滿足DP3動力定位能力要求的飽和潛水支持船配電系統設計

（天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海 201612）

0 引言

近年來，海上油氣資源開發向更深海域發展，對高規格深水船舶的需求日益增加。飽和潛水支持船是海工支持船舶中的高端裝備，能夠為潛水人員創造適宜的工作環境，使其能在高壓強條件下完成水下安裝、檢查、維修等作業。該船廣泛應用于海底施工、水下資源勘探、搜救等領域，具有廣闊的市場前景。

1 工程概況

本船為一艘具有DP3動力定位能力的300 m水深飽和潛水支持船，可在滿足規定的海區作業環境條件下進行作業，并可在無限航區航行（除極區外），其效果圖如圖1所示。

圖1 300 m飽和潛水支持船效果圖

該船配備24人雙鐘飽和潛水系統，可搭載24名潛水員分批次進行最大水下深度300 m的飽和潛水作業；配備滿足3000 m水深搶險打撈要求的ROV系統，能在超過3000m水深的海域進行各種水下搶險打撈和深海作業；配備了帶升沉補償的250 t起重機（最大作業水深3000 m），可進行深水大型結構物的起吊和安裝。飽和潛水系統可聯合ROV系統進行海底作業，起重機可聯合ROV系統來執行深水打撈作業。

本船入DNV GL和CCS雙船級。DNV GL入級符號為 DNV+1A1–E0, SF, DYNPOS AUTRO, SPS, CLEAN DESIGN, NAUT AW, DK(+), HELDK-SH, CRANE,COMF-C(3) V(3), BIS, DSV-SAT, DSV-SURFACE,BWM-T, RECYCLABLE, ECA (SOx-A)[1]。本船需按照DNV GL船級社的規范要求提供 ERN數據，經計算為ERN(99.99.99.93)，動力定位能力較高。

CCS入級符號為CCS*CSA, SPS,DSV-Sat, DSV-Air,Strengthened for Deck Cargoes, Loading Computer (S,I,D),Helicopter Facilities, Lifting Appliance, DP-3, In-Water Survey, COMF(NOISE 3, VIB3)*CSM, AUTO-0, LSFO,OMBO, Clean Plus, BWMP, BWMS, GPR[2]。

2 電站及配電系統

2.1 電站及重要設備配置

電站及重要設備配置包括：1）4臺3490 kW主發電機，1臺900 kW停泊發電機，1臺450 kW船用應急發電機，1臺750 kW潛水用應急發電機；2）2臺3250 kW主推進器，2臺1400 kW首管道推進器，2臺1600 kW首伸縮推進器；3）本船配備雙鐘24人飽和潛水系統；4）1臺250 t主起重機，1臺30t輔助起重機；5）1套月池ROV系統，1套舷邊ROV系統[3]。

2.2 配電系統

2.2.1 滿足DP3規范要求的配電系統分區設計

本船動力定位系統滿足雙船級社DP3動力定位規范的要求，即在預設的定位環境條件下，當任意部件或系統發生單點故障，甚至包括由于失火或進水造成1個艙室的完全損失后，仍能自動保持船舶的位置和首向[2]。所以本船的配電系統結構必須滿足 DP3動力定位系統的要求，即電站與推進器的分組必須保持一致。

規范對DP3動力定位的要求是：電站及配電系統應至少在兩個艙室進行合理布局。因此，本船設計有2個獨立的機艙和 2個獨立的配電板室。機艙之間具有A60及水密分隔，每個機艙內的發電機組及輔助系統都可獨立運行，互不影響。配電板室之間及與各相鄰機艙之間全部為A60及水密分隔。

機艙、配電板室及推進器艙分區如圖2所示。

圖2 機艙、配電板室及推進器艙分區圖

2.2.2 配電系統結構設計

本船在設計之初根據發電機的容量，經過初步的短路電流估算，最終選擇了電網的電制：

1）AC690V，用于電站電源設備、推進系統主設備、主起重機、輔助起重機；

2）AC440V，用于工程作業設備，包括潛水設備及ROV設備、泵組、風機、輔助生活設備等；

3）AC230V，用于小風機、輔助生活設備等。

根據系統特性及設備配置，共設計了12塊配電板，包括：2塊AC690V主配電板、2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊ROV及收放系統配電板、2塊潛水配電板、1塊船用配電板、1塊潛水用應急配電板。

配電系統基本配置如圖3所示。

根據機艙及配電板室的分區，全船動力設備完全分開為前后2個系統。前機艙1號及3號主發電機連接至前AC690V主配電板，后機艙2號、4號主發電機及停泊發電機連接至后AC690V主配電板。

前 AC690V主配電板供電負載為左主推進器、1號首管道推進器、1號首伸縮推進器、輔起重機、主起重機2號電機、1號配電板變壓器、1號潛水設備供電變壓器、1號ROV及甲板設備供電變壓器。后AC690V主配電板供電負載為右主推進器、2號首管道推進器、2號首伸縮推進器、主起重機1號和3號電機、2號配電板變壓器、2號潛水設備供電變壓器、2號ROV及甲板設備供電變壓器。

在DP模式下，2塊AC690V主配電板之間的母聯開關全部斷開，各自獨立運行，分別給各自DP區內的設備供電。同時，2塊AC440V輔助配電板、2塊AC230V輔助配電板、2塊ROV及收放系統配電板、2塊潛水配電板之間的母聯開關也全部斷開，保證了電力系統運行的安全性、可靠性和一致性。

圖3 配電系統單線圖

由于 2套電力系統分區獨立運行，相應分區的發電機容量必須滿足分區用電設備、保證人員安全。通過采用需要系數法對各種 DP工況下的發電機負荷率進行計算，2個DP分區發電機容量滿足使用要求。電力負荷計算結果如圖4所示。

圖4 電力負荷計算書

2.2.3 配電系統冗余設計

本船采用的分開獨立運行式配電系統無論從結構型式上還是冗余度上都能滿足DP3規范要求。2套配電系統獨立運行，結構型式清晰明了，各DP分區設備由分區內的配電板供電，保證了供電的獨立性及安全性。用于保持定位能力的設備獨立運行，不受另外分區設備影響。即使1個分區完全損失，也不會對另外1個分區造成影響，冗余度較好。

但是，分開運行的配電系統會產生較多的故障穿越風險。所謂故障穿越，即為當1個分區發生故障時，通過共同連接的系統將故障輸送至另 1個分區，從而導致2個分區均產生故障，將故障擴大化[1]。這在DP3船舶設計中是不允許發生的。

2.3 故障穿越的風險及預防

基于本艘船舶設備的特點，下列 2種情況會帶來故障穿越的風險：1）對大功率設備供電時，如果使用單邊供電會導致 2段電網的極度不平衡，從而影響到部分負載的使用，進而對動力定位能力產生影響，在這種情況下，只能采用不同分區的配電板供電；2）設備較多，由于空間的限制，不可避免地出現了 2個分區配電板供電的設備放置在1個艙室內的情況。

以本船在設計過程中遇到的實際情況為例，討論當出現上述2種情況時應采取什么措施避免故障穿越。

1）大功率設備2段電網供電

本船250 t主起重機共設有3臺主驅動電機，功率均為925 kW。如果采用同一DP分區內的配電板供電，會導致該區域負荷率超出發電機容量，從而導致起重機不能全功率使用。如起重機全功率使用，則其他設備將會受到影響，導致定位能力的損失。而另一分區的發電機會輕載運行。

為避免出現這種情況，經綜合考慮，采用2個DP分區配電板同時供電的方案。其中前機艙主配電板給主起重機 2號主驅動電機供電，后機艙主配電板給主起重機1號和3號主驅動電機供電。后機艙由于設有停泊發電機，如起重機全功率運行，則可以將停泊發電機與主發電機并車使用。

但是，采用這種設計方法就會出現前面所描述的故障穿越問題。當主起重機本體發生火災，則會導致2路供電電纜短路，短路故障會影響到2個DP分區的配電板而導致 2個分區全部失電。因此，必須采取措施來避免故障的發生。

本船采取了 3種方法以避免發生故障：（1）主起重機改變滑環結構型式，滑環型式不推薦使用在 DP3分網運行的船舶上，本船采用的是拖鏈型式，進線采用裝在筒體內的接線盒型式；（2）從前配電板供電至主起重機2號主驅動電機的電纜全部在A60絕緣通道內敷設，直至筒體內的接線盒；（3）筒體內安裝 2個火警探頭，當 2個探頭同時報警時，輸出開關量信號至前后配電板，切斷主起重機主電機所有供電開關。

2）同一艙室內的2個設備由2個分區配電板供電

本船配備2套ROV收放系統，1套為月池收放系統，1套為舷邊收放系統，每套收放系統都配有1臺臍帶纜絞車，2臺臍帶纜絞車均布置在WROV絞車房。

根據設備本身的要求，當船舶發生最大單點故障，即船舶損失一半動力后，任何 1套收放系統還可回收ROV，速度減半。因此，每套臍帶纜絞車都設有 2臺電機，每臺電機配有1臺起動器，1臺電機起動器由左舷 WROV配電板供電，而左舷 WROV配電板由前AC690V配電板經過變壓器供電；另1臺電機起動器由右舷WROV配電板供電，而右舷WROV配電板由后AC690V配電板經過變壓器供電。這樣就導致1個艙室內即有前機艙供電設備，又有后機艙供電設備，當這個艙室本身發生火災或進水故障時，會導致 2個分區配電板短路，最終導致船舶損失所有電力系統。雖然電機供電開關設有短路保護，可在短路瞬間切斷開關，但是短路時的瞬態壓降會在很大程度上觸發跟 DP相關的設備供電開關或接觸器保護動作。

因此，為了避免1個艙室損失的故障影響2個分區，本船在WROV絞車房設置了火警探測和進水探測裝置。當絞車房內的火警探頭報警或者進水探測傳感器達到設定值時，均送出開關量切斷信號送至左舷WROV配電板，同時切斷配電板上的每臺臍帶纜絞車的1臺電機起動器供電開關，相當于切斷1個分區的供電，避免故障穿越情況的發生。

另外，還有一種情況可能會導致故障穿越。例如本船主起重機設有 1臺輔助電機，此電機要求在主電機工作時必須工作。由于主電機由2個DP分區供電，因此輔助電機必須保證在 1個分區失效后仍能保持工作。為滿足這種情況，設計了手動切換箱。1個分區配電板均供電至手動切換箱，手動切換箱輸出至輔助電機。當輔助電機的供電電源損失，可通過手動切換至另 1分區配電板供電，不影響主起重機的正常運行。雖然這樣可以滿足使用要求，但是可能也會帶來故障穿越的問題。當手動切換箱發生火災，短路故障會影響到 2個分區供電配電板。因此，必須在供電至手動切換箱的兩個分區配電板開關上設置聯鎖，當 1個開關供電時，另外1個開關必須保證斷開。

3 結束語

本艘飽和潛水支持船配電系統的設計既要滿足動力定位DP3要求，又要注意避免分段運行的電網出現故障穿越，這種情況具有一定的代表性。文章分析了DP3船舶配電系統的設計思路，介紹了避免故障穿越的措施，可為以后同類型船舶的設計提供設計參考。

[1] DNV GL. Rules for Classification OF Ships[S].2015.

[2] 中國船級社. 鋼制海船入級規范[S]. 2012.

[3] 中國船舶工業集團公司, 中國船舶重工集團公司,中國造船工程學會. 船舶設計實用手冊 電氣分冊[M]. 北京: 國防工業出版社, 2013.