深潜水工作母船电气设计

王 锋 李 学

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

近年来，国际造船行情逐渐趋于平稳，异常火爆的运输船市场开始降温，我国船舶工业发展受到了严峻考验。但与此同时，海工装备业制造及海洋工程船舶的设计建造开始逐渐被推向新的高度。深潜水工作母船是交通运输部上海打捞局委托上海船舶研究设计院进行详细设计，并由武昌船舶重工有限责任公司建造，入中国船级社。本项目适用于无限航区，作为300m饱和潜水和常规空气潜水作业的支持母船，并配备水下遥控无人探测器（ROV），具有对水下沉船、飞行器进行探测和打捞能力。本项目配置A字架、海工起重机，具有二级动力定位能力和海面消除油污作业能力。本项目的成功设计建造将是我院走向海工核心领域的坚实一步。

1 本项目功能及规范

本项目主要用于海上救捞作业，配备有水下遥控无人探测器，具有对水下沉船、飞行器进行探测和打捞能力，能作为300m饱和潜水和常规空气潜水的潜水作业支持母船。

本项目具有拖曳搁浅、触礁船舶脱险、失去机动能力的船舶返回港口，对遇难进行封舱、堵漏、排水和对外消防灭火作业能力。本项目配有海上起重A字架、海洋工程起重机和直升机平台，可对外提供多种工程作业服务。

本项目主要作业用途如下：失事飞机、船舶搁浅/沉没的救助；海工服务；饱和潜水/空气潜水；ROV作业；对外消防；起抛锚作业；油、水、甲板货供应；应急情况下的环境保护；应急情况下的航线清理；清除水下障碍物及残骸。

本项目按CCS现行规范和规则进行设计、建造，并取得下列船级符号：

★CSA ★CSM，Salvage Ship，AUT-0，OMBO，Ice ClassB，DSV-SAT，DP-2，Helicopter Facilities

2 电力系统配置

本项目电力系统采用三相三线制、中性点不接地系统，并采用中压AC 6 600 V和低压AC 400 V 50Hz的主电网。本项目采用电力推进方式，主要的推进器配置如下：

2.1 工况使用情况

在“航行”工况，6.6 kV主发电机通过6.6 kV主配电板为全船提供电源。主推进电动机、伸缩式全回转推进电动机、管隧式侧推及主变压器由6.6 kV主配电板供电。

在“停泊”工况，主发电机不运行，1台停泊发电机向全船供电。

在“应急”工况下，应急发电机给1台全回转舵桨、1台主空压机、1台机舱通风机、救生艇、海洋工程吊应急下放供电以及其他应急电源。DC 24 V主要用于船舶综合管理系统和导航、报警电源。

在“DP作业”工况下，全船配电系统实行分区供电，从中压6.6 kV到400 V/230 V配电板联络开关断开，由两侧汇流排上的发电机分别向本侧中、低压负载供电。

本项目的作业功能较多，使用工况分为以下10类：航行工况；恶劣海况下使用动力定位、吊机和ROV；一般海况下使用动力定位、吊机和ROV；在DP I模式下进行潜水操作；在DP II模式下进行潜水操作；在4点锚泊情况下进行潜水操作；拖带工况；进出港；停泊；应急工况。

各工况下发电机的使用情况如表1所示。

表1 各工况下发电机使用情况

2.2 配电系统设计特点

本项目设置中压主配电板（AC 6 600 V）1套、低压主配电板（AC 400 V/AC 230 V）1套、甲板设备配电板 （AC 400 V）1套和应急配电板 （AC 400 V/AC 230 V）1套。增加DP-2附加标志，全船的正常配电网络均须按照冗余对称结构进行布置。对于所有重要负载，从配电板汇流排到变压器，再到设备布置均为冗余对称，保证在最大单点故障时，船舶仍具有定位能力，此时的能力应得到船东的认可。这就对于系统供电、电缆敷设和设备布置都提出了更高的要求。配电系统单线图如图1所示。

3 动力定位系统设计

图1 配电板单线图

本项目主要用于海上救捞作业，配备有水下遥控无人探测器（ROV），具有对水下沉船、飞行器进行探测和打捞能力，能作为300m饱和潜水和常规空气潜水的潜水作业支持母船。因此本项目设一套双冗余动力定位系统，设计要求须满足DNV DYNPOS-AUTR及CCS二级动力定位（DP-2）关于冗余系统的规范要求，并取得CCSDP-2附加标志。

3.1 动力定位系统配置要求

二级动力定位系统的设置要求：具有足够的冗余度，在任何单点故障情况下可不中断保持定位功能，包括任何运动部件和系统的单个故障出现时。

需要指出的是，本项目配置二级动力定位的运行应由主配电板汇流排1或汇流排2供电给伸缩式全回转推进器，具有手自动切换功能；2台主推进和2台首侧推分别由汇流排1和汇流排2供电。

系统配有2套控制计算机，并且相互冗余，系统软件应包括用于监测、ROV、潜水操作的所有模式和功能。

DP-2入级符号要求船舶需要配置2台互为备用的DP主操作站和一套独立的Joystick系统。每套DP主操作站包含对所有5台推进器、舵桨、位置参考单元的控制和反馈信息连接。当在线的DP控制器发生故障时，系统会无缝切换至备用控制器，仍保持船的DP控制。独立的Joystick系统应完全独立于DP系统的连接，所有来往于推进器的信号须单独接设，保证在DP系统故障时能手动操纵船舶而不使用参考系统。

3.2 DP参考传感器

传感器的设置应使得单个输入的丢失不会损害DP-2入级要求范围内船舶工作的能力。

根据CCSDP-2的入级要求以及船东对于船舶较高的定位要求，本项目的DP系统配置了如下传感器：

——3套电罗经；

——2套风向风速仪；

——2套DGPS；

——2套水下声学定位系统（HIPAP）；

——1套雷达位置参考系统（RADius）；

——2套张绳位置参考系统（TautWire）；

——1套超声波位置参考系统（Seapath）；

——3套运动参考单元MRU。

4 桥楼布置及天线布置

4.1 满足一人桥楼OMBO的桥楼布置

本项目在驾驶室上的布置须按照DNV NAUTOSV（A）的规范要求设计，并同时取得CCS船级社的OMBO的入级符号。对于驾驶室视线，驾控台、仪器台等的尺寸、操作位置的仪表安装都有严格规定，应能使得一名驾驶员在正常情况下有效地操作。

本项目中导航设备与动力定位系统共用配置的设备，以保证航行设备和动力定位相对独立原则。对于电罗经和风速风向仪等设备共用，但信号电缆分别敷设。

4.2 天线综合布置

由于本项目在常规导航通信设备以外，还配置了动力定位系统以及航空电台等设备，所以相关联的无线电设备较多。这就使得布置于雷达桅和罗经甲板的天线就非常繁多。此外，本项目还在罗经甲板左右两舷配置了2门对外消防炮，极大地限制了天线布置区域，对于天线间布置合理减小电磁干扰提出了高要求。经过多套方案的反复论证，根据各天线的安装要求，充分考虑各设备天线相互间的电磁干扰和影响，并对消防炮设置了限位角度，形成了最终的天线布置方案。

5 集中式船舶管理系统

本项目设有集中式船舶管理系统IVMS。该系统由分布式控制系统组成，通过一公共通信结构集成了全船的主要控制任务。各种任务在各自的由专用计算机、子网和外围设备组成的分系统内执行，各分系统的子网组通过网络交换机内部连接，做到整个IVMS系统内的无间隙通信。某一分系统的故障不会使IVMS内其他分系统的操作和功能降低。

集中式船舶管理系统的主要分系统如下：

操纵系统，包括DP、Joystick、操舵、自动舵；

推进器控制系统；

机舱自动化系统；

船舶日常管理系统，包括备品、备件管理，航行日志等；

安全管理系统。

对于IVMS需通过切换到双冗余电子系统来实现保护的设备，主系统和备用系统应安装在单独的箱体内，确保即使在火灾情况下也不会影响其他完好部件的正常工作。

6 广播和通用报警的客船要求

根据CCS《特种用途船舶安全规则》2008的要求，对船上载运60人以上但不超过240人的船舶，对应为载运不超过36名乘客的客船的要求。因此本项目应满足客船关于应急电源的要求，广播和通用报警系统须由正常、应急和临时应急三路供电。此外，应对于船员和乘客单独设置回路，能够分别向船员或乘客进行广播和报警，也能同时向全员进行广播和报警。这对于双功放的广播系统和通用报警系统的线路布置提出了更高的要求。

7 满足DP-2的冗余设计

7.1 电气专业需冗余设计的系统

以下船舶系统的供电须考虑冗余设计：冷却系统、滑油系统、燃油系统、压缩空气系统、通风、空调（机舱及推进器舱）、应急切断、柴油发电机、应急发电机、电站和船舶管理系统、高压配电板、低压配电板、侧向推进器及尾部主推进器的电动机及驱动单元、电子单元和电源、辅助系统、DP控制系统的供电。

7.2 冷却水系统

冷却水系统的冗余供电设计主要包括柴油发电机海水冷却泵、主推进器淡水冷却泵、主推进器海水冷却泵、伸缩式推进器淡水泵、首侧推淡水泵。在轮机专业配置上述冷却水系统时，泵组采用一用一备和两用两备时，则为左排设备服务的泵组取电均来自于配电板左排，右排供电亦然。

其中值得说明的是，本项目配置3台主推进器海水冷却泵，其中#1、#3泵组为主用泵，#2泵组为专用备用泵，因此无法做到完全冗余对称布置。故本项目将#1、#2主推进器海水冷却泵电源来自配电板左排，#3主推进器海水冷却泵电源来自配电板右排。

此外，柴油发电机没有配置机带高温淡水泵及低温淡水泵，用备品泵作备用。

7.3 滑油系统

滑油系统的冗余供电设计主要包括滑油预供泵和滑油分油机。本项目共配置了4台滑油预供泵和4台滑油分油机，均为两用两备，则为左排设备服务的泵组取电均来自于配电板左排，右排供电亦然。

此外，本项目配置了主机机带滑油泵，故未设电动滑油备用泵。

7.4 燃油系统

燃油系统的冗余供电设计主要包括燃油分油机和燃油供油单元。本项目共配置了2台燃油分油机和2台燃油供油单元，均为一用一备，则为左排设备服务的泵组取电来自于配电板左排，右排供电亦然。

7.5 压缩空气系统

本项目配置2台主空压机，#1主空压机用于#1、#2柴油发电机组；#2主空压机用于#3、#4柴油发电机组，且兼作应急空压机。故#1主空压机电源来自低压主配电板左排，#2主空压机电源来自应急配电板。

7.6 推进装置辅助系统

1）主推进器的辅助系统。左主推进器液压泵、滑油泵及变频器、变压器辅电源来自配电板左排；右主推进器相应设备电源来自配电板右排。

2）伸缩式推进器的辅助系统。由于首部伸缩式推进器的主电源是跨接于AC 6 600 V两段汇流排，当出现单点最大故障（本项目即为中压、低压配电板一半的汇流排失电）时，会自动转换到另一段汇流排，故本项目为伸缩式推进器的辅助系统配置了1个专用电源转换箱，汇流排故障时也同时自动切换至另一段，用于以下设备：

——伸缩式推进器变压器（伸缩式推进变压器风机电源）；

——伸缩式推进变频器（伸缩变频器水泵及充电电源）；

——伸缩式推进器控制器电源；

——伸缩式推进器液压泵站起动器；

——伸缩式推进器提升泵站起动器。

值得进一步说明的是，伸缩式推进器的中压变频部分3 s之内断电可不受影响，因本项目的中压变频设备可在0.2 s内完成切换，低压辅助电源转换箱可在0.3 s内完成切换。

8 特殊设备的电气系统

8.1 潜水装置

本项目设1套12人、300m饱和潜水系统，也是本项目最主要的作业功能。本项目作为该饱和潜水系统的支持母船，母船为该系统提供必要的二路电源、压缩空气、淡水和通信的连接，对该系统产生的污水和灰水进行收集处理。由于一次完整的加压、下沉、作业、上浮、减压过程耗时非常长，所以为确保潜水员在整个过程中的人命安全，除必要的气源、水源、电源外，该系统自带一套应急发电机组，在应急状况下，能自动起动，保证潜水员安全回到水面。

8.2 减摇水舱及抗横倾系统

本项目设计有三个被动式减摇水舱用以保持船舶姿态，尽量减少风浪对于船舶的倾斜影响。这些水舱连接至压载水系统。

本项目专门设一套抗横倾系统，用来配合海洋工程起重机的操作。该系统能满足海洋工程起重机在最大负荷和最大臂长的工况运作的要求。每船舷设5个边压载水舱用于该系统采集横倾信号。该系统和船舶液位遥测系统共用液位传感器。这5对水舱的液位信号先传至中控系统，再通过信号线传输给抗横倾系统。

8.3 海洋工程起重机

本项目主甲板右舷设置1台140 t折臂式海洋工程起重机，具有主动升沉补偿和恒张力功能，可进行人员吊运。起重机设内置式电动液压动力单元，配置空调全封闭操作室，并配备UHF和船用VHF设备，用于与母船及船员联系，并连接至船舶的广播、通用报警、火灾报警和电话系统。

8.4 水下遥控无人探测器

本项目设置2个ROV专用作业站，分别用于观察作业和潜水作业支持。各ROV作业站附近设置1个接口站，用于为ROV提供相关母船信息。

9 设计中应注意的几个问题

9.1 电缆的电压等级

CCS规范要求在交流绝缘系统中，或者在高阻抗接地系统中（发生接地故障时电源不断开），电缆额定电压应不低于表2要求。

表2 电压等级与电缆额定电压对照

电缆的额定电压U0/U，其中，U0为电缆任一导体和“地”（金属护套）之间的电压；U为电缆任何两相导体之间的电压。

本项目中压配电板在发生接地故障时真空断路器切断，故中压系统选用电缆额定电压为6.0/10.0 kV。

9.2 中压电缆的敷设

中压电缆应与其他不同工作电压的电缆分隔开。特别是它们不应敷设在同一电缆束、或同一电缆槽、同一电缆管道中。设计时，《主干电缆走向图》中应注意将中、低压电缆分开敷设，且该图应送审CCS。

9.3 中压变压器的布置

中压变压器的外壳防护等级至少应为IP23，按装在非专职人员可以到达的处所时，其外壳防护等级至少为IP4X。

本项目选用防护等级IP23的中压变压器，电力变压器安装在配电板室，甲板变压器安装在非封闭舱室。考虑到防护要求，将该区域加装门改为封闭舱室。

9.4 航行工况的发电机配置

对于电力推进船舶，公共电站应满足：在一台发电机不工作时，剩余的机组应能向所有重要设备和船舶常用设备供电，同时应维持有效推进，即应保证船舶航速不小于7 kn或设计航速的一半，两者中取大者。

所以，电力推进船舶航行状态发电机配置不需要考虑备用发电机，满足上述要求即可。

9.5 电力变压器的预充磁

本项目的2台电力变压器容量为3 500 kVA，由于容量较大，需设置预励磁变压器为电力变压器预充磁后起动，目的防止变压器空载起动使过励磁或过电流保护继电器动作而导致起动失败。由于本项目配置了一套甲板设备配电板，由中压配电板经甲板变压器后供电，由此甲板配电板的交流电相序与中压侧一致，因此电力变压器的预充磁电源来自于甲板设备配电板。

10 结语

我国正在向深海科研开发领域扎实稳步前进，深潜水工作母船所具备的300m水深的饱和潜水支持作业能力具有里程碑式的历史意义，是我国目前为止支持潜水深度最大、船舶能力最强的特种船舶。

本项目的一些设计特点为海洋工程其他项目的设计提供了一定技术储备和技术人才积累。本人首次参与设计此类船舶，如有不妥之处请专家指正。