柴油電力推進DP船舶母排聯絡開關合排運行有關的故障模式分析

夏純耀　蔣文星　徐方哲

(中國石化上海海洋石油局船舶分公司　上海　201206)

柴油電力推進DP船舶母排聯絡開關合排運行有關的故障模式分析

夏純耀蔣文星徐方哲

(中國石化上海海洋石油局船舶分公司上海201206)

摘要為避免母排聯絡開關合排運行故障對船舶電網產生影響，通過故障穿越分析和試驗，實例分析了DP船舶冗余概念及其動力和推進器配置的冗余分組，對于柴油電力推進DP船舶與母排聯絡開關閉合運行有關的嚴重的故障模式進行了剖析，介紹了有關故障模式識別的產品(AGP)和相關試驗方法。

關鍵詞DP冗余FMEA單點故障高級發電機保護(AGP)電網故障穿越能力

1　DP2船舶故障模式影響分析

隨著國內造船業的快速發展和國家深水戰略的實施，越來越多的電力推進甚至混合推進船舶將投入到海洋石油公司的船隊，它們均帶動力定位2級(以下簡稱DP2)甚至DP3的入級符號，在動力和推進器等系統實現冗余配置[1]，現以勘探312輪為例進行說明。

圖1為勘探312輪動力、配電和推進器配置示意圖，其動力和推進系統配置分成了左右2個冗余分組：

(1) 左冗余分組。1號柴油發電機、2號柴油發電機、左配電盤、左電站管理系統、左配電、1號首側推、左全回轉推進器，以及它們的輔助系統。

(2) 右冗余分組。3號柴油發電機、4號柴油發電機、右配電盤、右電站管理系統、右配電、2號首側推、右全回轉推進器，以及它們的輔助系統。

圖1　勘探312輪動力、配電和推進器配置示意圖

對DP2船舶的FMEA(故障模式影響分析)和試驗需要重點分析和討論可能影響超出單一冗余分組的故障模式，防止其影響所有的冗余分組進而導致船舶失去定位能力。2冗余分組之間有管系和電力的聯接，為安全起見，通常進入DP作業前應注意以下問題[2]。

(1) 左右燃油供給和淡水冷卻系統之間有跨接閥，在DP2操作時需要關閉，防止有燃油污損或者冷卻水進空氣等情況下影響所有的發電機或推進器。

(2) 左右滑油系統之間需要隔離，如各推進器液壓系統自成體系，不能對左右的發電機同時進行滑油凈化作業等。

(3) DP控制系統和電站管理系統左右分區之間應有冗余通信聯接，且配有能互為熱備用的冗余控制器。

(4) 各電壓等級的配電盤母排聯絡開關需要斷開以隔離可能嚴重的單一故障，這類故障可導致全船失電而使船舶失去動力定位能力。

目前，從維護、燃油經濟性和排放清潔等方面考慮，越來越多的船舶和平臺希望在DP作業時，母排聯絡開關能閉合運行，這就對整個電網的安全保護提出了新的要求，以下先列出與母排聯絡開關合排運行相關并會影響整個電網的嚴重故障模式，繼而討論具體的解決方案。

2　與母排聯絡開關合排運行有關的嚴重故障模式

2.1調速器故障

如舊的機械式松動會引起柴油機飛車，油門拉桿抖動或者卡在最大開度，進而可能導致和其并車運行的發電機因逆功保護而脫扣，再其本身也會因超速保護而停機，進而造成整個電網失電。

2.2發電機調壓器故障

和調速器故障類似，如有單臺發電機欠勵，過勵和勵磁抖動會對整個船舶電網帶來沖擊。

2.3穿越整個電網的可能導致全船失電的嚴重故障

如：①有待并發電機同步器故障，或者并車操作(誤操作)失敗會沖擊整個電網；②當并車運行的發電機負載在較高水平時，有單臺突然停機，引起剩下發電機過載(因為普通電站管理系統自動減負載的動作時間較長，在其動作前，發電機就有可能因過載而保護停機，或者發電機開關因欠頻而脫扣)，導致全船失電；③母排短路或者斷相：如果母排發生短路，短路電流瞬時峰值將會超過短路前電流值的10倍，直接沖擊并車運行發電機無功功率分配的穩定性，而且短路還會帶來過大的瞬時電壓降，如電站保護沒有考慮到這一故障模式并進行正確的整定將會引發嚴重的后果，如和非短路母排聯接的發電機或者負載脫扣動作，并引發隱藏的故障，直接導致全船失電。短路帶來的瞬時電壓降還可能使這些開關保護動作并對相關設備造成沖擊；④大功率設備起動帶來的瞬時電壓降；⑤大功率起重設備再生制動故障時帶來的沖擊；⑥船舶電站管理系統故障，如發出錯誤的發電機并車(合排)或者大功率設備“充許啟動”的指令，將會沖擊整船電網；⑦其他，如大功率AFE變頻器的前端故障可能給整個電網沖擊。

3　AGP工作原理

常規的發電機和電站保護裝置已經不能識別并快速隔離2.1和2.2的故障模式，因此各大電氣系統集成商及專業的公司已經開發出了能持續監控發電機和調速器和調壓器運行情況，對上述故障模式進行檢測，及時斷開母排聯絡開關并隔離故障的發電機的產品。相關產品并得到了船級社認可，這類產品一般稱為高級的發電機保護系統(advanced generator protection systems，AGP)。其工作原理如下。

3.1投票篩選功能

AGP持續監控并比較并車運行各臺發電機的動態數據，如有功和無功功率的變化，數據異常時能快速甄別出故障發電機[3]。如一電網3臺發電機并車運行，其中2臺發電機因為油品問題同時輸出功率下降并不穩定，引起健康發電機過載。傳統的電站保護只可能脫掉過載的健康發電機，然后故障發電機會因為欠頻等原因脫掉而造成全船失電。而AGP的投票功能能結合比較各發電機的功率和母排頻率，如果發電機都能發出更大的功率，母排頻率將升高；而有故障發電機因為不能為電網上載更多的功率，反而導致母排頻率下降。經過判斷甄別出故障發電機，從而在傳統發電機保護裝置動作前快速斷開母排聯絡開關。

3.2發電機特性一致性預測

并車運行的發電機需要有類似的調速特性和調壓特性，如圖2a)，發電機的調速特性應在向下傾斜的方框范圍內，但如果檢測到發電機G1工作點雖然在方框范圍內，但卻在接受逆功；而發電機G2的工作點已經偏移到方框范圍外如圖2b)，則可以判斷G2發電機調速器故障，如卡在全油門位置，搶掉了G1的有功功率，而導致其處于逆功狀態。這時，AGP會快速切斷故障發電機。而傳統的發電機保護會因健康發電機因承受故障發電機的功率而被逆功保護脫掉，而后故障發電機才會因超速(頻)保護而脫扣(停機)，進而引起全船失電。

圖2　發電機調速特性圖及故障時特性點位置變化

4　船舶電網的故障穿越(隔離故障恢復)能力

母排聯絡開關閉合運行時，為隔離2.3項所列的故障模式，即能快速隔離故障母排和設備，而和故障段非直接連接電網能快速恢復。這就對整個電網和用電設備的保護和整定等提出了更高的要求，即整個電網的故障穿越(隔離故障恢復)能力。

母排聯絡開關需要在DP作業閉合運行時，就需要對整個電網進行分析，并重點考慮如下情況。

(1) 整個電網的電壓降穿越能力，嚴重短路故障后造成的電壓降可能造成非直接影響的發電機，聯絡開關，大功率負載開關的欠壓保護脫扣或者負載自身保護停機。這一試驗能揭示隱藏的故障，試驗要模擬理論計算的最大電壓降和最長的持續時間。

(2) 母排聯絡開關的過電流保護整定，嚴重短路故障后母排聯絡開關能快速斷開以隔離故障而保護健康發電機和負載。

(3) 故障后仍需要在網運行發電機的暫態穩定性，故障會對其造成沖擊，如引起并車運行的發電機失步等。

(4) 發電機的勵磁系統在故障后的恢復時段不會因為過壓脫扣健康發電機和負載開關。

(5) 大功率驅動器如推進器變頻器的直流母排不會因過流保護而停機。

(6) 整個電網不會因為同步控制故障而造成全船失電，這一故障可能是誤操作引發。

(7) 接地保護的整定。

(8) 其他故障模式。

分析實驗可以計算機模擬但還需要實船測試。

5　故障穿越和接地試驗方法

經過IMCA(國際海事承包商協會)和相關的行業統計，至少有數十起DP事故和母排聯絡開關閉合運行有關。2013年第一季度，美國海岸警衛隊調查了墨西哥灣的一起海上鉆井平臺的事故后發現，該平臺電站是母排合排運行，由一推進器維護后連接電網啟動帶來的瞬時電壓降引起。為此該機構發布了05-13號海事安全警告：海上移動鉆井平臺(船舶)的檢驗需要保證其推進器驅動裝置在電站系統受到沖擊時的故障穿越能力。試驗應測試電站母排受到嚴重沖擊如短路時的系統反應。故障穿越能力是DP冗余概念的重要且必需部份，并需要按MTS(海事技術協會)制定的“DP船舶設計原理指導”的9.2.5節進行現場測試如模擬母排短路和接地試驗，這些測試需要結合船舶DP驗證試驗進行(如船舶5年DP檢驗)。所以，普通DP2/3船舶和平臺電站推薦母排聯絡開關斷開進行DP作業。

母排聯絡開關需要閉合運行的船舶電網需要做相關試驗以驗證其性能，DP2/3船舶的FMEA也需要做這類試驗。

由于這類試驗通常具有破壞性，為保證設備及人員的安全，試驗前應做好風險評詁，并保障人員和設備的安全。DP協會(DP COMMITTEE)于2014年10月給出的實驗的指導如下,如圖3所示，使用配電板內一個容量較大的開關接一根能承受全短路電流的電纜并且開關能遙控操作，全程記錄模擬短路前后的數據見圖4，母排聯絡開關在短路出現后約200 ms時動作，隔離了故障母排。

圖3　模擬短路試驗方法示意圖

圖4　短路實驗數據跟蹤圖

具體試驗方法可參考DP協會技術和操作指導出版的DP船舶電站故障穿越能力測試方法。

收稿日期：2015-05-14

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.054