摘要：通过一型动力定位深水半潜修井平台的实际设计和故障模式及影响分析(FailureModeandEffectAnalysis，FMEA)过程，介绍FMEA的基本概念和原理，讨论分析动力定位子系统———电力系统的FMEA关键点，总结在DP3开环和DP2闭环两种模式下电力系统FMEA关键点的差异，并为未来开展类似设计工作提出建议，对开展类似动力定位系统设计具有参考价值。.
关键词：动力定位;电力系统;故障模式及影响分析
0引言
随着科学技术的发展和油气能源需求的增大，海洋油气资源开采已经从浅水走入深水，动力定位(DynamicPositioned，DP)系统广泛应用于各种深水钻井平台、铺管船、海工支持船等海工装备。由于深海环境严酷，为了保证DP系统的可靠性，国际海事组织和各船级社都要求：任何DP2和DP3船舶均需进行故障模式及影响分析(FailureModeandEffectAnalysis，FMEA)。电力系统作为DP系统的子系统，是平台发电和输配电的重要系统。因此，对电力系统FMEA关键点的研究具有重要意义。
DP船舶应取得船级社的某动力定位入级符号，以证明DP系统满足该符号的相关技术要求。目前，对取得DP2或DP3某入级符号船舶的DP系统FMEA研究已经较多，但是对同时满足DP2和DP3要求，可在两种模式下自由转换的DP系统FMEA鲜有介绍。本文以一型动力定位深水半潜修井平台为例，分析兼顾DP2和DP3两种模式的电力系统的FMEA关键点。
1故障模式及影响分析
FMEA是一种能分析和识别产品、服务或工艺过程中各种潜在的故障模式，确定其优先等级，并对其中的薄弱环节和关键项目采取改进措施的系统分析工具，是“事前预防”，而非“事后纠正”[1]。DPFMEA的目的是分析验证动力定位系统的冗余度，以确保船舶在任何最大单一故障下仍有能力自动保持位置和艏向。DPFMEA的分析范围随船型不同而有所不同，典型的DPFMEA范围包括：电力系统、推进系统、DP控制系统、安全系统和辅助系统。
FMEA使用风险等级来标记DP系统潜在故障，根据风险等级的大小判断是否有必要进行改进或确定改进的紧迫程度，进而以较低的成本减少故障损失，提高DP系统的可靠性。风险等级由故障的发生概率和严重程度组合获得，风险等级=发生概率×严重程度，风险等级划分矩阵见表1。风险等级高的潜在故障被定义为A类推荐项，须立即整改，以满足船级社规范要求;风险等级中或低的潜在故障被定义为B或C类推荐项，可以与船舶所有人协商是否整改以及整改计划[2]。
2项目简介
该平台采用2个浮体、4根立柱、双层甲板箱形式，将在巴西、墨西哥湾等温和海域作业，最大作业水深为2400m，最大钻井深度为8500m，入级ABS船级社，取得DPS-3船级符号，是一型以修井为主、钻井为辅的新型半潜平台。平台的发电机系统为6台5500kW柴油发电机，配电系统为11kV、440V、230V高/低压系统，推进器为6台3500kW全回转推进器。电力系统可以在DP3模式开环运行;也可根据船舶所有人要求，在1台发电机维修的前提下，在DP2模式下闭环运行。电力系统单线图如图1所示。为满足DP3要求，平台的发电、配电、推进器和相关辅助系统被分割为4个独立的DP组，DP组之间均采用水密和A60级防火舱壁隔离，DP设备分组如图2所示。
3电力系统FMEA关键点
根据ABS定义，“闭环”是一种操作模式，在此模式下，所有或大部分母排与所有或大部分配电盘是连接在一起的，即配电盘内部和配电盘之间的母联开关是闭合的。与闭环对应的操作模式是“开环”，此时所有母联开关均打开[3]。在闭环模式下电力系统将形成1个或2个整体系统，须统筹考虑各元件之间的控制和保护;在开环模式下每段母排都是一个独立部分，可独立自主运行。
3.1配电盘保护
对于DP2闭环模式，除了常规配电盘保护设定，发电机开关与母联开关之间以及母联开关与母联开关之间的选择性保护和方向性保护均需重点考虑;在DP3开环模式下，仅需要设计常规的发电机开关与下游开关之间的选择性保护，方向性保护不适用。
该平台的11kV配电盘为发电机开关和母联开关配备了GEMultilin系列保护继电器，这些保护继电器通过以太网连接组成环网拓扑结构，同时按照选择性保护和方向性保护的要求合理设定保护继电器，从而使配电盘可以快速、有效地隔离故障部分。FMEA试验了两种短路故障：(1)通过电流发生器模拟电流互感器反馈的母排短路信号，保护继电器收到该信号后，按照预设逻辑脱扣该段母排相关的母联开关和上/下游开关，同时电站管理系统(PowerManagementSystem，PMS)发出母排短路报警。(2)模拟母联开关短路，保护继电器将故障母联开关脱扣，同时PMS发出母联开关短路报警，发电机开关和下游开关状态不变。
3.2柴油机调速器
调速器通过调节柴油机燃油供应来控制柴油机转速和有功功率输出[4]。在DP3开环模式下调速器仅能控制单台柴油机，但在DP2闭环模式下，调速器则通过负载分配线实现并联运行发电机的同步模式有功负载分配，如果负载分配线故障，所有在网发电机将自动转换至下降模式进行有功负载分配。
该平台采用Woodward828电子调速器，在DP2闭环模式下选择柴油机同步负载分配功能时，6个调速器通过负载分配网络(LON总线)连接，形成冗余LON总线环网，而传统的模拟量负载分配线仅作为备用，LON总线和负载分配线不可以同时使用，如图3所示。
LON总线用来传递交换调速器之间的用功负载分配数据，FMEA重点分析试验了调速器和LON总线故障。如果1条LON总线出现短路或短线的故障，调速器可以自动切断到备用LON总线，隔离故障LON总线，并向PMS发出次要报警。如果2条LON总线同时故障，调速器将自动转换至下降模式，并向PMS发出主要报警。如果调速器故障，受影响的发电机将从电网中解裂，剩余的发电机重新分配负载，并向PMS发出报警。
3.3电站管理系统
PMS在电力系统开环和闭环时都可以运行。对于DP2闭环模式，失电恢复、功率储备、功率限制等3个功能则非常关键，在系统设计和FMEA时应充分关注。
失电恢复功能是指在整个电网失电时，能够按照预设逻辑快速启动发电机和并网发电，推进器应能尽快启动，恢复平台的定位能力。不同船级社和石油公司对失电恢复的时间要求从45s到180s不等。功率储备功能是指为提高电力系统可靠性，在网发电机的容量需大于负载功率，差值部分作为储备功率以补偿发生故障后的发电机容量损失。PMS根据功率需计算运行发电机的数量，储备功率值也需实时显示在PMS和DP控制站上。功率限制功能是指当电网突然出现故障时，PMS可以暂时减少功率消耗以稳定电网，避免全船失电。对于钻井平台，该功能主要是暂时降低推进器变频器和钻井变频器输出。
该平台在FMEA试验时，通过切断PMS供电、硬线信号和通信链路等方式模拟PMS的各种故障，同时观察上述3个功能的运行情况是否正常。
3.4发电机调压器
调压器(AutomaticVoltageRegulator，AVR)通过调节发电机励磁来控制发电机电压和无功功率输出[4]。在DP3开环模式下，AVR仅能控制单台发电机，但在DP2闭环模式下，AVR则通过通信网络连接实现并联运行发电机在同步模式下的无功负载分配。如果网络故障，所有在网发电机将自动转换至下降模式进行无功负载分配。
该平台采用BaslerDECS-250电子AVR，当DP2闭环模式选择发电机同步无功负载分配功能时，6个AVR通过无功负载分配网络连接，形成单个环网。无功负载分配环网用以传递交换AVR之间的无功负载分配数据，FMEA重点分析试验了AVR和无功负载分配环网故障。如果AVR故障，受影响的发电机将从电网中解裂，剩余发电机将自动转换到下降模式，并重新分配无功负载。如果无功负载分配网络故障，所有在网发电机将自动转换到下降模式，并向PMS发出报警。
3.5保护系统
发电机保护系统是不同于传统发电机和配电盘保护，专门用于闭环电力系统或增强型DP系统的智能发电机保护系统，实时探测发电机组和配电盘主要元件的运行状态，如果发现某个发电机可能出现故障，可极快地从电力系统提前隔离该发电机，避免故障发电机影响其他正常发电机以至全船失电。
该平台采用通用电气公司的增强型发电机保护系统(EnhancedGeneratorMonitoringSystem，EGMS)，每台发电机均配备1套EGMS。在FMEA试验时，通过切断EGMS的供电、硬线信号，以及切断EGMS与调速器、调压器与EGMS之间的通信链路等方式模拟EGMS的各种故障，从而验证上述任何单点故障不会影响电力系统供电能力。
3.6故障穿越
短路及其导致的开关分闸会造成电力系统瞬间电压降，故障穿越是指电气设备应能够承受一段时间短路导致的欠电压而不失效，从而允许电力系统保护装置有时间隔离短路故障的能力[5]。电力系统的发电机、配电盘都应具备故障穿越能力，以使短路故障导致的瞬间电压降不会使平台失去定位能力。为了提高电力系统故障穿越能力，常用方法有：(1)高压配电盘、低压配电盘和推进器变频器的控制回路由不间断电源(UninterruptedPowerSupply，UPS)供电。(2)避免某个DP设备使用双路电源自动转换，尤其避免双路电源来自不同的DP组，因为电源自动转换装置故障可能造成两路供电源头配电盘的故障，从而同时影响两个DP组。如果必须使用双路电源自动转换电路，则需作针对性的电压降穿越计算，分析电源自动转换装置故障对DP系统造成的影响。
由于电力系统包括众多电气设备和电子原件，FMEA大都通过设备厂家提交的计算报告来分析评估故障穿越能力，如果做实船试验只能做配电盘的实际短路试验，但大部分船级社对此没有强制要求。除了电力系统，船级社对计算机系统、网络系统、通风系统等DP相关系统的故障穿越能力也有要求，需提交相关计算报告进行分析评估。
3.7隐藏故障
隐藏故障是指操作和维护人员不能立即发现的故障。若系统中存在隐藏故障，且系统没有提醒操作人员，则可能会发生对船舶定位产生重大影响的进一步故障，而此情况应作为单一故障考虑。FMEA会分析电力系统所有主要设备的隐藏故障以及可能造成的进一步故障和需要采取的措施[6]。常见的隐藏故障有：PMS软件故障、开关机械故障导致无法打开/闭合、没有自检测功能的传感器故障等。
DP3开环模式与DP2闭环模式电力系统FMEA关键点对比见表2。
4、结语
出于节能减排的考虑，近年来越来越多的船舶所有人希望电力系统可以在闭环模式下运行。虽然闭环模式具有减少燃油消耗、减少机组维护时间等优点，但是从上述分析可知：DP3开环模式的电力系统将被分割为4个母排部分，每部分独立运行;DP2闭环模式电力系统则需要考虑各母排部分之间的相互影响，其控制保护功能较开环模式更复杂、严格。因此，闭环模式才是电力系统FMEA的重点和难点，无论是FMEA还是电力系统设计，都需给予足够关注。对于DP3开环模式，FMEA的重点则是DP组分割和失舱分析，需要挑选很多典型舱室进行失舱试验。
FMEA是DP系统设计的重要环节，只有通过了DPFMEA分析和试验，才能证明DP系统满足船级社规范要求。电力系统设计人员在设计过程中须时刻秉承提高系统可靠性的理念，与FMEA团队持续沟通，及时整改设计缺陷，实现对电力系统设计的过程分析和控制，真正做到“事前预防”。不应把设计验证完全依赖在FMEA分析和试验上，如果此时再发现电力系统的某些重大缺陷，可能对系统设计、生产以及平台建造、调试带来重大负面影响。
深水半潜修井平台电力系统FMEA关键点相关期刊推荐：《中国海洋平台》(双月刊)创刊于1986年，由中国船舶工业集团公司第十一研究所主办。主要刊登海洋平台技术、科研设计、工艺装备、经济和管理、计算机应用等方面内容。适于海洋企事业单位领导、工程技术和管理人员阅读，也可供海洋平台设计、研究、检验、修理、运行人员和高校有关专业师生参考。
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