柴油电力推进DP船舶母排联络开关合排运行有关的故障模式分析

夏纯耀　蒋文星　徐方哲

(中国石化上海海洋石油局船舶分公司　上海　201206)

柴油电力推进DP船舶母排联络开关合排运行有关的故障模式分析

夏纯耀蒋文星徐方哲

(中国石化上海海洋石油局船舶分公司上海201206)

摘要为避免母排联络开关合排运行故障对船舶电网产生影响，通过故障穿越分析和试验，实例分析了DP船舶冗余概念及其动力和推进器配置的冗余分组，对于柴油电力推进DP船舶与母排联络开关闭合运行有关的严重的故障模式进行了剖析，介绍了有关故障模式识别的产品(AGP)和相关试验方法。

关键词DP冗余FMEA单点故障高级发电机保护(AGP)电网故障穿越能力

1　DP2船舶故障模式影响分析

随着国内造船业的快速发展和国家深水战略的实施，越来越多的电力推进甚至混合推进船舶将投入到海洋石油公司的船队，它们均带动力定位2级(以下简称DP2)甚至DP3的入级符号，在动力和推进器等系统实现冗余配置[1]，现以勘探312轮为例进行说明。

图1为勘探312轮动力、配电和推进器配置示意图，其动力和推进系统配置分成了左右2个冗余分组：

(1) 左冗余分组。1号柴油发电机、2号柴油发电机、左配电盘、左电站管理系统、左配电、1号首侧推、左全回转推进器，以及它们的辅助系统。

(2) 右冗余分组。3号柴油发电机、4号柴油发电机、右配电盘、右电站管理系统、右配电、2号首侧推、右全回转推进器，以及它们的辅助系统。

图1　勘探312轮动力、配电和推进器配置示意图

对DP2船舶的FMEA(故障模式影响分析)和试验需要重点分析和讨论可能影响超出单一冗余分组的故障模式，防止其影响所有的冗余分组进而导致船舶失去定位能力。2冗余分组之间有管系和电力的联接，为安全起见，通常进入DP作业前应注意以下问题[2]。

(1) 左右燃油供给和淡水冷却系统之间有跨接阀，在DP2操作时需要关闭，防止有燃油污损或者冷却水进空气等情况下影响所有的发电机或推进器。

(2) 左右滑油系统之间需要隔离，如各推进器液压系统自成体系，不能对左右的发电机同时进行滑油净化作业等。

(3) DP控制系统和电站管理系统左右分区之间应有冗余通信联接，且配有能互为热备用的冗余控制器。

(4) 各电压等级的配电盘母排联络开关需要断开以隔离可能严重的单一故障，这类故障可导致全船失电而使船舶失去动力定位能力。

目前，从维护、燃油经济性和排放清洁等方面考虑，越来越多的船舶和平台希望在DP作业时，母排联络开关能闭合运行，这就对整个电网的安全保护提出了新的要求，以下先列出与母排联络开关合排运行相关并会影响整个电网的严重故障模式，继而讨论具体的解决方案。

2　与母排联络开关合排运行有关的严重故障模式

2.1调速器故障

如旧的机械式松动会引起柴油机飞车，油门拉杆抖动或者卡在最大开度，进而可能导致和其并车运行的发电机因逆功保护而脱扣，再其本身也会因超速保护而停机，进而造成整个电网失电。

2.2发电机调压器故障

和调速器故障类似，如有单台发电机欠励，过励和励磁抖动会对整个船舶电网带来冲击。

2.3穿越整个电网的可能导致全船失电的严重故障

如：①有待并发电机同步器故障，或者并车操作(误操作)失败会冲击整个电网；②当并车运行的发电机负载在较高水平时，有单台突然停机，引起剩下发电机过载(因为普通电站管理系统自动减负载的动作时间较长，在其动作前，发电机就有可能因过载而保护停机，或者发电机开关因欠频而脱扣)，导致全船失电；③母排短路或者断相：如果母排发生短路，短路电流瞬时峰值将会超过短路前电流值的10倍，直接冲击并车运行发电机无功功率分配的稳定性，而且短路还会带来过大的瞬时电压降，如电站保护没有考虑到这一故障模式并进行正确的整定将会引发严重的后果，如和非短路母排联接的发电机或者负载脱扣动作，并引发隐藏的故障，直接导致全船失电。短路带来的瞬时电压降还可能使这些开关保护动作并对相关设备造成冲击；④大功率设备起动带来的瞬时电压降；⑤大功率起重设备再生制动故障时带来的冲击；⑥船舶电站管理系统故障，如发出错误的发电机并车(合排)或者大功率设备“充许启动”的指令，将会冲击整船电网；⑦其他，如大功率AFE变频器的前端故障可能给整个电网冲击。

3　AGP工作原理

常规的发电机和电站保护装置已经不能识别并快速隔离2.1和2.2的故障模式，因此各大电气系统集成商及专业的公司已经开发出了能持续监控发电机和调速器和调压器运行情况，对上述故障模式进行检测，及时断开母排联络开关并隔离故障的发电机的产品。相关产品并得到了船级社认可，这类产品一般称为高级的发电机保护系统(advanced generator protection systems，AGP)。其工作原理如下。

3.1投票筛选功能

AGP持续监控并比较并车运行各台发电机的动态数据，如有功和无功功率的变化，数据异常时能快速甄别出故障发电机[3]。如一电网3台发电机并车运行，其中2台发电机因为油品问题同时输出功率下降并不稳定，引起健康发电机过载。传统的电站保护只可能脱掉过载的健康发电机，然后故障发电机会因为欠频等原因脱掉而造成全船失电。而AGP的投票功能能结合比较各发电机的功率和母排频率，如果发电机都能发出更大的功率，母排频率将升高；而有故障发电机因为不能为电网上载更多的功率，反而导致母排频率下降。经过判断甄别出故障发电机，从而在传统发电机保护装置动作前快速断开母排联络开关。

3.2发电机特性一致性预测

并车运行的发电机需要有类似的调速特性和调压特性，如图2a)，发电机的调速特性应在向下倾斜的方框范围内，但如果检测到发电机G1工作点虽然在方框范围内，但却在接受逆功；而发电机G2的工作点已经偏移到方框范围外如图2b)，则可以判断G2发电机调速器故障，如卡在全油门位置，抢掉了G1的有功功率，而导致其处于逆功状态。这时，AGP会快速切断故障发电机。而传统的发电机保护会因健康发电机因承受故障发电机的功率而被逆功保护脱掉，而后故障发电机才会因超速(频)保护而脱扣(停机)，进而引起全船失电。

图2　发电机调速特性图及故障时特性点位置变化

4　船舶电网的故障穿越(隔离故障恢复)能力

母排联络开关闭合运行时，为隔离2.3项所列的故障模式，即能快速隔离故障母排和设备，而和故障段非直接连接电网能快速恢复。这就对整个电网和用电设备的保护和整定等提出了更高的要求，即整个电网的故障穿越(隔离故障恢复)能力。

母排联络开关需要在DP作业闭合运行时，就需要对整个电网进行分析，并重点考虑如下情况。

(1) 整个电网的电压降穿越能力，严重短路故障后造成的电压降可能造成非直接影响的发电机，联络开关，大功率负载开关的欠压保护脱扣或者负载自身保护停机。这一试验能揭示隐藏的故障，试验要模拟理论计算的最大电压降和最长的持续时间。

(2) 母排联络开关的过电流保护整定，严重短路故障后母排联络开关能快速断开以隔离故障而保护健康发电机和负载。

(3) 故障后仍需要在网运行发电机的暂态稳定性，故障会对其造成冲击，如引起并车运行的发电机失步等。

(4) 发电机的励磁系统在故障后的恢复时段不会因为过压脱扣健康发电机和负载开关。

(5) 大功率驱动器如推进器变频器的直流母排不会因过流保护而停机。

(6) 整个电网不会因为同步控制故障而造成全船失电，这一故障可能是误操作引发。

(7) 接地保护的整定。

(8) 其他故障模式。

分析实验可以计算机模拟但还需要实船测试。

5　故障穿越和接地试验方法

经过IMCA(国际海事承包商协会)和相关的行业统计，至少有数十起DP事故和母排联络开关闭合运行有关。2013年第一季度，美国海岸警卫队调查了墨西哥湾的一起海上钻井平台的事故后发现，该平台电站是母排合排运行，由一推进器维护后连接电网启动带来的瞬时电压降引起。为此该机构发布了05-13号海事安全警告：海上移动钻井平台(船舶)的检验需要保证其推进器驱动装置在电站系统受到冲击时的故障穿越能力。试验应测试电站母排受到严重冲击如短路时的系统反应。故障穿越能力是DP冗余概念的重要且必需部份，并需要按MTS(海事技术协会)制定的“DP船舶设计原理指导”的9.2.5节进行现场测试如模拟母排短路和接地试验，这些测试需要结合船舶DP验证试验进行(如船舶5年DP检验)。所以，普通DP2/3船舶和平台电站推荐母排联络开关断开进行DP作业。

母排联络开关需要闭合运行的船舶电网需要做相关试验以验证其性能，DP2/3船舶的FMEA也需要做这类试验。

由于这类试验通常具有破坏性，为保证设备及人员的安全，试验前应做好风险评诂，并保障人员和设备的安全。DP协会(DP COMMITTEE)于2014年10月给出的实验的指导如下,如图3所示，使用配电板内一个容量较大的开关接一根能承受全短路电流的电缆并且开关能遥控操作，全程记录模拟短路前后的数据见图4，母排联络开关在短路出现后约200 ms时动作，隔离了故障母排。

图3　模拟短路试验方法示意图

图4　短路实验数据跟踪图

具体试验方法可参考DP协会技术和操作指导出版的DP船舶电站故障穿越能力测试方法。

收稿日期：2015-05-14

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.054