劉喜傳

（中國海洋石油總公司，北京 100010）

0 前言

船舶在海洋中所受的外力主要是由風(fēng)、浪、流等產(chǎn)生的。它們會(huì)造成船舶的橫移、縱移、垂蕩、首搖、橫搖和縱搖。船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)即DP系統(tǒng)的基本功能是通過計(jì)算機(jī)自動(dòng)或手動(dòng)控制船上的各個(gè)推進(jìn)器，對(duì)抗船舶受到的各種環(huán)境外力（風(fēng)、浪、流和外部作用力等），使船舶保持所預(yù)定的位置和首向。隨著海洋工程技術(shù)的發(fā)展，動(dòng)力定位的應(yīng)用也在擴(kuò)大。采用動(dòng)力定位系統(tǒng)，可使船舶與其他船舶保持相對(duì)位置不變、使船舶按預(yù)定的軌跡移位、按預(yù)定計(jì)劃的航線以預(yù)定航速航行，從而實(shí)現(xiàn)船舶自動(dòng)駕駛、對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤等功能。由于動(dòng)力定位系統(tǒng)有定位精度高、提高船舶安全性能和作業(yè)安全、可以使船舶智能化、節(jié)省能源等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于大型海工裝備上，在多用途工作船、科研調(diào)查船等船舶上也有較多的應(yīng)用。

海洋石油286船是深水多功能水下工程船，能在深海惡劣海況下進(jìn)行大型深水水下結(jié)構(gòu)物安裝、軟管鋪設(shè)、錨系處理和潛水支持作業(yè)，配置了三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，具有在風(fēng)、浪、流的作用下無須借助錨泊系統(tǒng)而是利用自身的推力系統(tǒng)便可使船舶保持預(yù)定的位置和首向或者按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，大大提高了船舶在惡劣海況下作業(yè)的可靠性、安全性和準(zhǔn)確性。本文介紹了船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的原理和組成，并從配電系統(tǒng)和電站管理等方面就海洋石油286船上三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)電站的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

1 動(dòng)力定位系統(tǒng)原理

圖1 動(dòng)力定位系統(tǒng)原理框圖

典型的動(dòng)力定位系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。動(dòng)力定位船舶在海上所受的環(huán)境外力來自于風(fēng)、浪、流等。在這些外力的作用下，船舶會(huì)產(chǎn)生位置、首向等狀態(tài)的變化。這些狀態(tài)的變化可以被動(dòng)力定位系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)探測(cè)到，如位置參照系統(tǒng)探測(cè)位置的變化，羅經(jīng)系統(tǒng)探測(cè)首向的變化。這些信息傳輸?shù)絼?dòng)力定位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。動(dòng)力定位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)首先計(jì)算出船舶的位置和首向的設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差數(shù)值，然后計(jì)算出消除這些偏差所需要的船舶推力器的推力，并向船舶的各個(gè)推力器發(fā)出控制信號(hào)，最優(yōu)化地給每個(gè)推力器分配推力任務(wù)，以使實(shí)際值和設(shè)定值之間的偏差在作業(yè)允許的范疇內(nèi)。風(fēng)速和風(fēng)向傳感器探測(cè)船舶所在位置的風(fēng)速和風(fēng)向作為前饋輸入至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。動(dòng)力定位系統(tǒng)可以控制船舶在三個(gè)自由度內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，即橫移、縱移和首搖。

動(dòng)力定位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心是船舶動(dòng)力定位數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型描述了船舶在外力和本身推力的作用下如何運(yùn)動(dòng)，反映了船舶本身的水動(dòng)力性能。數(shù)學(xué)模型通常使用卡爾曼濾波技術(shù)不斷進(jìn)行修正，給出控制的推力指令。

2 海洋石油286三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)

2.1 動(dòng)力定位系統(tǒng)的基本構(gòu)成

國際海事組織IMO根據(jù)動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)備和系統(tǒng)的冗余度，按照是否允許設(shè)備和系統(tǒng)有單個(gè)故障以及單個(gè)故障的范圍，按動(dòng)力定位系統(tǒng)在規(guī)定的環(huán)境條件下以及作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和首向的能力。將動(dòng)力定位系統(tǒng)分為三個(gè)等級(jí)：一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。各個(gè)船級(jí)社參照IMO的定義和要求均在各自的規(guī)范中有單獨(dú)的章節(jié)描述動(dòng)力定位的要求。

動(dòng)力定位一級(jí)：適用于無故障條件下運(yùn)行，也就是說在發(fā)生故障后，船舶就可能失去保持船舶位置的能力。

動(dòng)力定位二級(jí)：在出現(xiàn)單個(gè)故障后，但不包括艙室進(jìn)水或失火的故障，船舶仍能保持船舶位置的能力。單個(gè)故障包括發(fā)電機(jī)組故障、推進(jìn)器故障等，一般采取冗余替代的方法實(shí)現(xiàn)。發(fā)電機(jī)組的冗余更突出地反映在柴油機(jī)及其輔助系統(tǒng)包括燃油、滑油、冷卻水、空氣系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)上。推進(jìn)器的冗余同樣不僅僅針對(duì)推進(jìn)器本身，也反映在其輔助系統(tǒng)包括滑油、操舵、冷卻水等輔助系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括推進(jìn)電動(dòng)機(jī)、推進(jìn)變頻器、輔助電源、冷卻系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速控制等。

動(dòng)力定位三級(jí)：除了要滿足上述動(dòng)力定位二級(jí)的冗余要求外，還要滿足在任何一個(gè)艙室進(jìn)水或失火的故障下，仍能保持船舶位置的能力。所以要求相關(guān)設(shè)備的布置應(yīng)具有A-60級(jí)防火分隔的要求，水線以下的設(shè)備分隔還需滿足水密分隔要求，包括發(fā)電機(jī)組、配電板、動(dòng)力定位控制站等的布置需滿足分隔要求。

海洋石油286船是深水多功能水下工程船，配置了三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，申請(qǐng)了挪威船級(jí)社（DNV）和中國船級(jí)社（CCS）兩個(gè)船級(jí)社的三級(jí)動(dòng)力定位船級(jí)符號(hào)，需滿足DNV規(guī)范DPS 3和CCS規(guī)范DP-3動(dòng)力定位的要求。三級(jí)動(dòng)力定位意味著船舶可以承受任何一個(gè)艙室，包括一個(gè)機(jī)艙由于火災(zāi)或進(jìn)水導(dǎo)致的系統(tǒng)故障，仍具有保持船舶位置的能力。

海洋石油286動(dòng)力定位控制系統(tǒng)使用挪威康士伯公司生產(chǎn)的K-Pos DP-22和DP-12系統(tǒng)，K-Pos DP-22作為主控制系統(tǒng)，K-Pos DP-12作為備用控制系統(tǒng)，兩系統(tǒng)的設(shè)備布置滿足DP-3分艙要求。動(dòng)力定位控制系統(tǒng)方框圖如圖2所示。

圖2 海洋石油286船動(dòng)力定位控制系統(tǒng)方框圖

海洋石油286動(dòng)力定位主控制系統(tǒng)K-PosDP-22控制計(jì)算機(jī)兩套布置于駕駛室后駕控臺(tái)上。該區(qū)域作為動(dòng)力定位主控制中心。備用控制系統(tǒng)K-Pos DP-12控制計(jì)算機(jī)一套布置于駕駛室左翼控制臺(tái)，駕駛室左翼控制臺(tái)區(qū)域作為動(dòng)力定位備用控制中心。動(dòng)力定位備用控制中心與主控制中心都布置在駕駛室內(nèi)，但設(shè)有A-60分隔。

為船舶提供位置參考信息的定位裝置有高精度DGPSDPS700。DPS700包括有一套GPS天線、一套GPS/Glonass天線、處理器DPS132和DPS232以及差分信號(hào)接收天線。設(shè)兩套張繩器用于500m水深以內(nèi)定位，另設(shè)兩套水聲定位系統(tǒng)HiPAP和一套無線電定位系統(tǒng)RADius。為船舶提供首向信息的電羅經(jīng)設(shè)有三套。Seapath300系統(tǒng)設(shè)有兩套，該系統(tǒng)既能向動(dòng)力定位控制系統(tǒng)提供位置信息，也能向動(dòng)力定位控制系統(tǒng)提供首向信息。設(shè)置三套船舶運(yùn)動(dòng)傳感器MRU5向動(dòng)力定位控制系統(tǒng)提供船舶運(yùn)動(dòng)及趨勢(shì)信息，三套風(fēng)速風(fēng)向傳感器提供船舶所在位置的風(fēng)速風(fēng)向信息。以上兩套或多套傳感器與測(cè)量系統(tǒng)中的一套系統(tǒng)連接至備用控制系統(tǒng)，且與另一套系統(tǒng)盡量設(shè)有分隔和/或保護(hù)，以防止導(dǎo)致兩套或多套系統(tǒng)一起發(fā)生故障。

在良好的海況和氣象條件下，該系統(tǒng)的定位精度為：距離設(shè)定的船位小于0.5m；在風(fēng)速為24m/s、浪高9m、海流1.5 kn時(shí)，系統(tǒng)的定位精度為：距離設(shè)定的船位小于3m。由于動(dòng)力定位涉及全船的推進(jìn)器和測(cè)量系統(tǒng)等，因此最終的定位精度還要取決于相關(guān)設(shè)備的精確度、可靠性和響應(yīng)時(shí)間。

2.2 動(dòng)力定位操作對(duì)電站的要求

船舶電站系統(tǒng)包括發(fā)電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)和原動(dòng)機(jī)以及為其服務(wù)的輔助系統(tǒng)，如燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等；配電系統(tǒng)包括主配電板、輔助配電板、分配電板和變壓器等。對(duì)于三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)，要求發(fā)電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)需要有冗余，并且需滿足A-60分艙要求，即一個(gè)艙室由于失火或進(jìn)水從而導(dǎo)致整個(gè)艙室失去后，剩余的發(fā)電系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)和電站管理系統(tǒng)仍能為推進(jìn)器提供電力以滿足定位要求。

海洋石油286設(shè)有前后兩個(gè)機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙安裝兩臺(tái)3 850 kW柴油發(fā)電機(jī)組和一臺(tái)2 885 kW柴油發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為21MW。主要用電負(fù)荷包括：安裝在船尾部的兩臺(tái)4 500 kW全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，安裝在首部的兩臺(tái)2 200 kW管道式側(cè)向推進(jìn)器，安裝在首部一臺(tái)2 200 kW可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，總的推進(jìn)器裝機(jī)容量是15.6MW。電力系統(tǒng)單線圖如圖3所示。發(fā)電系統(tǒng)采用6 600 V、50Hz中性點(diǎn)高阻接地系統(tǒng)，推進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用690 V變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)艙和甲板輔助機(jī)械采用400 V中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)，主起重機(jī)等工程作業(yè)設(shè)備采用690 V中性點(diǎn)絕緣系統(tǒng)。

圖3 海洋石油286船電力系統(tǒng)單線圖

DNV規(guī)范對(duì)三級(jí)動(dòng)力定位電站的操作要求是用于提供冗余的匯流排連接斷路器在動(dòng)力定位操作時(shí)需要斷開。對(duì)于海洋石油286船要求圖3所示的兩個(gè)6 600 V匯流排連接斷路器和所有低壓配電板匯流排連接斷路均需斷開，即實(shí)際上形成兩個(gè)電站系統(tǒng)。每一個(gè)電站系統(tǒng)設(shè)有電站管理系統(tǒng)。電站管理系統(tǒng)的首要功能是保證供電的連續(xù)性。電站管理系統(tǒng)對(duì)發(fā)電機(jī)組和配電系統(tǒng)的電壓、頻率和功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為防止電網(wǎng)過載，當(dāng)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)過載時(shí)，如還有備用發(fā)電機(jī)組，則自動(dòng)起動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組、并網(wǎng)供電和調(diào)頻調(diào)載，當(dāng)沒有備用發(fā)電機(jī)組時(shí)，則分級(jí)切斷非重要的負(fù)荷；當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)組突然發(fā)生故障而失去供電時(shí)，動(dòng)力定位控制系統(tǒng)降低推進(jìn)器的功率以降低電網(wǎng)功率，防止電網(wǎng)過載而導(dǎo)致電網(wǎng)斷電；當(dāng)一個(gè)電站所在的艙室發(fā)生失火或進(jìn)水而導(dǎo)致該電站失去供電能力時(shí)，船舶將失去該電站的三臺(tái)發(fā)電機(jī)組、兩臺(tái)推進(jìn)器等，這是海洋石油286三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)最嚴(yán)重的單個(gè)故障，在這個(gè)最嚴(yán)重的單個(gè)故障發(fā)生后，另一個(gè)電站系統(tǒng)仍能提供足夠的電力供給剩下的三臺(tái)推進(jìn)器用于定位，從而保證供電的連續(xù)性和定位工作的可靠性。無論是在起重工況、鋪設(shè)軟管工況還是在錨系處理等工況下，動(dòng)力定位系統(tǒng)供電的優(yōu)先級(jí)都要高于其他負(fù)荷，其目的是首先保證船舶位置和首向。

3 結(jié)語

船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)是先進(jìn)的船舶海上定位技術(shù)，與傳統(tǒng)的錨泊定位方式相比，具有不受水深限制、定位精確、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于我國深海海洋油氣田開發(fā)具有重要意義。海洋石油286作為深水多功能水下工程船，承擔(dān)深水水下結(jié)構(gòu)物安裝、軟管鋪設(shè)、ROV支持、飽和潛水支持、錨系處理等作業(yè)任務(wù)。由于船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)的應(yīng)用，故使該船的各項(xiàng)功能使用得到充分的保障。該船的建成必將為我國深海海上油氣的開發(fā)生產(chǎn)發(fā)揮重要的作用。