动力定位船舶电站闭排运行的设计研究

余小青

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

船舶电站是以电力作为主要动力输出的核心设备，其配置的合理性和安全性是设计时首先应该考虑的问题，对于电站闭排运行的DP船而言，在设计时，除了需要考虑电站自身的基本要求，还需要考虑DP系统和闭排运行对电站的额外要求，这些要求更多地体现在船舶电站的安全性上，一旦船舶电站出现故障，会直接导致DP系统失效，从而导致船舶失位而产生重大安全隐患，因此，这方面的研究非常必要。

1 DP系统等级划分

根据DP系统的配置冗余情况，一般可以划分为三级，DP-3为最高等级，如下：（1）DP-1，可以在规定的环境条件下自动保持船舶的位置和艏向，同时，还应设有独立的集中手动船位控制和自动艏向控制。（2）DP-2，在出现单个故障(不包括一个舱室或几个舱室的损失)后，可以在规定的环境条件下在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。（3）DP-3，在出现任一故障(包括由于失火或进水造成一个舱室的完全损失)后，可以在规定的环境条件下，在规定的作业范围内自动保持船舶的位置和艏向。

2 DP船舶电站设计基本要素

（1）原动机及其辅助系统如供油、供水、供气等系统。

（2）发电机组配置，发电机组容量需要通过电力负荷计算书来确定，满足在各种DP作业模式下的电力需求。

（3）配电盘系统，通常对于DP船其配电盘供电形式可以分为以下三种：①开式供电，在DP模式下每段配电盘分段独立供电（图1）。②闭排供电，在DP模式下每段配电盘连成一段总排供电（图2）。③闭环供电，指在DP作业时各段配电盘首尾相连形成环状对外供电（图3）。

图1

图2

图3

（4）二次分配电系统：①辅助系统配电盘；②辅助系统组合和独立启动器；③辅助系统独立组合和独立分电箱；④不间断电源（UPS）。

3 DP船舶电站设计的基本原则

（1）安全稳定原则。DP船在海上作业时，DP系统的安全稳定是需要优先考虑的，一旦DP系统失效，可能会使船舶失位从而发生事故，为了确保DP系统的安全，在设计船舶时，需要优先确保船舶电站的安全性，因为船舶电站的安全性是DP系统最重要的安全支撑，大量的DP船事故分析表明事故原因与船舶电站存在直接或间接的联系。

（2）冗余原则：①配置冗余，配置冗余是指根据系统功能需求设置两套或多套设备和元器件，当其中某一套失效时，其余硬件依然能够保证设备的正常运行。②功能冗余，功能冗余是指不同系统和设备对同一系统和设备具有同样的功能支撑，当一项功能失效时，其他功能能够起到替代补充的作用。

（3）供电时间最短原则：①控制回路由UPS持续供电，当外界电源失效时，UPS依然能够保持控制回路的主接触器在一段时间内闭合，当电源再次恢复供电，负载在不需要重新启动的情况下继续运行。②控制回路延时脱口，当外界电源失效时，原控制回路中主接触器通过延时脱扣器的延时保护，可以让接触器主触头保持很短时间，这种脱扣器的延时动作一般由主触头内的内置电容来实现。当电源在很短的时间内再次恢复，负载在不需要重新启动的情况下继续运行。③记忆启动，当外界电源失效时，主控制回路完全失电，负载停止运行，但当再次恢复供电时设备可以自动运行，启动器内配置的PLC具有记忆功能，它可以还原设备断电前的状态，当主控制回路恢复供电，PLC自动发出启动命令以恢复到断电前的状态。④顺序启动，当外界电源失效时，主控制回路完全失电，负载停止运行，当再次恢复供电时，启动器内的时间继电器开始工作，当达到时间继电器的设定时间，系统会自动依次重启负载。

4 发电机组保护

发电机组从结构来看分为原动机和发电机，原动机是发电机的驱动设备，原动机发生故障会导致发电机无法正常运转，因此，发电机组的保护也分为原动机保护和发电机保护，从保护原理来分可以分为机械保护和电气保护。机械保护是指物理保护如压力、温度等，电气保护则需要结合发电机在电网中的各项电气参数如电压、电流、频率、功率是否正常来综合判断。

4.1 机械保护

（1）原动机保护，当原动机发生了很严重的故障时，影响足以对原动机造成损坏，如严重机械故障、机械磨损、发生火灾或爆炸。例如，发动机超速，滑油压力低，燃油温度高，曲拐箱油雾浓度高等。当发生这些故障后原动机的控制系统将立即执行发动机停车保护让发动机停止。

（2）原动机报警，当出现一些故障但这些故障不会对原动机造成致命损伤，发动机依然可以运行一段时间，系统触发报警，船员可以通过故障类型来决定是否停车。

（3）发电机保护，发电机主要的机械保护有发电机轴承温度、三相绕组温度、冷却空气温度，泄漏报警。当报警值超出设定值后，也会触发报警停车。

4.2 电气保护

发电机组的电气保护是一个庞大的系统，从配电结构来看，配电盘是发电机对外供电的中枢，配电盘主要承担发电机组的电气保护功能，配电盘的主开关配置了继电保护装置（Relay），它是整个电网保护的核心部件，继保采集电网的各项参数，当出现故障时，它会通过数据分析及保护设定来判断以何种方式对电站进行保护。通常会执行脱扣保护和停车。

4.2.1 电站管理系统（PMS）

PMS可以对电站进行优化管理，满足船舶在各种工况下的电力分配，具有全面的管理和保护功能，主要的保护功能包括：

（1）功率分配功能，PMS可以对在网发电机的有功功率和无功功率进行平均分配。

（2）自动恢复供电功能，当电网断电后，PMS按程序发出发电机启动指令，开关合闸指令和重要辅助负载的顺序启动指令。

（3）故障诊断报警功能，PMS对系统进行不间断巡检。

（4）自动卸载功能，根据电站负荷PMS自动增机和减机。同时，可以预防断电，包括推进器功率限制及非重要负荷卸载。

（5）重载问询功能，当电站剩余功率不足时，PMS禁止大负载启动，如大负载需要启动，则需向PMS发出重载问询。

（6）功率限制：推进器功率限制适用于DP模式和非DP模式，当PMS发出的快速限制信号时，推进驱动系统优先采取“快速功率限制”；如快速限制信号消失或没有接收到快速限制信号，则采取“动态功率限制”。

4.2.2 高阶发电机保护系统（AGS）

高阶发电机保护系统通过采集柴油机油门刻度、发电机电压、发电机电流、发电机频率、发电机励磁电流、发电机励磁电压、推进器功率和电流、AVR故障等信号，在发生故障后，AGS提前甄别在网的故障机，并只对故障发电机的主开关进行脱扣保护，而不影响其他健康的发电机运转。

5 故障模式与影响分析（FMEA）

FMEA的目的在于分析与DP系统功能有关的设备的不同故障模式，对于系统中的同一设备，可能存在多种故障模式，从而对DP系统产生不同的影响。对于DP-2和DP-3附加标志的船舶要求做FMEA报告，报告中应对每个单一故障、单个系统及其内部部件进行故障分析，所有技术功能进行独立性考虑，当系统中存在某个部件无须冗余或无法冗余时，还要进一步考虑该部件的可靠性或机械保护，以此判断单一故障影响对整个DP系统的影响。

6 船舶电站闭排运行的优缺点

船舶电站闭排运行是当下较主流的设计方案，也是业主和船级社比较推崇的方案，其优缺点都非常明显，整体来说，利大于弊：

（1）优点：在满足现行DP规范条件下可以保证电网和DP系统的安全运行，与传统的开式供电结构相比，闭排运行是让所有在线发电机组并车运行，PMS对电网功率进行平均分配，以此减少在线发电机的台数，在线发电机台数减少船舶的油耗下降，也就节约了成本。

（2）缺点：与传统的开式供电结构相比，闭排运行会提高配电盘的硬件配置，如增加额外的开关和继电保护装置，同时，也提高PMS系统的软硬件配置，主要是元器件的冗余配置，软件控制程序变得复杂，故障分析难度也加大。

7 结语

DP船舶电站实行闭排运行是设计理念不断优化的结果，经过各方不断努力，这种设计理念最终被船级社和业主所接受，这种设计理念能将DP船舶电站的安全性和经济性进行有机结合，在满足船舶电站和DP系统安全的同时，为业主节省了更多的燃油成本，这非常契合绿色海洋和节能减排的理念。