DP―3动力定位冗余系统设计与分析
摘要：介绍国际海事组织对DP-3动力定位冗余系统的基本要求，分析目前主流的设计与系统布置上的要求。通过实际的工程实例，对比分析两种不同的设计思路以及两种冗余系统FMEA的接受标准，可作为工程设计的参考。
关键词：动力定位；冗余；DP-3
随着海洋钻探从浅海向深水及超深水区域发展，传统的锚泊定位系统锚链长度和强度都要增加，进而船舶重量增加，钻井甲板上的可变载荷减小，设备布置困难等缺点随之出现。同时，锚泊定位系统也有自身的缺点，其较低的弹性和流体动力阻尼等使船舶一直暴露在风浪流的影响下，操作性和安全性都受到影响。因此，发展高性能的动力定位系统（Dynamic Positioning System）成为深水海洋钻探的趋势。
自上个世纪60年代起，伴随着北海区域以及墨西哥湾海上油气田的开发，几大船级社、当地行业组织以及国际行业协会等对动力定位系统规范进行了大量的研究，并出台了众多的规范。1994年国际海事组织出台了MSC Circ.645《GUIDELINES FOR VESSELS WITH DYNAMIC POSITIONING SYSTEMS》作为目前对动力定位系统的一个统一的法定要求。随后，以DNV、ABS、LR、CCS等船级社为代表，以MSC Circ.645为基本准则，相继发展了自己的最新规范。
1.DP-3动力定位系统冗余理念的发展
虽然从20世纪早期已经有很多国外公司研究生产船舶、海洋平台的动力定位系统，但是从真正意义上的自动动力定位系统起源于1961年，当时采用了四点系泊加四台手动可调螺旋桨，另外艏艉各配备一台360度全回转推进器，1971年自动动力定位系统第一次应用于航海钻井。随着技术的发展，1980年，全球卫星定位系统（GPS）被引入，大大提升了系统的定位精度。直到现在，DP-3动力定位系统的设计与物理双冗余的高冗余度概念以及闭环电网技术的采用，大大提升了系统的可靠性，并且降低了系统能耗。
根据MSC Circ.645通函的基本准则，DP-3动力定位系统与DP-1以及DP-2动力定位系统的根本区别就在于系统设计的冗余度高低。对DP-3动力定位系统的设计以及图纸审查核心就是确认其系统布置冗余度是否满足规范要求，并且在建造完工后要通过FMEA试验验证其冗余功能达到预期的设计。
行业规范的制定与区域性行业的发展是密不可分的，由于北海地区以及墨西哥湾海上油气田的开发，也直接促使了DNV和ABS动力定位规范的发展。因此，目前的动力定位系统规范主要以DNV和ABS为代表。与其相对应，国际上动力定位系统的设计与图纸审查形成了两大理念：完全冗余理念与不完全冗余理念。
2.IMO通函以及各船级社规范对DP-3动力定位的要求
动力定位系统发展到今天，其基本的结构主要由动力系统、推进器系统、控制系统以及传感器等系统组成。IMO、DNV以及ABS以及其他船级社或组织对DP-3动力定位系统的系统布置与设备配备的要求基本是一致的，简要说明如表1所示：
MSC Circ.645通函对DP-3动力定位系统的基本要求：在系统出现单项故障（包括由于失火或进水造成一个舱室的完全损失）后，可在规定的环境条件下，自动保持平台或船舶的位置和艏向。DP-3动力定位系统的单项故障的界定包含一个舱室进水或者失火，因此，上表中描述的物理冗余系指冗余系统或设备与主系统之间应进行分舱布置，并进行水密和A60防火的隔离，这是DP-3设计的核心原则。
3.分析对比两种不同的冗余度设计理念
由于动力定位系统的综合性、复杂性，在实际的设计以及工程应用中，仅仅依靠MSC Circ.645通函中的基本要求往往不足以指导具体的工程实践。因此DNV和ABS通过大量的工程实践，在其规范体系中给出了一些具体的实际应用注释，在这些注释中就体现了他们各自对DP-3冗余系统的理解。下面以两个DP-3冗余动力定位系统中的子系统的设计为例简要说明其区别：
3.1动力系统一燃油系统
一般欧洲设计公司设计的DP-3冗余燃油系统在燃油柜、燃油供给泵及其电源、燃油管线的布置上是完全冗余的，即完全布置在其对应的机舱内，然而在燃油净化环节，即分油机的布置则不进行完全冗余，在冗余机舱外布置单独的分油机间，向几个冗余机舱同时供给燃油，且燃油净化单元的供电电源没有冗余布置的特别要求。这种系统设计进行FMEA分析时，认为即使分油机间完全丧失，各冗余机舱内的燃油柜还有燃油供给，DP-3控位能力不会即刻丧失。DNV对这种设计是给予认可的，其布置如图1所示。
而美国设计公司的理念则为完全冗余，即燃油系统中的燃油柜、燃油泵及其电源、燃油管线以及燃油净化单元完全冗余，完全布置在其对应的机舱内，此时，每个机舱内的燃油净化单元由本机舱内发电机供给，即完全冗余的对应关系。这种设计在做FMEA时，不存在上述分油机间的完全丧失的故障模式，每个机舱内的燃油系统与发电机组都自成系统，冗余机舱之间不会存在故障的蔓延。ABS在DP-3的设计上认可这种设计理念，其布置如图2所示。
3.2动力系统一起动空气系统
起动空气系统两种不同的DP-3冗余设计理念的原则与上述燃油系统基本相同，即每个冗余的机舱内有专供本机舱使用的起动空气瓶，正常情况下其内充满符合起动要求的压缩空气。非完全冗余设计时，在机舱外部设有一个独立的起动空压机室，可用于所有冗余机舱的空气瓶充气，空压机的供电电源没有冗余布置要求，这种设计理念在FMEA时，认为即使空压机室完全丧失，各冗余机舱内仍然有起动空气用于必要时的发电机组起动，不会丧失DP-3控位能力。而在完全冗余设计时，每个机舱都有自己专用的空气瓶和空压机用于发电机组的起动，且空压机的供电电源与其所在机舱的发电机组成冗余对应关系，即其电源来自其所在机舱的发电机组。在FMEA时，各个冗余机舱之间没有相互影响。其布置区别如图3所示。
3.3冗余度高低的取决
在近些年来的实际工程设计中，除了上述燃油系统和起动空气系统外，其他的诸如海水系统、淡水系统、滑油系统等动力定位子系统的设计，在完全冗余与非完全冗余之间，也或多或少的存在一些差异。如采用完全冗余的设计时，系统的冗余度高，然而却需要更多的设备，在有限的机舱空间内将导致设备布置困难，船舶自重增加以及设备的供电更为复杂等缺点，因此在DP-3动力定位系统的设计时，冗余度选择与系统设备布置之间存在一个平衡关系，不同的船级社有不同的要求，另外还要根据作业沿岸国对动力定位系统的冗余要求来进行选择。
4.结语
两种不同的DP-3冗余设计理念在设备布置以及建造及维护成本上有着较大的差异。无疑，完全冗余设计的成本及设备布置难度较大，但其冗余系统的可靠性更高。两种不同的设计理念目前在行业内仍然存在一定的争论，哪种更为合理在此不作讨论。但是这两种设计理念都已经通过大量的实际工程的实践验证，可作为实际工程设计的参考。