海洋石油286船三級動力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉喜傳

（中國海洋石油總公司，北京 100010）

0 前言

船舶在海洋中所受的外力主要是由風(fēng)、浪、流等產(chǎn)生的。它們會造成船舶的橫移、縱移、垂蕩、首搖、橫搖和縱搖。船舶動力定位系統(tǒng)即DP系統(tǒng)的基本功能是通過計(jì)算機(jī)自動或手動控制船上的各個(gè)推進(jìn)器，對抗船舶受到的各種環(huán)境外力（風(fēng)、浪、流和外部作用力等），使船舶保持所預(yù)定的位置和首向。隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展，動力定位的應(yīng)用也在擴(kuò)大。采用動力定位系統(tǒng)，可使船舶與其他船舶保持相對位置不變、使船舶按預(yù)定的軌跡移位、按預(yù)定計(jì)劃的航線以預(yù)定航速航行，從而實(shí)現(xiàn)船舶自動駕駛、對水下目標(biāo)進(jìn)行自動跟蹤等功能。由于動力定位系統(tǒng)有定位精度高、提高船舶安全性能和作業(yè)安全、可以使船舶智能化、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于大型海工裝備上，在多用途工作船、科研調(diào)查船等船舶上也有較多的應(yīng)用。

海洋石油286船是深水多功能水下工程船，能在深海惡劣海況下進(jìn)行大型深水水下結(jié)構(gòu)物安裝、軟管鋪設(shè)、錨系處理和潛水支持作業(yè)，配置了三級動力定位系統(tǒng)，具有在風(fēng)、浪、流的作用下無須借助錨泊系統(tǒng)而是利用自身的推力系統(tǒng)便可使船舶保持預(yù)定的位置和首向或者按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動，大大提高了船舶在惡劣海況下作業(yè)的可靠性、安全性和準(zhǔn)確性。本文介紹了船舶動力定位系統(tǒng)的原理和組成，并從配電系統(tǒng)和電站管理等方面就海洋石油286船上三級動力定位系統(tǒng)電站的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

1 動力定位系統(tǒng)原理

圖1 動力定位系統(tǒng)原理框圖

典型的動力定位系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。動力定位船舶在海上所受的環(huán)境外力來自于風(fēng)、浪、流等。在這些外力的作用下，船舶會產(chǎn)生位置、首向等狀態(tài)的變化。這些狀態(tài)的變化可以被動力定位系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)探測到，如位置參照系統(tǒng)探測位置的變化，羅經(jīng)系統(tǒng)探測首向的變化。這些信息傳輸?shù)絼恿Χㄎ挥?jì)算機(jī)系統(tǒng)。動力定位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)首先計(jì)算出船舶的位置和首向的設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差數(shù)值，然后計(jì)算出消除這些偏差所需要的船舶推力器的推力，并向船舶的各個(gè)推力器發(fā)出控制信號，最優(yōu)化地給每個(gè)推力器分配推力任務(wù)，以使實(shí)際值和設(shè)定值之間的偏差在作業(yè)允許的范疇內(nèi)。風(fēng)速和風(fēng)向傳感器探測船舶所在位置的風(fēng)速和風(fēng)向作為前饋輸入至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。動力定位系統(tǒng)可以控制船舶在三個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動，即橫移、縱移和首搖。

動力定位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心是船舶動力定位數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型描述了船舶在外力和本身推力的作用下如何運(yùn)動，反映了船舶本身的水動力性能。數(shù)學(xué)模型通常使用卡爾曼濾波技術(shù)不斷進(jìn)行修正，給出控制的推力指令。

2 海洋石油286三級動力定位系統(tǒng)

2.1 動力定位系統(tǒng)的基本構(gòu)成

國際海事組織IMO根據(jù)動力定位系統(tǒng)的設(shè)備和系統(tǒng)的冗余度，按照是否允許設(shè)備和系統(tǒng)有單個(gè)故障以及單個(gè)故障的范圍，按動力定位系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境條件下以及作業(yè)范圍內(nèi)自動保持船舶的位置和首向的能力。將動力定位系統(tǒng)分為三個(gè)等級：一級、二級和三級。各個(gè)船級社參照IMO的定義和要求均在各自的規(guī)范中有單獨(dú)的章節(jié)描述動力定位的要求。

動力定位一級：適用于無故障條件下運(yùn)行，也就是說在發(fā)生故障后，船舶就可能失去保持船舶位置的能力。

動力定位二級：在出現(xiàn)單個(gè)故障后，但不包括艙室進(jìn)水或失火的故障，船舶仍能保持船舶位置的能力。單個(gè)故障包括發(fā)電機(jī)組故障、推進(jìn)器故障等，一般采取冗余替代的方法實(shí)現(xiàn)。發(fā)電機(jī)組的冗余更突出地反映在柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)包括燃油、滑油、冷卻水、空氣系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)上。推進(jìn)器的冗余同樣不僅僅針對推進(jìn)器本身，也反映在其輔助系統(tǒng)包括滑油、操舵、冷卻水等輔助系統(tǒng)以及驅(qū)動系統(tǒng)，包括推進(jìn)電動機(jī)、推進(jìn)變頻器、輔助電源、冷卻系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制等。

動力定位三級：除了要滿足上述動力定位二級的冗余要求外，還要滿足在任何一個(gè)艙室進(jìn)水或失火的故障下，仍能保持船舶位置的能力。所以要求相關(guān)設(shè)備的布置應(yīng)具有A-60級防火分隔的要求，水線以下的設(shè)備分隔還需滿足水密分隔要求，包括發(fā)電機(jī)組、配電板、動力定位控制站等的布置需滿足分隔要求。

海洋石油286船是深水多功能水下工程船，配置了三級動力定位系統(tǒng)，申請了挪威船級社（DNV）和中國船級社（CCS）兩個(gè)船級社的三級動力定位船級符號，需滿足DNV規(guī)范DPS 3和CCS規(guī)范DP-3動力定位的要求。三級動力定位意味著船舶可以承受任何一個(gè)艙室，包括一個(gè)機(jī)艙由于火災(zāi)或進(jìn)水導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，仍具有保持船舶位置的能力。

海洋石油286動力定位控制系統(tǒng)使用挪威康士伯公司生產(chǎn)的K-Pos DP-22和DP-12系統(tǒng)，K-Pos DP-22作為主控制系統(tǒng)，K-Pos DP-12作為備用控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的設(shè)備布置滿足DP-3分艙要求。動力定位控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 海洋石油286船動力定位控制系統(tǒng)方框圖

海洋石油286動力定位主控制系統(tǒng)K-PosDP-22控制計(jì)算機(jī)兩套布置于駕駛室后駕控臺上。該區(qū)域作為動力定位主控制中心。備用控制系統(tǒng)K-Pos DP-12控制計(jì)算機(jī)一套布置于駕駛室左翼控制臺，駕駛室左翼控制臺區(qū)域作為動力定位備用控制中心。動力定位備用控制中心與主控制中心都布置在駕駛室內(nèi)，但設(shè)有A-60分隔。

為船舶提供位置參考信息的定位裝置有高精度DGPSDPS700。DPS700包括有一套GPS天線、一套GPS/Glonass天線、處理器DPS132和DPS232以及差分信號接收天線。設(shè)兩套張繩器用于500m水深以內(nèi)定位，另設(shè)兩套水聲定位系統(tǒng)HiPAP和一套無線電定位系統(tǒng)RADius。為船舶提供首向信息的電羅經(jīng)設(shè)有三套。Seapath300系統(tǒng)設(shè)有兩套，該系統(tǒng)既能向動力定位控制系統(tǒng)提供位置信息，也能向動力定位控制系統(tǒng)提供首向信息。設(shè)置三套船舶運(yùn)動傳感器MRU5向動力定位控制系統(tǒng)提供船舶運(yùn)動及趨勢信息，三套風(fēng)速風(fēng)向傳感器提供船舶所在位置的風(fēng)速風(fēng)向信息。以上兩套或多套傳感器與測量系統(tǒng)中的一套系統(tǒng)連接至備用控制系統(tǒng)，且與另一套系統(tǒng)盡量設(shè)有分隔和/或保護(hù)，以防止導(dǎo)致兩套或多套系統(tǒng)一起發(fā)生故障。

在良好的海況和氣象條件下，該系統(tǒng)的定位精度為：距離設(shè)定的船位小于0.5m；在風(fēng)速為24m/s、浪高9m、海流1.5 kn時(shí)，系統(tǒng)的定位精度為：距離設(shè)定的船位小于3m。由于動力定位涉及全船的推進(jìn)器和測量系統(tǒng)等，因此最終的定位精度還要取決于相關(guān)設(shè)備的精確度、可靠性和響應(yīng)時(shí)間。

2.2 動力定位操作對電站的要求

船舶電站系統(tǒng)包括發(fā)電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)和原動機(jī)以及為其服務(wù)的輔助系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等；配電系統(tǒng)包括主配電板、輔助配電板、分配電板和變壓器等。對于三級動力定位系統(tǒng)，要求發(fā)電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)需要有冗余，并且需滿足A-60分艙要求，即一個(gè)艙室由于失火或進(jìn)水從而導(dǎo)致整個(gè)艙室失去后，剩余的發(fā)電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)仍能為推進(jìn)器提供電力以滿足定位要求。

海洋石油286設(shè)有前后兩個(gè)機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙安裝兩臺3 850 kW柴油發(fā)電機(jī)組和一臺2 885 kW柴油發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為21MW。主要用電負(fù)荷包括：安裝在船尾部的兩臺4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，安裝在首部的兩臺2 200 kW管道式側(cè)向推進(jìn)器，安裝在首部一臺2 200 kW可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，總的推進(jìn)器裝機(jī)容量是15.6MW。電力系統(tǒng)單線圖如圖3所示。發(fā)電系統(tǒng)采用6 600 V、50Hz中性點(diǎn)高阻接地系統(tǒng)，推進(jìn)電動機(jī)采用690 V變頻驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)艙和甲板輔助機(jī)械采用400 V中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，主起重機(jī)等工程作業(yè)設(shè)備采用690 V中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)。

圖3 海洋石油286船電力系統(tǒng)單線圖

DNV規(guī)范對三級動力定位電站的操作要求是用于提供冗余的匯流排連接斷路器在動力定位操作時(shí)需要斷開。對于海洋石油286船要求圖3所示的兩個(gè)6 600 V匯流排連接斷路器和所有低壓配電板匯流排連接斷路均需斷開，即實(shí)際上形成兩個(gè)電站系統(tǒng)。每一個(gè)電站系統(tǒng)設(shè)有電站管理系統(tǒng)。電站管理系統(tǒng)的首要功能是保證供電的連續(xù)性。電站管理系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)組和配電系統(tǒng)的電壓、頻率和功率進(jìn)行監(jiān)測。為防止電網(wǎng)過載，當(dāng)監(jiān)測到電網(wǎng)過載時(shí)，如還有備用發(fā)電機(jī)組，則自動起動備用發(fā)電機(jī)組、并網(wǎng)供電和調(diào)頻調(diào)載，當(dāng)沒有備用發(fā)電機(jī)組時(shí)，則分級切斷非重要的負(fù)荷；當(dāng)一臺發(fā)電機(jī)組突然發(fā)生故障而失去供電時(shí)，動力定位控制系統(tǒng)降低推進(jìn)器的功率以降低電網(wǎng)功率，防止電網(wǎng)過載而導(dǎo)致電網(wǎng)斷電；當(dāng)一個(gè)電站所在的艙室發(fā)生失火或進(jìn)水而導(dǎo)致該電站失去供電能力時(shí)，船舶將失去該電站的三臺發(fā)電機(jī)組、兩臺推進(jìn)器等，這是海洋石油286三級動力定位系統(tǒng)最嚴(yán)重的單個(gè)故障，在這個(gè)最嚴(yán)重的單個(gè)故障發(fā)生后，另一個(gè)電站系統(tǒng)仍能提供足夠的電力供給剩下的三臺推進(jìn)器用于定位，從而保證供電的連續(xù)性和定位工作的可靠性。無論是在起重工況、鋪設(shè)軟管工況還是在錨系處理等工況下，動力定位系統(tǒng)供電的優(yōu)先級都要高于其他負(fù)荷，其目的是首先保證船舶位置和首向。

3 結(jié)語

船舶動力定位系統(tǒng)是先進(jìn)的船舶海上定位技術(shù)，與傳統(tǒng)的錨泊定位方式相比，具有不受水深限制、定位精確、機(jī)動性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對于我國深海海洋油氣田開發(fā)具有重要意義。海洋石油286作為深水多功能水下工程船，承擔(dān)深水水下結(jié)構(gòu)物安裝、軟管鋪設(shè)、ROV支持、飽和潛水支持、錨系處理等作業(yè)任務(wù)。由于船舶動力定位系統(tǒng)的應(yīng)用，故使該船的各項(xiàng)功能使用得到充分的保障。該船的建成必將為我國深海海上油氣的開發(fā)生產(chǎn)發(fā)揮重要的作用。