動力定位工程船設計技術研究

繆燕華，吳斐文

（708研究所，上海 200011）

0 概 述

動力定位（Dynamic Positioning，DP）船舶是指僅使用推力器的推力來保持其自身位置和艏向的船舶。DP技術誕生于 1960～1970年代世界油氣開發快速發展時期，在鉆井平臺和工程船上得到應用。經過近 50年的發展和提高，現今已是一門較成熟的技術。近年來我國已建或在建的DP船舶船型有：半潛鉆井平臺、海洋調查船、海洋監察船、綜合科考船、鉆井船、平臺供應船、起重打撈船、起重鋪管船、半潛船、救生船、布纜船、航標船、多功能工程船等。

作為船舶總體設計者，在開發研制需要采用DP的新船型時，應如何著手開始工作，并處理好有關DP船舶中相互之間有著復雜的辨證關系的系統和設備的設計是至關重要的。因為，這是一項牽涉到包括船舶使命分析、環境條件調查、總體布置原則、設備能力估算、DP能力分析、單故障模式確定及槳、機、電系統的合理匹配等多方面的多專業的研究工作。

在經過了多型DP船舶的開發研究后，總結出了有關DP船舶設計的程序和原則，其DP船舶設計程序如圖1所示。

1 DP系統設備等級分析

國際海事組織（IMO）對DP規定了3種設備等級：1級、2級和3級。各國船級社據此制定了各自的等級和入級符號。

圖1 DP船舶設計程序

中國船級社（CCS）規定了DP-1、DP-2、DP-33種入級附加標志，完全對應了IMO的3種設備等級。DP-1附加標志的船舶，可在規定的環境條件下自動保持船舶的位置和艏向并設有單獨的集中手動船位控制和自動首向控制，無需冗余設計，即單個重要設備故障時不考慮保持其功能。DP-2附加標志的船舶，在出現單個故障（不包括1個艙室或幾個艙室的損失）后可在規定的環境條件下在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向，其設計有冗余要求，但僅針對設備本身，故障設備可通過操作進行轉換。DP-3附加標志的船舶，在出現任一故障（包括由于失火或浸水造成1個艙室的完全損失）后可在規定的環境條件下在規定的作業范圍內自動保持船舶的位置和艏向，其設計除了冗余要求之外，還要求進行艙室分開布置的設計，以應對由于失火或浸水造成的1個艙室的完全損失，實際上涉及到多個設備同時失效的情況。

美國船級社（ABS）規定了 DPS-0、DPS-1、DPS-2和DPS-3共4種入級附加標志。

挪威船級社（DNV）規定了 DYNPOS-T、DYNPOS-AUTS、DYNPOS-AUT、DYNPOS-AUTR、DYNPOS-AUTRO 5種入級附加標志。

IMO的DP系統船舶指南（113IMO/IMO MSC circ.645）中指出，對一特殊操作所要求的船舶的設備等級，應由船東和客戶在位置喪失后果風險分析的基礎上認可。另外，主管機關或沿岸國家可對該特殊操作的這些設備的等級作出決定。

目前，DP船舶設計主要是按照船東的設計任務書中規定的入級附加標志來進行的。對于DP2級設備和 DP3級設備，船舶設計者是采用冗余來為DP系統提供可靠的設備，它必須在線或立即可用。這要求[1]：

1)一個項目的突然故障或一個失誤的動作不會造成非預期的位置偏移；

2)在冗余設備之間，控制轉移或服務轉移應是平穩的；

3)推力器不發生意外的動作；

4)不管船舶如何復雜，應避免單個故障；如無法避免，那么故障應是安全的；

5)在作故障模式與影響分析時，應考慮所有的故障模式及其影響。

2 DP環境條件分析

DP是采用多個推力器產生的推力來抵消外界風、浪、流等環境條件對船的作用力而使船舶位置保持不變的高度綜合的自動控制系統。船東應首先根據船舶的工作區域和工作狀態，來確定適合船舶DP的環境條件。

在CCS鋼質海船入級規范中對DP系統環境條件的要求是：對于在無限航區的船舶，環境條件應采用一套標準的北海環境狀態；對于在有限航區的船舶，選擇環境條件時，應考慮船舶作業海域的主要環境狀態的長期分布。關于北海環境狀態，在DNV船舶入級規范的DP系統中提出了環境規律性數（Environmental Regularity Numbers，ern或ERN）的概念。其定義為船舶的位置保持能力是按照環境規律性數的概念進行計算的。ern代表環境力和推力器輸出的靜態平衡。ern是用北海中選定位置的天氣統計來定量的表示，該天氣船的位置在“M”。因此，這個天氣統計結果實際上反映了北海環境狀態，在動力定位能力分析中，就用這個天氣統計的概率作為環境條件的參數。由風、浪、流產生的環境力用公認的方法進行計算，也可考慮用船模試驗來確定。ern是假定風、浪、流同時施加的力，其中流是取一個常數0.75m/s（1.5kn），風和浪考慮相同概率的量值見表1所列[2]，與ern數相對應。ern的格式是一列3個數字，即表1中的P值，范圍從0到99，即ern(a,b,c)。第1個數字代表所有的推力器最佳使用時；第2個數字代表單個推力器故障的最小影響時；第3個數字代表單個推力器故障的最大影響時[2]。例如：ern（93，60，41），表示了動力定位能力在推力器有不同的使用工況時所適應的不同的天氣環境參數。

表1 ern 風和浪的統計值

DP能力分析時，可以按設計任務書要求的環境條件或ern環境進行計算。

3 推力器配置分析

3.1 主推進器及DP推力器型式

主推進器一般包括吊艙式（POD）推進器、全回轉（Z型或L型）舵槳推進器和尾軸推進器+舵3種型式。

DP推力器一般包括側向推力器和可伸縮型全回轉舵槳推力器。

目前在DP船舶中較多地采用全回轉舵槳推力器，此型式的推力器兼有槳與舵的作用，舵角可達到±180°，槳的推力作用方向在 360°范圍內均能夠全力輸出，定位作用最強。在將DP作為船舶主要且長期運行的工況時，舵槳推力器顯然是首選的型式。

3.2 初估主推進器及推力器功率

主推進器按有無自由航行航速要求進行功率初估，無自由航行航速要求是指船舶只需較低的航速能力在工作區域內機動，而當需較長距離調遣時則采用拖航的方式。

DP推力器按多種型式推力器的不同數量、位置及功率配置論證來選擇，并根據仿真分析和模型試驗的結果加以調整。

推力器的數量和功率配置應滿足在規定的環境條件下，推力器系統能提供足夠的橫向和縱向推力以及控制艏向的轉向力矩。DP-2和DP-3附加標志的船舶推力器要求有冗余，即任意一個推力器發生故障時，仍有足夠的橫向和縱向推力以及控制艏向的轉向力矩，實際設計時采用增多推力器的數量和增加功率來實現。

國際海事承包商協會（IMCA）的M103要求，對所有推力器，必須考慮其響應速度、效率和干擾，且其布置應盡可能地遠，即使在最壞故障發生后仍能平衡配置。

基于上述這種設計考慮，往往在船舶的前后左右四個角上集中較多的推力器，并由于水動力效應，在船體的某個范圍內有時出現推力器的推力失效現象，致使其功率有所損失，故在DP能力分析中需考慮此影響。

3.3 主推進器的螺旋槳設計

在自由航行主推進器兼做DP推力器時，該螺旋槳處于兩種負荷工況。由于變頻調速系統所特有的恒功率調速特性，完全兼顧轉矩和轉速的反比例工況的變化，所以能在兩個不同工況時均能輸出額定功率，達到動力上的完美配置。而螺旋槳設計上則較難做到完全兼顧，一般以船舶的主要工況為主來設計。如以DP工況為主，則該螺旋槳發出的推力必須滿足DP能力分析中所規定的數值；而處于船舶自由航行工況時，則用提高轉速的方式來吸收盡可能大的功率以滿足盡可能高的航速要求。如以自由航行工況為主，則以滿足航速要求來設計螺旋槳，因此螺旋槳的參數是以電動機的額定功率和額定轉速為基礎來決定的；而處于DP工況時，電動機的轉矩因不能過載而只能被迫運行在比額定轉速低的轉速值上，電動機就達不到滿功率運行。當然也可進行兼顧兩種工況的螺旋槳設計，雖然不理想，但也能基本適應兩種工況的要求。

4 全船電力負荷及電力系統單線圖分析

4.1 初估電力負荷

4.1.1 確定船舶作業工況分類

動力定位船舶在進行DP操作時總是伴隨有船舶特有的作業，這種作業可能還有幾種工況，每種工況中使用了不同的作業設備。因此，首先必須確定每艘DP船舶的作業工況及其相應用電設備的分類。

在確定某種工況時，需要了解哪些設備需要同時工作，分析其負荷狀態及負荷系數，包括在這種工況中推力器的不同需求。依次可列出全船完整的工況類別以便分類計算電站的用電負荷。

4.1.2 確定DP時各推力器的負荷系數

推力器作為DP系統的執行機構，用它所發出來的巨大能量來抵消海洋環境力對船舶的作用。它的總裝置功率數十分可觀，因而動力裝置也必須為它提供充足的能源，它將是船舶電力負荷的主要成分。

然而，在初估推力器的功率后進行的電力負荷估算中，應取多大的推力器負荷系數成為一個很重要的因素。通過多型DP船舶的開發研究后，可初步確定如下的原則：

1)在作DP能力分析前，推力器的負荷系數可暫定為 0.9，若其中有主推進器且兼有自由航行推進功能時，該主推進器負荷系數可暫定為0.7；

2)在作DP能力分析后，可按其分析結果來判斷（一種是環境條件承受極限值與要求值的差距，另一種是指定環境條件下推力器的使用系數值），推力器的功率可相應調整（對前者是減小差距，對后者是趨近于100%）。按照調整的幅值可重新確定負荷系數后作電力負荷估算（詳見5.2節說明）。

4.1.3 初估除推力器負荷之外的其他用電負荷

除推力器負荷之外的其他用電負荷包括：推進輔助機械、專用工作機械、機艙輔機、空調、通風、冷藏、日用生活用電、觀通導航等，一般按母型船或按常規設計估算即可。

4.1.4 確定優化的發電機組功率和數量

在對全船的用電負荷進行初步估算后，即可初步確定發電機組的數量和功率，在此基礎上，估算發電機組在不同工況下的負荷率，并綜合各工況下的負荷情況對發電機組的功率和數量進行優化。DP-2和DP-3附加標志的船舶要求發電機組冗余，實際設計時采用增多發電機組數量和增加發電機組功率來實現，以保證在缺少任意一臺發電機組時，余下的發電機組功率仍能滿足動力定位工況的要求。

4.2 初定電力系統單線圖

4.2.1 確定各級電壓

電力系統的電壓等級是由單個設備的功率及電網的短路容量兩個方面所決定的，即由配電板斷路器的額定電流等級和分斷能力的大小來決定；實際上只能由分斷能力來決定，因為在最大分斷能力的限制下，單個設備功率不可能達到其極限（系統中不會只有這一個設備）。低壓690V開關最大額定電流為6300A，分斷能力最大為100kA，短路容量最大為119MVA。根據斷路器的分斷能力，電網容量大于10000kW時已超出低壓690V范圍，一般選用中壓。超過1kV直到15kV均是船舶允許采用的中壓電壓等級，每個電壓等級的極限短路容量見表2，中壓電網的容量最大將是低壓的11倍。

表2 中壓電網短路容量 MVA

4.2.2 確定發電機及匯流排結構型式

DP-1無需考慮單故障時發電機的冗余和對動力定位能力的保證，一般匯流排設為二段式即可，不需考慮發電機在兩段匯流排之間的轉換。

DP-2和DP-3要求需滿足在最壞的單故障時對定位能力的保持。因為單故障狀況中包括配電板匯流排的故障，這既牽涉到匯流排上供電的發電機，又關系到對推力器的饋電。匯流排設計時必須考慮這兩方面的組合失效對 DP能力的影響。DP-2和DP-3匯流排一般采用多段式（3段～6段較多見，一般不轉換或個別轉換）、2段+轉換式（轉換較多）、多段+轉換式（轉換較少）[3]；匯流排分段兩端之間的連接必須使用斷路器并設置相應的保護，即使在同一組配電板結構內也需配置2臺斷路器，因為必須考慮斷路器本身的故障。

4.2.3 推力器饋電

對于 DP-1船舶，推力器一般均衡地由分段匯流排的2段饋電即可。而DP-2和DP-3船舶，由于需滿足在最壞單故障時的定位能力，推力器需按照布置位置的不同以及發生單故障時對定位能力影響最小的情況，由各分段匯流排合理均衡地饋電。

4.2.4 其他設備的饋電

其他設備，不管是中壓設備還是低壓設備一般由分段匯流排對稱饋電。對于DP-2和DP-3船舶的多段匯流排型式，為推進器服務的輔助設備，一般按各自推進器分開并由同段匯流排或對應的低壓匯流排饋電，如推力器饋電設有轉換，則其輔助設備的饋電也應相應轉換，這樣可保證在發生艙室損失故障時不致造成更大的影響。

5 DP能力分析

5.1 DP能力分析基本要求

DP能力分析一般由有資質的公司或供應商承擔，它需要的信息主要包括：

1)船舶總布置圖及相關參數；

2)推力器布置位置、類型和功率、數量；

3)環境條件；

4)船舶外力（如鋪管力、布纜力等）；

5)DP設備等級；

6)DP工況類型及組合；

7)電力系統單線圖；

8)功率限制情況；

9)DP-2和DP-3提供不同組合下的單故障分析要求。

IMCA對DP能力分析有一份指導性文件，即IMCA M140 Rev.1 DP性能曲線圖的技術說明書。該文件規定了風、浪、流的計算公式。

性能曲線圖表用極坐標形式顯示，表示出在0～360°范圍內各個方向上的極限環境條件或指定環境條件下推力器的使用系數。

性能曲線圖表上不顯示DP船舶的偏移。它們顯示可能發生的環境極限，在此極限內，如由于正常的外部干擾力產生偏移時，DP船舶能有效地回復到想要的位置。船舶偏移取決于環境條件、控制系統的調整和位置基準的精度。

IMCA M103文件要求在最低限度條件下工作在所定義的安全工作極限內的DP船舶必須記錄船舶的偏移，并開發制作出在這些條件中的船舶“腳印痕跡”。同時要求控制系統提供在線性能曲線圖表。該文件對DP系統定義為：能將一艘在直到額定的環境狀態中工作的船舶可靠地保持位置。這樣，離船舶運動（縱蕩、橫蕩和艏搖）的最大偏移和位置控制系統的精度（DP腳印痕跡），就等于或小于進行工作時臨界偏移的一半[1]。

5.2 DP能力分析結果的應用

5.2.1 100%推進功率使用的環境條件能力極坐標圖

可分析其最小定位能力的方位及風速承受極限值，對現場作業時防止DP能力失效的薄弱方位的風及流的警戒具有指導意義，并可調整推力器布置及功率。

5.2.2 指定環境條件下的推力器推力使用系數極坐標圖

可分析各個推力器的功率使用情況，即其負荷系數的準確值，可校準電力負荷估算中的負荷系數，重新計算發電機的負荷率，對發電機的功率進行調整或變更推力器的額定功率。

5.2.3 調整后的重新分析

在調整推力器布置及功率的情況下，反饋給動力定位能力分析的承擔方重新進行結果分析。

5.2.4 DP-2和DP-3單故障時分析結果

檢查是否符合所要求的故障情況分析，出現不滿足時，相應作出上述類似的調整重新進行分析。

按照滿意的動力定位能力結果分析，對推力器及電力系統作出必要調整后進入常規的深化設計。

6 DP船舶槳、機、電綜合分析

將DP能力分析的結果與之前對槳、機、電的初估的設計作一比較，可以得出：

1)能力足夠。就看富裕量是否恰當。如過大，則是推力器功率過大或是數量過多。一種措施是減小推力器功率或數量，這樣會減小電力負荷降低裝機容量。另一種措施是提高環境條件，使船舶適應范圍更廣或工作能力更強。

2)能力不夠。就要分析是局部方向上的還是總體上的，是推力器功率過小還是數量過少或者布置不當。辦法之一是增大推力器功率或數量，這樣需增加電力負荷提高裝機容量。辦法之二是降低環境條件，或是設備等級。

總之，在 DP能力分析完成以后，都要對 DP船舶的槳、機、電的合理匹配作一綜合分析。其中涉及到技術性能、經濟性能，甚至船舶使命。因此，這也是圖1中在DP船舶槳、機、電綜合分析后，可能會反饋到最初的3個程序中去作重新的設計的原因。

7 故障模式與影響分析（Failure Modes & Effects Analyses，FMEA）

DP-1附加標志的DP船舶由于不需考慮單故障時的定位能力，不需進行FMEA，而DP-2和DP-3附加標志的船舶由于有冗余的設計要求，需作出FMEA報告并送船級社審查。

FMEA應盡可能詳細地包括所有系統的主要部件，如電力系統故障、燃油系統故障、冷卻水系統故障、控制空氣系統故障、推力器系統故障、DP控制系統故障、DP計算機故障、發電機控制系統故障、通風系統故障等等。

IMCA 有一個關于 FMEA的重要出版物，即IMCA M166 FMEA指南，該文件詳細規定了對FMEA的具體要求，這是最經典的文件。此外，IEC 60812系統可靠性分析技術——FMEA程序、IMO MSC circ.645 動力定位系統船舶指南、各國船級社的規范中也都有具體要求可以參照。IMCA M103動力定位船舶設計和操作指南中更是規定了對所有DP船舶適用的原則和9種具體船型的不同要求。

DP船舶操作員對于故障模式所采取的響應，應在船舶預定的操作方案的操作手冊中反映出來。

FMEA是一個有生命力的文件，應定期進行審查，并且執行IMCA M178 FMEA管理指南的具體要求。

由 FMEA分析出來的船舶各系統中的缺陷應作改進修正。一般很少出現DP能力分析后反饋到最初程序中去的可能。但對DP船舶槳、機、電各個系統內部的局部出現調整是可能的，所以它的反饋是小范圍的。

8 DP系統設備配置

按DP入級附加要求進行DP系統的計算機及控制型式的選擇以及傳感器的配置，原則上按照相關船級社的規范要求進行，不同的船級社略有區別，對位置參考系統應按照船舶工作性質選用相應合適的類型。表3為CCS對DP系統的布置要求。

表3 動力定位系統的布置

IMCA M103文件中特別提到了DP系統設備配置的兩個問題：

1)每艘DP船舶必須有一本專門針對DP系統以及船東或操作員進行操作實踐的操作手冊。它必須覆蓋船舶按此設計和可能使用的所有工作。它必須包括但不限于的內容是：① 性能曲線圖表；②試驗數據；③ 工作剖面圖和設備性能；④ DP狀態，警戒；應急響應和程序；⑤ 責任和通信；⑥ DP系統的途徑，設定，核對和試驗；⑦ 報告和記錄；⑧ DP腳印痕跡；⑨ 人員配備。

2)對所有DP船舶，至少有3個級別DP警戒狀態：① 綠色——正常操作狀態：足夠的設備在線，以符合在所標明的安全工作極限內所要求的性能。② 黃色——DP降級狀態：通常，這是冗余DP設備中一個或多個項目已失效的狀態，正在超越安全工作極限或可能艏向或位置的偏移。③ 紅色——DP應急狀態：位置喪失或位置喪失不可避免的狀態。

[1]M103 IMCA[S]. Rev.1，2007.

[2]Dynamic Positioning Systems. Part 6 Chapter 7, Rules For Classification of Ships[S]. 2003.

[3]畢雨佳，吳斐文. DP-2/DP-3船舶電力系統設計要點[J].上海造船，2008，(4)∶ 59-63.