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钻井船DP3控制系统构架浅析

2022-09-21朱静波

船舶与海洋工程 2022年4期
关键词:舱室推进器钻井

朱静波

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司,上海200137)

0 引 言

当前,动力定位(Dynamic Position,DP)系统已在船舶及海洋工程领域得到广泛应用。装备有DP系统的船舶可进行海上定位工作、海上支援、支援潜水作业、浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)及穿梭油船定位、铺管和海底挖掘等工作。DP系统是指不借助锚泊系统,通过测量系统检测到船舶的实际位置与目标位置的差异,计算出所需推力的大小和方向,并将这些推力合理地分配给推进器,由此抵抗外界的影响力(风、浪、流作用力),利用船舶自身的推进器保持一定的位置和艏向,或按预定的轨迹运行的闭环系统。

国际海事组织(International Maritime Organization,IMO)根据冗余度的不同将DP的等级划分为1级、2级和3级。第3级作为附加标志的最高等级,规定在单个舱室失效的情况下,系统依然能手动或自动维持海洋结构物的位置和艏向。本文主要对钻井船DP3控制系统进行分析。

1 项目概述

海洋工程船一般是远离海岸作业的工程船,因故障而停产或返厂维修的成本非常高。为降低此类船舶发生故障的可能性,出现了DP2控制系统和DP3控制系统。DP3控制系统对单点故障的承受力更强,与DP2控制系统不同的是,DP3控制系统需要A60分割,必须有备用DP控制室,其最大单点故障是1个动力舱室,例如1个机舱或中压配电板间;任何1点或1条线发生故障,甚至是动力舱室或控制舱室发生火灾或浸水,不仅能保持船位,而且能使船舶正常在海上作业。本文所述船舶需满足美国船级社(American Bureau of Shipping,ABS)规范的要求,通过对IMO与ABS的DP附加标志进行对比可看出:ABS的DP3规定任何一舱失火或浸水情况下,仍能自动保持船位和艏向;在相应规格下,IMO规定当设备标记为3级设备时,在任一舱室失火或浸水的情况下,不会造成船舶位置丢失。钻井船的电力系统采用的是11 kV的中压系统,由3组中压发电机形成整船的电力系统,同时每组2台7 000 kW中压发电机分别安装在A60防火分割的3个机舱内,3条主电力系统采用A60防火分割,从相对应的中压配电系统到变压器,再到440 V低压配电板,都采用A60防火分割;3个中压配电板对应的推进器分别是左前推进器T2和左后推进器T5,前中推进器T1和后中推进器T4,右前推进器T3和右后推进器T6,其中T5和T6在船舶航行时使用,保证船舶航速大于11 kn。

2 DP3控制系统构架

2.1 系统组成

根据船级社规范的规定,在带有DP3的船舶中,主要动力系统的设备和数量必须按照规范要求提供:发电机和原动机要冗余,舱室分开;主配电板要2个,舱室分开;推力器要冗余,舱室分开等。因此,钻井船的DP3控制系统配备的主要设备都是在满足规范的要求的基础上选取的。

钻井船DP3控制系统框架见图1,该系统共有4个层级。

图1 钻井船DP3控制系统框架

1)第一级:HMI人机界面,钻井船共有3套,其中,WS01和WS02作为主工作站装在驾驶室内,WS03作为备用工作站装在备用DP控制室内。DP3网络系统分成2组(网络A和网络B),必须采用A60防火分割。当网络A上的某点发生故障时,系统会自行判断并通过网络B获取数据,反之亦然。

因此,3组工作站分别接入网络A和网络B,进行数据传输,显示和记录各设备的状态信息,控制整个DP系统。

2)第二级:DP3系统的控制器,是整个系统的心脏,钻井船共有4套,其中,CC01、CC02和CC03作为主控制器装在主DP设备间,CC04作为备用控制器装在备用DP控制室内。4台控制器也同时并联接进DP3控制系统的网络A和网络B中,同时也连接下一级的各传感器系统,成为采集、处理和传输信息的中心。各组控制器之间互相连接形成环形网络,使得当有1台主控制器瘫痪时,另外3台之间仍能正常传递信息,当3个主控制站都瘫痪,或安装这些主控制站的房间着火时,备用控制站能继续工作。

3)第三级:就地传感器系统,钻井船具有3台陀螺罗经、3台风速风向仪、3套垂直面参考系统、2套差分全球定位系统(Differential Global Position System,DGPS)和3套声呐水下测深系统等,这些传感器分别接入对应的主控制器中,同时第三套传感器接入备用控制器CC04中,形成备用功能。

能源系统负责为推力器提供动力和为各种辅助系统供电。动力系统包括发电单元、供电单元和配电单元。同时,配置不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS),防止因发生故障而突然失电。

推力系统用于产生力和力矩,抗衡作用于船上的干扰力和干扰力矩。

产生推力的装置主要是螺旋桨,在DP系统中应用比较多的是普通螺旋桨、导管螺旋桨和隧道螺旋桨等。本文所述钻井船项目中的推进器布置示意图见图2。

图2 钻井船推进器布置示意图

钻井船的DP3控制系统分为主DP系统和备用DP系统,二者之间既互相连接又互相独立。

2.2 系统供电

DP3控制系统的UPS也应满足冗余和A60防火分割的要求。根据规范的要求,DP系统的设备均需由专用的DP UPS供电,不能与其他的UPS混合供电。

钻井船共设有3套DP UPS,2套主的UP UPS安装在驾驶室内,1套备用的UP UPS安装在DP备用间内。每台DP控制器都需要2路供电,一路采用DP UPS供电,另一路采用应急配电板供电,但因项目的特殊性,可看到CC03控制器一路由自动化UPS供电,原因是:系统本身只有2套主UPS;同时,一路供电来自自动化UPS,可使主DP系统的2套主UPS发生故障时,主系统能继续有供电运行。这一点可与船级社协商讨论。

2.3 系统接口

在DP系统连接的网络A和网络B上,同时连接有网络开关盒NSB(Net Switch Box)和FS(Field Station)工作站(FS工作站是分布在全船的自动化信号采集站,这些站将采集的信号通过快速以太网高速地在各控制站之间控制和传输),这样构成了整个船舶控制网络系统。各系统之间通过网络A和网络B传输信号,并使整个网络既独立又互相连接。钻井船的网络系统采用快速以太网传输信号,整个网络是冗余的,即划分为互为备份的网络A和网络B。系统的接口有船舶服务器、防井喷设备和子母钟等。

3 结 语

钻井船DP3控制系统有一个非常重要的概念,即DP系统冗余,通过对比该项目的具体实施方案与ABS对DP3控制系统的要求可知,本文所述方案完全满足要求,整个钻井船网络系统的安全性和可靠性得到了重要的支持和维护,有效降低了故障和损害发生概率,冗余度符合DP3船舶标志的要求,从多个方面保证了船舶高效稳定地作业。以可靠的网络支持更精准的控制,使得定位的精度更高,对船舶在整个作业过程中的安全操作起到最根本的保障作用,完全靠自身产生的推力定位,不需要依靠外部设备。表1为本文所述钻井船实施方案与ABS的DP3要求对比。

表1 钻井船实施方案与ABS的DP3要求对比

此外,系统的原理考验了生产设计铺设电缆的更高要求,在进行电气生产设计,需考虑实际走线,在物理上满足DP3设备的分割冗余要求,电缆走向也是如此,需要详细设计与生产设计紧密相结合。

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