動力定位船總布置設計方法研究

仲偉東 王飛躍 羊 衛

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011； 2.海油工程水下技術有限公司 深圳518067）

引 言

帶有動力定位能力的船舶總布置要求有別于常規船舶。對于DP1級別的船舶［1］，允許任何單個設備或系統的故障即可造成定位能力的喪失，因此總布置要求相對簡單，僅需滿足設備的空間布置和動力定位相關系統的完整性；對于DP2級別的船舶［1］，任何單個設備或系統的單個故障不會引起定位能力的喪失，其單個故障主要包括：任何相關設備或系統（發電機、推進器、配電板、遙控閥、手動閥等）的單個故障，以及任何相關結構物、電纜、管路等的單個故障。因此，DP2級別總布置的要求明顯高于DP1級別，主要是由于設備和系統的冗余使得布置空間要求提高。

對于DP3動力定位船總布置的設計要求，明顯高于DP1和DP2級別。DP3級別要求任何部件或系統單個故障不會引起定位能力的喪失。其單個故障除了與DP2級別相同的部分外，還包括因失火或進水而導致的任意一個水密空間或防火區域內所有部件的故障。因此，DP3級別的船要求設備和系統的冗余設計周全，并將其布置在不同的防火區域和水密區域，使布置要求更加嚴苛。本文通過對DP3動力定位船總布置設計的基本要求的歸納，希望能為有關設計人員提供參考。

1 研究方法

根據動力定位級別的從低到高，相應船舶的總布置要求也逐步提高，通過對DP3級別船舶的總布置設計方法分析，也可以指導DP1或DP2級別的船舶總布置設計。研究DP3動力定位船總布置的設計方法主要采用解析歸納法和分類總結法。簡而言之，即：首先，將動力定位系統分解為各個子系統或設備，確定相應的布置要求，并綜合說明整個系統的布置要求；其次，針對幾種常見的DP3基本船型進行分析，闡述具體的布置要求。

開展DP3動力定位船總布置設計工作需首先掌握一些基礎資料。主要包括：船型功能的說明文件（如設計規格書等）、動力定位能力分析報告（滿足相應環境條件的推進器配置）以及與動力定位有關的系統原理圖和設備外形圖等。

2 系統和設備布置要求

2.1 動力定位基本系統

動力定位基本系統包括控制系統、位置參考系統、首向參考系統和環境參考系統等。這些系統還包括船舶系統中的部分設備，如風力風向儀、測深儀、GPS等。這些基本系統均要求冗余設計，即按規范要求配備2套、3套甚至多套，部分設備冗余配置還要求具有不同的基礎原理。在DP3級別船舶設計要求中，需要對這些系統設置防火和水密的分隔（防火要求為A-60級別，水密要求根據設備或系統所處位置與破損平衡水線之間的關系確定）。在特殊情形下，如果做不到水密，可相應采取一些等同的處理措施。

DP3控制系統的布置要求體現在控制站的設計中。IMO［2］及各船級社均要求DP控制系統布置在DP控制站中，其位置應保證操作員對船舶外界和周圍區域有良好的視野。DNV［3］和 CCS［4］還要求該控制站的位置應適合船舶的主要業務活動。對DP3系統的應急/備用（冗余）控制站，IMO及各船級社均要求與主控制站以A-60等級隔離。使操作者能在緊急情況下，方便地從主DP控制站到達備用DP控制站。DNV和CCS還要求備用控制站應位于從主控制站最易于到達的位置。DNV明確應急控制站的布置要求與主控制站相同，能保證操作員對船舶外界和周圍區域有良好的視野。除了主控制站和冗余控制站的主要布置空間要求外，還應考慮相應的電纜通道、通風系統、電源系統和輔助電源系統等的冗余布置，并關注相應的防火和水密要求。

除了各船級社及IMO提出的各項布置和冗余要求之外，DP控制系統所在的控制站還需要滿足船舶設計所規定的其他布置要求，如環境條件包括防火、防水、防爆、防干擾等，且同樣對于因這些因素造成控制系統失效則應配備相應的冗余措施。DP控制站很多都布置在駕駛室內，一般作業時應與駕駛室的航行控制臺分開設置，為了不干擾航行設備在夜間的操作，至少應安裝相應的遮光設施。同時，為了DP本身所要求的視野要求，還應該分別為主控制站和冗余控制站配置相應合理的空間位置。對于控制系統的電纜和管系的布置，應根據DP3附加標志的冗余要求。注意：備用控制系統的電纜和管系不與主控制系統穿越同一艙室；當不可避免時，電纜應安裝在A-60 級電纜通道內，電纜的接線箱不應設置在這類電纜通道內。

此外，還應該考慮一些細節，如：顯示和報警系統的位置必須清晰可見，能非常醒目地被操作者所發現；顯示屏和操作設備不應被其他設施干擾，以免影響操作者的操作準確性和安全性；合理的DP控制站還應設計休息區，并且配置相應的休閑設施以減少操作者長期作業的疲勞感。

位置參照系統為動力定位操作提供足夠精確的數據，其相應的安全性和可靠性具有高標準的設計要求。冗余要求至少安裝3套位置參照系統，且不應采用相同的工作原理，在操作過程中應能同時使用。位置參照系統設計時，應綜合考慮操作需求、布置習慣和可能出現的工作情況。此外，至少應有一套位置參照系統連接至備用控制站，布置上要求能夠方便操作者迅速轉移進行應急操作作業。

動力定位船舶的首向控制是通過一套或多套羅經設備，將采集的信號轉換成數據后傳輸到動力定位系統進行控制。同樣由于冗余要求，通常配置2～3套羅經。首向參考系統也可以采用多套GPS接收設備。布置空間要求上首先是便于信號的采集與傳輸。

環境參考系統是通過儀器采集船舶外界的風、浪、流等環境力的方向和大小，這些數據必須精準、實時且滿足冗余要求。由于環境參考系統采集的是外界的環境因素，系統儀表如風力傳感器、潮流計等必須與外界環境有良好的接觸，且不應有物體等對采集傳感器產生干擾，因此，相應信號采集設備的布置要求在船底平整部位或羅經甲板非遮蔽的部位。

2.2 動力及推進器系統

動力系統為全船設備及系統提供動力支持，包括直接驅動推進器的柴油機以及提供電力的發電機組等。此外，還包括動力定位系統需求的動力源，由于動力定位系統所需的推進器數量多、功率大，往往成為全船用電需求的大戶。因此很多船往往都設計全電力的動力系統，配置若干套發電機組，布置在若干獨立機艙內供電給全船設備。DP3船的動力系統應該由兩個或以上相互獨立的子系統組成，以保證一個子系統發生故障后不影響DP系統的整體運行。因此，各子系統分隔布置于不同的用A-60分隔的艙室內，若位于水線以下，還應同時滿足水密要求。同時為了保障在故障模式下對推進器系統、動力定位控制系統等影響最小，往往為每個機艙甚至每臺發電機組配置配電板，并設置相互獨立的配電板間；對于裝機功率較大，需要變壓變頻配置的船舶來說，還需要設置相互獨立的變壓變頻器間；為了每個機艙獨立運作作業正常，相應的燃油供給、冷卻、通風及管路等系統也應相互獨立；這些給船舶的總體布置增加了難度，一般要求在船型尺度規劃初期就進行合理籌劃。

整船DP系統的適應環境能力最終是由推進系統來保障的。配置根據船型、功能甚至包括用戶的個性化要求而確定，因此即使在相類似船型上的推進器配置也會存在明顯差異。推進器布置必須源于對型式與功率大小的選擇，而這些取決于船型的功能和DP3規范要求。在初步進行動力定位能力分析后，選定推進器的型式與功率等級，按船型的情況布置各個推進器的具體位置。一般情況下，DP船上裝有三種主要類型的推進器：主推進器、管隧式側推器以及全回轉型推進器。

若主推進器設計為常規推進系統，對于DP3動力定位船，一般需要配置2～3套常規主推進系統和舵設備系統，相應的電力推進型式推進鏈上的設備一般包括變壓器、變頻器、電動機、軸系以及螺旋槳等。每一條推進鏈系統都要求相互獨立，且在空間上要求A-60防火分隔和水密分隔。對于每一條推進鏈上的輔助系統，也要從布置空間上考慮A-60防火分隔和水密分隔的要求；若為全回轉推進器系統，此類推進器類型很多，包括有全回轉舵槳（水下為機械部分）、吊艙槳推進器（水下部分包括電機艙）、可伸縮式全回轉推進器等。這些推進器可根據動力定位能力分析的要求，布置在船首或船尾，如布置在首部，則可能影響有航速要求船舶的航行，因此多設置為可伸縮的型式；若為管遂式側推器系統，此類推進器主要為船舶提供橫向的推力和力矩，常設置在船首和船尾，有的船舶的尾部不具備布置條件，則也可以根據需要設置較為寬大的尾部呆木，用于布置尾管遂式側推器。

各個推進器的布置首先要考慮能夠發揮功效，且不相互干擾影響最終的定位能力；其次還要考慮推進器的布置不能干擾正常的作業和安全生產，即保持與月池等船底水下設備之間的適當距離；最后按照DP3冗余設計要求，配置相應的獨立艙室、驅動設備與輔助設備等。

2.3 其他相關系統

其他相關系統指的是與動力定位系統關系不是非常密切的一些系統，有的系統和動力定位系統的關聯度與船型功能有關，如功率管理系統、消防系統、機械通風系統、快速關閉系統以及某些系統的閥門控制等。例如：對具有復雜和冗余發電以及具有分級卸載系統的推力器系統的船舶，功率管理必須采用自動化綜合管理，并為所有配電板和匯流排聯絡開關工作。它自身也必須是冗余安全的，因此，在功率管理系統故障時不會喪失功率或推力。

3 典型船型布置要求

目前采用DP3級別的船型還是相對有限的，因此，總布置設計上可根據幾種常見船型進行分類研究，遇到類似的船型可參考相近船型的布置要求。

3.1 半潛平臺

為滿足DP3級動力定位系統的要求，半潛式平臺一般配置6～8臺全回轉推進器，分別布置在平臺的4個最遠端角落［5］。每個角落1～2臺，為了滿足鉆井工況和生存工況的定位要求，需考慮艙室的損失，平臺最多可以失去對角布置的1～2臺推進器，使用剩余的5～6臺推進器提供足夠的橫向和縱向推力以及控制首向的轉向力矩。

半潛平臺一般配置滿足相應推進器數量的主柴油發電機組，每套柴油發電機組配置獨立的燃油輸送、冷卻水等輔助系統，一般布置在有確定要求數量的相對獨立的機艙內。機艙之間以A60和水密要求進行分隔，以保證任一個機艙失火后不會影響到其它處所。對于配電板等設備也是采用獨立配電板室等設備艙室予以A60防火和水密劃分，相應設備分處于獨立的艙室之內。

3.2 起重/鋪管船

起重/鋪管船是一類常見的帶DP3的大型海工作業輔助船舶。配置DP3級的起重/鋪管船基本為肥大型主船體和寬敞的主甲板面，首部設有甲板室，主要布置船員及施工作業人員的生活居住艙室和部分工作艙室。尾部設置一臺全回轉起重機。帶有鋪管功能的船型上可能設有中間甲板，用于布置鋪管流水線的各種作業設備。

DP3級起重/鋪管船的主推進器一般配置為2套全回轉推進器，可兼顧航行和動力定位的要求。鑒于DP3級別的冗余配置要求，一般還需另外配置4～5套全回轉推進器（也可小部分為管隧式側推）。由于起重鋪管船主船體內多為壓載水艙，較易提供空間用于布置這些推進器，但推進器必須在位置、電纜路徑和控制電源方面是獨立的。需注意各推進器的相關設備與管路布置艙的防火與水密隔離，保證因電源故障、失火和浸水不會造成一個以上的推力器喪失功能。

甲板室由于布置在首部甚至是單舷側布置，相應需要注意的是動力定位各個相互獨立系統的管路與通風系統的布置設計。

3.3 鉆井船

配備DP3的鉆井船一般為深水鉆井船，它是一類具有傳統船形的鉆井裝置，在船體中部有月池開口用于鉆井作業。目前配備DP3級的鉆井船，一般選用6臺全回轉推進器，分別布置在6個獨立的推進器間內。每套推進器系統均由獨立的推進電氣、機械和控制設備等組成。為了滿足鉆井工況和生存工況的定位要求，需考慮任一單獨故障，鉆井船可以失去1～2個推進器，使用剩余的5～4個推進器仍應有足夠的橫向和縱向推力以及控制首向的轉向力矩。

鉆井船在總體布置上仍遵循DP3級別所要求的冗余設計內容，但由于鉆井船艙室眾多、設備和系統龐雜，較之其他船型更難以布置。總體布置設計中應充分考慮由于動力定位系統的冗余所引起的船型尺度空間要求，同時應密切關注與鉆井作業有關的系統在空間和電力系統方面均不能受到動力定位系統的影響。

4 結 論

本文通過對IMO和各船級社規范整理和分析，總結出帶有DP3功能的船型總體布置的共性設計要求。通過對典型船型總體布置簡要歸納，梳理實船總體布置的設計特征，可提出方向性、歸納性的設計建議。希望本文能夠對DP3動力定位船舶總體布置設計提供有益的幫助。

［1］ 繆燕華，吳斐文.海洋工程船綜合電力系統應用綜述［J］.船舶，2009（2）：38-42.

［2］ IMO MSC/Circular.Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning Systems，645.

［3］ DNV Rules for Classification of Ships，Part 6，Chapter 7，Dynamic Positioning Systems，July，2011.

［4］ CCS鋼質海船入級規范.第8篇 第11章 動力定位系統［S］.北京.2012 .

［5］ 衛衛，李春璘，王鵬，等.動力定位DP-3附加標志在鉆井平臺上的設計與應用［J］.船舶，2009（8）：34-41.