翁 爽， 陸懿東， 桂滿海

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院， 上海 201203)

淺談特種海工作業(yè)船動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

翁 爽， 陸懿東， 桂滿海

(上海船舶研究設(shè)計(jì)院， 上海 201203)

介紹了特種海工作業(yè)船動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。依托某型深水海工作業(yè)船的研究、設(shè)計(jì)與建造，從船型設(shè)計(jì)入手，通過了解該船的作業(yè)區(qū)域、功能要求等，優(yōu)化船舶設(shè)計(jì)，并從動(dòng)力定位能力、測(cè)量與控制系統(tǒng)、電站系統(tǒng)、動(dòng)力輔助系統(tǒng)等四個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。同時(shí)還介紹了所采用的動(dòng)力定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的理論依據(jù)、具體系統(tǒng)配置和優(yōu)化效果等。

海工作業(yè)船 動(dòng)力定位

1 概況

隨著國(guó)家深水戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，特種深水海工作業(yè)船舶需求不斷增加。在深水作業(yè)，環(huán)境條件惡劣，因此動(dòng)力定位能力的好環(huán)是深水作業(yè)船舶的一個(gè)重要性能指標(biāo)。如何擴(kuò)大船舶在深海的作業(yè)窗口期，滿足在惡劣工況下，實(shí)現(xiàn)船舶作業(yè)功能的要求，提高船舶的作業(yè)能力，是現(xiàn)代特種深水海工作業(yè)船設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

動(dòng)力定位系統(tǒng)的配置是能保證船舶保持某個(gè)固定位置或跟蹤預(yù)定的航跡以滿足特定的工作任務(wù)需要。動(dòng)力定位系統(tǒng)是一個(gè)綜合系統(tǒng)，主要包括：動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)、遙控推力控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制裝置。動(dòng)力定位系統(tǒng)能根據(jù)船舶的實(shí)時(shí)位置與指定位置之間的偏差，對(duì)船舶各個(gè)推力器進(jìn)行推力分配，使船舶保持在海上指定的位置和預(yù)定的航行軌跡。同時(shí)系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)是動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心，決定著動(dòng)力定位的等級(jí)。

某型深水海工作業(yè)船具有潛水支持、ROV作業(yè)支持、鉆孔取樣、大型海洋工程吊機(jī)等功能，是深水海洋石油開采的排頭兵。本文通過對(duì)該型深水海工作業(yè)船的動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，并依據(jù)安全性、先進(jìn)性和實(shí)用性原則，結(jié)合工程美學(xué)設(shè)計(jì)，在突出船舶滿足海上作業(yè)功能需要的同時(shí)，提高船舶有效作業(yè)能力，在滿足需要的情況下，通過設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)一步提升了船舶動(dòng)力定位能力。

2 動(dòng)力定位能力

特種海工作業(yè)船舶的動(dòng)力定位能力一般都比較高，依托項(xiàng)目要求滿足國(guó)際海事組織(IMO)DP-2級(jí)動(dòng)力定位能力的要求，也就是在最大單點(diǎn)故障發(fā)生時(shí)(一個(gè)艏部推進(jìn)器和一個(gè)主推進(jìn)器同時(shí)失效時(shí))，船舶在所要求的環(huán)境條件下保持一定的位置和艏向(不失位)，如圖1所示。

動(dòng)力定位能力與船舶主尺度、主推進(jìn)器功率、艏側(cè)推個(gè)數(shù)和功率有著直接關(guān)系?；谝劳许?xiàng)目的總體設(shè)計(jì)研發(fā)考慮，在初步認(rèn)定主尺度、主推進(jìn)功率和艏部推進(jìn)器數(shù)量的前提下，通過計(jì)算，最后確定了艏部三個(gè)推進(jìn)器的功率，達(dá)到ERN( 99.99.98)，實(shí)現(xiàn)了船舶所要求的動(dòng)力定位能力。

(1) 動(dòng)力定位能力計(jì)算。計(jì)算過程中假定外界環(huán)境力(風(fēng)、浪和流)在同一個(gè)方向上作用于船上，此時(shí)為最惡劣條件。

計(jì)算中風(fēng)的作用力采用的是“Blendermann” 方法，風(fēng)力系數(shù)如圖2所示。計(jì)算中流的作用力采用的是“Modified strip-theory” 方法，流力系數(shù)如圖3所示。計(jì)算波浪漂移力采用的是經(jīng)驗(yàn)公式，波浪漂移力系數(shù)如圖4～6所示。

圖2 風(fēng)力系數(shù)

圖3 流力系數(shù)

圖4 波浪漂移力縱蕩系數(shù)

圖5 波浪漂移力橫蕩系數(shù)

圖6 波浪漂移力艏搖系數(shù)

(2) 計(jì)算結(jié)果分析。在設(shè)計(jì)伊始，初步選定船舶的推進(jìn)配置為：2個(gè)主推進(jìn)器的功率為4 000 kW，2個(gè)隧道式艏側(cè)推的功率為2 000 kW，一個(gè)伸縮式的艏側(cè)推功率為1 200 kW。計(jì)算結(jié)果如圖7所示，在一個(gè)隧道式艏側(cè)推發(fā)生故障時(shí)，船舶能抵抗的外界環(huán)境是1.5 kn流和約30 kn 風(fēng)。

圖7 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(1個(gè)艏部推進(jìn)器故障)

當(dāng)船舶發(fā)生最大單點(diǎn)故障，即一個(gè)主推進(jìn)器和一個(gè)隧道式艏側(cè)推同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，船舶能抵抗的外界環(huán)境是1.5 kn流和約24 kn風(fēng)，當(dāng)流是2.0 kn時(shí)則是15 kn風(fēng),計(jì)算結(jié)果如圖8、9所示, 很顯然這種動(dòng)力配置并不滿足項(xiàng)目任務(wù)書所要求的環(huán)境條件。

圖8 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(1.5 kn流，最大單點(diǎn)故障)

圖9 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(2 kn流，最大單點(diǎn)故障)

基于以上的計(jì)算，為了滿足任務(wù)書的要求，我們?cè)龃罅松炜s式艏側(cè)推的功率，提高至1 500 kW。由于在船舶配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中保證了在最大單點(diǎn)故障中伸縮式艏側(cè)推始終能工作，因此提高該側(cè)推的功率是最有效地提高船舶動(dòng)力定位能力的方法。圖10表明在所要求的外界環(huán)境條件即30 kn風(fēng)、3 m有義波高和2 kn流作用下，船舶發(fā)生最大單點(diǎn)故障，即一個(gè)主推進(jìn)器和一個(gè)隧道式艏側(cè)推同時(shí)不能工作時(shí)，船舶所配置的推進(jìn)系統(tǒng)的能力是滿足2級(jí)動(dòng)力定位要求的。

圖10 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(給定條件，最大單點(diǎn)故障)

圖11則表明當(dāng)外界環(huán)境條件增大到30 kn風(fēng)、3 m有義波高和2.5 kn流，船舶發(fā)生最大單點(diǎn)故障，即一個(gè)主推進(jìn)器和一個(gè)隧道式艏側(cè)推同時(shí)不能工作時(shí)，船舶所配置的推進(jìn)系統(tǒng)的能力就不能滿足2級(jí)動(dòng)力定位要求，這也說明現(xiàn)在的配置是滿足任務(wù)書所要求的條件下較為經(jīng)濟(jì)的配置方案。圖12和圖13則表明了在給定2 kn流，推進(jìn)系統(tǒng)沒有發(fā)生故障和發(fā)生最大故障時(shí)所能抵抗的風(fēng)力和有義波高分別是47 kn風(fēng)、9.3 m有義波高和21 kn風(fēng)、3.4 m有義波高。

圖11 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(2.5 kn流，最大單點(diǎn)故障)

圖12 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(2 kn流，無故障)

圖13 動(dòng)力定位計(jì)算結(jié)果(2 kn流，最大單點(diǎn)故障)

通過計(jì)算分析比較，確定了推進(jìn)器的功率：

主推進(jìn)2個(gè)，每個(gè)功率為4 000 kW；

艏部隧道式推進(jìn)器2個(gè)，每個(gè)功率為2 000 kW；

艏部伸縮式推進(jìn)器1個(gè)，每個(gè)功率為1 500 kW。

3 測(cè)量與控制系統(tǒng)

動(dòng)力定位系統(tǒng)主要包括：電站系統(tǒng)、推進(jìn)器系統(tǒng)、測(cè)量與控制系統(tǒng)。

動(dòng)力定位系統(tǒng)的核心設(shè)備是測(cè)量與控制系統(tǒng)。通過監(jiān)測(cè)船舶的位置狀態(tài)、電站負(fù)荷情況，發(fā)出推進(jìn)器的控制指令，進(jìn)行船舶控制模式的切換等。動(dòng)力定位的測(cè)量與控制系統(tǒng)包括下列設(shè)備:

(1) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(含顯示和報(bào)警裝置)；

(2) 推進(jìn)器控制手柄；

(3) 推進(jìn)器聯(lián)合控制手柄(Joystick)；

(4) 推進(jìn)器自動(dòng)控制系統(tǒng)；

(5) 位置參照系統(tǒng)；

(6) 傳感器系統(tǒng)。

圖14為動(dòng)力定位系統(tǒng)的示意圖。

圖14 動(dòng)力定位系統(tǒng)

依托項(xiàng)目從船型的作業(yè)功能特點(diǎn)出發(fā)，在滿足規(guī)范要求的前提下，進(jìn)行動(dòng)力定位測(cè)量與控制系統(tǒng)選型，確定最終配置如下：

1套雙冗余控制單元；

2臺(tái)操作站，設(shè)在后駕控臺(tái)；

3臺(tái)電羅經(jīng)；

3臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向儀；

3只運(yùn)動(dòng)參考單元(1只MRU5，2只MRU2)；

1臺(tái)DGPS；

1臺(tái)差分信號(hào)解碼器SPOTBEAM；

1套高精度水聲定位系統(tǒng)HiPAP；

1只標(biāo)準(zhǔn)信標(biāo)，帶釋放裝置，3 000 m；

1臺(tái)SPT懸浮扼圈，3 000 m;

1套R(shí)ADius位置參考系統(tǒng);

1只RADius反射器;

1臺(tái)張繩系統(tǒng)(TAUT WIRE);

4臺(tái)不間斷電源(UPS);

1臺(tái)報(bào)警打印機(jī)。

雙冗余控制單元內(nèi)部設(shè)有2套獨(dú)立的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，配有雙處理器、雙電源，以及模擬量、開關(guān)量輸入和輸出通道，滿足冗余要求，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)分析、結(jié)果處理等功能。

2臺(tái)操作站內(nèi)安裝有基于船舶數(shù)學(xué)模型的控制軟件，可檢測(cè)到數(shù)據(jù)的更改和信號(hào)的丟失或漂移。當(dāng)檢測(cè)到有設(shè)備或傳感器故障時(shí)可將其斷開并發(fā)出報(bào)警，引起操作人員的注意。為滿足船舶操作功能的要求，控制軟件包括以下模式：聯(lián)合操作手柄模式；組合聯(lián)合操作手柄/自動(dòng)模式；自動(dòng)艏向模式；自動(dòng)定位模式；目標(biāo)跟蹤模式；自動(dòng)舵模式等。動(dòng)力定位系統(tǒng)各設(shè)備間接口如圖15所示。

圖15 動(dòng)力定位系統(tǒng)接口示意圖

3.1 位置參照系統(tǒng)

位置參照系統(tǒng)能為動(dòng)力定位操作提供足夠精確的數(shù)據(jù), 當(dāng)船舶偏離設(shè)定的航向或操作者決定的工作區(qū)域時(shí)，可自動(dòng)發(fā)出聽覺和視覺報(bào)警。

依托項(xiàng)目位置參照系統(tǒng)配置為：1臺(tái)差分式衛(wèi)星定位儀(DGPS)、1套高精度水聲定位系統(tǒng)(HiPAP)、1套R(shí)ADius位置參考系統(tǒng)和1臺(tái)張繩系統(tǒng)(TAUT WIRE)。這些位置參照系統(tǒng)所采用的原理各不相同。依托項(xiàng)目設(shè)計(jì)作業(yè)水深達(dá)3 000 m，在水深超過500 m的海域，RADius和張繩系統(tǒng)(TAUT WIRE)將不能正常使用，只有1臺(tái)DGPS和1臺(tái)HiPAP可用?？紤]到IMO/MSC/Circular 645 Guidelines for Vessels with Dynamic Positioning Systems 中3.4.3.2的規(guī)定，我們將船上物探作業(yè)用的高精度DGPS信號(hào)也接入動(dòng)力定位系統(tǒng)，以滿足冗余要求。

依托項(xiàng)目垂直面參照系統(tǒng)配置為：1只MRU5和2只MRU2，以監(jiān)測(cè)船舶縱搖、橫搖和深沉起伏狀態(tài)。這些傳感器需安裝在振動(dòng)小、且靠近船舶重心位置處。

3.2 控制系統(tǒng)

因此，如果以20%為一個(gè)分界線，可以大致判定魚粉中是否含有魚排粉，粗灰分含量的高低與魚排粉比例有直接的關(guān)系。當(dāng)然，如果在蒸煮過程中添加的鹽過多，魚粉產(chǎn)品，尤其是全脂魚粉中的粗灰分含量也會(huì)相對(duì)較高。而單純的以魚排粉、魚片加工副產(chǎn)物為原料生產(chǎn)的魚排粉，其粗灰分含量則大于25%。

動(dòng)力定位的控制系統(tǒng)包括：自動(dòng)控制、聯(lián)合操縱手柄控制和推進(jìn)器單獨(dú)的手柄控制。

聯(lián)合操縱手柄控制能實(shí)現(xiàn)對(duì)縱向推力、橫向推力、轉(zhuǎn)向力矩和這些推力分量的一切組合的控制。依托項(xiàng)目在后駕控臺(tái)設(shè)有聯(lián)合操縱手柄控制板，在駕駛室左、右兩舷設(shè)有插座盒，可與便攜式Joystick控制板連接。在前、后駕控臺(tái)設(shè)有5臺(tái)推進(jìn)器的控制板，其上安裝有推進(jìn)器的單獨(dú)控制手柄，可實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器起動(dòng)、停車、推力方向和轉(zhuǎn)速的控制功能。

3.3 動(dòng)力定位控制站

在后駕控臺(tái)設(shè)有兩臺(tái)動(dòng)力定位控制站，滿足冗余要求?？刂普静捎么霉た貦C(jī)，由23寸彩色TFT液晶顯示器、操作面板、艏向輪、軌跡球等組成。

控制站在設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)確保熱備用，以便及時(shí)自動(dòng)切換，滿足當(dāng)1個(gè)DP操作站發(fā)生故障(包括電源故障、硬件故障或軟件故障)時(shí)，對(duì)整個(gè)DP系統(tǒng)不應(yīng)產(chǎn)生直接影響。

其次控制站在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到人體工程學(xué)和一人橋樓的要求，如圖16所示。

圖16 控制站區(qū)域示意圖

控制站上還設(shè)置有推進(jìn)器不同控制方式的選擇模式開關(guān)，該選擇模式開關(guān)具有“一鍵切換”功能，即操作員只需一個(gè)動(dòng)作就可切換所有推進(jìn)器的工作模式，如“手動(dòng)”、“Joystick”、“DP”等，可以保證單個(gè)故障不會(huì)導(dǎo)致所有推力器脫離自動(dòng)控制方式。

4 電站系統(tǒng)

4.1 配電系統(tǒng)

主配電板的設(shè)計(jì)應(yīng)確保不因單個(gè)故障造成電源的全部中斷, 這里的單個(gè)故障是指任何系統(tǒng)或部件的技術(shù)特性的破壞，通?？紤]最惡劣的情況，即主匯流排直接短路。主匯流排設(shè)有兩個(gè)分段組。依托項(xiàng)目電力系統(tǒng)框架，如圖17所示。

圖17 電力系統(tǒng)示意圖

6.6 kV、690 V、400 V和230 V配電板都分別分為A、B兩段匯流排。#1、#2發(fā)電機(jī)連接至6.6 kV配電板的A排，#3、#4發(fā)電機(jī)連接至6.6 kV配電板的B排。左艉部主推進(jìn)器、#1管隧式側(cè)推連接至6.6 kV配電板的A排，右艉部主推進(jìn)器、#2管隧式側(cè)推連接至6.6 kV配電板的B排。艏部伸縮式側(cè)推由A、B兩排供電，且自動(dòng)切換。其它與船舶動(dòng)力定位相關(guān)的輔助設(shè)備，如空壓機(jī)、海水冷卻泵、淡水冷卻泵、機(jī)艙風(fēng)機(jī)等，均應(yīng)分別對(duì)應(yīng)連接到400 V配電板A、B兩排，以滿足冗余供電要求。

當(dāng)船舶工作在動(dòng)力定位模式下時(shí)，6.6 kV、690 V、400 V和230 V配電板匯流排之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)應(yīng)在斷開狀態(tài)。

依托項(xiàng)目400 V主配電板至應(yīng)急配電板的饋電可以來自任一段400 V主配電板。在這種情況下，由任一段主配電板和應(yīng)急配電板兩路供電的負(fù)載，其主配電板供電來自另一段主配電板或相應(yīng)的分電箱。

電力系統(tǒng)在動(dòng)力定位控制站內(nèi)報(bào)警/顯示的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 控制站的報(bào)警和顯示

上述被監(jiān)控參數(shù)可接入本船的機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)在動(dòng)力定位控制站設(shè)有操作終端。

4.2 功率管理系統(tǒng)

依托項(xiàng)目配有功率管理系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱PMS)，圖18給出了系統(tǒng)框圖。

圖18 功率管理示意圖

電站管理系統(tǒng)用于控制和調(diào)節(jié)本船的中壓電網(wǎng)，包括4臺(tái)主發(fā)電機(jī)和1臺(tái)停泊發(fā)電機(jī)。電站管理系統(tǒng)在所有工況下為船舶用電設(shè)備提供足夠的電能，實(shí)現(xiàn)不間斷供電。此外，電站管理系統(tǒng)還應(yīng)包含對(duì)中壓主配電板、主發(fā)電機(jī)和停泊發(fā)電機(jī)的保護(hù)監(jiān)視功能，并對(duì)功率管理提供完善的可視化功能。

電站管理系統(tǒng)的硬件應(yīng)采用冗余型可編程邏輯控制器、多功能保護(hù)繼電器以及觸摸式液晶控制顯示面板。電站功率管理的功能應(yīng)由專用的可編程邏輯控制實(shí)現(xiàn)。電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)的保護(hù)監(jiān)視功能應(yīng)由電子式多功能保護(hù)繼電器實(shí)現(xiàn)。電站管理系統(tǒng)的手動(dòng)遙控功能和重要參數(shù)及狀態(tài)指示應(yīng)由觸摸式液晶控制顯示面板實(shí)現(xiàn)。其功能主要包括：

(1) 電網(wǎng)失電時(shí)備用電源自動(dòng)投入電網(wǎng)供電；

(2) 負(fù)荷超過整定值作報(bào)警并起動(dòng)備用電源；

(3) 電網(wǎng)過載時(shí)自動(dòng)卸載的功能；

(4) 電網(wǎng)負(fù)荷減少時(shí)運(yùn)行發(fā)電機(jī)組自動(dòng)解列；

(5) 重要負(fù)載順序重新自起動(dòng)。

5 動(dòng)力輔助系統(tǒng)

依托項(xiàng)目擬采用滿足DP-2級(jí)的動(dòng)力定位系統(tǒng)，以確保船舶發(fā)生單點(diǎn)故障后，不至于失去定位能力，以致產(chǎn)生嚴(yán)重污染和重大經(jīng)濟(jì)損失，并有可能給人員造成傷害。

動(dòng)力輔助系統(tǒng)主要包括為主發(fā)電柴油機(jī)服務(wù)的燃油系統(tǒng)、滑油系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、壓縮空氣、通風(fēng)系統(tǒng)，以及為推進(jìn)器、變頻器和變壓器服務(wù)的冷卻水系統(tǒng)和空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。

國(guó)際海事組織MSC/Circ. 645《船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)指南》對(duì)于DP-2的船舶，關(guān)于動(dòng)力輔助系統(tǒng)的要求比較籠統(tǒng)，只是要求：“……a loss of position is not to occur in the event of a single fault in any active component or system. ……”(“……由任何運(yùn)動(dòng)部件或者系統(tǒng)造成的單個(gè)故障不會(huì)引起失位?！?以及“…… a single inadvertent act should be considered as a single fault if such an act is reasonably probable. ……”(“……任何具有相當(dāng)可能性的無意動(dòng)作不應(yīng)被認(rèn)為是單個(gè)故障……”)。

各大主流船級(jí)社對(duì)DP-2級(jí)動(dòng)力定位輔助系統(tǒng)也有相關(guān)要求。在研究過程中，我們也參考了幾大船級(jí)社的一些相關(guān)要求，如：

(1) DNV DYNPOS-AUTR/DPS2附加標(biāo)志的要求；

(2) CCS DP-2附加標(biāo)志的要求；

(3) ABS DPS-2附加標(biāo)志的要求等。

5.1 主發(fā)電柴油機(jī)輔助系統(tǒng)

本船設(shè)4臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)，機(jī)帶燃、滑油泵，機(jī)帶高、低溫水泵。

(1) 燃油凈化系統(tǒng)。系統(tǒng)包括2臺(tái)燃油分油機(jī)，均為自清式分離機(jī)。每一分油機(jī)均組裝成一模塊，包括加熱器、濾器、控制箱等。分油機(jī)設(shè)有自己的起動(dòng)控制箱，并提供必要的供水管路，且須設(shè)置單獨(dú)的電動(dòng)油泵。其可對(duì)燃油艙，燃油沉淀艙，燃油日用艙進(jìn)行分離，分離后至機(jī)艙內(nèi)的燃油沉淀艙和日用艙。在機(jī)艙內(nèi)設(shè)有兩只燃油沉淀艙，以便輪換使用。2臺(tái)分油機(jī)設(shè)有連通管，以防止一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，另一臺(tái)可用。兩臺(tái)分油機(jī)并聯(lián)使用。分油機(jī)設(shè)置就地手動(dòng)控制，該控制處于最高優(yōu)先級(jí)。另外，輸出公共報(bào)警，水份報(bào)警和油封故障報(bào)警至監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。

燃油凈化系統(tǒng)可通過機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)控制，也可通過機(jī)旁手動(dòng)控制。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖19所示。

圖19 燃油凈化系統(tǒng)

(2) 燃油日用系統(tǒng)。主發(fā)電柴油機(jī)燃用船用輕柴油，設(shè)2個(gè)燃油日用艙，由燃油日用艙引出各自的支管。

設(shè)2個(gè)獨(dú)立的燃油日用系統(tǒng)，每個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)應(yīng)包括：1臺(tái)燃油供給泵；雙聯(lián)吸入濾器；2只流量計(jì)(供油和回油管路)。

各柴油機(jī)的回油經(jīng)冷卻器流至燃油日用艙。在每臺(tái)柴油機(jī)的進(jìn)油管和回油管上設(shè)置流量計(jì)以計(jì)量燃油的消耗。每臺(tái)柴油機(jī)配1臺(tái)電動(dòng)燃油供油泵作為機(jī)帶泵的備用泵，為各主機(jī)服務(wù)，共4臺(tái)。(柴油機(jī)上應(yīng)有備用接口, 濾器安裝在機(jī)體外部)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖20所示。

圖20 燃油供給系統(tǒng)

(3) 滑油系統(tǒng)。設(shè)2臺(tái)滑油分油機(jī)，每臺(tái)分油機(jī)為2臺(tái)主發(fā)電柴油機(jī)工作，全自動(dòng)，自清式。分油機(jī)為模塊式，包括獨(dú)立的供油泵、加熱器、吸入濾器、控制箱和油渣柜。模塊上的油渣柜排至船上的油渣艙內(nèi)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮在同一時(shí)間內(nèi)只能對(duì)一臺(tái)柴油機(jī)抽油和回油。每一臺(tái)滑油分油機(jī)都可以為四臺(tái)主柴油機(jī)服務(wù)，可對(duì)主發(fā)電柴油機(jī)油底殼進(jìn)行連續(xù)分油。每臺(tái)柴油機(jī)應(yīng)有獨(dú)立的滑油循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)包括必要的泵、濾器和冷卻器等。主發(fā)電柴油機(jī)采用濕式油底殼，機(jī)帶的主滑油泵通過吸入濾器從發(fā)動(dòng)機(jī)濕式油底殼內(nèi)吸油，經(jīng)滑油冷卻器(附恒溫閥)、滑油精濾器至發(fā)動(dòng)機(jī)各部件進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻。

4臺(tái)主發(fā)電柴油機(jī)共配一臺(tái)電動(dòng)滑油泵作為備用泵。柴油機(jī)滑油油底殼可通過滑油輸送泵從儲(chǔ)存艙內(nèi)抽油供給或由分油機(jī)供油。在備車狀態(tài)，柴油機(jī)通過預(yù)供油泵進(jìn)行預(yù)潤(rùn)滑。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖21所示。

圖21 滑油供給、凈化系統(tǒng)

(4) 海水冷卻系統(tǒng)。4臺(tái)主發(fā)電機(jī)組設(shè)三套海水冷卻系統(tǒng)，每舷的2臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)組配套一套，另一套為備用。每套系統(tǒng)包括： 1臺(tái)板式中央冷卻器，1臺(tái)電動(dòng)海水冷卻水泵。主海水泵和備用海水泵可自動(dòng)切換。

海水泵由海水總管吸水泵至中央冷卻器直接排出舷外，另一路返回海底門以控制進(jìn)水溫度。

滿足DP-2級(jí)動(dòng)力定位要求，海水冷卻系統(tǒng)必須要有冗余度，任何1個(gè)單點(diǎn)故障只能影響2臺(tái)主發(fā)電機(jī)組的操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖22所示。

圖22 機(jī)艙海水冷卻系統(tǒng)

(5) 淡水冷卻系統(tǒng)。每臺(tái)發(fā)電柴油機(jī)和發(fā)電機(jī)設(shè)一套獨(dú)立的淡水冷卻系統(tǒng)。每套淡水冷卻系統(tǒng)由以下組成：

1臺(tái)主泵；1臺(tái)備用泵；1個(gè)膨脹水箱，由生活淡水系統(tǒng)補(bǔ)水，帶加藥口；1臺(tái)冷卻器(海/淡水冷卻器)。

柴油機(jī)冷卻水系統(tǒng)由一個(gè)低溫水系統(tǒng)，一個(gè)高溫水系統(tǒng)和一個(gè)預(yù)熱系統(tǒng)組成。低溫水系統(tǒng)包括空冷器和滑油冷卻器，也包括發(fā)電機(jī)冷卻器。高溫水系統(tǒng)包括缸套，缸頭和排氣系統(tǒng)非絕熱部分的冷卻。低溫和高溫水系統(tǒng)的溫度控制由柴油機(jī)上的溫控閥控制。三通溫控閥同樣用于低溫水系統(tǒng)以控制冷卻器的出口溫度。

根據(jù)制造廠的要求，一套帶泵的預(yù)熱器用于停車狀態(tài)下預(yù)熱柴油機(jī)用。預(yù)熱器和預(yù)熱泵做成模塊，預(yù)熱器采用溫度控制。

設(shè)置冷卻水泄放艙用于儲(chǔ)存塢修時(shí)系統(tǒng)內(nèi)已處理過的淡水。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖23所示。

圖23 主發(fā)電柴油機(jī)淡水冷卻系統(tǒng)

(6) 壓縮空氣系統(tǒng)。起動(dòng)空氣分成兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)的容量滿足2臺(tái)柴油機(jī)的需要。

兩個(gè)系統(tǒng)互相連通，設(shè)有隔斷閥，以避免其中一個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)而無法使用。

設(shè)置2套獨(dú)立的控制空氣系統(tǒng)。

起動(dòng)空氣瓶通過減壓閥提供控制空氣。

(7) 通風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)2臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)用于機(jī)艙送風(fēng)。每個(gè)風(fēng)機(jī)設(shè)有獨(dú)立的風(fēng)管，任何1臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可以滿足2臺(tái)柴油機(jī)正常工作需要的新鮮空氣量和2臺(tái)柴油機(jī)及附屬設(shè)備散熱通風(fēng)要求，以確保在發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，仍有2臺(tái)柴油機(jī)能正常工作。

5.2 其它設(shè)備輔助系統(tǒng)

(1) 海水冷卻系統(tǒng)。主推進(jìn)裝置和艉部輔助設(shè)備的冷卻采用3臺(tái)海水泵，2用1備。配置3臺(tái)板式冷卻器，其中一臺(tái)備用。主推進(jìn)裝置包括電動(dòng)機(jī)，伺服油冷卻器，變壓器和變頻器等，艉部輔助設(shè)備包括平臺(tái)吊車和其他輔助系統(tǒng)。

海水泵由海水閥箱吸水泵至板式冷卻器直接排出舷外，另一路返回海底門以控制進(jìn)水溫度。

輔助機(jī)械包括空調(diào)、冷藏、主空壓機(jī)、鉆機(jī)的主動(dòng)補(bǔ)償液壓站等輔助系統(tǒng)，以及2臺(tái)側(cè)推及為側(cè)推服務(wù)的變壓器、變頻器等。設(shè)3臺(tái)為輔助機(jī)械冷卻用的海水泵，2用1備。為輔助機(jī)械配置3臺(tái)板式冷卻器，其中一臺(tái)備用。

輔助海水泵同時(shí)還提供海水給伸縮式舵槳冷卻器用，為滿足DP-2的要求，為伸縮式舵槳單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)海-淡水冷卻器。

海水泵由海水總管吸水泵至板式冷卻器直接排出舷外，另一路返回海底門以控制進(jìn)水溫度。艉部海水冷卻系統(tǒng)如圖24所示。

圖24 艉部海水冷卻系統(tǒng)

(2) 淡水冷卻系統(tǒng)。側(cè)推，伸縮式舵槳和其他輔助設(shè)備的淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)置3套獨(dú)立的冷卻水系統(tǒng)，船的每舷一套。

其中的2套冷卻系統(tǒng)用于以下設(shè)備：起動(dòng)空壓機(jī)；日用空壓機(jī)；冷藏壓縮機(jī)；空調(diào)壓縮機(jī)；側(cè)推的變壓器和變頻器；變壓器；側(cè)推的電動(dòng)機(jī)；油冷卻器等。

第3套系統(tǒng)用于艏部的伸縮式舵槳：電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻器和油冷卻器等。

淡水冷卻溫度通過安裝在中央冷卻器淡水側(cè)的三通溫控閥自動(dòng)控制。艏部淡水冷卻系統(tǒng)如圖25所示。

圖25 艏部淡水冷卻系統(tǒng)

艉部主推進(jìn)裝置和艉部輔助機(jī)械的淡水冷卻系統(tǒng)設(shè)3套獨(dú)立的淡水冷卻系統(tǒng)。艉部全回轉(zhuǎn)裝置連接2套冷卻水系統(tǒng)(一套推進(jìn)裝置連接2套冷卻系統(tǒng))：電動(dòng)機(jī)、變壓器、變頻器和油冷卻器等。第3套系統(tǒng)用于海水平臺(tái)吊車和艉部其他輔助機(jī)械的冷卻。

淡水冷卻溫度通過安裝在中央冷卻器淡水側(cè)的三通溫控閥自動(dòng)控制。艉部淡水冷卻系統(tǒng)如圖26所示。

圖26 艉部淡水冷卻系統(tǒng)

5.3 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)主要考慮主要的電氣設(shè)備，包括變頻器、變壓器、配電板等能夠處于正常的工作狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)榄h(huán)境溫度隨著設(shè)備散熱而提高，進(jìn)而影響電氣設(shè)備的正常工作?？照{(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也考慮到了如果出現(xiàn)單個(gè)設(shè)備損壞，不至于影響所有電氣設(shè)備正常工作。

配電板間設(shè)2個(gè)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)盤管，每個(gè)100%制冷量，滿足推進(jìn)器滿負(fù)荷工作時(shí)的散熱量，冷媒水來自中央空調(diào)冷水機(jī)組。

艏側(cè)推艙設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的風(fēng)機(jī)盤管，每個(gè)100%制冷量，滿足推進(jìn)器滿負(fù)荷工作時(shí)的散熱量，冷媒水來自中央空調(diào)冷水機(jī)組。

中央空調(diào)冷水機(jī)組設(shè)2套獨(dú)立的壓縮冷凝機(jī)組(每套制冷量為總冷量的75%)，每套機(jī)組設(shè)有2套獨(dú)立的制冷回路，任何1個(gè)單點(diǎn)故障都不會(huì)影響中央空調(diào)冷水機(jī)組提供100%的制冷量。

主推進(jìn)器艙設(shè)2套100%制冷量的獨(dú)立水冷柜機(jī)，由艉部低溫淡水泵提供冷卻淡水，該冷量滿足推進(jìn)器滿負(fù)荷工作時(shí)的散熱量。

6 結(jié)語

特種深水海工作業(yè)船具有作業(yè)功能多的特點(diǎn)，這些作業(yè)都需要?jiǎng)恿Χㄎ荒芰肀３执换虬凑疹A(yù)先設(shè)定的航線航行，所以動(dòng)力定位能力的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)在綜合考慮這些作業(yè)工況、海上環(huán)境、船型和動(dòng)力設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行選取。優(yōu)秀的動(dòng)力定位能力，確保依托項(xiàng)目可以在惡劣的海上環(huán)境下，完成鉆孔取樣、物探調(diào)查和海工輔助作業(yè)等多種作業(yè)。

高度的系統(tǒng)冗余能力，可以滿足系統(tǒng)在復(fù)雜海況條件下一旦發(fā)生意外，不會(huì)影響到作業(yè)安全和船舶安全。提高了依托項(xiàng)目的工作可靠性，確保依托項(xiàng)目具有足夠的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，從而更好地為我國(guó)深水戰(zhàn)略服務(wù)。

[1] International Maritime Organization.Guidelines for vessels with dynamic positioning systems[S]. MSC Circular 645.

[2] 中國(guó)船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S]. 2011.

[3] Det Norsk Veritus. Rules for Classification of Ships[S]. 2010.

[4] American Bureau of Shipping. Rules for building and classing steel vessels[S]. 2011.

Discuss on Dynamic Positioning System Design in Special Offshore Construction Vessel

WENG Shuang， LU Yi-dong， GUI Man-hai

(Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute， Shanghai 201203, China)

This article introduces the design thinking of dynamic positioning system in special offshore construction vessel. Taking a deepwater offshore construction vessel as an example, by understanding the operation area and operation requirements, the ship design is optimized from 4 aspects, which concludes dynamic positioning, measurement and control system, electric power station and force auxiliary system. The design basis, system configuration and optimization effect of the dynamic positioning system are detailed provided.

Offshore construction vessel Dynamic positioning

翁 爽(1981-)，女，海洋工程部電氣科科長(zhǎng)助理。

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