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应用海洋研究
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船舶电站动态定位的动态结果分析
托尔斯坦a.1 托尔约翰森a.1 阿斯吉尔斯伦森b.1 埃里克·马蒂森c.1
- 挪威科学与工程研究院工程控制系，自治海洋作业与系统中心（AMOS）技术，NO-7491挪威特隆赫姆
- 挪威科技大学海洋技术系自主海洋作业与系统中心（AMOS）NO-7491特隆赫姆，挪威
- 康斯堡海事no-3616康斯堡、挪威
文章信息
文章历史：
2015年11月16日收到；以修改后的形式收到2016年2月12日；接受2016年0月12日；2016年3月12日在线提供；
摘要
具有电动推进器的柴油电力和推进系统是具有动态定位（DP）系统的船舶的行业标准。柴油发动机与发电机组中的发电机配套，用于生产过程中由推进器和主螺旋桨产生的电力和运输，和其他消耗，如房间负载，钻井驱动器，起重机，和升沉补偿器。结果分析用于验证DP操作的安全性。它被用来检查是否有足够的运行能力和推进器容量可用来保持足够的推力以在最坏的单次故障后保持船舶位置。最近，分类规则的扩展使分析中的备用发电机成为可能。由于相对较少的发电机组可以运行，这提供了更有效的配置。但是，从故障发生到电机完全恢复过渡期间，DP性能会降低。确定这种退化是否导致转换期间的位置损失很重要。本研究提出了一种基于仿真的动态后果分析方法，可用于动态模拟故障情景，从而可以分析瞬态恢复的动态该分析可用于船舶电气配置决策支持。DP电机仿真结果表明，目前使用的静态结果分析方法可以在某些配置下提供非保守结果。
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关键词：
船舶动力装置 机组组合 动态定位 结果分析
1.介绍
动态定位（DP）系统用于海洋船舶的驻留。 第2类和第3类的一般安全要求是，任何单一故障不应传播到失去位置[1]. 这是通过冗余来实现的，这意味着如果一个冗余组出现故障，剩余的冗余组具有足够的容量来维持保留。
对于2级和3级的DP船舶，需要进行在线后果分析[1, 部分3.2.4.2]. 国际海事组织的规则规定：“这种分析应该验证推进器在最坏情况下的故障后仍然可以产生相同的推进器力量和失败前所需的时刻“。如果这种验证是否定的，应该提出警报。另一个工具是DP能力图，用于确定操作的环境限制。对于所有航向和不同的配置（例如，最差情况，名义情况），这些图表显示船舶可以保持其位置的最大静态或准静态风，水流和波浪载荷。这个图的说明在中给出[2]. 在钻井作业中使用漂移分析来确定何时启动立管与船舶的分离，以避免损坏立管[3]. 因为在漂移过程中立管的断开过程是耗时的（例如在停电的情况下），所以设置表圈以便在船只通过时开始过程时有充足的时间安全地断开立管手表圈。
电力管理系统（PMS）用于控制电力系统。PMS的主要任务是确保充足的电力可用性。另外，PMS协调故障恢复并通常优化发电厂的效率。在出现重大故障的情况下，必须尽快减少负载以防止发生欠频率，因为这需要时间为柴油发动机增加他们的生产力。PMS向主要消费者发送电力可用信号以确保仅使用可用电力。 这是每个消费者允许的最大功率.它是通过获取每个发电机组的可用电力生产水平，然后根据其优先级将其分配给消费者来计算的。当需要突然降低负载（例如，生产者损失）时，可以使用快速负载减少，从而向推进器驱动器发送请求以降低其功率。随着推进器驱动器可以快速降低功耗，这将继续进行。之后，推进器的可用功率恢复正常。在[4], 提出了一种基于仿真的后果分析。值得注意的是，与时域分析相比，传统的DP能力分析是非保守的。此外，在分析中不考虑故障后的功率约束和瞬态恢复。还进行了一项短暂研究，该研究表明在故障后瞬态恢复期间位置偏移可能大于可接受的范围。
最近，DNV GL DYNPOS-ER分类法提出，备用发电机可以包含在后果分析中[5,部分6章节26部分2]. 其他班级的社团也有类似的标志，例如，[6, 部分8]. 由于发电机的连接可能被隐藏故障阻塞，因此保守地认为其中一个备用发电机由于隐藏故障而无法连接。这提供了运行相对较少的发电机组的机会，这提高了设备的效率。通常，船用柴油发动机在提供约80％额定功率时效率最高但据报道，在DP运营期间，柴油发动机的功 率通常低于50％，甚至低至额定功率的10％。此外，在低负荷条件下，还会出现其他问题，例如起火，由于额外的运行时间而导致的维护增加以及低温时某些NOx还原系统效率低下。
本文提出的分析也可以用作船舶最优配置的决策支持工具。可以模拟几种配置来评估每种配置的安全性和性能.今天,自动启动和停止表通常用于承担船舶上的发电机[8]. 如果功率需求高于阈值一段时间，则发电机组启动，反之亦然。一个优化的与负载相关的启动表格是在中导出的[9], 该表在燃料消耗方面进行了优化，并受到安全要求的限制，因此发电机的断开不会导致停电。还介绍了用于优化与负载有关的启动和停止表的算法[10], 基于船舶每种运行模式的概率。启动和停止表的一个问题是其运行的独立性。对于潜水和钻井船，运行期间的安全和冗余要求比运输期间要高得多。但是,当使用启动和停止表时，即使这不是最佳的，但是当功率需求相似时，两种操作通常将具有相同的配置。因此,对于每种模式，一些船舶具有不同的启动/停止表，并且对于某些模式来说，为了处理不断变化的要求，还有最少数量的发电机组。通过手动提交生成器来覆盖自动系统也很常见。对于陆上和岛上电网，多项研究已经研究了单位承诺，例如，[11–16]。
本文的主要贡献是基于动态模拟故障后瞬态恢复的后果分析的发展.分析是通过船舶及其DP系统的动态时域模拟来进行的，可能出现最严重的单一故障。仿真包括推力器上的功率限制和坡道限制。该工具还可以用作电厂配置和恢复方法选择的决策支持系统。
图1.动态后果分析的步骤。
本文的一个早期版本已经发布在[17]. 在这个版本中，更多的重点放在故障场景的建模和模拟的清晰度上。该方法介绍在部分2和部分3介绍一个考虑钻机的案例研究。部分2 首先概述模拟器演示的方法。在部分2.3, 提出了故障模型，其次是验收标准和环境模型。部分3 从案例工厂的演示开始，并给出模拟结果。本案例研究采用了两种不同的回收方法，此外还有几个发电厂的配置。模拟的结果将在下文中进一步讨论部分4, 在得出结论之前部分5.
2.方法
2.1方法概述
要解决的问题是验证船舶在最严重的单一故障期间能够保持其位置。分析应该捕获故障发生后直到船舶完全恢复正常后的暂态DP性能，因为船舶在此期间可能失去位置。我们建议程序显示在图。1进行分析。为了比较和选择有效的配置，分析可以通过重复这些步骤对于多个替代电厂配置来扩展。
2.2模拟器
使用发电机和船舶的动态模拟器。 本研究中的模拟器应被视为一个示例实现。模拟器的详细信息在中给出[18]. 我们主要关注DP系统由于电力系统故障而导致的响应。因此，选择实施的模型以尽可能真实地表示DP系统，其算法，调整和约束条件。包含电源系统是因为它在故障恢复期间限制了DP系统。模拟器的主要组件是：
容器：使用6自由度模型来描述容器的运动。 运动分为低频运动和一阶波频运动。低频运动包括非线性阻力，二阶平均值和缓慢变化的波浪，电流，风力和推进器荷载。一阶波频运动由船舶的波谱和响应振幅算子（RAO）计算。
环境负荷：本研究中使用的波谱JONSWAP，带有狭窄的带状定向谱，尽管可以使用任何其他波谱。这用于生成离散波，用于计算二阶波浪载荷。 风和电流是以恒定的速度和方向建模的。环境条件的选择将在下文中进一步讨论部分2.5.
动态定位系统：DP控制器被实现为PID控制器。 假设一个精确的航向和位置参考系统，位置和速度直接由船舶的低频运动给出。这在后面进一步讨论部分2.5.
推力分配：DP控制器计算船舶的总推力指令，推力分配（TA）然后为每个推力器分配推力指令。这是一个优化问题，受可用功率的限制。
电力管理系统：包含PMS以模拟发电和配电的控制。它包括功率可用分配和快速负载减少。
推进器：推进器型号包括电机驱动器，电动机，螺旋桨和局部推进器控制器的型号。四象限模型用于计算螺旋桨上的推力和扭矩。推进器的功率消耗可能受到PMS和推力分配的限制，这限制了电动推进器电机的功率。
电力系统：假定电力系统处于稳定状态，因为柴油电力推进系统中的机械系统比电力系统慢得多。建模变量是频率，电压，有功功率和无功功率。这使我们能够模拟功率限制和功率限制。但是，模型中不包括快速动态特性，如短路和谐波失真。模型中包含一些保护继电器，例如欠压/过频保护和反向电源保护。但是，由于快速动态特性未建模，因此不包括基于电压测量的保护继电器。
发电机组：发电机组由柴油机和同步发电机组成。柴油机的燃油喷射受限于速率限制。这种发动机保护通常用于避免较大的热应力。燃油消耗通过Willans近似计算[19]. 由于保守率限制，本研究忽略了所有其他燃料动力学。调速器用于控制发动机的负载分配和速度。通常情况下，调速器使用下垂或同步控制进行负载分配。自动电压调节器用于控制电压和无功功率共享。
电力负载：除推进器和升沉补偿器之外的负载被建模为时间序列。这些可能是酒店负载，辅助负载，钻井驱动器和起重机。这些载荷是优先的，无论是高于还是低于PMS中的推进器载荷。如果可用功率不够，低优先级负载会减少。但是，只有在减少低优先级负载和推进器负载的情况下，高优先级负载才会降低。
升沉补偿器：模型中包含升沉补偿器。电力消耗与速度为正时的升沉速度成比例，当速度为负时为零。它们可能在PMS中被赋予高优先级。
船舶模拟器由数百个需要初始化的参数和状态组成。这些应自动发现，并可能直接来自船只的状态。另外，必须预测一些值，例如电力消耗和环境条件。由于推进器的功率限制是间接依赖于其他消费者的功耗，因此重要的是不要低估预测的功耗平均值和变化量。除了推进器和升沉补偿器之外，所有电力负载的功耗都可以记录下来，并用作仿真中的负载情况。但是，可以使用安全因素来包含未来负载的不确定性。
模拟器必须能够比实时更快地运行，以便能够返回未完成的结果，因为结果分析应该在线执行，因为操作和环境可能会不断变化。由于场景彼此独立，因此可以并行运行多个模拟来提高性能。
模拟开始于船舶系统处于稳定状态。这是为了确保控制器，例如DP的PID控制器中的I-term已经解决。
2.3故障建模
模拟案例应包括基于发电厂和推进器系统故障的所有可能的最坏情况，并且可以通过DP系统的故障模式和影响分析（FMEA）报告来识别。[20] 或硬件在环测试[21,22]. 例如，这可能是诸如配电盘丢失，母线段损失，推力器损失，发电机组损失，调速器故障，冻结指令信号或不需要时提供最大容量的设备等故障（例如，充满推动）。事故报告显示，其他原因（独立于发电机）同样重要，例如人为错误，参考系统中的故障以及DP控制系统中的故障[23,24]. 子系统故障（例如辅助系统中的故障）在选择故障情景时未考虑，但应考虑这种故障的最坏情况后果，例如由于辅助系统故障而关闭柴油发动机。
只考虑单个故障，并假定所有保护系统都按设计处理故障。因此，本研究忽略了共模和软件故障，因为共模故障应在系统设计过程中由FMEA检测。HIL测试也可用于检测常见模式和软件故障[21
资料编号：[15526]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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