摘要：动力定位系统作为一种新的定位技术，在深水作业的海洋工程船舶上得到了广泛的应用，随着海洋资源的进一步开发利用，动力定位技术与海洋工程船舶电力系统将相辅相成，以获得更高、更精的发展及应用。本文对海洋工程DP-3船舶电气设计的关键技术进行了论述。
关键词：海洋工程；DP-3船舶；电气设计；关键技术
动力定位系统是一种用于船舶自动定位及保持艏向的闭环控制系统，其功能是通过各种传感器，连续检测船舶实际位置与目标位置的偏差，以及外界风浪流干扰的影响，计算出使船舶保持在目标位置或沿预定轨道运动所需推力的大小及方向，对船舶上各个推进器进行推力分配。DP-3附加标志除冗余设计要求外，还要求单独布置舱室，以处理因失火或进水造成的一个舱室的完全损失，这实际上涉及多个设备的同时失效现象。
一、DP-3动力定位控制系统简介
DP-3动力定位控制系统是中央控制系统(ICS)中最重要的核心系统之一，其工作原理为：根据位置参照系统测得的船位信息与DP传感器系统测得的环境信息，经滤波后得到估算值，根据估算值与期望值进行比较和运算，然后经推进器分配模块计算后发出对各推时器的指令。动力定位系统是动力定位船必要的完整装置，由电力系统、推进器系统和DP控制系统组成。其具有船舶自航，无需拖轮辅助操作、定位方便、机动性好，对天气因素的快速反应、根据作业的需要快速反应，系统先进等优点。
二、电力负荷估算
在确定DP-3型船舶电站配置时，首先要根据船舶的作业特性对工况和作业设备进行分类，然后确定各种工况下作业设备的负荷状态及系数。在对整船用电负荷进行初步估算后，可初步确定发电机组的数量与功率。在此基础上，可估算出机组在不同工况下的负荷率，结合各工况的负荷率，优化发电机组的功率及数量，其原理是既要保证负荷率在各工况下的合理，又要使备用发电机的功率及数量合理。
按DP-3附加标志设计的船舶，发电机组的设置应考虑冗余。在实际设计中，一般增加发电机组的数量及功率，以达到冗余。当缺少任意一台发电机组或任一舱室损失时，确保剩余发电机组的总功率仍能满足DP-3功率定位的要求。
在对DP-3型船舶的电力负荷按正常工况进行估算后，还需对单次故障时相应工况下的负荷进行分析。此时不但要考虑推力器和辅助设备的故障，还要考虑发电机组及配电板单段汇流排的损失，根据单次故障时的动态定位能力分析结果，确定剩余正常工作推进器的负载和为它们服务的辅助设备用电情况。在得到正常状态及单故障状态的负荷分析结果后，根据最大负荷确定电站总功率和发电机组功率与台数。
三、机舱数量对总装机容量的影响
全船电站总负荷基本确定后，需确定发电机容量及数量。对于带有DP-3附加标志的船舶，在单一故障(即一个机舱失效)情况下，必须保持船舶的姿态，这必然会影响机舱数量的确定，当发生单一故障时，机舱内的所有发电机组都会失效，导致电站容量下降，进而影响负荷的使用。
本文以16000t深水铺管起重船为例，单次最大故障负荷为72863kW，考虑到单台机组的可选功率范围在5800～8700kW之间，DP-3要求最大负荷在失去一个机舱的故障情况下。
方案一：整船设4个机舱，单台功率7000kW，当发生单一故障时，考虑到90%的负荷率，其余3台机舱发电机组的数量应为10.4台，所需机组数为11.6台，初选3个机舱共12台，每个机舱配置4台机组，加上失效机舱4台机组，总装机容量达到16台。若3个机舱布置9台机组，单机功率达到8995kW，总装机数量12台。前者总功率为112000kW，后者总功率为107940kW，显然后者更为经济合理。
方案二：机舱共6个，每间机舱配置2台，共12台发电机组。
在发生单一故障时，其余5个机舱配备10台机组，此时每台所需功率为8096kW，全船电站总功率为97142kW，比上述四个机舱12台8995kW的107940kW总功率小得多，经济性更好。因此，最终决定用6个机舱布置12台约为8096kW柴油发电机组。
在确定发电机组的功率及数量后，对全船电网的短路容量进行估算，从而使配电盘电压及断路器分断能力的选型满足短路容量的限额要求。根据DP-3的要求，为提高系统的可靠性及保证设备能力具有较大的裕度和较好的经济性，确定电网电压为11kV，将12台机组分为两个独立的电网，此时短路容量可减少一半，断路器分断能力可采用较低的档次；每个独立电网有6台发电机组，5台机组在正常工况下使用，另一台机组备用，整船使用10台机组。
在选择两个独立电网供电后，计算各独立电网汇流排的负荷。当电网分区或配电板分段较多时，对每个独立的汇流排进行单次故障负荷分析，计算工作可能比较繁琐，但可以独立的计算表格形式进行，最后将最大单次故障工况结果纳入总电力负荷计算书中即可。
因此，16000t深水铺管起重船电站设置6个A60级分隔的独立机舱，每个机舱设置2台11kV、50Hz、7760kW柴油发电机组。电网结构设置为：左右两侧各有两个独立的11kV中压电网，每个电网由3个机舱内的6台发电机组及3段由联络开关连接的配电盘组成。为简化功率管理系统(PMS)的控制方式，采用开环网结构，保证在单次故障时至少有两个配电盘连在一起，提高供电可靠性，便于实现负荷平衡及调整。
四、配电板汇流排负荷校核
在确定单台发电机组的容量、数量和机舱数量后，为保证DP-3在单台故障时能保持动力定位的正常作业，需对配电盘区域内的汇流排负荷进行校核，不仅要校核最大负荷正常工况下的机组负荷率，还要校核各配电盘在单次故障后分段独立工作时其负荷是否合理可行，并提供PMS程序的要求，以便及时调整控制。
以16000t深水铺管起重船为例，在双吊正常DP作业时，单侧电站各汇流排的独立负荷率未过载，因此无论哪个汇流排故障失电，均不会造成剩余发电机在线过载分闸。此时，PMS将自动启动备用发电机并投入电网。这样，故障侧分区电站仍有4台发电机工作，正常侧分区电站仍有6台发电机工作。原则上，整船仍是10台发电机供电，在正常动力定位时，可保证相同最大负荷作业。但为保证故障侧分区变电不因减少两台发电机供电而过载，需将该侧部分供电负荷转换。同时，应确定哪个汇流排更合理地提供转移负载。因此，在单故障情况下，配电盘调整供电后，需计算负荷，并校核各独立分段不会产生过载。
在船舶单机联动工况的单故障分析中，因是单台起重机作业，此时若起重机的2路供电来自两个分区配电盘，可能因两个分区独立电网的电压、频率参数不同，致使起重机用电困难。因此，有必要对单台起重机的供电系统进行协调与调整。原则上，将所有供电转移到非故障区域的配电盘上较合理，计算分段荷载时，应按此原则进行调整。这样，配电设计就需增加起重机供电回路中转换供电的环节。
五、PMS的功能
船舶工程DP-3船因其发电配置复杂、冗余，致使发电机组功率大、数量多、配电复杂，而大功率工作机械负荷及船舶运动负荷的工况转换较为复杂，为提供高可靠性的动力定位供电，防止严重危及船舶安全的过载及失电，必须建立有效、反应快速、可靠且功能强大的PMS系统，尽量避免因某一设备故障或失效导致整个电网过载及整船失电。DP-3船PMS除常规发电机组的启动、同步、卸载、负载平衡、停车等功能外，还需对大功率电力系统中的多段汇流排联络开关进行有效控制，对电力推进系统在线储备功率的计算等功能，为了避免电网过载，还需有限制功率的控制功能及调整推进器负载的功能。因此，海洋工程DP-3船舶的PMS涉及两大领域：①配电盘控制；②负荷控制。包括频率控制、发电机负荷分配、随负荷变动启停发电机、重载启动闭锁、电网恢复供电时重新启动、用电负荷控制及限制、用电设备供电转换、DP失电防止、反馈功率保护、各断路器的控制和保护等。另外，PMS还控制柴油机，包括自动启停、柴油机预润滑、柴油机(冷却水)预热、柴油机报警与检测等。
参考文献：
[1]卢雪松.DP-3动力定位船电力系统设计研究[J].机电信息，2017(06).
[2]祝世奇.海洋工程DP-3船舶电气设计的关键技术[J].船舶与海洋工程，2016(03).