227 m深海采礦船電氣設備布置和電纜分隔方案

曾 晨

(福建省新能海上風電研發(fā)中心有限公司，福建 福州350108)

0 引言

隨著陸地礦產資源逐漸耗竭，海底礦產將成為重要的來源。為了開采海底資源，世界各國都在大力發(fā)展深潛技術，研制深海采礦船。作為世界首創(chuàng)的船型，227 m深海采礦船的許多設計方案都是全新的嘗試。由于該船的建造需要完成多類高難度的系統集成，作為支撐與保障全船設備運行的配電系統在設備布置分隔上面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，因此，研究其配備系統的設備布置是十分必要的。基于深海采礦船航程遠、作業(yè)水域深、系統復雜且集成度高的特點，為了確保船舶工作性能與生產安全，必須采用船舶動力定位系統作為保障。由于不同等級的動力定位系統對船舶設備配置和布置方案有著不同的要求，因此，在設計初期就需要根據不同的動力定位等級要求，從發(fā)生故障穿越的風險入手進行分析，采取可有效防止故障穿越的措施[1]，以保障整體設計的完整性和合理性。

一般來說，動力定位系統、電力推進系統以及相應的配電系統中的固定式電氣設備在冗余組的規(guī)劃過程中可采用較為直觀的設備布置分隔方案[2]。然而，固定式電氣設備之間的軟性連接——電纜，則是整套系統中最為薄弱的環(huán)節(jié)，電纜的分隔方案也最容易在設計過程中被忽略，從而導致大量的后期修改與物資損耗。因此，在設計初期系統考慮滿足分級要求的設備布置與電纜分隔方案，是優(yōu)化設計與降本增效的關鍵所在。

本文在研究DP系統的分級要求基礎上，具體分析了“DPS-2,EHS-F”入級符號對于電力推進設備和電纜布置的要求，并以227 m深海采礦船為例，制定滿足“DPS-2,EHS-F”入級符號所要求的電力推進設備布置和電纜分隔方案。

1 分級要求與對比

根據動力定位系統的功能以及設備冗余度,動力定位系統一般分為1級、2級與3級。分級要求如下：

1級動力定位系統的配置不考慮冗余，除了設置一套主DP系統外，還配備一套獨立的手動操作系統作為應急備用。當DP系統的自動控制發(fā)生故障時，DP操作員可通過手動操作系統繼續(xù)控制船位和艏向。

2級動力定位系統的要求比1級要嚴格，必須考慮冗余。因此，2級DP系統的配置一般為兩套完整的動力定位系統互為備用，一套有故障時自動切換至另一套系統，外加一套手動操作系統。

3級動力定位系統的要求比1級和2級都更嚴苛，系統配置是在2級的全套配置基礎上，再追加一套功能完備并且獨立的DP系統作為備用。3級動力定位系統不僅在設備配置上滿足冗余，在電纜和管路的路徑設計上也要遵循相關的冗余原則，實行有效的物理分隔[3]。

2 入級符號說明

227 m深海采礦船入級美國船級社(ABS)，入級符號包含“DPS-2,EHS-F”。 DPS(Dynamic Positioning System，動力定位系統)表示安裝有動力定位系統的船舶；DPS-2表示必須滿足2級動力定位系統的相關要求； ESH-F屬于2級DP系統的增強系統符號，表示針對防火分隔的加強要求。

由于“DPS-2,EHS-F”是在DP2入級符號上追加的補充符號，即要求船舶不僅需要滿足DP2的基本規(guī)范，在設備布置和防火分隔等方面也必須遵循相關的要求。例如：發(fā)電機及原動機，要求其必須布置在獨立艙室，若該艙室處于高危區(qū)域必須實行A60防火分隔；如位于破損水線以下則須確保水密性。配電系統/推進系統要求設置相應的冗余組，各組的設備之間(包括電纜)必須實行A0防火分隔，如設備位于破損水線以下則須確保水密性。

簡單來說，“DPS-2,EHS-F”是升級版的DP2要求，但還未完全達到DP3的要求。

3 電氣設備分隔方案

本文從船舶主要結構設置、船舶冗余組設置方面來研究基于“DPS-2，EHS-F”要求的電氣設備布置和分隔方案。

3.1 船舶主要結構設置

船舶主要結構設置和主要設備配置見圖1。

按照三個冗余組的設計原則，本船在結構上作如下設置：

圖1 船舶主要結構設置和主要設備配置

(1)機艙：3個機艙(左機艙、舯機艙、右機艙)。

(2)配電板間：3個配電板間(左配電板間、舯配電板間、右配電板間)。

(3)推進器間：7個推進器間(艏推間、左伸縮推間、右伸縮推間、左舵槳間、舯舵槳間、右舵槳間)。

(4)電纜通道：3個獨立分隔的電纜通道(左舷靠舷側電纜通道、左舷靠船舯電纜通道、右舷電纜通道)。

由圖1可見，7臺推進器分別布置在各個推進器間，而1號艏推與2號艏推位于同一個艙內，因此這2臺艏推在冗余設計中可合并為1臺來考慮。

3.2 船舶冗余組設置和劃分

3.2.1船舶冗余組設置

根據“DPS-2,EHS-F”的入級要求，該項目設置了三個冗余組，各冗余組之間電纜的連接采用左右交叉的方式。其中，1號冗余組主要設計用于備用應急DP控制系統，2號和3號冗余組設計用于主DP系統。船舶冗余組設置如圖2所示。

圖2 船舶冗余組設置

3.2.2船舶冗余組劃分

結合圖1和圖2，方案對三個冗余組進行具體劃分。

(1)1號冗余組

結構包括：左機艙、左配電板間、左伸縮推間、左舷靠舷側電纜通道和右舵槳間。

設備包括：1號發(fā)電機、2號發(fā)電機、1號中壓配電板、左舷440 V低壓配電板、左舷230 V低壓配電板、左伸縮推、右舵槳。

(2)2號冗余組

結構包括：舯機艙、舯配電板間、艏推間、左舷靠船舯電纜通道和舯舵槳間。

設備包括：3號發(fā)電機、4號發(fā)電機、2號中壓配電板、舯440 V低壓配電板、舯230 V低壓配電板、1號艏推、2號艏推、舯舵槳。

(3)3號冗余組

結構包括：右機艙、右配電板間、右伸縮推間、右舷電纜通道和左舵槳間。

設備包括：5號發(fā)電機、6號發(fā)電機、3號中壓配電板、右舷440 V低壓配電板、右舷230 V低壓配電板、右伸縮推、左舵槳。

三個冗余組設計的思路是為了使每一個冗余組的功能獨立，當出現任一故障后，船舶仍能夠自動保持定位和艏向。對于任一故障的定義，不單是指設備故障，也包括某個艙室的完全損失。為了滿足這一點，冗余組之間的完全分隔尤為重要。

在考慮冗余組的分隔布置時，剛性的電氣設備容易分隔，而穿艙走壁的電纜路徑是相對薄弱的設計環(huán)節(jié)，很容易忽略冗余的設計原則。當某根電纜需要穿過其他冗余組的結構區(qū)域時，須確保該電纜由A0級別的電纜通道進行防火分隔；若該區(qū)域為高失火危險區(qū)域，則要求對電纜實行A60級別的防火分隔。這樣，單一故障就能夠有效控制在單一冗余組的區(qū)域范圍內，避免該故障跨區(qū)域之后造成更多冗余組的損失，最終導致船舶定位能力的丟失[4]。

另外，ABS規(guī)范要求1 kV以上的高壓電力電纜與低于1 kV的電力電纜不可鋪設在同一托架或電纜框內，因此通向推進器間的所有低壓電纜必須按照EHS-F的要求分別鋪設，并實行A0防火分隔。

因此，本項目中各推進器的電力電纜主要路徑設計也需要遵循三個冗余組的劃分原則，電纜跨區(qū)域的部分設置合適的防火分隔。出于船舶整體安全考慮，船級社不允許電纜直接穿過防撞艙壁，因此通向艏推的電纜路徑可能需要向上延伸翻越過防撞艙壁后再下行至各艏推間。在這種情況下，各冗余組之間的電纜路徑設計原則仍須嚴格遵守，跨區(qū)電纜應實行相應的防火分隔，以確保每一個冗余組的獨立性。

如上文提及，EHS-F是關于防火分隔的加強要求，在項目設計過程中應結合各冗余組的情況，對配電系統、推進設備、電纜路徑等方面進行妥善的布置和分隔，盡量減少實際生產時由于電力設備布置不合理導致的跨區(qū)施工難度。

4 結語

227 m深海采礦船電氣設計初期就按照冗余設計原則對船舶主要結構進行設置，采用左右交叉的方法連接各冗余組之間的電纜，解決了“DPS-2,EHS-F”入級符號所要求的備用系統與主系統之間分隔隔離的問題；在電纜分隔方面，摒棄在后期電纜敷設過程中穿管或臨時增加通道的傳統作法，創(chuàng)新性地采用了在船體結構設計初期即分隔出三個獨立的主電纜通道的設計方案，在滿足規(guī)范要求的同時，減少了設計沖突與現場施工難度。

精細化造船是船廠一直以來追求的目標，尤其是對于高技術含量、高附加值、高建造難度的大型船舶來說，如何提高設計圖紙準確率，將對施工方案的正確制訂以及降低后期修改率，避免資源損耗具有非常積極的意義。因此，充分了解相關規(guī)范要求與設計準則，結合實船項目經驗，在設計初期系統性地考慮滿足分級要求的設備布置與分隔方案，是優(yōu)化設計與降本增效的關鍵所在。