0 前言

140 m深水作业支持船是一艘以深水脐带/软管/电缆敷设，深水大型结构物吊装和海底安装为主要功能，兼顾ROV作业支持，饱和潜水作业支持以及IMR（检验/维护/维修）作业的大型海洋工程作业船。海洋工程是一项高风险、高投入、高产出的三高产业，安全是海洋工程作业的第一要务，因此该船动力装置的配置应以可靠性为第一要务，其动力定位系统的设计满足DNVGL船级社DYNPOS（AUTRO）附加船级符号的要求，并在此基础上兼顾投资及运行的经济性。

1 推进器布置方案的确定

无论是进行深水脐带/软管/电缆敷设，还是深水大型结构物吊装和海底安装，或是其他类型的海洋工程作业，该船都需要抵抗风、浪、流的共同作用，把位置和首向控制在规定的范围内。为确保作业顺利进行，避免产生事故，就需要利用定位技术。目前比较成熟的定位技术有三种：自升式桩腿定位、锚泊定位以及动力定位。由于前两种定位技术对作业水深存在限制 （自升式桩腿定位仅适用于175 m以下水深，锚泊定位基本不太适用于1500 m以上的水深）。该船需要具备3000 m水深的作业能力，因此只能选择动力定位技术。

对于前两种定位技术，用于定位的设备在定位过程中处于静止状态，不需要提供动力。动力定位技术则相反，通过推进器运转产生的推力来抵抗外界环境因素的影响，需要动力装置输入能量，因此这些设备在定位过程中是运动的。由于涉及的设备范围较广，有提供推力的推进器，有提供动力的柴油机，还有为柴油机和推进器正常工作服务的各种油泵、水泵、风机和压缩空气。

建筑前面是一片视野开阔的广场，广场中央耸立着一座塔式雕塑，外形如同一顶王冠，上面有很多精美的浮雕花纹和雕塑。不过，这并不是纪念碑，而是一个造型优美的喷泉，狮子的嘴巴就是喷水口。

运动的设备显然比静止的设备更容易出现故障，所以需要采取有效的措施，避免设备发生故障时对动力定位造成影响。比较有效的方法是增加系统的冗余度，这正是动力定位系统分级的理念。目前IMO从冗余度的角度把动力定位系统分为三个等级。

第三，建立持续性双向激励及约束机制。外部监督的实现要求政府在政策制定、实施细则、需求发布等环节进行动态评估和人员追踪，落实惩戒措施以杜绝共谋行为的发生。一是形成有效监督网络，构建严厉惩处问责机制。二是持续动态审查。在委托购买前应对承接组织进行资质审核。签订合同后应通过科学细化的量化性指标，对中标组织进行持续性动态化专业考核以保证公共服务质量。购买合同中关于购买服务的各项参数及指标应由专业性权威机构确立。政府应根据第三方评估机构的评估及动态考察结果对效果较差的承接主体予以撤销资格并确立相应的惩罚措施。

除此之外，某些知名的石油公司还根据海洋工程作业的具体内容，对动力定位的等级提出了更加细致的要求，比如挪威国家石油公司Statoil（见表1）。从表2［1］可以看出CLASS 3对冗余度的要求最高。该船的起重作业及饱和潜水作业均属于极高风险作业，因此动力定位系统等级宜选为CLASS 3。

表1 动力定位等级要求（挪威国家石油公司Statoil）

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表2 IMO对动力定位的等级划分

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船舶动力定位本质上是利用推进器产生的推力来抵抗风、浪、流作用在船舶上的外力。在这个过程中，可以将船舶简化为一个平面运动的刚体。风、浪、流产生的外力等同于一个作用在船舶中心的合力以及合力矩，因此船舶需要在首部和尾部同时配置推进器，形成与之相反的力和力矩，使之达到平衡状态，以此来确保船舶的位置和首向。由于CLASS 3对冗余度的要求，首部及尾部推进器的数量均至少为2台，且所有推进器中至少有2台能提供侧向推力，2台能提供纵向推力。

比较合理的方法是设3个冗余分组，每个首部推进器对应于1个冗余分组，其中2个分组各包含1 个尾部推进器，并取得 ERN（99，99，99，98）。为此，该船需要设3个机舱，根据相关计算，每个冗余分组的配置情况参见表3，电力单线图见图1。

目前对动力定位能力的评估主要通过DNVGL船级社提出的ERN（Environmental Regularity Numbers）——环境适应指数进行衡量［2］。DNVGL船级社根据对北海地区海况的统计，建立了风速与有义波高及波浪周期的关系，并将此关系对应成一个不高于99的数字，数字越低表示海况越平静，越高海况越恶劣。进行ERN计算时，将流的速度定为1.5 kn，分别检验全船在完整工况（不发生任何影响动力定位的故障），失去一个影响最小的推进器，失去一个影响最大的推进器，最大单点故障共四个状态下，能够承受多大的风和浪（风和浪按照上述关系选取），并用对应的数字定量呈现船舶动力定位能力的大小，数字越大表示定位能力越强。

山药体内含水量高达85%左右，山药既耐旱又要吸收大量水分。能否有足够的水分保证山药各个生长期的需要，是影响山药正常生长发育的重要因素。

基于上述分析，采用2个冗余分组比较合适的方法是在首部增加1个推进器，形成首4尾2的格局，动力装置的配置情况见表4。电力单线图参见图2。显然，新增加的推进器即使能提升该船动力定位的能力，却无法增加ERN的数值，更何况提升的ERN对实际作业的意义并不大，完全是为了满足规范要求的无奈之举。此外，新增加的推进器将占据更多的布置空间，并同时增加全船的装机功率，增加船舶的建造成本。

2 冗余分组方案的确定

动力定位系统中的任何设备、组件从理论上来说均会因故障而失效，但不同故障发生后产生的影响是不同的。为了满足CLASS 2和CLASS 3中动力定位系统在发生单点故障的情况下，确保船舶的位置和首向，需要对动力定位系统中所有电气、机械设备进行冗余分组，将单点故障的影响范围限制在其所在的分组内，确保剩余分组不受影响，并依靠剩余的分组在规定的环境条件下继续保持船舶定位。因此，任何一个冗余分组一般应包括：动力系统、推进器系统及确保上述两个系统正常运行所需的辅助系统，使单个冗余分组能够自成体系。

用户末端设备换热过程：通过散热器、地板辐射采暖系统、空调风机盘管系统等换热，将居民用户建筑内的室温提高至18～20℃以上。

在例5中，原文把从拆迁中大捞一把的人形容为“吃着鲟鱼鱼子酱，喝着昂贵的香槟”的人，是对目的域“奢侈生活”的映射。但在汉语的认知经验中，并不用此说法形容这类人。这时译文既要保留目的域的映射，又要适合汉语表达习惯，就要对其中的价元进行调整，将其译为“山珍海味、花天酒地”这一在汉语中广泛使用的表述习惯。

由于该船上层建筑布置在首部，其受风面积大于尾部，且水线以下首部投影面积也大于尾部，定位时尾部推进器需要提供的推力小于首部；尾部推进器同时兼做航行时的主推进器，单台推进器的额定功率远大于首部，所以尾部只需配置2台全回转推进器即可满足动力定位的要求。如果采用常规推进器，本身只能沿船舶纵向提供推力，横向推力需要结合舵的操作且效果有限（主要表现在横向推力数值较小，且提供横向推力时伴随着纵向推力，需要其他推进器予以平衡），因此尾部仅仅设2台常规推进器对定位而言是不够的，往往需要再配置至少1台管道式推进器作为补充。由于常规推进器轴系需要占据大量船体内部的空间，再加上管道式推进器的布置，这些推进器对空间的要求远高于2台全回转推进器。与此同时，常规推进器结合侧推在造价上高于全回转推进器。综合考虑上述因素，尾部采用2台全回转推进器的布置方案。同时为了满足该船7.0 m吃水时14 kn的航速，尾部推进器输入功率确定为4500 kW。

如前文所述，该船为确保定位至少需要开启3台推进器（可视为最大单点故障）。此状态下的ERN为98。影响最大的推进器是首部伸缩式推进器，失去该推进器时的ERN为99。首先，如果按照上文所述，采用每个推进器设一个冗余分组的方式，固然可以将ERN最低数值提升到99，但问题在于数字98代表的海况已经是19.9 m/s的风速并同时伴随着5.6 m的有义波高，基本没有海洋工程作业船会在如此高的海况下作业。其次，CLASS 3对单点故障的定义包括舱室进水及失火，对应于该船就需要设5个机舱和5个电缆通道，每个机舱和电缆通道都需要保持防火 （达到A-60标准）及水密分隔上的独立性，显然不具备工程可行性。

该船设有首3尾2共5个推进器，确保船舶定位至少需要1个尾部全回转推进器和任意2个首部推进器。原则上，只要为每个推进器配置独立的动力源及辅助系统，使全船形成5个冗余分组，则可以把单点故障限制在只失去1个推进器，显然这可以增加该船的定位能力。但增加的定位能力对船舶的实际作业究竟有多大的意义，有必要进行分析。

船舶首部的推进器应选用管道式、伸缩式或折臂式。在航行状态下，这些推进器可以不伸出船体，避免产生额外的阻力。三者中，应优先选用管道式推进器，以取得较好的投资经济性。根据该船动力定位分析的结果，如果首部配置2台管道式推进器，则平均每台推进器需要提供约527 kN的推力，对应功率约为4400 kW，其中位置靠后的管道式推进器，由于管道长度较长，推力损失较大，其额定功率更高。事实上，选用4400 kW的侧推是不可能的。目前基本没有厂家能够提供如此大功率的侧推。即使有这样的侧推，其螺旋桨直径也将达到约3.8 m，这不仅会导致船体开孔过大，影响结构强度，也会造成螺旋桨距离水面过近，螺旋桨的浸没深度过浅，从而降低侧推的实际推力，尤其在恶劣海况下，推力极可能因螺旋桨出水而进一步下降。如果设置3台推进器，确保发生任何单点故障时2台推进器工作，则平均每台推进器提供的推力只有上述的一半，即约263.5 kN/台，对应功率2200 kW，首部推进器的总功率只有上述的约75%。综合考虑，该船首部采用3台推进器，为了降低管道过长所带来的推力损失，位置最靠后的1台推进器采用伸缩式，输入功率为2200 kW，靠前的2台采用管道式，输入功率为2200 kW。

表3 动力系统及推进器系统的冗余分组（首3尾2）

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图1 三冗余分组方案电力单线图

既然首4尾2的方案同首3尾2的相比有那么多劣势，为何这种布置方式仍然占据了一定比例的市场呢？设计人员思维的惯性可能是一个重要原因。目前，动力定位系统采用双冗余分组的方案是主流，只要该方案在可行性上不存在太大问题，普通设计人员如果要选择其他方案并承担由此带来的麻烦，是缺乏动力的。其次，三冗余分组相对于双冗余分组而言，在建造成本上体现的优势较为明显，但在运营成本上则可能存在一定的劣势。根据DNVGL船级社对动力定位冗余的要求，等级为CLASS 2和CLASS 3船舶进行定位时，应投入所有冗余分组，开启全船所有的推进器，并根据推进器负荷率的大小，确定柴油发电机组运行的数量。因此三冗余分组至少要开启3台柴油发电机组，双冗余分组则要开启2台机组。在全船用电负荷相同的情况下，柴油发电机组的负荷率是不同的，燃油消耗也会产生一定差别。为了有一个较为直观的印象，选取该船用电负荷为3817.16 kW的动力定位工况（风、浪、流共同作用于110°，有义波高1 m，流速1.5 kn）作为考察对象，两种方案的负荷分配情况分别见表5～6。从表5、表6中不难看出三冗余分组与双冗余分组相比，既增加油耗又增加设备的运行时间，显然是不利的。

该推进器通过两侧汇流排同时供电（Dual feed）的方案同样是不合适的。因为规范规定需要采用主配电板的短路电流试验图来证明这种配置的有效性。由于每次试验都会对设备造成损伤，而这种损伤在一般情况下难以体现，因此会不断累积。当实际作业遇到与试验模拟相同或等效的故障时，相关设备很可能无法达到试验时的状态，导致船舶失位，进而引发事故。如果试验屡试不过，则失去相关船级符号。

3 双冗余分组同三冗余分组的比较

综上所述，为满足动力定位的要求并同时兼顾设备布置等要素，推进器采用首3尾2的布置方案。

表4 动力系统及推进器系统的冗余分组（首4尾2）

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图2 双冗余分组方案电力单线图

目前，有许多动力定位船舶采用了类似于该船的推进器布置方案，但5个推进器只设置了2个冗余分组。从这些船舶的配置情况来看，它们往往采用2个冗余分组共用首部某个推进器（往往是对动力定位能力贡献最大的伸缩式推进器）的方法，即为该推进器设两个联络开关，分别连接至隶属于不同冗余分组的配电板汇流排，在任意时刻由一侧汇流排供电，当其所在的冗余分组发生最大单点故障时，切换至另一侧的汇流排。需要注意的是，切换是存在风险的。首先，切换并不一定能成功；其次，即使成功也可能需要耗费较长时间。无论何种情况，都会导致船舶产生过度漂移，影响动力定位的效果甚至最终导致失位。因此，要求比较严苛的船级社，如 DNVGL船级社对 CLASS 3 （DPS3，DYNPOSAUTRO）和 CLASS 2（DPS2，DYNPOS-AUTO）的船舶，不把推进器的切换（此动作相当于Stop and subsequent start-up）作为冗余度考虑的重要原因。该船动力定位附加船级社符号为DNVGL要求最高的DYNPOS-AUTRO，显然不能采用这种形式。

关于构造图论问题，通常会先将其进行转换，主要运用各类图的性质及自身特征的方式，此外，有时也会采用染色的方式进行标注，将具有不同性质但类别相同的图区别分开，简化问题，以避免图论问题出现在数学竞赛中，加深竞赛的难度。

表5 三冗余分组柴油发电机组负荷率

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表6 双冗余分组柴油发电机组负荷率

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仅依靠一个工况不能充分显现两者在船舶运营过程中的差异，三冗余分组也可能出现运行的发电机组数量及负荷率优于双冗余分组的现象。为了全面客观地比较两种方案在运行过程中的成本差异，把该船的工作水域设定于北海。根据北海地区海况的统计（见表7），有义波高Hs不大于3 m的累计发生概率为75.1%，以一年为期就是275 d。

表7 标准北海工况海况统计

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如果海洋工程作业船能干足这275 d，将达到一个非常饱满的作业率；而一年中剩余的90 d则分别作为船舶航行及停泊考虑，以此比较两种配置方案的差异，结合建造成本综合分析两者之间的优劣（见表8～13）。从结果来看，三冗余分组比双冗余分组每年多消耗71 t燃油。初投资共省下了971万人民币（投资差异主要体现在核心设备上，辅助设备虽有不同但差别极小，可忽略不计）。

表8 双冗余分组与三冗余分组主要设备投资差异

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表9 双冗余分组与三冗余分组日燃油消耗量t/d

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为了定量分析两者在经济上的差异，需要运用工程经济学。现代工程经济分析的计算方法原则上可分为静态计算方法和动态计算方法。这两种方法的主要区别是后者考虑了投资的时间因素，即考虑资金的增值，而前者不考虑投资资金的时间因素，所以不能反映投资的真正效果。对于贷款造船和使用的单位既要付息，又要还本，所以在经济效果分析时，必须采用动态的计算方法。用动态方法计算投资的增值时，一般采用复利公式计算。

双冗余分组为取得油耗上的优势，比三冗余分组多投入的资金作为附加投资考虑记为P，每年燃油收益记为A，银行贷款利率记为i，则投资回报年限 n=-lg（1-iP/A）/lg（1+i）。目前，国产 0 号柴油价格约为5.23元/L，密度为0.86 g/L，故每年收益A=43.7万元。已知P=971万元，利率若定为8%，则iP/A=1.78，1-1.78=-0.78，也就是说双冗余分组的投入无法从省下的燃油中收回，从经济性上分析，三冗余分组优于双冗余分组。

表10 作业工况与作业环境下作业天数

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表11 双冗余分组与三冗余分组年燃油消耗量t/d

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表12 双冗余分组同三冗余分组发电机组运行数量

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表13 双冗余分组同三冗余分组发电机组运行时间

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4 结语

上述比较虽然显示三冗余分组比较有优势，但需要指出的是，这一结论仍然不够完善。首先，双冗余分组所能取得的优势并非只有油耗，还有设备运行时间上的优势。设备运行时间越长，维护的费用就越多，尤其是备件的费用，在船舶运营成本上占有相当高的比例。但因较难获取该数据，只有等到获取更多数据时，再做全面的比较和分析。其次，船舶作业的工况是根据若干假设条件选取的，风、浪、流均集中在同一个方向是理论上最极端的情况，实际作业时DPO会利用条件取得最佳工作角度，所以需要船东提供的经验。总之，一个优秀的设计方案离不开船东的支持。虽然该船的分析未考虑设备维护等因素，但奠定了动力定位船舶冗余分组分析比较的基本流程，希望对今后工作的开展有一定的借鉴意义。

［参考文献］

［1］MSC/Cir 645-Guidelines for Vessels with Dynamic Positioing Systems［S］.IMO，1994.

［2］DNVGL Rules for classification：Ships（RU-SHIP）［S］.2016.