动力系统在船舶电力推进动力定位中的应用探讨
姜玉林
摘要：本文概述了船舶电力推进动力定位系统的原理、组成、特点和应用，以及为确保该综合技术的广泛应用，必须进行的各种试验。望本论文对船员在船舶电力推进动力定位中的理论水平和实际操作技能的提高会有一定的帮助。
关键词：船舶 电力推进 动力定位
动力定位（DP）是指不用抛锚，而由船载计算机自动控制推进器来保持船舶或浮动平台位置的技术。定点控制、航迹控制、循线控制、跟踪控制等都属于动力定位范畴。
动力定位技术是一项跨学科的船舶综合控制技术，具有作业海域范围广，机动性好等突出的技术优势，被广泛应用于海洋矿石钻探采样、海底安装作业、钻井勘探作业、海工吊装、潜水支持、油井维修和改装、油田守护供应、海底管线敷设、水下机器人（ROV）跟踪、沉船勘探打捞和清除、挖泥船作业、海洋科考等作业，是开发海洋资源，建设海洋经济不可或缺的设备。
1 船舶动力定位系统的原理和组成
动力定位系统是一个闭环调节系统，其基本原理是：使用精密、先进的仪器来测定船
舶或平台因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过计算机等自动控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，使船舶或平台回复到原有的位置。
动力定位系统包括动力系统、推进器系统、动力定位控制系统和测量系统，图1是DP系统的组成方框图。
动力系统是指给整个动力定位系统提供电力，并负责电源的分配和管理。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。包括发电机和原动机，主配电板，功率管理系统和不间断电源UPS。
推进器系统包括主推进器、舵、侧推，全回转推进器、推进器控制器等等，它是动力定位系统的执行部分，常用电动机或柴油机驱动推进器。主推进装置可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如Z型推进，SSP推进等。各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。
动力定位控制系统包括控制器和测量系统。控制器是动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，将船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，输入到控制器中。控制器对测量系统提供的数据进行分析和运算，并给出推力器的控制指令。对动力定位系统的故障进行检测及报警，显示系统的工作状态。
2 船舶动力定位执行机构即电力推进系统的特点
电力推进作为船舶的新型推进动力，发动机与螺旋桨之间无任何机械联系，仅在发电机与推进电动机之间有电气连接，是船舶推进系统的创新，体现了“绿色航运”、“绿色船舶”环保节能理念，深受世界航运与船舶领域的青睐。
与传统的由发动机-传动轴-螺旋桨组成的机械式船舶推进系统相比，电力推进系统具有下列的优点：
1.经济性好：发动机以恒转速、最佳负荷运转，推进效率和运行效率高。机械设备总量减少，节约了维修保养费。与同功率机械推进系统相比，可减少油耗10%～15%，航速可提高0.5节以上。
2.性能提升：操纵控制方便，起动加速性好，换向时间短，制动快，正反车速度切换快，可极大地提高船舶的操纵性，发挥出最佳的使用技术性能和战术技术性能。
3.生命力强：柴油机推进的船舶，一旦发动机重要部件或舵机、轴系出现故障时往往导致瘫船。而电力推进系统使用多台发动机，具备足够的安全冗余，在个别机组发生故障时不致丧失动力。
4.节省空间：重量轻，体积小，改善了机舱布置，使动力装置安排更加合理，提高了有效舱容率。
5.环保：燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，有利于船舶控制环境污染。
6.实现自控：有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动化控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准。
7.优化机舱：机械噪声大幅度下降，振动减少，工作区整洁，减少废气排放，环境质量得到改善。维修工作量大幅减少，可减少人员编制。
但电力推进系统也具有不足之处：
1）电力推进装置本身成本较高，增加约25%。
2.）能量损失。
3 动力定位系统的各种试验（主要指动力系统部分）
为了确保船舶电力推进动力定位的正确实施，必须根据船级社的要求，进行各种试验，主要有：
3.1.系泊试验
1）动力系统系泊试验的各组成部分，如发电机，发电机原动机，主配电板等，应满足船舶建造检验的一般要求。另外还应进行下列检验：发电机组一台发电机组不投入运行，并联运行其他发电机组，逐个启动几台功率较大的推力器电动机。启动期间引起的电压降不超过15%。
动力系统中的发电机的台数和容量：（a）在起动推力器的电动机时，尤其是在一台发电机不能工作时，起动期间引起的主汇流排上的瞬态电压变化不应超过额定电压﹣15%。（b）如果安装的推力器的总功率超过了所配置的发电机的总功率，则应采取连锁或推力限制措施来防止动力装置的超载。（c）在选择发电机的台数和类型时，应考虑可能在DP推力器操作中出现的高电抗负载。
2）动力管理系统
（1）进行发电机的自动并联及自动解列试验。动力管理系统应能在运行的发电机负荷较重时，自动启动备用发电机投入电网，即自动并联。并在运行的发电机负荷较轻时，自动切断一台发电机的供电并停止其原动机的运转，即自动解列。建议自动并联可设置在单台发电机的输出功率的大约85%时进行。自动解列可设置在单台发电机的输出功率低于额定功率的大约30%时进行。
（2） 系统的各个重负荷均应进行重负荷询问试验。在其启动前应向动力管理系统发出询问信号，动力管理系统根据运行发电机的功率裕量发出允许启动指令。否则要在启动备用发电机后再发指令。当整个动力系统的功率裕量都不足以启动负载时，则禁止启动，这就是负载询问（或称大功率询问、重载询问）。
（3） 试验高电力负荷报警功能。当总的电力负载超过运转中发电机总容量的预定百分比时，应发出报警。报警的设定值应在运转容量50%至100%之间可调，该报警的设定值可设于自动并联时的功率百分比之上。
（4） 推力器负载自动调整功能的试验。运行发电机负荷超过100%时，推力器应降低功率运行。在发电机输出功率超过设定值时，验证推力器进行自动降速。
（5）注意动力定位系统控制器与动力管理系统的协调。
3）配电板
（1 ）检查主配电板汇流排的分段及其连接，对于DP-3附加标志，每一汇流排要以A-60进行分隔，在每个分隔内均应设有断路器连接。
（2） 在DP控制中心，应设置连接显示器，显示发电机的在线功率储备，即在线发电机的容量与输出功率的差。对于分段式汇流排，则每一分段要设置这种指示器。
4） 不间断电源UPS：每一个动力定位计算机系统必须提供不间断电源UPS，以确保在任何动力故障下不会影响一台以上的计算机。不间断电源电池的容量需支持至少30分钟的操作。
3.2 航行试验
动力定位系统的航行试验要根据船舶实际情况与设计部门及船厂商定。联合操纵杆模式的动力定位系统可进行航迹控制，可采用保持艏向和保持船位的旋转试验其有效性及控制精度。
自动模式的试验动力定位系统是根据人工输入的艏向和船位自动定位并加以保持。
注意：在整个系统进行操作时，至少有连续2小时的气候条件达到一定水平，即使推力器上的平均载荷达到50%或更高。当环境条件无法达到上述要求时，可推迟到适当场合下作为一个特殊的试验来进行。
3. 3 故障模式与影响分析试验FMEA
IMO（国际海事组织）将动力定位按冗余度分为0级、1级、2级和3级。对应于IMO的动力定位冗余级别划分及配置要求，各船级社的定义和规定也略有差别，具体可参见各船级社规定。
对2级和3级冗余度动力定位系统，各船级社需要检验“故障模式效果分析”（FMEA）。.针对动力定位系统本身，和具体船配各系统进行模拟故障试验。验证单一的设备或系统（包括任一套动力定位系统）发生故障时，不会影响或者说是不会中断整个动力定位系统的操作，保证该船不会丧失动力定位能力，即体现整个动力定位系统的冗余度。
参考文献
[1]DP OPERATOR`S HANDBOOK by Captain David Bray FNI Published by The Nautical institute 2011
[2]动力定位检验指南. 中国船级社 2002
[3]6000 HP 平台供应船动力定位系统简介. 谢家纯. 船舶设计通讯， 第1期， 2006年6月
[4]船舶电气工程.主编： 马伟明、张晓锋、焦侬、邹孟奇、李杰仁、周平、陆嘉明.中国电力出版社
[5]未来船舶推进系统的主宰——船舶电力推进系统.黄育俭.第六届中国国际救捞论坛，2010 论文集届中国国际救捞论坛，2010 论文集
摘要：本文概述了船舶电力推进动力定位系统的原理、组成、特点和应用，以及为确保该综合技术的广泛应用，必须进行的各种试验。望本论文对船员在船舶电力推进动力定位中的理论水平和实际操作技能的提高会有一定的帮助。
关键词：船舶 电力推进 动力定位
动力定位（DP）是指不用抛锚，而由船载计算机自动控制推进器来保持船舶或浮动平台位置的技术。定点控制、航迹控制、循线控制、跟踪控制等都属于动力定位范畴。
动力定位技术是一项跨学科的船舶综合控制技术，具有作业海域范围广，机动性好等突出的技术优势，被广泛应用于海洋矿石钻探采样、海底安装作业、钻井勘探作业、海工吊装、潜水支持、油井维修和改装、油田守护供应、海底管线敷设、水下机器人（ROV）跟踪、沉船勘探打捞和清除、挖泥船作业、海洋科考等作业，是开发海洋资源，建设海洋经济不可或缺的设备。
1 船舶动力定位系统的原理和组成
动力定位系统是一个闭环调节系统，其基本原理是：使用精密、先进的仪器来测定船
舶或平台因风、浪、流作用而发生的位移和方向变化，通过计算机等自动控制系统对信息进行实时处理、计算，并自动控制若干个不同方向的推进器的推力大小和力矩，使船舶或平台回复到原有的位置。
动力定位系统包括动力系统、推进器系统、动力定位控制系统和测量系统，图1是DP系统的组成方框图。
动力系统是指给整个动力定位系统提供电力，并负责电源的分配和管理。一般的船舶电站可兼作动力系统，但应满足一些特殊要求。包括发电机和原动机，主配电板，功率管理系统和不间断电源UPS。
推进器系统包括主推进器、舵、侧推，全回转推进器、推进器控制器等等，它是动力定位系统的执行部分，常用电动机或柴油机驱动推进器。主推进装置可兼作动力定位系统的推力器，在船舶进入动力定位运作模式时，由动力定位系统的控制器进行控制。为提高定位能力，主推进装置可设计为全回转推进器，例如Z型推进，SSP推进等。各推力器的工作组合应产生横向、纵向推力及回转力矩。
动力定位控制系统包括控制器和测量系统。控制器是动力定位系统总的控制部分，一般采用计算机控制的方法。测量系统包括位置参照系统、电罗经、风向风速仪、倾角仪等，将船舶的船位、艏向、纵倾横倾角等船舶状态，以及风向、风力、流速等环境条件，输入到控制器中。控制器对测量系统提供的数据进行分析和运算，并给出推力器的控制指令。对动力定位系统的故障进行检测及报警，显示系统的工作状态。
2 船舶动力定位执行机构即电力推进系统的特点
电力推进作为船舶的新型推进动力，发动机与螺旋桨之间无任何机械联系，仅在发电机与推进电动机之间有电气连接，是船舶推进系统的创新，体现了“绿色航运”、“绿色船舶”环保节能理念，深受世界航运与船舶领域的青睐。
与传统的由发动机-传动轴-螺旋桨组成的机械式船舶推进系统相比，电力推进系统具有下列的优点：
1.经济性好：发动机以恒转速、最佳负荷运转，推进效率和运行效率高。机械设备总量减少，节约了维修保养费。与同功率机械推进系统相比，可减少油耗10%～15%，航速可提高0.5节以上。
2.性能提升：操纵控制方便，起动加速性好，换向时间短，制动快，正反车速度切换快，可极大地提高船舶的操纵性，发挥出最佳的使用技术性能和战术技术性能。
3.生命力强：柴油机推进的船舶，一旦发动机重要部件或舵机、轴系出现故障时往往导致瘫船。而电力推进系统使用多台发动机，具备足够的安全冗余，在个别机组发生故障时不致丧失动力。
4.节省空间：重量轻，体积小，改善了机舱布置，使动力装置安排更加合理，提高了有效舱容率。
5.环保：燃油燃烧质量好，燃烧产物中的氮氧化物含量少，有利于船舶控制环境污染。
6.实现自控：有利于进行计算机网络管理，有助于实现系统的自动化控制，全面提升船舶信息化、智能化、自动化水准。
7.优化机舱：机械噪声大幅度下降，振动减少，工作区整洁，减少废气排放，环境质量得到改善。维修工作量大幅减少，可减少人员编制。
但电力推进系统也具有不足之处：
1）电力推进装置本身成本较高，增加约25%。
2.）能量损失。
3 动力定位系统的各种试验（主要指动力系统部分）
为了确保船舶电力推进动力定位的正确实施，必须根据船级社的要求，进行各种试验，主要有：
3.1.系泊试验
1）动力系统系泊试验的各组成部分，如发电机，发电机原动机，主配电板等，应满足船舶建造检验的一般要求。另外还应进行下列检验：发电机组一台发电机组不投入运行，并联运行其他发电机组，逐个启动几台功率较大的推力器电动机。启动期间引起的电压降不超过15%。
动力系统中的发电机的台数和容量：（a）在起动推力器的电动机时，尤其是在一台发电机不能工作时，起动期间引起的主汇流排上的瞬态电压变化不应超过额定电压﹣15%。（b）如果安装的推力器的总功率超过了所配置的发电机的总功率，则应采取连锁或推力限制措施来防止动力装置的超载。（c）在选择发电机的台数和类型时，应考虑可能在DP推力器操作中出现的高电抗负载。
2）动力管理系统
（1）进行发电机的自动并联及自动解列试验。动力管理系统应能在运行的发电机负荷较重时，自动启动备用发电机投入电网，即自动并联。并在运行的发电机负荷较轻时，自动切断一台发电机的供电并停止其原动机的运转，即自动解列。建议自动并联可设置在单台发电机的输出功率的大约85%时进行。自动解列可设置在单台发电机的输出功率低于额定功率的大约30%时进行。
（2） 系统的各个重负荷均应进行重负荷询问试验。在其启动前应向动力管理系统发出询问信号，动力管理系统根据运行发电机的功率裕量发出允许启动指令。否则要在启动备用发电机后再发指令。当整个动力系统的功率裕量都不足以启动负载时，则禁止启动，这就是负载询问（或称大功率询问、重载询问）。
（3） 试验高电力负荷报警功能。当总的电力负载超过运转中发电机总容量的预定百分比时，应发出报警。报警的设定值应在运转容量50%至100%之间可调，该报警的设定值可设于自动并联时的功率百分比之上。
（4） 推力器负载自动调整功能的试验。运行发电机负荷超过100%时，推力器应降低功率运行。在发电机输出功率超过设定值时，验证推力器进行自动降速。
（5）注意动力定位系统控制器与动力管理系统的协调。
3）配电板
（1 ）检查主配电板汇流排的分段及其连接，对于DP-3附加标志，每一汇流排要以A-60进行分隔，在每个分隔内均应设有断路器连接。
（2） 在DP控制中心，应设置连接显示器，显示发电机的在线功率储备，即在线发电机的容量与输出功率的差。对于分段式汇流排，则每一分段要设置这种指示器。
4） 不间断电源UPS：每一个动力定位计算机系统必须提供不间断电源UPS，以确保在任何动力故障下不会影响一台以上的计算机。不间断电源电池的容量需支持至少30分钟的操作。
3.2 航行试验
动力定位系统的航行试验要根据船舶实际情况与设计部门及船厂商定。联合操纵杆模式的动力定位系统可进行航迹控制，可采用保持艏向和保持船位的旋转试验其有效性及控制精度。
自动模式的试验动力定位系统是根据人工输入的艏向和船位自动定位并加以保持。
注意：在整个系统进行操作时，至少有连续2小时的气候条件达到一定水平，即使推力器上的平均载荷达到50%或更高。当环境条件无法达到上述要求时，可推迟到适当场合下作为一个特殊的试验来进行。
3. 3 故障模式与影响分析试验FMEA
IMO（国际海事组织）将动力定位按冗余度分为0级、1级、2级和3级。对应于IMO的动力定位冗余级别划分及配置要求，各船级社的定义和规定也略有差别，具体可参见各船级社规定。
对2级和3级冗余度动力定位系统，各船级社需要检验“故障模式效果分析”（FMEA）。.针对动力定位系统本身，和具体船配各系统进行模拟故障试验。验证单一的设备或系统（包括任一套动力定位系统）发生故障时，不会影响或者说是不会中断整个动力定位系统的操作，保证该船不会丧失动力定位能力，即体现整个动力定位系统的冗余度。
参考文献
[1]DP OPERATOR`S HANDBOOK by Captain David Bray FNI Published by The Nautical institute 2011
[2]动力定位检验指南. 中国船级社 2002
[3]6000 HP 平台供应船动力定位系统简介. 谢家纯. 船舶设计通讯， 第1期， 2006年6月
[4]船舶电气工程.主编： 马伟明、张晓锋、焦侬、邹孟奇、李杰仁、周平、陆嘉明.中国电力出版社
[5]未来船舶推进系统的主宰——船舶电力推进系统.黄育俭.第六届中国国际救捞论坛，2010 论文集届中国国际救捞论坛，2010 论文集
