DP-3动力定位系统实船电气设计分析
时间：2023-01-23 18:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
郑智
（武汉船舶职业技术学院，湖北武汉430050）
动力定位系统(Dynamic Positioning System，简称DP)是一种闭环的控制系统，其主要利用推进器产生的推力来抵抗海上各种环境力（例如风、浪、流等），从而使船舶在海面上尽可能地保持所要求的位置与艏向上。配备了动力定位系统的船舶可操纵大大提高，并且操作也比较方便，因而广泛应用于海洋钻井船、钻井平台、饱和潜水船、铺管船等高端海洋工程装备上。
IMO和各大船级社对动力定位系统的配置提出了严格要求,制定了三个等级标准，分别是一级动力定位系统（DP-1）,二级动力定位系统（DP-2）,三级动力定位系统（DP-3）。CCS也对配置了动力定位系统的船舶授予附加标志，其要求有如下规定：
1 ）DP-1级。可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级。在出现单个故障(不包括一个舱室或几个舱室的损失)后，可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级。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[1]。
由此可见，三个级别的动力定位系统中，DP-3系统的设计要求最高。要实现这样的功能要求，必须采用冗余设计，即船舶必须配置多套相互独立的动力定位设备。除此之外，独立的系统之间必须进行A60级的物理分隔。只有这样才能保证由于失火或进水造成一个舱室的完全损失后，剩余系统仍然能够自动保持船舶位置和艏向。这样的冗余设计，不同于传统的设计方法。因此DP-3船舶的详细设计与生产设计相比于普通非DP-3船舶设计，大大增加了其船舶电气的设计难度。
该船为多功能深潜水打捞工作母船，可以开展海上打捞救援作业，作为工作母船还可以向ROV和饱和潜水提供支持。实船船体总长180.0m，型宽33.0m，配备了先进的DP3动力定位系统，船舶电站采用6.6kV的中压电力系统，全船配备6台主发电机，每台功率为4656kW；
3台全回转主推进器，每台功率为5500kW；
2台侧推，每台功率为3100kW；
2台伸缩推，每台功率为3100kW，动力定位设备配置详见表1。
表1 动力定位设备配置表
船舶电气详细设计是以方案设计为基础，解读规范并开展电气系统性设计。它为船舶电气生产设计提供详细的系统图，系统图主要包括各种系统设备之间的电气连接、电缆规格以及可供参考的设备布置位置。目前，国内具备DP-3方案设计能力的设计院所极少，各大船舶设计院主要采用国外的方案设计，以方案设计为基础，开展详细设计业务。
2.1 船舶电站闭环设计
配备了DP-3动力定位系统的船舶，其电气详细设计方法不同于非DP-3船舶电气设计的一个显著特点是DP-3船舶的电站采用闭环冗余设计。简单地说，DP-3船舶的多个配电板需要依次首尾联结，形成一个闭环的电站。因为DP-3船舶的一个舱室完全损失后仍具有定位能力的特殊要求，所以电站配电板只有这样的设计才能满足电力系统的稳定性、安全性和可靠性。另外，多台发电机和推进器需要分别连接到多个配电板上形成多个分组，每个分组之间需采用A60级物理分隔，6.6kV中压主配电板单线图如图1所示。
图1 6.6kV主配电板单线示意图
由此可见，DP-3船舶在动力定位模式下，每个主配电板之间相互隔离，每个主配电板上至少有一台主发电机供电，从而可以有效避免配电板单一故障影响到其他配电板。相比非DP-3船舶电站，这样的闭环设计能够实现配电板极高的冗余要求，并且发电机均分负载，减少在网发电机的数量，可以提高运行效率。各船级社先后发布了闭环电网技术的指导意见，一些公司也相继开发出闭环电网的产品并在实船上应用[2]。
2.2 DP分区
DP-3船舶动力定位系统进行了A60级分隔冗余设计，为了生产设计以及后续现场施工建造过程中，能够真正实现A60级的物理分隔，必须预先对动力定位系统的设备进行分区，简称DP分区。分区的依据是动力系统、配电系统以及推进系统所组成的多套定位系统在满足冗余的情况下按规范配置，但是多套定位系统彼此之间都要满足A60级分隔。只有这样，当船舶遭遇丢失一个舱室后，仍然具备动力定位的能力。
根据本船动力定位设备配置，将六台主发电机分为三组，每组包含有两台主发电机；
三台主推进器每台为一个独立的分组，共分三组，与三组发电机组对应；
四台6.6kV主配电板分为四组，每组一台；
其他配电装置和侧推、伸缩推合理分组。本船DP设备分组见表2。
完成DP分区之后，详细设计利用划分好的DP分区来进行总布置图的设计，主要包括机舱内主发电机组的布置、配电板间的布置、推进器舱的布置等。通常来讲，完成总布置图的DP分区之后，可在总布置图上用不同的颜色对不同的DP区加以区别，如图2所示，蓝色代表1号DP分区、洋红色代表2号DP分区、绿色代表3号DP分区、青色代表4号DP分区，这样可以为生产设计带来更加精准的参照。
表2 DP分区的设备配置表
图2 DP分区示意图
船舶电气生产设计是以详细设计为基础，开展施工设计，为现场施工提供指导依据。非DP-3船舶电气生产设计需要完成电缆册的编制、电气设备三维建模和三维综合布置等设计任务。在深刻理解DP分区的意义后，DP-3船舶电气生产设计不同于非DP-3船舶设计的难点在于电缆走向设计。
3.1 DP电缆走向设计要求
全船与动力定位系统相关的电缆（简称DP电缆）需要单独清理出来，在电缆册中做特殊标识，然后按照其所属的DP分区，在相对应的DP分区内完成DP电缆走向图的设计。换句话说，例如2号DP分区里的DP设备和DP电缆只能在2号DP分区里完成三维布置和电缆走向图，而不能穿越到1号DP分区内或者3、4号DP分区内。这样的设计要求无疑增大了设计难度，因为非DP-3船舶的电缆走向理论上可以在船内任意穿越，而DP-3船舶的DP电缆却被划分在所属DP分区内设计，这使得电缆走向的设计空间被压缩。
少数不可避免地需要穿越到其他DP分区里的电缆，必须单独对该电缆做A60级物理分隔。一般是在这些电缆外加A60级电缆管分隔，这也会增加施工工艺的复杂程度。
3.2 三维建模
DP-3船舶冗余设计要求，造成这类船舶的电缆量非常大，再加上DP电缆路径空间受限的特点，使得三维建模与综合布置异常困难。在船舶电气生产设计过程中，经常出现各专业相互协调，反复沟通，以及信息误差造成的设计返工。在开始三维建模设计之前，需要定义各类电缆的颜色，每个组别的颜色各不相同，以便于识别区分[3]。为了方便电缆托架和模型的区分，电缆的颜色需要在建模之前由总师或主管确定好，颜色定义和模型分别见表3和图3。一旦确定好颜色后，各个区域设计人员按照要求开展三维建模设计。
图3 电缆通道走向示意图
表3 三维模型电缆颜色划分示意表
三维设计人员根据电缆清册，挑出本分区的所有DP电缆，优先完成DP电缆走向的设计。设计过程中严格执行本DP分区的DP电缆不得穿越经过其他DP分区，有特殊情况的DP电缆待定。完成了DP电缆的三维设计之后，可以进行非DP电缆的三维设计。电缆通道与电缆托架的设计只需遵循设计手册与工艺标准即可。
DP-3船舶在操纵性、稳定性与可靠性等方面优势突出，因此DP-3动力定位系统会越来越广泛地应用到高端船舶上。DP-3系统前景虽好，但是因其系统及布置的复杂，要求高、设计难度大，为船舶电气设计人员带来了诸多挑战。例如，如何正确敷设动力定位系统电缆，以确保任一区域的电缆发生故障后不会超过设定的最大单点故障[4]，从而满足FMEA的要求，这也是船舶电气设计不可忽视的重要工作。本文通过DP-3实船案例，介绍分析DP-3船舶电气详细设计与生产设计的特点与难点，以及电缆路径设计基本方法，为船舶行业设计人员提供借鉴与参考。
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