“华虎”号深远海工作船配电系统故障模式及影响

丁俊元，张 敏，肖 婷

(中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司，武汉 430060)

“华虎”号深远海工作船配电系统故障模式及影响

丁俊元，张 敏，肖 婷

(中船重工(武汉)船舶与海洋工程装备设计有限公司，武汉 430060)

以“华虎”号深远海工作船的电力分配系统为研究对象，为避免在设计中出现重大的颠覆性错误，提高船舶系统的可靠性，在船舶系统风险评估中，用故障模式与影响分析技术作为风险分析方法，分析出配电系统所有故障模式、故障原因及其在DP模式下的影响， 验证该船具备DP-2定位能力。

深远海工作船；配电系统；故障模式及影响分析

工程技术人员在进行产品、工艺设计时，都自觉或不自觉地联想自己的设计能否在实际操作中实现，有哪些因素对它产生影响或设计本身会对哪些方面产生影响等，但少有对其进行系统、量化地预测和评估并采取必要的防范措施，故障模式影响分析(FMEA)是解决此问题的有效方法[1]。FMEA是通过对一个系统的功能或硬件的分析来判断每一个潜在的故障对系统的影响，提出减轻故障后果的措施的分析方法。因此特别适合在制定船舶规范、初步设计和审图阶段应用，预测可能存在的设计缺陷和不足。本文在分析“华虎号”船配电系统设计的基础上，通过故障模式影响分析(FMEA)，逐个找出每种模拟情况下的所有故障模式，分析这些故障模式对于船舶在DP工况下定位能力的影响，从而检验该船舶配电系统的设计是否满足规范对于DP-2附加标志的要求。

1 “华虎”号船配电系统介绍

“华虎”号船是武昌船舶重工有限公司为上海打捞局设计和建造的目前功率最大的海洋平台工作船，能够为深远海石油平台提供操锚、拖带、供应以及守护等多种服务，同时还可作为工作母船向ROV和饱和潜水提供支持。

该船四机双桨，每台主机功率4 000 kW，设置2台功率为2 500 kW的PTO轴带发电机、2台功率为400 kW的柴油发电机组以及1台250 kW的停泊/应急发电机组，总功率为6 050 kW。电制采用三相三线AC400 V，50 Hz。

正常航行时1台轴带发电机向全船供电，另1台备用，备用发电机能自动启动，并连接至主配电板。进出港、拖带、操锚(DP-2)时，2台轴带发电机分区供电，1台轴带发电机向1台伸缩舵桨装置和1台艉侧推供电，另1台轴带发电机向1台艏侧推和另1台艉侧推供电，同时向全船其他负载供电。两台轴带发电机不能长期并联运行，可以短时并联作负载转移。2台柴油发电机组能长期并联运行，也能与任何1台轴带发电机作短期并车，用以负载转移。柴油发电机组作为正常航行的备用机组。

图1为该船的电力系统单线图。#1、2号轴带发电机(SG1、2)和#1、2号柴油发电机(DG1、2)分别对应#1～4 AC400 V主汇流排，他们之间采用联络开关进行连接。#3、4号AC400 V主汇流排经由2台容量为200 kVA的主变压器(T1、T2)向#5、6号AC220 V汇流排供电。应急AC 400 V汇流排也是经由联络开关与#3 AC400 V 主汇流排连接，并经过两台容量为40 kVA的应急变压器(T3、T4)向应急AC220 V汇流排供电。为主机、柴油发电机服务的风机、油泵、水泵等动力系统的负载挂在#3、4 AC400 V主汇流排下；货物系统、侧推、拖缆机液压泵站电机等大功率用电负载及非动力系统的负载挂在#1、2 AC400 V主汇流排下。照明系统、居住舱室生活及设备的控制用电等负载，按照规范要求，相应地挂在正常或应急AC 220 V汇流排下。

图1 “华虎”号电力系统单线图

对于要取得DP-2附加标志的船舶，CCS规范上明确提出：主配电板要布置成不因单个故障造成电源的全部中断，这里的单个故障是指任何系统或部件的技术特性的破坏。主汇流排应至少由2个部分组成，任一部分任何原因失电都应有充足的可用功率向船舶的基本日用负载和重要操作负载供电，同时能在规定的环境条件下在规定的作业范围内保持船舶位置[2]。即通常要求的任何一个单点故障不能引起船舶的失位，其核心思想是设计的冗余性。

2 “华虎”号配电系统可靠性分析

主配电板共19屏，汇流排也分为2个部分，之间有空气开关连接。冗余左侧包括：1号400 V馈电屏A、1号400 V馈电屏B、1号400 V馈电屏C、1号400 V馈电屏和1号艉侧推屏、3号汇流排和艏侧推屏、1号柴油发电机屏以及1号轴带发电机屏。冗余右侧包括：同步屏、2号柴油发电机屏、2号轴带发电机屏、4号汇流排和伸缩舵桨屏、2号艉侧推屏、2号400 V馈电屏A、2号400 V馈电屏B、2号400 V馈电屏C。柴发汇流排1号联络开关和轴发汇流排2号联络开关连接到2个冗余组。根据两组的冗余性，400 V和220 V系统被分为2部分，每一部分的DP关键用户负载如下冗余分组。

1)左侧400 V冗余分组。

①艏侧推马达起动器。

②1号艉侧推马达起动器。

③左舵机2号液压泵起动器。

④P3(3号400 V分电箱):1号齿轮箱预润滑泵、艏侧推室风机、左CPP滑油重力油柜压力泵起动器。

⑤P5(5号400 V分电箱): 舵机舱风机、Hipap 提升单元。

⑥左侧滑油分油机控制柜。

⑦左侧滑油分油机电加热器。

⑧左侧燃油分油机控制柜。

⑨1号主变压器 T1。

⑩3号组合起动屏MCC3: 1号主机预润滑泵、1号主机滑油备用泵、1号主机燃油供给泵、2号主机燃油供给泵、1号主机高温淡水泵、2号主机高温淡水泵、2号主机预润滑泵、2号主机滑油备用泵、1号淡水冷却泵、2号淡水冷却泵、左海水冷却泵、左燃油输送泵、1号机舱风机。

2)左侧2 200 V冗余分组。

①1,3,5,7,8号照明分电箱。

②2号 24 V充放电板 B2。

③无线电220 V分电箱。

④3号220 V电力分电箱 3PL: 1号主机淡水冷却温控阀、2号主机淡水冷却温控阀、左淡水冷却系统温控阀、左推进控制系统电源、左推进控制系统UPS电源、1号主机电源单元、2号主机电源单元。

⑤220 V 应急配电板: No.2 充放电板、No.3 充放电板、集控室220 V分电箱 LD3、前驾控台220 V分电箱 LD1、后驾控台220 V分电箱 LD2。

3)右侧400 V冗余分组。

①伸缩舵桨推进变压器。

②2号艉侧推马达起动器。

③右舵机2号液压泵起动器。

④2号CPP液压控制单元。

⑤2号主启动空压机。

⑥P4(4号400 V分电箱): 2号齿轮箱预润滑泵、右CPP滑油重力油柜压力泵起动器。

⑦P8(8号400 V分电箱): 移向变压器预充磁，冷却风机、变频器1号冷却水泵、变频器2号冷却水泵、伸缩舵桨液压泵起动器、伸缩舵桨升降泵起动器。

⑧右侧滑油分油机控制柜。

⑨右侧滑油分油机电加热器。

⑩右侧燃油分油机控制柜。

4)右侧220 V冗余分组。

①2,4,6,9,10号照明分电箱。

②3号 24 V充放电板 B3。

③航行灯控制板。

④集控室220 V分电箱 LD3。

⑤前驾控台220 V分电箱 LD1。

⑥后驾控台220 V分电箱 LD2。

⑦4号220 V电力分电箱 4PL: 3号主机淡水冷却温控阀、4号主机淡水冷却温控阀、右淡水冷却系统温控阀、右推进控制系统电源、右推进控制系统UPS电源、3号主机电源单元、4号主机电源单元、伸缩舵桨驱动系统UPS。

5)电力分配系统故障模式分析。

“华虎”动力与推进系统两冗余分组布置见图2。

图2 “华虎”动力与推进系统两冗余分组布置

由图2可见电力分配系统的各个单点故障会对全船动力与推进系统造成什么影响，进而判断其设计是否满足了DP-2附加标志的相关要求，详尽的故障模式影响分析见表1。

3 结速语

FMEA应用于系统设计中是一个反复和逐步深化的过程，通过对“华虎”号电力系统的故障模式及影响分析，找到了船舶电力系统所有可能的故障模式、发生故障的原因、故障对整个系统的最终影响及严重程度。验证了电力系统在自身单点故障时任然满足DP系统定位能力的需求，其设计是符合船舶DP-2附加标志要求的。

表1 “华虎”号配电系统FMEA表

[1] 居季成，徐名聪，乔 靓.失效模式及后果分析的运用[J].现代制造工程,2004(6):83-86.

[2] 中国船级社.中国船级社钢质海船入级规范[S].北京：人民交通出版社，2012.

[3] 赵俊豪.基于模糊FMEA的实习船主机系统安全评估[D].大连:大连海事大学,2007.

[4] 王绍印.故障模式和音响分析(FMEA)[M].广州：中山大学出版社,2003.

[5] 马 超，庄亚锋，陈俊英.船舶动力定位系统技术[J].中国造船,2009(11)：52-57.

[6] 沈锦康.动力定位船舶的FMEA介绍[J].江苏船舶,2010(6)：26-29.

[7] 竹建福,许乐平.FMEA在船舶系统风险评估中的应用[J].世界航运,2006(4):22-24.

[8] 王 民.FMEA在大型高速客滚船上的应用[J].现代船机维修技术,2005(8)：417-425.

[9] 曹召锋,阚树林,王锡雄,等.基于FMEA的调距桨液压系统可靠性分析[J].液压与气动,2014(7):69-72.

[10] 缪燕华,吴斐文.动力定位工程船设计技术研究[J].上海造船，2010(1):46-50.

FMEA in Power Distribution System of Huahu Deepwater Multi-purpose Offshore Ship

DING Jun-yuan, ZHANG Min, XIAO Ting

(CSIC(Wuhan)Marine and Offshore Engineering Co. Ltd., Wuhan 430060, China)

In order to avoid major disruptive error in the design and improve the reliability of marine systems, the failure mode and effects analysis (FMEA) is an efficient and common method for risk analysis in risk assessment of marine systems. The power distribution system of Huahu deepwater multi-purpose offshore ship is taken as an example, all of the failure modes, failure reasons and the effect in DP mode are found, which can validate the vessel has DP-2 ability.

deepwater multi-purpose offshore ship; power distribution system; FMEA

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.006

2015-05-11

国家发展改革委2013年海工装备研发及产业化专项基金

丁俊元(1982-)，男，硕士，工程师

U674.38

A

1671-7953(2015)06-0023-05

修回日期：2015-06-02

研究方向:船舶电气

E-mail: dingjunyuan@163.com