動(dòng)力定位船舶電站閉排運(yùn)行的設(shè)計(jì)研究

余小青

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

船舶電站是以電力作為主要?jiǎng)恿敵龅暮诵脑O(shè)備，其配置的合理性和安全性是設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)該考慮的問題，對(duì)于電站閉排運(yùn)行的DP船而言，在設(shè)計(jì)時(shí)，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(yùn)行對(duì)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(huì)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(jí)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(jí)，DP-3為最高等級(jí)，如下：（1）DP-1，可以在規(guī)定的環(huán)境條件下自動(dòng)保持船舶的位置和艏向，同時(shí)，還應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的集中手動(dòng)船位控制和自動(dòng)艏向控制。（2）DP-2，在出現(xiàn)單個(gè)故障(不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)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(dòng)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(jìn)水造成一個(gè)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(dòng)保持船舶的位置和艏向。

2 DP船舶電站設(shè)計(jì)基本要素

（1）原動(dòng)機(jī)及其輔助系統(tǒng)如供油、供水、供氣等系統(tǒng)。

（2）發(fā)電機(jī)組配置，發(fā)電機(jī)組容量需要通過電力負(fù)荷計(jì)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(duì)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(dú)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(shí)各段配電盤首尾相連形成環(huán)狀對(duì)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(dú)立啟動(dòng)器；③輔助系統(tǒng)獨(dú)立組合和獨(dú)立分電箱；④不間斷電源（UPS）。

3 DP船舶電站設(shè)計(jì)的基本原則

（1）安全穩(wěn)定原則。DP船在海上作業(yè)時(shí)，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(huì)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(jì)船舶時(shí)，需要優(yōu)先確保船舶電站的安全性，因?yàn)榇半娬镜陌踩允荄P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(shí)，其余硬件依然能夠保證設(shè)備的正常運(yùn)行。②功能冗余，功能冗余是指不同系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)同一系統(tǒng)和設(shè)備具有同樣的功能支撐，當(dāng)一項(xiàng)功能失效時(shí)，其他功能能夠起到替代補(bǔ)充的作用。

（3）供電時(shí)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(shí)，UPS依然能夠保持控制回路的主接觸器在一段時(shí)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(dòng)的情況下繼續(xù)運(yùn)行。②控制回路延時(shí)脫口，當(dāng)外界電源失效時(shí)，原控制回路中主接觸器通過延時(shí)脫扣器的延時(shí)保護(hù)，可以讓接觸器主觸頭保持很短時(shí)間，這種脫扣器的延時(shí)動(dòng)作一般由主觸頭內(nèi)的內(nèi)置電容來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)電源在很短的時(shí)間內(nèi)再次恢復(fù)，負(fù)載在不需要重新啟動(dòng)的情況下繼續(xù)運(yùn)行。③記憶啟動(dòng)，當(dāng)外界電源失效時(shí)，主控制回路完全失電，負(fù)載停止運(yùn)行，但當(dāng)再次恢復(fù)供電時(shí)設(shè)備可以自動(dòng)運(yùn)行，啟動(dòng)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(dòng)發(fā)出啟動(dòng)命令以恢復(fù)到斷電前的狀態(tài)。④順序啟動(dòng)，當(dāng)外界電源失效時(shí)，主控制回路完全失電，負(fù)載停止運(yùn)行，當(dāng)再次恢復(fù)供電時(shí)，啟動(dòng)器內(nèi)的時(shí)間繼電器開始工作，當(dāng)達(dá)到時(shí)間繼電器的設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)依次重啟負(fù)載。

4 發(fā)電機(jī)組保護(hù)

發(fā)電機(jī)組從結(jié)構(gòu)來看分為原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)，原動(dòng)機(jī)是發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，原動(dòng)機(jī)發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)無法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，發(fā)電機(jī)組的保護(hù)也分為原動(dòng)機(jī)保護(hù)和發(fā)電機(jī)保護(hù)，從保護(hù)原理來分可以分為機(jī)械保護(hù)和電氣保護(hù)。機(jī)械保護(hù)是指物理保護(hù)如壓力、溫度等，電氣保護(hù)則需要結(jié)合發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)中的各項(xiàng)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(jī)械保護(hù)

（1）原動(dòng)機(jī)保護(hù)，當(dāng)原動(dòng)機(jī)發(fā)生了很嚴(yán)重的故障時(shí)，影響足以對(duì)原動(dòng)機(jī)造成損壞，如嚴(yán)重機(jī)械故障、機(jī)械磨損、發(fā)生火災(zāi)或爆炸。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)將立即執(zhí)行發(fā)動(dòng)機(jī)停車保護(hù)讓發(fā)動(dòng)機(jī)停止。

（2）原動(dòng)機(jī)報(bào)警，當(dāng)出現(xiàn)一些故障但這些故障不會(huì)對(duì)原動(dòng)機(jī)造成致命損傷，發(fā)動(dòng)機(jī)依然可以運(yùn)行一段時(shí)間，系統(tǒng)觸發(fā)報(bào)警，船員可以通過故障類型來決定是否停車。

（3）發(fā)電機(jī)保護(hù)，發(fā)電機(jī)主要的機(jī)械保護(hù)有發(fā)電機(jī)軸承溫度、三相繞組溫度、冷卻空氣溫度，泄漏報(bào)警。當(dāng)報(bào)警值超出設(shè)定值后，也會(huì)觸發(fā)報(bào)警停車。

4.2 電氣保護(hù)

發(fā)電機(jī)組的電氣保護(hù)是一個(gè)龐大的系統(tǒng)，從配電結(jié)構(gòu)來看，配電盤是發(fā)電機(jī)對(duì)外供電的中樞，配電盤主要承擔(dān)發(fā)電機(jī)組的電氣保護(hù)功能，配電盤的主開關(guān)配置了繼電保護(hù)裝置（Relay），它是整個(gè)電網(wǎng)保護(hù)的核心部件，繼保采集電網(wǎng)的各項(xiàng)參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，它會(huì)通過數(shù)據(jù)分析及保護(hù)設(shè)定來判斷以何種方式對(duì)電站進(jìn)行保護(hù)。通常會(huì)執(zhí)行脫扣保護(hù)和停車。

4.2.1 電站管理系統(tǒng)（PMS）

PMS可以對(duì)電站進(jìn)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(hù)功能，主要的保護(hù)功能包括：

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

（2）自動(dòng)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(jī)啟動(dòng)指令，開關(guān)合閘指令和重要輔助負(fù)載的順序啟動(dòng)指令。

（3）故障診斷報(bào)警功能，PMS對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行不間斷巡檢。

（4）自動(dòng)卸載功能，根據(jù)電站負(fù)荷PMS自動(dòng)增機(jī)和減機(jī)。同時(shí)，可以預(yù)防斷電，包括推進(jìn)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(shí)，PMS禁止大負(fù)載啟動(dòng)，如大負(fù)載需要啟動(dòng)，則需向PMS發(fā)出重載問詢。

（6）功率限制：推進(jìn)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(hào)時(shí)，推進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先采取“快速功率限制”；如快速限制信號(hào)消失或沒有接收到快速限制信號(hào)，則采取“動(dòng)態(tài)功率限制”。

4.2.2 高階發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)（AGS）

高階發(fā)電機(jī)保護(hù)系統(tǒng)通過采集柴油機(jī)油門刻度、發(fā)電機(jī)電壓、發(fā)電機(jī)電流、發(fā)電機(jī)頻率、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓、推進(jìn)器功率和電流、AVR故障等信號(hào)，在發(fā)生故障后，AGS提前甄別在網(wǎng)的故障機(jī)，并只對(duì)故障發(fā)電機(jī)的主開關(guān)進(jìn)行脫扣保護(hù)，而不影響其他健康的發(fā)電機(jī)運(yùn)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(duì)于系統(tǒng)中的同一設(shè)備，可能存在多種故障模式，從而對(duì)DP系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響。對(duì)于DP-2和DP-3附加標(biāo)志的船舶要求做FMEA報(bào)告，報(bào)告中應(yīng)對(duì)每個(gè)單一故障、單個(gè)系統(tǒng)及其內(nèi)部部件進(jìn)行故障分析，所有技術(shù)功能進(jìn)行獨(dú)立性考慮，當(dāng)系統(tǒng)中存在某個(gè)部件無須冗余或無法冗余時(shí)，還要進(jìn)一步考慮該部件的可靠性或機(jī)械保護(hù)，以此判斷單一故障影響對(duì)整個(gè)DP系統(tǒng)的影響。

6 船舶電站閉排運(yùn)行的優(yōu)缺點(diǎn)

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

（1）優(yōu)點(diǎn)：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(yùn)行，與傳統(tǒng)的開式供電結(jié)構(gòu)相比，閉排運(yùn)行是讓所有在線發(fā)電機(jī)組并車運(yùn)行，PMS對(duì)電網(wǎng)功率進(jìn)行平均分配，以此減少在線發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)，在線發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)減少船舶的油耗下降，也就節(jié)約了成本。

（2）缺點(diǎn)：與傳統(tǒng)的開式供電結(jié)構(gòu)相比，閉排運(yùn)行會(huì)提高配電盤的硬件配置，如增加額外的開關(guān)和繼電保護(hù)裝置，同時(shí)，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(shí)行閉排運(yùn)行是設(shè)計(jì)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(jì)理念最終被船級(jí)社和業(yè)主所接受，這種設(shè)計(jì)理念能將DP船舶電站的安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，在滿足船舶電站和DP系統(tǒng)安全的同時(shí)，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。