2.1" "FMEA驗證試驗的結論

FMEA目的在于分析及論證出現(xiàn)單一故障后動力定位船舶是否能保持船位，及系統(tǒng)是否滿足冗余設計的要求。

FMEA驗證試驗的相關結論，進行了以下三類排列[2]：

“A”類：涉及超過最嚴重故障設計意圖、引起安全問題或不符合船級社要求的潛在嚴重故障模式；

“B”類：解決故障模式的問題，這些故障模式不超過最嚴重故障設計意圖，不會引起安全問題也符合船級社要求， 但是很重要， 改善后可以使動力定位能力更加穩(wěn)定；

“C”類：如果解決這些問題，其目的是改善系統(tǒng)運行。這些僅是建議， 如無必要不必處理。

在DP故障模式與影響分析試驗基礎上的設計，需圍繞FMEA的目的進行設計，避免單一故障引起的其他連鎖所應?！癆”類問題屬于必須規(guī)避整改的問題，在進行設計時就需對全船的最嚴重故障設計意圖有全面的理解。但在FMEA驗證試驗中，并不是意味著所有未超過最嚴重故障設計意圖的設計都是可以被接受的，畢竟船舶運行時，其運行的穩(wěn)定性及能力才是關鍵的，所以，在未產生最嚴重故障的前提下，由單一故障產生的影響也不應明顯地減弱動力定位的能力。

2.2" "最嚴重故障設計意圖

本平臺設計的船舶最嚴重情況故障意圖是失去任一動力和推力系統(tǒng)冗余組（ A、 B 或 C）， 即失去一段 6.6kV 母排、兩臺柴油發(fā)電機、一臺艏側推和一臺全回轉主推進器。如圖2所示，失去實線A，虛線B或點劃線C三個匯流排任一個包括其所帶負載不應影響船舶定位能力。

如圖2所示，本平臺配備了3個冗余分組，即3套獨立的推進/電力系統(tǒng)來實現(xiàn)冗余，其定義如表1。這3個冗余組在DP下將圖2中的母聯(lián)開關斷開形成三個獨立系統(tǒng)，能夠單獨運行，在設計上包括其輔助設備也不應由其它冗余組的故障而影響本身系統(tǒng)的運行。

2.3" "單一故障的分析

在冗余的條件下，對各個設備各個可能出現(xiàn)的單一故障進行分析，包括故障產生的原因、探測潛在的故障，故障對系統(tǒng)局部和整個動力定位系統(tǒng)的影響。單一故障的分析不包括對以下部件進行分析：船體結構的分析、人為或故意的誤操作行為以及靜態(tài)部件。

單一故障的分析結合全船所有設備系統(tǒng)，針對每個系統(tǒng)進行假設其可能出現(xiàn)的故障分析各故障點對船舶定位產生的影響，分析只在同一時間內的單一故障有效，而對于同一時間內的兩個或多個故障則不在考慮范疇內。

設備的單一故障，主要從以下幾個方面進行假設：

1）設備的供電故障，包括失電、短路等；

2）設備的信號丟失或故障，包括：接口斷線、信號錯誤、傳感器故障等；

3）設備單一機械性故障，如冷卻、油壓、媒介溫度等。

從本平臺實際出發(fā)，在單一故障上的分析，除了動力定位相關設備上滿足的冗余外，對三段匯流排的冗余設備的分析主要針對柴油發(fā)電機組和推進器本身的故障分析外，還需對其相關輔助設備如燃油供給、空氣供給、冷卻水管系及電氣原理進行單一故障的模擬分析。其最終所要達到的檢測目的為：

1）單一的故障是否影響其它冗余設備的運行；

2）單一的故障是否存在影響船舶定位整體能力；

3）單一故障是否能通過某些技術手段避免其影響范圍。

3" " FMEA試驗的設計和注意事項

3.1" "FMEA的試驗步驟

FMEA的試驗設計與驗證流程如圖3所示。

3.2" "FMEA電氣專業(yè)的設計

1）電氣總體的設計方向

根據(jù)前面的分析，本平臺的設計采用了三個冗余度的設計，分別分成A、B、C三套。在動力定位模式下，配電板之間的母聯(lián)開關全部斷開形成三個獨立系統(tǒng)，而應急配電板由C段母排供電，因此電氣總體需按這三個獨立系統(tǒng)進行相應的供電冗余設計，如海淡水泵、風機等設備的供電也需嚴格按照其在DP狀態(tài)下相應隔離閥的分區(qū)狀態(tài)進行供電。

全船的主要輔助設備的供電單線圖如圖4所示。

根據(jù)輪機管系原理圖，全船配備了4臺海水泵、4臺淡水泵、3臺空壓機及8臺機艙風機（4臺抽風機、4臺送風機）。

4臺海水泵和推進淡水泵在DP模式下，1號、2號、3號分別對應母排A、B、C上的柴油機冷卻管系，4號海水泵在DP模式下只作為1號海水泵的備用泵，目的在于減少最嚴重故障點，提高其定位的能力；2號、3號海水泵任一臺在故障時會導致對應母排柴油機上的冷卻出現(xiàn)故障，從而導致發(fā)生最嚴重故障；4號淡水泵在DP模式下不運行、不作為備用泵，相關的控制邏輯由中控系統(tǒng)實現(xiàn)。

3號空壓機與1、2號空壓機區(qū)別為自帶冷卻水泵，作用是為癱船時的應急空壓機使用，所以只能由應急配電板供電。由于應急配電板在DP模式下歸入C段的負載，所以另外兩臺空壓機只能由A、B段匯流排供電。

機艙風機在DP 模式下自動起動， 3 臺機艙送風機（可逆）和3臺機艙抽風機（可逆），且 DP一直保持 3 臺機艙送風機（可逆）和3 臺機艙抽風機（可逆）運行，剩下 1 臺機艙送風機（可逆）和1 臺機艙抽風機（可逆）作為備用。

2）電氣基本設計的若干注意事項

DP2在FMEA上無物理區(qū)域分割要求，因此，在設備布置時存在同一區(qū)域內冗余設備服務于不同冗余組設備的情況，其供電需由不同匯流母排進行供電，防止在FMEA試驗中考驗艙室內溫升的問題。如，中壓配電間內的兩臺水冷空調柜機，其在供電需分別由來自不同母排的電源供電，以避免在失去一個冗余度后，導致其設備出現(xiàn)明顯的溫升情況。同類的設備有空調、柜室空調及風機等設備。

在冷卻系統(tǒng)上，涉及到冷卻器上溫控閥的電氣設計，在溫控閥出現(xiàn)故障后（包括溫度偏差或電源故障），需在中控上進行報警，并且在設備選型時，需注意溫控閥（包括控制器控制電或溫控閥電源）在失電后，溫控閥芯需有自保持能力，不應出現(xiàn)閥芯隨媒介的流動而擺動或出現(xiàn)全關/全開的現(xiàn)象。在FMEA考驗上，此做法為滿足單一故障不減弱動力定位的能力，在中控報警提供相關值班人員能進行處理而不致于由于溫控閥的小故障而導致失去一個冗余組的能力，畢竟相關的冷卻在柴油機或推進器上存在相關的安保能力。具體的實船F(xiàn)MEA考驗見圖5所示第2項內容，模擬低溫淡水溫控閥故障的方法可以通過溫控閥失電來實現(xiàn)，其試驗預期結果要求“溫控閥有故障報警及閥位保持”。

推進器與動力定位（DP）之間的接口基本上是通過推進器的遙控系統(tǒng)接入到DP的信號采集箱（DPC），主要包含了轉速命令、轉舵命令、轉速反饋、轉舵反饋等信號。FMEA的試驗都會對以上各信號進行故障模擬，方法大致為斷線模擬信號丟（下轉第頁）（上接第頁）

失，而FMEA的預期結論都為對應推進器退出DP模式并報警。由于以上控制命令與反饋信號從設計上基本為4～20 mA信號，因此，需要在信號的接收方需設計信號斷線反饋報警，以便在信號丟失后，發(fā)送方知道命令或反饋信號已丟失。在設備無法執(zhí)行DP的命令或命令與反饋不一致時退出DP，并將相應的推進器轉速歸零，以避免在推進器在退出DP后保持轉速給船舶產生非必要的推力以減弱整船的定位能力。

4" " "結束語

故障模式分析作為對船舶整體設計冗余性、安全性、可靠性的檢驗，在設計時，需充分考慮相關的故障點及故障點產生的影響，把握單一故障的影響及最嚴重故障設計意圖，針對不同的DP符號的船舶做相應的設計交底，避免故障交叉影響冗余組。在FMEA試驗設計時，需做到有故障就有響應，響應的方法包括了故障報警、退出DP模式、自備冗余切換等方法。因此，在船舶設計初期，需對相應FMEA理念的設計提前介入，全盤考慮，避免后期試驗過程出現(xiàn)A類或B類故障意見導致的修改。

目前，船舶的故障模式分析設計方式已日益成熟，各種理論及原理也比較完善，也基本融入了船舶設計的理念中，為船舶安全可靠運營提供了強大的保障。

參考文獻

[1] 鋼質海船檢驗入級規(guī)范[S].北京：中國船級社， 2022．

[2] 沈錦康.動力定位船舶的FMEA介紹[J]. 江蘇船舶， 2010， 27 （03）.