動力系統(tǒng)在船舶電力推進(jìn)動力定位中的應(yīng)用探討

姜玉林

摘要：本文概述了船舶電力推進(jìn)動力定位系統(tǒng)的原理、組成、特點(diǎn)和應(yīng)用，以及為確保該綜合技術(shù)的廣泛應(yīng)用，必須進(jìn)行的各種試驗(yàn)。望本論文對船員在船舶電力推進(jìn)動力定位中的理論水平和實(shí)際操作技能的提高會有一定的幫助。

關(guān)鍵詞：船舶 電力推進(jìn) 動力定位

動力定位（DP）是指不用拋錨，而由船載計(jì)算機(jī)自動控制推進(jìn)器來保持船舶或浮動平臺位置的技術(shù)。定點(diǎn)控制、航跡控制、循線控制、跟蹤控制等都屬于動力定位范疇。

動力定位技術(shù)是一項(xiàng)跨學(xué)科的船舶綜合控制技術(shù)，具有作業(yè)海域范圍廣，機(jī)動性好等突出的技術(shù)優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于海洋礦石鉆探采樣、海底安裝作業(yè)、鉆井勘探作業(yè)、海工吊裝、潛水支持、油井維修和改裝、油田守護(hù)供應(yīng)、海底管線敷設(shè)、水下機(jī)器人（ROV）跟蹤、沉船勘探打撈和清除、挖泥船作業(yè)、海洋科考等作業(yè)，是開發(fā)海洋資源，建設(shè)海洋經(jīng)濟(jì)不可或缺的設(shè)備。

1 船舶動力定位系統(tǒng)的原理和組成

動力定位系統(tǒng)是一個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，其基本原理是：使用精密、先進(jìn)的儀器來測定船

舶或平臺因風(fēng)、浪、流作用而發(fā)生的位移和方向變化，通過計(jì)算機(jī)等自動控制系統(tǒng)對信息進(jìn)行實(shí)時處理、計(jì)算，并自動控制若干個不同方向的推進(jìn)器的推力大小和力矩，使船舶或平臺回復(fù)到原有的位置。

動力定位系統(tǒng)包括動力系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、動力定位控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，圖1是DP系統(tǒng)的組成方框圖。

動力系統(tǒng)是指給整個動力定位系統(tǒng)提供電力，并負(fù)責(zé)電源的分配和管理。一般的船舶電站可兼作動力系統(tǒng)，但應(yīng)滿足一些特殊要求。包括發(fā)電機(jī)和原動機(jī)，主配電板，功率管理系統(tǒng)和不間斷電源UPS。

推進(jìn)器系統(tǒng)包括主推進(jìn)器、舵、側(cè)推，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、推進(jìn)器控制器等等，它是動力定位系統(tǒng)的執(zhí)行部分，常用電動機(jī)或柴油機(jī)驅(qū)動推進(jìn)器。主推進(jìn)裝置可兼作動力定位系統(tǒng)的推力器，在船舶進(jìn)入動力定位運(yùn)作模式時，由動力定位系統(tǒng)的控制器進(jìn)行控制。為提高定位能力，主推進(jìn)裝置可設(shè)計(jì)為全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，例如Z型推進(jìn)，SSP推進(jìn)等。各推力器的工作組合應(yīng)產(chǎn)生橫向、縱向推力及回轉(zhuǎn)力矩。

動力定位控制系統(tǒng)包括控制器和測量系統(tǒng)?？刂破魇莿恿Χㄎ幌到y(tǒng)總的控制部分，一般采用計(jì)算機(jī)控制的方法。測量系統(tǒng)包括位置參照系統(tǒng)、電羅經(jīng)、風(fēng)向風(fēng)速儀、傾角儀等，將船舶的船位、艏向、縱傾橫傾角等船舶狀態(tài)，以及風(fēng)向、風(fēng)力、流速等環(huán)境條件，輸入到控制器中?？刂破鲗y量系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算，并給出推力器的控制指令。對動力定位系統(tǒng)的故障進(jìn)行檢測及報警，顯示系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

2 船舶動力定位執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電力推進(jìn)系統(tǒng)的特點(diǎn)

電力推進(jìn)作為船舶的新型推進(jìn)動力，發(fā)動機(jī)與螺旋槳之間無任何機(jī)械聯(lián)系，僅在發(fā)電機(jī)與推進(jìn)電動機(jī)之間有電氣連接，是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的創(chuàng)新，體現(xiàn)了“綠色航運(yùn)”、“綠色船舶”環(huán)保節(jié)能理念，深受世界航運(yùn)與船舶領(lǐng)域的青睞。

與傳統(tǒng)的由發(fā)動機(jī)-傳動軸-螺旋槳組成的機(jī)械式船舶推進(jìn)系統(tǒng)相比，電力推進(jìn)系統(tǒng)具有下列的優(yōu)點(diǎn)：

1.經(jīng)濟(jì)性好：發(fā)動機(jī)以恒轉(zhuǎn)速、最佳負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，推進(jìn)效率和運(yùn)行效率高。機(jī)械設(shè)備總量減少，節(jié)約了維修保養(yǎng)費(fèi)。與同功率機(jī)械推進(jìn)系統(tǒng)相比，可減少油耗10%～15%，航速可提高0.5節(jié)以上。

2.性能提升：操縱控制方便，起動加速性好，換向時間短，制動快，正反車速度切換快，可極大地提高船舶的操縱性，發(fā)揮出最佳的使用技術(shù)性能和戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能。

3.生命力強(qiáng)：柴油機(jī)推進(jìn)的船舶，一旦發(fā)動機(jī)重要部件或舵機(jī)、軸系出現(xiàn)故障時往往導(dǎo)致癱船。而電力推進(jìn)系統(tǒng)使用多臺發(fā)動機(jī)，具備足夠的安全冗余，在個別機(jī)組發(fā)生故障時不致喪失動力。

4.節(jié)省空間：重量輕，體積小，改善了機(jī)艙布置，使動力裝置安排更加合理，提高了有效艙容率。

5.環(huán)保：燃油燃燒質(zhì)量好，燃燒產(chǎn)物中的氮氧化物含量少，有利于船舶控制環(huán)境污染。

6.實(shí)現(xiàn)自控：有利于進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制，全面提升船舶信息化、智能化、自動化水準(zhǔn)。

7.優(yōu)化機(jī)艙：機(jī)械噪聲大幅度下降，振動減少，工作區(qū)整潔，減少廢氣排放，環(huán)境質(zhì)量得到改善。維修工作量大幅減少，可減少人員編制。

但電力推進(jìn)系統(tǒng)也具有不足之處：

1）電力推進(jìn)裝置本身成本較高，增加約25%。

2.）能量損失。

3 動力定位系統(tǒng)的各種試驗(yàn)（主要指動力系統(tǒng)部分）

為了確保船舶電力推進(jìn)動力定位的正確實(shí)施，必須根據(jù)船級社的要求，進(jìn)行各種試驗(yàn)，主要有：

3.1.系泊試驗(yàn)

1）動力系統(tǒng)系泊試驗(yàn)的各組成部分，如發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)原動機(jī)，主配電板等，應(yīng)滿足船舶建造檢驗(yàn)的一般要求。另外還應(yīng)進(jìn)行下列檢驗(yàn)：發(fā)電機(jī)組一臺發(fā)電機(jī)組不投入運(yùn)行，并聯(lián)運(yùn)行其他發(fā)電機(jī)組，逐個啟動幾臺功率較大的推力器電動機(jī)。啟動期間引起的電壓降不超過15%。

動力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)的臺數(shù)和容量：（a）在起動推力器的電動機(jī)時，尤其是在一臺發(fā)電機(jī)不能工作時，起動期間引起的主匯流排上的瞬態(tài)電壓變化不應(yīng)超過額定電壓﹣15%。（b）如果安裝的推力器的總功率超過了所配置的發(fā)電機(jī)的總功率，則應(yīng)采取連鎖或推力限制措施來防止動力裝置的超載。（c）在選擇發(fā)電機(jī)的臺數(shù)和類型時，應(yīng)考慮可能在DP推力器操作中出現(xiàn)的高電抗負(fù)載。

2）動力管理系統(tǒng)

（1）進(jìn)行發(fā)電機(jī)的自動并聯(lián)及自動解列試驗(yàn)。動力管理系統(tǒng)應(yīng)能在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)荷較重時，自動啟動備用發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，即自動并聯(lián)。并在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)負(fù)荷較輕時，自動切斷一臺發(fā)電機(jī)的供電并停止其原動機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，即自動解列。建議自動并聯(lián)可設(shè)置在單臺發(fā)電機(jī)的輸出功率的大約85%時進(jìn)行。自動解列可設(shè)置在單臺發(fā)電機(jī)的輸出功率低于額定功率的大約30%時進(jìn)行。

（2） 系統(tǒng)的各個重負(fù)荷均應(yīng)進(jìn)行重負(fù)荷詢問試驗(yàn)。在其啟動前應(yīng)向動力管理系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，動力管理系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)行發(fā)電機(jī)的功率裕量發(fā)出允許啟動指令。否則要在啟動備用發(fā)電機(jī)后再發(fā)指令。當(dāng)整個動力系統(tǒng)的功率裕量都不足以啟動負(fù)載時，則禁止啟動，這就是負(fù)載詢問（或稱大功率詢問、重載詢問）。endprint

（3） 試驗(yàn)高電力負(fù)荷報警功能。當(dāng)總的電力負(fù)載超過運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)電機(jī)總?cè)萘康念A(yù)定百分比時，應(yīng)發(fā)出報警。報警的設(shè)定值應(yīng)在運(yùn)轉(zhuǎn)容量50%至100%之間可調(diào)，該報警的設(shè)定值可設(shè)于自動并聯(lián)時的功率百分比之上。

（4） 推力器負(fù)載自動調(diào)整功能的試驗(yàn)。運(yùn)行發(fā)電機(jī)負(fù)荷超過100%時，推力器應(yīng)降低功率運(yùn)行。在發(fā)電機(jī)輸出功率超過設(shè)定值時，驗(yàn)證推力器進(jìn)行自動降速。

（5）注意動力定位系統(tǒng)控制器與動力管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。

3）配電板

（1 ）檢查主配電板匯流排的分段及其連接，對于DP-3附加標(biāo)志，每一匯流排要以A-60進(jìn)行分隔，在每個分隔內(nèi)均應(yīng)設(shè)有斷路器連接。

（2） 在DP控制中心，應(yīng)設(shè)置連接顯示器，顯示發(fā)電機(jī)的在線功率儲備，即在線發(fā)電機(jī)的容量與輸出功率的差。對于分段式匯流排，則每一分段要設(shè)置這種指示器。

4） 不間斷電源UPS：每一個動力定位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)必須提供不間斷電源UPS，以確保在任何動力故障下不會影響一臺以上的計(jì)算機(jī)。不間斷電源電池的容量需支持至少30分鐘的操作。

3.2 航行試驗(yàn)

動力定位系統(tǒng)的航行試驗(yàn)要根據(jù)船舶實(shí)際情況與設(shè)計(jì)部門及船廠商定。聯(lián)合操縱桿模式的動力定位系統(tǒng)可進(jìn)行航跡控制，可采用保持艏向和保持船位的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)其有效性及控制精度。

自動模式的試驗(yàn)動力定位系統(tǒng)是根據(jù)人工輸入的艏向和船位自動定位并加以保持。

注意：在整個系統(tǒng)進(jìn)行操作時，至少有連續(xù)2小時的氣候條件達(dá)到一定水平，即使推力器上的平均載荷達(dá)到50%或更高。當(dāng)環(huán)境條件無法達(dá)到上述要求時，可推遲到適當(dāng)場合下作為一個特殊的試驗(yàn)來進(jìn)行。

3. 3 故障模式與影響分析試驗(yàn)FMEA

IMO（國際海事組織）將動力定位按冗余度分為0級、1級、2級和3級。對應(yīng)于IMO的動力定位冗余級別劃分及配置要求，各船級社的定義和規(guī)定也略有差別，具體可參見各船級社規(guī)定。

對2級和3級冗余度動力定位系統(tǒng)，各船級社需要檢驗(yàn)“故障模式效果分析”（FMEA）。.針對動力定位系統(tǒng)本身，和具體船配各系統(tǒng)進(jìn)行模擬故障試驗(yàn)。驗(yàn)證單一的設(shè)備或系統(tǒng)（包括任一套動力定位系統(tǒng)）發(fā)生故障時，不會影響或者說是不會中斷整個動力定位系統(tǒng)的操作，保證該船不會喪失動力定位能力，即體現(xiàn)整個動力定位系統(tǒng)的冗余度。

參考文獻(xiàn)

[1]DP OPERATOR`S HANDBOOK by Captain David Bray FNI Published by The Nautical institute 2011

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[4]船舶電氣工程.主編： 馬偉明、張曉鋒、焦儂、鄒孟奇、李杰仁、周平、陸嘉明.中國電力出版社

[5]未來船舶推進(jìn)系統(tǒng)的主宰——船舶電力推進(jìn)系統(tǒng).黃育儉.第六屆中國國際救撈論壇，2010 論文集屆中國國際救撈論壇，2010 論文集endprint