动力定位船舶二氧化碳系统和风油切断联动分析

张建平，陆华中，唐杰

(上海振华重工(集团)股份有限公司，上海 200125)

CO灭火系统广泛使用在各类船舶的机舱、锅炉舱、辅机舱、货舱、货油泵舱等处。对于动力定位(dynamically positioned，DP)船舶来说，除了要从公约和规范角度考虑该安全系统的设计，还必须考虑DP船舶的特点，即最大单点故障不应该超过DP系统设计所遵循的最大单点故障设计意图(worst case failure design intent，WCFDI)。DP系统故障模式与影响分析(failure modes and effects analysis，FMEA)的基础就是WCFDI。这要求即使触发CO系统，也应该保证由此引起的船舶系统故障不超过最大单点故障。在建深水铺管船配置左、右2个机舱，各布置3台主发电机；配置左、中、右3个配电板间，各布置1套由2段母排组成的中压配电板；另有10个推进器舱。船舶可运行在2种DP作业模式，船舶系统需要同时满足不同DP模式的WCFDI：DP2时只允许丢失1段母排(1台主发电机或1段配电板母排)；DP3时只允许失去1个机舱。船舶配备的CO系统和风油切断系统设计为联动控制，FMEA发现该设计无法满足WCFDI，比如DP2时，继电器箱误动作、短路会导致失去1个机舱，超出了DP2模式的WCFDI。为此，结合规范、标准以及文献中的相关规定，确定最有利和可行的解决方案，对DP船舶CO系统的设计提出优化和改进方向。

1 CO2系统和风油切断系统的联动设计

该深水铺管船的CO系统由于涉及到安全返港(safe return to port，SRtP)，保护处所远超过常规配置，共计2组释放控制箱、31套释放阀，为全船31个重要处所提供固定式灭火保护。系统采用集中控制形式，报警延时继电器箱、释放阀位于水线以上的CO储藏间，2组释放控制箱分别布置在储藏间和前驾(安全中心)。

全船CO系统和风油切断联动设计思路见图1。

图1 CO2系统和风油切断联动设计思路

2组释放控制箱各包括31套箱子，对应31个受保护的处所，两两并联控制同一释放阀。任1处所发生火灾时，通过操作对应释放控制箱内的控制空气瓶打开释放阀，将CO气体释放至该处所进行灭火。一旦打开释放控制箱门，门上的微动开关发出信号并激活处所内的声光报警器，以便人员疏散。所有释放控制箱和释放阀的微动开关信号、声光报警的电源供电等，均接入CO储藏间的报警延时继电器箱。为保证灭火效果、提高自动化水平，风油切断系统和CO系统联动，释放阀动作时，其微动开关信号通过报警延时继电器箱输出切断信号给风油切断系统，自动切断对应处所的风机、油泵、风闸等设备。

报警延时继电器箱为系统的中枢，功能如下。

1)输出预释放信号给对应处所的声光报警器，提醒人员撤离。

2)输出预释放信号和释放信号到系统控制箱(integrated control system，ICS)，给值守操作人员提供报警和故障记录。预释放信号来自释放控制箱门微动开关，释放信号来自释放阀微动开关。

3)输出切断信号到风油切断系统，联动切断对应处所的风机、油泵等。切断信号来自对应的释放阀微动开关，接入风油切断控制柜3#、4#，1个信号对应1个处所，见表1。

表1 CO2灭火系统至风油切断系统的信号

31个处所在本地另设置风油切断按钮，可切断该处所的风机、油泵、风闸等；前驾(安全中心)、后驾各设置有风油切断触摸屏操作站和控制箱，可以按照实际情况分别切断31个处所的风油系统。

2 联动问题的分析和处理

2.1 对WCFDI和船舶安全的影响分析

动力定位能力分析的基础是WCFDI，每个船舶系统(包括CO系统)需要同时满足该船DP2和DP3模式下相应的WCFDI。FMEA并不考虑各处所的危险等级划分，通常默认均存在失火和浸水风险。CO储藏间位于水线以上的中间甲板，可不分析水线以上处所的浸水情况(如有水管仍会酌情考虑)；而对于失火风险，采用A60舱壁分割可以认为外部失火不会蔓延到该位置，但内部失火风险仍需考虑。

报警延时继电器箱采用常开触点连接到风油切断系统，触点闭合时执行切断动作。增加热熔丝可以在储藏间失火时断开触点回路，触点侧串并联电阻配合专用模块可防止触点短路和断路时的误动作，但这些均是针对继电器触点，无法隔绝继电器本身的故障。如发生继电器及继电器控制回路误动作、短路等单点故障，仍然超出WCFDI。

结合CO系统的控制逻辑，分析如下。

1)在DP2模式下，例如，继电器箱里的“CUT-OFF For Engine Room Port”触点对应的继电器误动作，会导致系统执行左机舱的风油切断，3台发电机燃油泵将同时被切断，整个左机舱的风机、风闸全部切断，超出该模式下的最大单点故障范围。

2)在DP3模式下，考虑到只有1个继电器箱，其所在的储藏间如发生火灾等事故，会导致继电器误动作，使对应左、右机舱的触点信号“COCUT-OFF For Engine Room Port”“COCUT-OFF For Engine Room STBD”及其他触点信号意外发讯，使系统对2个机舱及其他舱室执行风油切断，将同时切断6台发电机和10个推进器，全船动力丢失，远远超出了DP3模式下的最大单点故障范围。

从船舶运行安全的角度考虑，虽然联动功能提高自动化程度，减少人员干预，但一旦释放箱误操作(包括元器件故障)，会使重要处所如机舱、推进器舱的主要设备意外停机而致全船失电或失去推进动力，引发安全事故。2019年某货船因操作不当造成大量CO误释放至机舱而导致的重大伤亡事故，该船的风油切断系统和CO系统联动，直接加剧了系统误动作的事故后果；另有一起事故由于CO释放控制箱门行程开关误动作，系统联动导致风油切断，致使主机失去动力、船舶失控而搁浅。DP船舶在实际作业中，比如海底石油管道铺设、大型海上结构吊装时，一旦出现类似意外，后果将更加严重。

2.2 规范、标准和文献分析

国际海事组织和各船级社对CO系统提出了详细而繁多的规定以确保系统的可靠性和稳定性。

国际海事组织的《国际海上安全人命公约》(safety of life at sea，SOLAS) 2009综合文本，第II-2 章/C部分/第10条/4.2提到：“如使用固定式气体灭火系统，可以让空气进入或允许气体排出的被保护处所的开口应能从该处所外部予以关闭。”明确要求关闭通风系统，其主旨是确保灭火效果，但并未提到是系统联动还是操作人员手动控制。

在建铺管船所遵循的LR规范2017版，Part 6/Chapter 2/Section 18/17.9.2也明确提到：“灭火剂控制柜门或面板的打开，不管任何目的，除非释放灭火剂，否则不应造成任何重要设备的损失。”即CO释放控制箱门的打开，不应该和风油切断系统联动；如果是释放灭火剂，则是例外。规范强调了例外情况的目的性(释放灭火剂)，意味着系统设计必须考虑误动作的情况。

其他船级社规范，比如CCS的《钢质船舶入级规范》2018版的第4篇/第2章/2.9.3.4有明确的规定：“用于保护机器处所的固定式气体灭火系统的释放前报警和释放不应导致自动切断机舱风机和油泵。”2019修改通报中，将其修改为“用于保护主推进发动机和主发电机组所在机器处所的固定式气体灭火系统的释放前报警和释放不应导致自动切断该机器处所风机和油泵。”即对于重要机器处所，释放CO时自动切断风油系统是绝对禁止的。

而ABS 的SVR(steel vessel rule)的Part 4/Chapter 7/Section 3/3.3.5有如下规定：“Systems are to be designed so that opening of the door to a COrelease mechanism will not cause an inadvertent blackout condition in machinery spaces.”其意思也是CO释放控制箱门打开时不能导致机器处所的意外失电。

由上可知，SOLAS公约中只要求在释放CO之前，被保护处所的通风和通风口必须关闭，没有要求自动还是手动，更没有提到油泵的切断；各船级社规范表述略有不同，但LR和ABS，均提到打开CO释放控制箱门时不能自动引起重要设备的损失或者机器处所的意外失电，CCS更是明确，即使CO释放时也不能自动触发风油切断系统。

张树雷对CO系统和风油切断的联动问题做了研究，并分析了这一设计的由来。谭安全等也结合公约、规则和船级社规范对此进行了分析。无论是《国际消防安全系统规则》(International Code for Fire Safety Systems，FSS)，还是《国内航行海船法定检验技术规则》，或者CCS的《钢质海船入级规范》，均无强制性联动要求，而DNV GL规范中明确CO系统不允许和风油切断联动。在CB/T 3294—1998中只是要求“(遥控施放箱)开关箱内的电气行程开关应接入CO施放报警装置与机舱风机、燃油泵切断控制系统之中。”升版的CB/T 3294—2020中额外增加了对施放阀行程开关的要求，“施放阀的行程开关，应接入CO施放报警装置与机舱风机、燃油泵等的切断控制系统之中。”但这一船舶行业推荐标准在开篇就明确“适用于船用CO灭火装置的设计、制造和验收”，并不是针对船舶系统设计；而且标准并没有详细描述将行程开关接入切断控制系统中的具体作用和逻辑。比如，是否和手动控制结合用于切断风油系统。因此船舶各系统间的联动设计仍然需要依据公约、船级社入级规范进行。

2.3 联动问题的处理方案分析

1)保留联动控制，对CO系统进行改造以满足DP运行模式下的WCFDI。以DP3模式为例，此时全船系统分为2个DP冗余组，CO系统也需要分为2组，每1组对应1个冗余组，任意单点故障(包括储藏间失火)或者任意一组CO释放，只对应1个冗余组的风油系统触发回路，不会影响另一个冗余组；而DP2模式下，CO报警延时继电器箱中的继电器触点可通过增加热熔丝、串并联电阻等措施防止触点短路、断路等单点故障引起的误动作，继电器箱需要修改设计并改造来预防继电器本身的单点故障。

在CO系统已到货、设计已完成的情况下，这个方案从成本、进度、影响程度等各方面衡量，都不是最佳选择；而且如果保留联动控制，则操作不当、设备误动作等可能性仍然存在，对人员和船舶安全有潜在危害，易使运行中的铺管船陷入险境。

2)释放CO前手动关闭风油系统，取消联动控制。CO释放操作对船舶安全和船员人身安全有潜在重大影响，由值班人员进行手动控制和干预更加稳妥。船舶实际灭火操作中，被保护房间内的风油切断通常由中控室完成。船员会先手动停止失火处所的所有油泵和风机，关闭所有通风口，然后根据火情大小决定是否释放CO。取消联动控制，既符合流程，又避免操作不当、系统误动作而引发的严重后果，规避了DP模式下CO系统相关的单点故障超出WCFDI的问题。

从铺管船项目配置来看，舱室失火时，火灾报警系统发讯，人员先检查舱室，确定火情大小后制订灭火方案。如火情严重到需要释放CO系统，则通过就地风油切断按钮或者前驾、后驾的操作站、控制箱执行该舱室的风油切断，然后消防操作人员启动CO系统。ICS显示屏上可以显示CO系统的预释放报警、释放报警等操作状态，见表2。该显示屏、风油切断操作站和控制箱均布置在前驾(安全中心)以及后驾，位于一个房间内，给手动控制提供了便利，人员可以有效干预。

表2 CO2系统操作状态

取消CO系统联动控制的方案得到船级社、船东、船东监理等各方的确认，并得到实施。

3 结论

DP船舶的CO系统设计，不但要考虑系统本身，还与船舶其他系统一样，应考虑任意单点故障不能超出DP运行模式下的WCFDI，系统联动使当前的设计难以达到要求。结合公约、船级社规范及文献资料的对比可知，联动控制并非必须，甚至会给船舶安全和船员人身安全带来隐患。取消联动控制是综合分析后的处理方案。

船舶发生火灾、需要实施CO释放时，相关机器处所的风油系统必须在CO释放前手动切断，规范操作流程是关键。对此已有船舶检验专家提出了解决思路，比如张树雷、谭安全、万强等均建议在CO释放控制箱旁增设风油切断按钮，使得风油切断控制和CO系统隔离，但物理位置在一起。这也可以规避单点故障对DP船舶WCFDI的影响，不失为合理可行的改进方案。