深潛水工作母船電氣設計

王 鋒 李 學

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前言

近年來，國際造船行情逐漸趨于平穩，異?；鸨倪\輸船市場開始降溫，我國船舶工業發展受到了嚴峻考驗。但與此同時，海工裝備業制造及海洋工程船舶的設計建造開始逐漸被推向新的高度。深潛水工作母船是交通運輸部上海打撈局委托上海船舶研究設計院進行詳細設計，并由武昌船舶重工有限責任公司建造，入中國船級社。本項目適用于無限航區，作為300m飽和潛水和常規空氣潛水作業的支持母船，并配備水下遙控無人探測器（ROV），具有對水下沉船、飛行器進行探測和打撈能力。本項目配置A字架、海工起重機，具有二級動力定位能力和海面消除油污作業能力。本項目的成功設計建造將是我院走向海工核心領域的堅實一步。

1 本項目功能及規范

本項目主要用于海上救撈作業，配備有水下遙控無人探測器，具有對水下沉船、飛行器進行探測和打撈能力，能作為300m飽和潛水和常規空氣潛水的潛水作業支持母船。

本項目具有拖曳擱淺、觸礁船舶脫險、失去機動能力的船舶返回港口，對遇難進行封艙、堵漏、排水和對外消防滅火作業能力。本項目配有海上起重A字架、海洋工程起重機和直升機平臺，可對外提供多種工程作業服務。

本項目主要作業用途如下：失事飛機、船舶擱淺/沉沒的救助；海工服務；飽和潛水/空氣潛水；ROV作業；對外消防；起拋錨作業；油、水、甲板貨供應；應急情況下的環境保護；應急情況下的航線清理；清除水下障礙物及殘骸。

本項目按CCS現行規范和規則進行設計、建造，并取得下列船級符號：

★CSA ★CSM，Salvage Ship，AUT-0，OMBO，Ice ClassB，DSV-SAT，DP-2，Helicopter Facilities

2 電力系統配置

本項目電力系統采用三相三線制、中性點不接地系統，并采用中壓AC 6 600 V和低壓AC 400 V 50Hz的主電網。本項目采用電力推進方式，主要的推進器配置如下：

2.1 工況使用情況

在“航行”工況，6.6 kV主發電機通過6.6 kV主配電板為全船提供電源。主推進電動機、伸縮式全回轉推進電動機、管隧式側推及主變壓器由6.6 kV主配電板供電。

在“停泊”工況，主發電機不運行，1臺停泊發電機向全船供電。

在“應急”工況下，應急發電機給1臺全回轉舵槳、1臺主空壓機、1臺機艙通風機、救生艇、海洋工程吊應急下放供電以及其他應急電源。DC 24 V主要用于船舶綜合管理系統和導航、報警電源。

在“DP作業”工況下，全船配電系統實行分區供電，從中壓6.6 kV到400 V/230 V配電板聯絡開關斷開，由兩側匯流排上的發電機分別向本側中、低壓負載供電。

本項目的作業功能較多，使用工況分為以下10類：航行工況；惡劣海況下使用動力定位、吊機和ROV；一般海況下使用動力定位、吊機和ROV；在DP I模式下進行潛水操作；在DP II模式下進行潛水操作；在4點錨泊情況下進行潛水操作；拖帶工況；進出港；停泊；應急工況。

各工況下發電機的使用情況如表1所示。

表1 各工況下發電機使用情況

2.2 配電系統設計特點

本項目設置中壓主配電板（AC 6 600 V）1套、低壓主配電板（AC 400 V/AC 230 V）1套、甲板設備配電板 （AC 400 V）1套和應急配電板 （AC 400 V/AC 230 V）1套。增加DP-2附加標志，全船的正常配電網絡均須按照冗余對稱結構進行布置。對于所有重要負載，從配電板匯流排到變壓器，再到設備布置均為冗余對稱，保證在最大單點故障時，船舶仍具有定位能力，此時的能力應得到船東的認可。這就對于系統供電、電纜敷設和設備布置都提出了更高的要求。配電系統單線圖如圖1所示。

3 動力定位系統設計

圖1 配電板單線圖

本項目主要用于海上救撈作業，配備有水下遙控無人探測器（ROV），具有對水下沉船、飛行器進行探測和打撈能力，能作為300m飽和潛水和常規空氣潛水的潛水作業支持母船。因此本項目設一套雙冗余動力定位系統，設計要求須滿足DNV DYNPOS-AUTR及CCS二級動力定位（DP-2）關于冗余系統的規范要求，并取得CCSDP-2附加標志。

3.1 動力定位系統配置要求

二級動力定位系統的設置要求：具有足夠的冗余度，在任何單點故障情況下可不中斷保持定位功能，包括任何運動部件和系統的單個故障出現時。

需要指出的是，本項目配置二級動力定位的運行應由主配電板匯流排1或匯流排2供電給伸縮式全回轉推進器，具有手自動切換功能；2臺主推進和2臺首側推分別由匯流排1和匯流排2供電。

系統配有2套控制計算機，并且相互冗余，系統軟件應包括用于監測、ROV、潛水操作的所有模式和功能。

DP-2入級符號要求船舶需要配置2臺互為備用的DP主操作站和一套獨立的Joystick系統。每套DP主操作站包含對所有5臺推進器、舵槳、位置參考單元的控制和反饋信息連接。當在線的DP控制器發生故障時，系統會無縫切換至備用控制器，仍保持船的DP控制。獨立的Joystick系統應完全獨立于DP系統的連接，所有來往于推進器的信號須單獨接設，保證在DP系統故障時能手動操縱船舶而不使用參考系統。

3.2 DP參考傳感器

傳感器的設置應使得單個輸入的丟失不會損害DP-2入級要求范圍內船舶工作的能力。

根據CCSDP-2的入級要求以及船東對于船舶較高的定位要求，本項目的DP系統配置了如下傳感器：

——3套電羅經；

——2套風向風速儀；

——2套DGPS；

——2套水下聲學定位系統（HIPAP）；

——1套雷達位置參考系統（RADius）；

——2套張繩位置參考系統（TautWire）；

——1套超聲波位置參考系統（Seapath）；

——3套運動參考單元MRU。

4 橋樓布置及天線布置

4.1 滿足一人橋樓OMBO的橋樓布置

本項目在駕駛室上的布置須按照DNV NAUTOSV（A）的規范要求設計，并同時取得CCS船級社的OMBO的入級符號。對于駕駛室視線，駕控臺、儀器臺等的尺寸、操作位置的儀表安裝都有嚴格規定，應能使得一名駕駛員在正常情況下有效地操作。

本項目中導航設備與動力定位系統共用配置的設備，以保證航行設備和動力定位相對獨立原則。對于電羅經和風速風向儀等設備共用，但信號電纜分別敷設。

4.2 天線綜合布置

由于本項目在常規導航通信設備以外，還配置了動力定位系統以及航空電臺等設備，所以相關聯的無線電設備較多。這就使得布置于雷達桅和羅經甲板的天線就非常繁多。此外，本項目還在羅經甲板左右兩舷配置了2門對外消防炮，極大地限制了天線布置區域，對于天線間布置合理減小電磁干擾提出了高要求。經過多套方案的反復論證，根據各天線的安裝要求，充分考慮各設備天線相互間的電磁干擾和影響，并對消防炮設置了限位角度，形成了最終的天線布置方案。

5 集中式船舶管理系統

本項目設有集中式船舶管理系統IVMS。該系統由分布式控制系統組成，通過一公共通信結構集成了全船的主要控制任務。各種任務在各自的由專用計算機、子網和外圍設備組成的分系統內執行，各分系統的子網組通過網絡交換機內部連接，做到整個IVMS系統內的無間隙通信。某一分系統的故障不會使IVMS內其他分系統的操作和功能降低。

集中式船舶管理系統的主要分系統如下：

操縱系統，包括DP、Joystick、操舵、自動舵；

推進器控制系統；

機艙自動化系統；

船舶日常管理系統，包括備品、備件管理，航行日志等；

安全管理系統。

對于IVMS需通過切換到雙冗余電子系統來實現保護的設備，主系統和備用系統應安裝在單獨的箱體內，確保即使在火災情況下也不會影響其他完好部件的正常工作。

6 廣播和通用報警的客船要求

根據CCS《特種用途船舶安全規則》2008的要求，對船上載運60人以上但不超過240人的船舶，對應為載運不超過36名乘客的客船的要求。因此本項目應滿足客船關于應急電源的要求，廣播和通用報警系統須由正常、應急和臨時應急三路供電。此外，應對于船員和乘客單獨設置回路，能夠分別向船員或乘客進行廣播和報警，也能同時向全員進行廣播和報警。這對于雙功放的廣播系統和通用報警系統的線路布置提出了更高的要求。

7 滿足DP-2的冗余設計

7.1 電氣專業需冗余設計的系統

以下船舶系統的供電須考慮冗余設計：冷卻系統、滑油系統、燃油系統、壓縮空氣系統、通風、空調（機艙及推進器艙）、應急切斷、柴油發電機、應急發電機、電站和船舶管理系統、高壓配電板、低壓配電板、側向推進器及尾部主推進器的電動機及驅動單元、電子單元和電源、輔助系統、DP控制系統的供電。

7.2 冷卻水系統

冷卻水系統的冗余供電設計主要包括柴油發電機海水冷卻泵、主推進器淡水冷卻泵、主推進器海水冷卻泵、伸縮式推進器淡水泵、首側推淡水泵。在輪機專業配置上述冷卻水系統時，泵組采用一用一備和兩用兩備時，則為左排設備服務的泵組取電均來自于配電板左排，右排供電亦然。

其中值得說明的是，本項目配置3臺主推進器海水冷卻泵，其中#1、#3泵組為主用泵，#2泵組為專用備用泵，因此無法做到完全冗余對稱布置。故本項目將#1、#2主推進器海水冷卻泵電源來自配電板左排，#3主推進器海水冷卻泵電源來自配電板右排。

此外，柴油發電機沒有配置機帶高溫淡水泵及低溫淡水泵，用備品泵作備用。

7.3 滑油系統

滑油系統的冗余供電設計主要包括滑油預供泵和滑油分油機。本項目共配置了4臺滑油預供泵和4臺滑油分油機，均為兩用兩備，則為左排設備服務的泵組取電均來自于配電板左排，右排供電亦然。

此外，本項目配置了主機機帶滑油泵，故未設電動滑油備用泵。

7.4 燃油系統

燃油系統的冗余供電設計主要包括燃油分油機和燃油供油單元。本項目共配置了2臺燃油分油機和2臺燃油供油單元，均為一用一備，則為左排設備服務的泵組取電來自于配電板左排，右排供電亦然。

7.5 壓縮空氣系統

本項目配置2臺主空壓機，#1主空壓機用于#1、#2柴油發電機組；#2主空壓機用于#3、#4柴油發電機組，且兼作應急空壓機。故#1主空壓機電源來自低壓主配電板左排，#2主空壓機電源來自應急配電板。

7.6 推進裝置輔助系統

1）主推進器的輔助系統。左主推進器液壓泵、滑油泵及變頻器、變壓器輔電源來自配電板左排；右主推進器相應設備電源來自配電板右排。

2）伸縮式推進器的輔助系統。由于首部伸縮式推進器的主電源是跨接于AC 6 600 V兩段匯流排，當出現單點最大故障（本項目即為中壓、低壓配電板一半的匯流排失電）時，會自動轉換到另一段匯流排，故本項目為伸縮式推進器的輔助系統配置了1個專用電源轉換箱，匯流排故障時也同時自動切換至另一段，用于以下設備：

——伸縮式推進器變壓器（伸縮式推進變壓器風機電源）；

——伸縮式推進變頻器（伸縮變頻器水泵及充電電源）；

——伸縮式推進器控制器電源；

——伸縮式推進器液壓泵站起動器；

——伸縮式推進器提升泵站起動器。

值得進一步說明的是，伸縮式推進器的中壓變頻部分3 s之內斷電可不受影響，因本項目的中壓變頻設備可在0.2 s內完成切換，低壓輔助電源轉換箱可在0.3 s內完成切換。

8 特殊設備的電氣系統

8.1 潛水裝置

本項目設1套12人、300m飽和潛水系統，也是本項目最主要的作業功能。本項目作為該飽和潛水系統的支持母船，母船為該系統提供必要的二路電源、壓縮空氣、淡水和通信的連接，對該系統產生的污水和灰水進行收集處理。由于一次完整的加壓、下沉、作業、上浮、減壓過程耗時非常長，所以為確保潛水員在整個過程中的人命安全，除必要的氣源、水源、電源外，該系統自帶一套應急發電機組，在應急狀況下，能自動起動，保證潛水員安全回到水面。

8.2 減搖水艙及抗橫傾系統

本項目設計有三個被動式減搖水艙用以保持船舶姿態，盡量減少風浪對于船舶的傾斜影響。這些水艙連接至壓載水系統。

本項目專門設一套抗橫傾系統，用來配合海洋工程起重機的操作。該系統能滿足海洋工程起重機在最大負荷和最大臂長的工況運作的要求。每船舷設5個邊壓載水艙用于該系統采集橫傾信號。該系統和船舶液位遙測系統共用液位傳感器。這5對水艙的液位信號先傳至中控系統，再通過信號線傳輸給抗橫傾系統。

8.3 海洋工程起重機

本項目主甲板右舷設置1臺140 t折臂式海洋工程起重機，具有主動升沉補償和恒張力功能，可進行人員吊運。起重機設內置式電動液壓動力單元，配置空調全封閉操作室，并配備UHF和船用VHF設備，用于與母船及船員聯系，并連接至船舶的廣播、通用報警、火災報警和電話系統。

8.4 水下遙控無人探測器

本項目設置2個ROV專用作業站，分別用于觀察作業和潛水作業支持。各ROV作業站附近設置1個接口站，用于為ROV提供相關母船信息。

9 設計中應注意的幾個問題

9.1 電纜的電壓等級

CCS規范要求在交流絕緣系統中，或者在高阻抗接地系統中（發生接地故障時電源不斷開），電纜額定電壓應不低于表2要求。

表2 電壓等級與電纜額定電壓對照

電纜的額定電壓U0/U，其中，U0為電纜任一導體和“地”（金屬護套）之間的電壓；U為電纜任何兩相導體之間的電壓。

本項目中壓配電板在發生接地故障時真空斷路器切斷，故中壓系統選用電纜額定電壓為6.0/10.0 kV。

9.2 中壓電纜的敷設

中壓電纜應與其他不同工作電壓的電纜分隔開。特別是它們不應敷設在同一電纜束、或同一電纜槽、同一電纜管道中。設計時，《主干電纜走向圖》中應注意將中、低壓電纜分開敷設，且該圖應送審CCS。

9.3 中壓變壓器的布置

中壓變壓器的外殼防護等級至少應為IP23，按裝在非專職人員可以到達的處所時，其外殼防護等級至少為IP4X。

本項目選用防護等級IP23的中壓變壓器，電力變壓器安裝在配電板室，甲板變壓器安裝在非封閉艙室?？紤]到防護要求，將該區域加裝門改為封閉艙室。

9.4 航行工況的發電機配置

對于電力推進船舶，公共電站應滿足：在一臺發電機不工作時，剩余的機組應能向所有重要設備和船舶常用設備供電，同時應維持有效推進，即應保證船舶航速不小于7 kn或設計航速的一半，兩者中取大者。

所以，電力推進船舶航行狀態發電機配置不需要考慮備用發電機，滿足上述要求即可。

9.5 電力變壓器的預充磁

本項目的2臺電力變壓器容量為3 500 kVA，由于容量較大，需設置預勵磁變壓器為電力變壓器預充磁后起動，目的防止變壓器空載起動使過勵磁或過電流保護繼電器動作而導致起動失敗。由于本項目配置了一套甲板設備配電板，由中壓配電板經甲板變壓器后供電，由此甲板配電板的交流電相序與中壓側一致，因此電力變壓器的預充磁電源來自于甲板設備配電板。

10 結語

我國正在向深?？蒲虚_發領域扎實穩步前進，深潛水工作母船所具備的300m水深的飽和潛水支持作業能力具有里程碑式的歷史意義，是我國目前為止支持潛水深度最大、船舶能力最強的特種船舶。

本項目的一些設計特點為海洋工程其他項目的設計提供了一定技術儲備和技術人才積累。本人首次參與設計此類船舶，如有不妥之處請專家指正。