動力定位系統(tǒng)DP3動力系統(tǒng)

由中海油海洋石油工程股份有限公司全額投資，江蘇熔盛重工建造的"海洋石油201"，它是世界上第一艘同時具備3000米級深水鋪管能力、4000噸級重型起重能力和DP3級全電力推進的動力定位，并具備自航能力的深水工程作業(yè)船，能在除北極外的全球無限航區(qū)作業(yè)，集成創(chuàng)新了多項世界頂級裝備技術(shù)，船舶的詳細設計建造在國內(nèi)自主完成，其總體技術(shù)水平和綜合作業(yè)能力在世界同類工程船舶中處于領先地位，代表了國際海洋工程裝備制造的最高水平。 該船總長達204.65米，型寬39.2米，艙室頂層甲板設置有直升機平臺。據(jù)海油工程總裁姜錫肇介紹，該船可鋪設口徑為6英寸至60英寸的海管，并設有電驅(qū)動、最大起重能力達4000噸的起重機。而其具有自航能力的動力定位系統(tǒng)特別值得一提，DP3級是國際海事組織的最高動力定位級別，可依靠自身的自控系統(tǒng)和衛(wèi)星定位，自動測定風向等海況，將船穩(wěn)穩(wěn)停泊在作業(yè)點。

動力定位系統(tǒng)首先在海洋鉆井船、平臺支持船、潛水器支持船、管道和電纜敷設船、科學考察船、深海救生船等方面得到應用，其主要原理是利用計算機對采集來的環(huán)境參數(shù)(風、浪、流)，根據(jù)位置參照系統(tǒng)提供的位置，自動地進行計算，控制各推力器的推力大小，使船舶保持艏向和船位的"紋絲不動"。

動力定位系統(tǒng)簡介

船舶的動力定位系統(tǒng)從70 年代逐漸發(fā)展起來，在海洋工程、科學考察等領域有著重要的用途。隨著船舶電力推進的成熟和自動控制理論的發(fā)展，動力定位系統(tǒng)的性能也不斷提高。動力定位系統(tǒng)的組成動力定位系統(tǒng)包括3 個分系統(tǒng):動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)。動力系統(tǒng)動力系統(tǒng)一般來說是給整個動力定位系統(tǒng)提供電力的。一般的船舶電站可兼作動力系統(tǒng)，但應滿足一些特殊要求。輸入(船位、控制器、推力器)輸出(船位、推力器系統(tǒng))推力器系統(tǒng)作為動力定位系統(tǒng)執(zhí)行部分，常用電動機或柴油機驅(qū)動的推進器。主推進裝置(包括其舵系統(tǒng))可兼作動力定位系統(tǒng)的推力器，在船舶進入動力定位運作模式時，由動力定位系統(tǒng)的控制器進行控制。為提高定位能力，主推進裝置可設計為全回轉(zhuǎn)推進器，例如Z 型推進、SSP 推進等。一般各推力器的工作組合應產(chǎn)生橫向、縱向推力及回轉(zhuǎn)力矩。動力定位控制系統(tǒng)動力定位控制系統(tǒng)包括控制器和測量系統(tǒng)?？刂破髦傅氖莿恿Χㄎ幌到y(tǒng)總的控制部分，一般采用計算機控制的方法。測量系統(tǒng)包括位置參照系統(tǒng)、電羅經(jīng)、風向風速儀、傾角儀等，測量船舶的船位、艏向、縱傾橫傾角等船舶狀態(tài)，以及風向、風力、流速等環(huán)境條件，通過接口輸入到控制器中?？刂破鞲鶕?jù)人工輸入的船位和艏向，對測量系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)進行分析和運算，給出推力器的控制指令。動力定位控制系統(tǒng)執(zhí)行的功能可總結(jié)如下:(1) 給出推力器的控制指令。(2) 測量船舶的船位、艏向等船舶狀態(tài)。(3) 測量風向、風力等環(huán)境條件。(4) 接收各種操縱指令的人工輸入。(5) 動力定位系統(tǒng)的故障檢測及報警。(6) 動力定位系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示。動力定位系統(tǒng)的系泊試驗動力定位系統(tǒng)在進行系泊試驗之前，應確認已取得本社頒發(fā)的產(chǎn)品證書，并確認布置和安裝已嚴格按本社審批的圖紙進行，采用的工藝滿足本社有關(guān)規(guī)定。動力系統(tǒng)系泊試驗動力系統(tǒng)的各組成部分，如發(fā)電機、發(fā)電機原動機、主配電板等，應滿足船舶建造檢驗的一般要求。另外還應進行下列檢驗:發(fā)電機組一臺發(fā)電機組不投入運行，并聯(lián)運行其他發(fā)電機組，逐個啟動幾臺功率較大的推力器電動機。啟動期間引起的電壓降不超過15%。動力管理系統(tǒng)(1) 進行發(fā)電機的自動并聯(lián)及自動解列試驗。動力管理系統(tǒng)(通常是船舶電站的自動管理系統(tǒng))應能在運行的發(fā)電機負荷較重時，自動啟動備用發(fā)電機投入電網(wǎng)，即自動并聯(lián)。并在運行的發(fā)電機負荷較輕時，自動切斷一臺發(fā)電機的供電并停止其原動機的運轉(zhuǎn)，即自動解列。建議自動并聯(lián)可設置在單臺發(fā)電機的輸出功率超過額定功率的大約85%時進行。自動解列可設置在單臺發(fā)電機的輸出功率低于額定功率的大約30%時進行。(2) 進行重負載詢問試驗。動力定位系統(tǒng)的重負載通常是推力器的電動機。在其啟動前應向動力管理系統(tǒng)發(fā)出詢問信號，動力管理系統(tǒng)根據(jù)運行發(fā)電機的功率裕量發(fā)出允許啟動指令。否則啟動備用發(fā)電機再發(fā)指令。或當整個動力系統(tǒng)的功率裕量都不足以啟動負載時，禁止其啟動，這就是所謂重負載詢問，或稱為大功率詢問、重載詢問。系統(tǒng)的各個重負載均應進行試驗。(3) 試驗高電力負載報警功能當總的電力負載超過運轉(zhuǎn)中發(fā)電機總?cè)萘康念A定百分比時，應發(fā)出報警。報警的設定值應在運轉(zhuǎn)容量50%至100%之間可調(diào)，并應按運行發(fā)電機的數(shù)量和任一臺發(fā)電機失靈的影響加以確定。該報警的設定值可設于自動并聯(lián)時的功率百分比之上。(4) 發(fā)電機超負荷時，推力器負載自動調(diào)整功能的試驗。運行發(fā)電機負荷超過100%時，推力器應降低功率運行?？筛鶕?jù)實際情況進行模擬試驗，如可降低超負荷的功率設定值。在發(fā)電機輸出功率超過設定值時，驗證推力器進行自動降速。(5) 注意動力定位系統(tǒng)控制器與動力管理系統(tǒng)的協(xié)調(diào)。配電板(1) 檢查主配電板匯流排的分段及其連接，對于DP-3 附加標志，每一匯流排要以A-60 進行分隔，在每個分隔內(nèi)均應設有斷路器連接。(2) 在DP 控制中心，應設置連續(xù)顯示器，顯示發(fā)電機的在線功率儲備，即在線發(fā)電機的容量與輸出功率的差。對于分段式匯流排，每一分段要設置這種指示器。如果推力器的操作不會引起電站的過載，可不要求設儲備功率指示器。動力定位控制系統(tǒng)系泊試驗計算機(1) 如果計算機出現(xiàn)故障或未準備好就進行控制，應發(fā)出報警。(2) 當檢測出一套計算機系統(tǒng)有故障時，應能自動轉(zhuǎn)至冗余計算機系統(tǒng)控制。當控制從一個計算機系統(tǒng)向另一個計算機系統(tǒng)切換時，應保持平穩(wěn)動力定位操作，其變化應保持在可接受的操作范圍內(nèi)。應試驗予以確認。(3) 每一個動力定位計算機系統(tǒng)必須提供不間斷電源(UPS)，以確保任何動力故障不會影響一臺以上的計算機。不間斷電源電池的容量需支持至少30 分鐘的操作。推力器手柄控(1) 在動力定位控制站設有各個推力器的手動控制器，逐一試驗啟動、停車、方位和螺距/轉(zhuǎn)速控制的操縱控制。對于高壓電動機可不包括啟動停止的操縱。(2) 動力定位手動控制臺上連續(xù)顯示的各推力器運行/停車、螺距/轉(zhuǎn)速和方位應精確。(3) 推力器的手動控制應在任何時候都能起作用，包括自動控制和操縱桿控制出現(xiàn)故障的情況下。(4) 在DP控制站逐一試驗推進器的應急停止裝置。推力器的聯(lián)合操縱桿控推力器的聯(lián)合操縱桿控制一般是由設于動力定位控制站的一個操縱桿同時控制多個推力器的運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)縱向推力、橫向推力、回轉(zhuǎn)力矩及這些分量的組合。通常用于軌跡控制。在碼頭系泊試驗時，應確認操縱桿可同時操縱各推力器。推力器的自動控制推力器的自動控制是人工將給定的船位、艏向輸入到控制器中，由推力器根據(jù)指令自動地將船舶調(diào)整到期望的船位及艏向，并加以保持。(1) 對于DP-1 附加標志，模擬計算機的嚴重故障，計算機系統(tǒng)執(zhí)行自檢程序時，應停止工作，并通過自動方法或手動方法將轉(zhuǎn)速/螺距設置到零。(2) 對于DP-2 附加標志，計算機系統(tǒng)應執(zhí)行探測故障的自檢程序。如果在線工作的計算機系統(tǒng)探出故障，應自動轉(zhuǎn)換至備用計算機系統(tǒng)。在顯示裝置上應顯示正在實施控制的控制系統(tǒng)的標志。(3) 對于DP-3 系統(tǒng)應設有一個自動備用系統(tǒng)，該備用系統(tǒng)的位置與主系統(tǒng)之間采用A-60級分隔隔離。至少應有一個位置參照系統(tǒng)和一臺羅經(jīng)與備用系統(tǒng)相連接，并獨立于主控制系統(tǒng)。備用系統(tǒng)應由操作者在主動力定位控制站或備用控制站啟動，這種轉(zhuǎn)換應確保任何單個故障不會使主控制系統(tǒng)和備用系統(tǒng)都不能工作。推力器控制方式的選擇(1) 在動力定位控制站，進行不同推力器控制方式的轉(zhuǎn)換。(2) 控制方式的選擇應布置成當動力定位控制方式出現(xiàn)故障后，總是能夠選擇手柄控制。傳感器系統(tǒng)(1) 應設置傳感器故障(過熱失電)報警及傳感器與動力定位系統(tǒng)通訊故障(短路、低阻、開路)報警。(2)傳感器間自動轉(zhuǎn)換出現(xiàn)故障時，應在控制站發(fā)出聽覺和視覺報警。(3)對于DP-3 附加標志，每類傳感器的一個必須和備用控制系統(tǒng)連接，并通過A-60 級分隔和其他傳感器分離。顯示和報警(1) 動力定位控制站應顯示從動力系統(tǒng)、推力器系統(tǒng)和動力定位控制系統(tǒng)傳來的信息，以確保這些系統(tǒng)在正常運行。安全操作動力定位系統(tǒng)所必需的信息應在任何時候均可得到。對設置的報警和顯示逐一進行試驗。(2) 對于具有DP-2 和DP-3 附加標志的船舶，操作員控制裝置應設計成操作屏的任何誤操作都不會導 致極限狀況。(3) 當動力定位系統(tǒng)及其控制的設備發(fā)生故障時，應發(fā)出聽覺和視覺報警。對這些故障的發(fā)生及狀態(tài)應進行永久的記錄。通信系統(tǒng)(1) 試驗下列雙向通信設施的有效性:a.動力定位控制中心與駕駛室的雙向通信b.動力定位控制中心與主機控制室的雙向通信c.動力定位控制中心與有關(guān)操作控制站的雙向通信(2) 確認通信系統(tǒng)獨立于船舶主電源。推力器系統(tǒng)系泊試驗推力器也可以在非動力定位狀態(tài)使用，其各部分應滿足一般的建造檢驗要求。如果操作次序的錯誤會導致危險狀態(tài)或設備損壞時，則應聯(lián)鎖。對設置的聯(lián)鎖功能進行試驗。安裝在駕駛室內(nèi)的控制器和指示器應有充分的照明，并可調(diào)光。對DP-2 附加標志，對動力定位系統(tǒng)至關(guān)重要的燃油、滑油、液壓油、冷卻水和氣動管路，以及電纜的布置應充分考慮火災和機械損壞。對于DP-2 附加標志，冗余管系(燃油、滑油、液壓油、冷卻水和氣動管路)不得與主系統(tǒng)一起穿越同一艙室。當不可避免時，管路必須安裝在A-60 級管道內(nèi)。冗余設備或系統(tǒng)的電纜不得與主系統(tǒng)一起穿越同一艙室，當不可避免時，電纜必須安裝A-60 級電纜通道內(nèi)，電纜的接線箱不允許設置在這類電纜通道內(nèi)。動力定位系統(tǒng)的航行試驗動力定位系統(tǒng)的航行試驗大綱應根據(jù)船舶的實際情況與設計部門及船廠商定。聯(lián)合操縱桿模式的試驗動力定位系統(tǒng)的聯(lián)合操縱桿模式可進行航跡控制，可采用下列兩種方法試驗其有效性及控制精度。保持艏第一項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 控制臺上，設定艏向并記錄船位。(3) 啟動操縱桿。(4) 操縱船向正前方移動20 米。(5) 操縱船向正后方移動40 米。(6) 操縱船向正前方移動20 米。(7) 記錄船位與艏向并與初始船位及設定的艏向?qū)φ?，誤差應在設計要求范圍之內(nèi)。第二項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 控制臺上，設定艏向并記錄船位。(3) 啟動操縱桿。(4) 操縱船向正左方移動20 米。(5) 操縱船向正右方移動40 米。(6) 操縱船向正左方移動20 米。(7) 記錄船位與艏向并與初始船位及設定的艏向?qū)φ?，誤差應在設計要求范圍之內(nèi)。保持船位的旋轉(zhuǎn)試驗第一項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 操縱臺上，輸入自動保持的船位并設定船旋轉(zhuǎn)的圓心。(3) 在系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動操縱桿。(4) 操縱船順時針旋轉(zhuǎn)360 度。(5) 記錄船位并與初始船位相對照，誤差應在設計要求范圍之內(nèi)。第二項試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 操縱臺上，輸入自動保持的船位并設定船旋轉(zhuǎn)的圓心。(3) 在系統(tǒng)穩(wěn)定后，啟動操縱桿。(4) 操縱船逆時針旋轉(zhuǎn)360 度。(5) 記錄船位并與初始船位相對照，誤差應在設計要求范圍之內(nèi)。自動模式的試驗動力定位系統(tǒng)的自動模式是根據(jù)人工輸入的船位和艏向自動定位并加以保持。可采用下列方式進行試驗:(1) 系統(tǒng)準備，系統(tǒng)各部分投入工作，各部分之間通訊正常。(2) 在DP 操縱臺上輸入給定的船位和艏向。(3) 啟動自動控制模式，保持6 至8 小時。期間每隔一段時間記錄其船位及艏向或由系統(tǒng)自動記錄。(4) 考察船位及艏向的誤差，應在設計要求范圍之內(nèi)。注意:在整個系統(tǒng)進行操作時，至少有連續(xù)2 小時的氣候條件達到一定水平，即使推力器上的平均載荷達到50%或更高。當環(huán)境條件無法達到上述要求時，可推遲到在適當場合下作為一個特殊的試驗來進行。故障模式與影響分析試驗DP 定位系統(tǒng)應進行故障模式與影響分析(FMEA)，編制FMEA 報告或作為替向的位移試驗代，可對每一種故障模式下的系統(tǒng)冗余度進行試驗。試驗的結(jié)果應能滿足其附加標志所要求的冗余度。詳細的冗余度試驗程序應提交審查。DP-2 附加標志進行FMEA 試驗時，應盡可能詳細地包括動力系統(tǒng)定位系統(tǒng)所有組成部分的主要部件，如發(fā)電機、推力器、配電板、GPS、電羅經(jīng)等，但可不包括具有適當保護的電纜和管系。在出現(xiàn)單一故障時(不包括一個艙室或幾個艙室的損失)，在固定的作業(yè)范圍內(nèi)，在規(guī)定的作業(yè)環(huán)境條件下，自動保持船舶的位置和艏向。DP-3 附加標志的船舶，F(xiàn)MEA 試驗同上條，但需要進行由于失火或進水造成一個艙室完全損失的模擬試驗。同時不論有無保護均要考慮電纜和管系故障的情況。對于DP-2 和DP-3 附加標志，進行"結(jié)果分析"試驗。這是一項軟件功能，可以連續(xù)驗證在出現(xiàn)最嚴重的故障時，船舶也可保持其位置。該分析可以證明當最嚴重的故障發(fā)生后，后續(xù)工作推力器可產(chǎn)生與故障前所要求的相同的合力和力矩。當最嚴重的故障會導致位置偏移(由于在當時的環(huán)境條件推力不足)時，"結(jié)果分析"應發(fā)出報警。對于需長時間才能安全終止的操作，"結(jié)果分析"應包括一項在人工輸入氣候趨勢的基礎上模擬當最嚴重故障發(fā)生后剩余推力及動力的能力。最嚴重的單個故障應包括一臺推力器不能工作、一臺發(fā)電機組不能工作、一個匯流排分段不能工作。應以實際的操作進行驗證。具體試驗的實施應按已審查的試驗程序進行。主要的試驗方法是模擬某一設備故障，考察其對系統(tǒng)的影響。實際有兩種情況:一種是備用設備投入工作，對系統(tǒng)無影響;另外一種是導致系統(tǒng)能力下降，如一臺推力器故障不工作，導致系統(tǒng)剩余能力減少，這時需要確認是否可以在規(guī)定環(huán)境條件下，仍然能夠定位。