深水鋪管起重船自動(dòng)壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

劉寶昌，陳新德，吳巍巍

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通226532)

“海洋石油201”是深水鋪管起重船，采用DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，全船采用電力推進(jìn)。ABS和CCS雙重船級(jí)。該船在起重作業(yè)狀態(tài)滿足DP3(ABS:DPS-3，CCS:DP-3)要求，在鋪管作業(yè)狀態(tài)滿足DP2(ABS:DPS-2，CCS:DP-2)要求。

1 壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

壓載水系統(tǒng)的排量是基于在6 h內(nèi)將船從航行吃水8 m，調(diào)載到滿載水線狀態(tài)(大約9 m)。

壓載水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)是，在4 000 t起重機(jī)從左舷至右舷回轉(zhuǎn)180°及起重3 500 t全回轉(zhuǎn)狀態(tài)下，壓載系統(tǒng)能夠30 min完成壓/排水操作。

2 壓載系統(tǒng)組成

2.1 壓載艙及壓載管

該船共有30個(gè)壓載艙，位于雙層底及主甲板以下的兩舷，壓載管系設(shè)計(jì)采用環(huán)形總管設(shè)計(jì)，優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)壓載艙進(jìn)出水管為同一根管系，既滿足設(shè)計(jì)需求，也節(jié)省了管材、閥門及驅(qū)動(dòng)頭等，降低了成本，并減輕了船舶的重量。另外在失去一個(gè)泵艙或任一壓載泵的情況下，仍能滿足全船的壓、調(diào)、排載需求。通過總管上的6個(gè)隔離閥把壓載艙分為前左、前右、后左、后右4個(gè)區(qū)域，BWV032及BWV033為前后機(jī)艙隔離閥，正常情況下是關(guān)閉的。

2.2 壓載泵

該船配置4臺(tái)排量為3 500 m3/h的壓載泵，額定電壓6.6 kV，電流49 A，轉(zhuǎn)速994 r/min，前后泵艙各設(shè)置2臺(tái)，每臺(tái)各帶1臺(tái)自吸真空泵防止干運(yùn)轉(zhuǎn)(與壓載泵有啟動(dòng)聯(lián)鎖)。壓載泵可就地或遙控控制，4臺(tái)壓載泵分別由1#、2#高壓配電板的A、B段供電，4臺(tái)壓載泵互為備用。

2.3 閥門遙控蝶閥及液位遙測

該船閥門為電液式閥門，分別由位于泵艙的4個(gè)控制箱集中控制，設(shè)計(jì)原則為“快開慢關(guān)”。液位傳感器為壓力式，每個(gè)大容量壓載艙及參加橫傾的壓載艙均安裝2個(gè)傳感器，液位遙測系統(tǒng)讀取2個(gè)傳感器數(shù)值并取平均值，若一個(gè)傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)自動(dòng)讀取另一個(gè)傳感器數(shù)值，保證液位數(shù)據(jù)準(zhǔn)確?！昂Ｑ笫?01”船還有4個(gè)吃水傳感器，分別裝在船舶底部，位于船舶船艏、船艉、左舷、右舷，通過軟件修正到與船舶吃水線位置一致，為船舶提供吃水狀態(tài)。為了滿足DP3要求，“海洋石油201”船裝有3個(gè)運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU)，兼用壓載系統(tǒng)控制。因MRU的數(shù)據(jù)比較精確，正常情況下，船舶的姿態(tài)采用MRU的數(shù)據(jù)，將吃水傳感器測量的數(shù)據(jù)作為船舶姿態(tài)數(shù)據(jù)的冗余。

2.4 裝載計(jì)算機(jī)

201船裝載計(jì)算機(jī)作為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)與船舶管理系統(tǒng)(VMS)進(jìn)行通訊，實(shí)時(shí)交換壓載數(shù)據(jù)，系統(tǒng)固化該船基本信息，確保計(jì)算出的數(shù)據(jù)精確。裝載計(jì)算機(jī)可以在線或離線工作，在線工作時(shí)，它接收液位遙測系統(tǒng)和其它相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行壓載計(jì)算，離線工作時(shí)，操作員可以手動(dòng)輸入相關(guān)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算［1］。

2.5 壓載控制系統(tǒng)

壓載系統(tǒng)控制集成在互為冗余的2個(gè)控制箱FS50、FS51里(見圖1)，2個(gè)信號(hào)采集箱分別有2套R(shí)CU裝置，A，B各有1套，通過4根光纖和4根RBUS線連接在一起，這樣在任一個(gè)信號(hào)采集箱發(fā)生故障的情況下，壓載系統(tǒng)仍能正常工作，不會(huì)影響壓載系統(tǒng)運(yùn)行。另外為了安全，該船的壓載系統(tǒng)為獨(dú)立的控制系統(tǒng)，即使船舶通信網(wǎng)絡(luò)(A、B、C網(wǎng))均不好用時(shí)，壓載控制系統(tǒng)仍可以實(shí)現(xiàn)遙控操作。這是該船壓載系統(tǒng)的一個(gè)特色。

圖1 壓載系統(tǒng)控制系統(tǒng)

3 自動(dòng)壓載系統(tǒng)的工作流程

3.1 自動(dòng)壓載系統(tǒng)的軟件按鈕

自動(dòng)壓載系統(tǒng)軟件按鈕由software buttons，automatic Fill/Discharge of tanks，automatic tank to tank operation組成，其中software buttons包括Close All、Emergency Stop、Auto and manual button。

1)Close all。前后機(jī)艙壓載控制界面上均有1個(gè)Close all軟銨鈕，當(dāng)按下這個(gè)銨鈕后，控制界面上的所有閥關(guān)閉，泵停止運(yùn)行。另一界面的閥和泵保持原態(tài)不變。

2)Em’cy Stop。前后機(jī)艙壓載控制界面上均有一個(gè)Em’cy Stop軟銨鈕，當(dāng)按下這個(gè)銨鈕后，壓載系統(tǒng)所有閥關(guān)閉，壓載泵停止運(yùn)行。

3)Auto and manual button。前后機(jī)艙壓載控制界面上均有1個(gè)Auto and manual button軟銨鈕，這2個(gè)銨鈕與Close all一樣，都只負(fù)責(zé)自己所在的MINC界面。當(dāng)為manual時(shí)，操作員可以手動(dòng)操作壓載，這時(shí)自動(dòng)壓載的邏輯就不起作用;當(dāng)為Auto時(shí)，界面上所有閥門變?yōu)椤癮”，這時(shí)就不能手動(dòng)操作閥門。

4)Automatic Fill/Discharge of tanks。Automatic Fill/Discharge of tanks包括2P和4P 2種模式(P表示Pump)4P模式，4個(gè)壓載泵同時(shí)啟動(dòng)，同一泵艙2臺(tái)壓載泵分別是一壓一排。這種模式的好處是能夠快速地進(jìn)行壓、排載操作，更好地配合吊機(jī)工作。但也存在缺陷:任一臺(tái)壓載泵維修或出現(xiàn)故障及壓載泵進(jìn)出口相關(guān)閥門出現(xiàn)故障時(shí)，4P的自動(dòng)壓載邏輯就不能實(shí)現(xiàn)。當(dāng)有壓載泵遙控蝶閥發(fā)生故障或需要檢修時(shí)，操作員可以使用2P模式進(jìn)行壓載操作。2P模式需要操作員手動(dòng)選擇壓載泵，自動(dòng)壓載邏輯會(huì)根據(jù)操作員所選擇的壓載泵自動(dòng)選擇路徑，進(jìn)行壓載。

5)Automatic tank to tank operation。“海洋石油201”船起重作業(yè)時(shí)，裝載計(jì)算機(jī)會(huì)根據(jù)船舶現(xiàn)有壓載狀態(tài)計(jì)算出是否滿足作業(yè)要求，如果滿足，操作員就可以選擇此種模式，優(yōu)點(diǎn)是不需要從外界壓載水，船舶內(nèi)部調(diào)撥壓載水就可以完成此次吊重工作，能更好地控制船舶狀態(tài)，減少故障點(diǎn)，即降低了故障發(fā)生的可能性，更加安全可靠。

3.2 自動(dòng)壓載模式

自動(dòng)壓載分為手動(dòng)和自動(dòng)2種模式，手動(dòng)模式即人工遙控模式，可以實(shí)現(xiàn)Close all和Em’cy Stop操作、也可以實(shí)現(xiàn)壓載艙間的半自動(dòng)壓載操作。自動(dòng)模式即根據(jù)作業(yè)需求自動(dòng)完成船舶姿態(tài)的控制及調(diào)整，包括吃水、縱/橫傾及船舶穩(wěn)性GM值的范圍控制。

3.3 自動(dòng)壓載的工作流程

以主吊機(jī)在31 m跨距下吊重2 200 t為例，介紹自動(dòng)壓載的邏輯流程。首先裝載計(jì)算機(jī)通過液位遙測系統(tǒng)整理收集船舶現(xiàn)有壓載狀態(tài)數(shù)據(jù)，鋼管或其他貨物都錄入甲板貨物重量進(jìn)行修正，校準(zhǔn)船舶現(xiàn)有狀態(tài)(船舶初始數(shù)據(jù)一定要盡量準(zhǔn)確，這樣裝載計(jì)算機(jī)計(jì)算出的數(shù)據(jù)才會(huì)更接近真實(shí)值，誤差才會(huì)更小)。輸入吊機(jī)起重?cái)?shù)據(jù)2 000 t，31 m跨距。裝載計(jì)算機(jī)會(huì)計(jì)算出在現(xiàn)有狀態(tài)下進(jìn)行此操作后船舶的傾斜狀態(tài)。確保壓載系統(tǒng)的ICMS界面里全為“AUTO”，見圖2。船舶的平均吃水為5.763 m，縱傾為0.116 m，橫傾為2.866°。GM為7.4 m。

圖2 裝載計(jì)算機(jī)任務(wù)界面

操作員根據(jù)實(shí)際情況輸入船舶傾斜范圍要求、計(jì)算次數(shù)及本次所使用的壓載艙。主吃水誤差為0.01 m，縱傾為0.01 m，橫傾為1°，在選擇壓載艙后，設(shè)定計(jì)算重復(fù)次數(shù)為200，如果200次內(nèi)，裝載計(jì)算機(jī)能夠計(jì)算出符合要求的壓載方案，裝載計(jì)算機(jī)會(huì)顯示計(jì)算方案。如果200次內(nèi)沒有符合要求的壓載方案，裝載計(jì)算機(jī)會(huì)彈出對(duì)話框提示本次計(jì)算失敗。這時(shí)需要調(diào)整船舶傾斜狀態(tài)誤差范圍重新計(jì)算，也可以通過調(diào)整所使用的壓載艙重新計(jì)算。根據(jù)船舶壓載艙的具體情況，軟件內(nèi)會(huì)設(shè)計(jì)壓載艙低于多少水即為空艙，該船船設(shè)計(jì)為50 m3(可調(diào)節(jié))。如果裝載計(jì)算出的壓載方案被接受認(rèn)可，系統(tǒng)會(huì)保存該壓載方案，然后按照該方案執(zhí)行。

自動(dòng)壓載邏輯里，由于壓載艙結(jié)構(gòu)不同和閥門關(guān)閉的時(shí)間較長，會(huì)導(dǎo)致每個(gè)壓載艙在壓、排載水時(shí)所表現(xiàn)的特性不一樣。為了精確控制壓載水量，遙控蝶閥采用比例積分、微分調(diào)節(jié)控制(PID)，根據(jù)手動(dòng)壓載經(jīng)驗(yàn)，為每個(gè)壓載艙設(shè)置不同的PID值。

4 自動(dòng)壓載系統(tǒng)的缺陷及改進(jìn)方案

4.1 系統(tǒng)缺陷

在自動(dòng)壓載系統(tǒng)調(diào)試的過程中發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)有以下幾點(diǎn)缺陷。

1)壓載泵排量太大，但是閥門的開啟和關(guān)閉動(dòng)作時(shí)間過長，導(dǎo)致自動(dòng)壓載控制時(shí)誤差過大，無法實(shí)現(xiàn)精確控制。

2)由于自動(dòng)壓載時(shí)閥門采用PID控制，在壓載艙接近目標(biāo)值時(shí)，閥門的開度會(huì)越來越小，但是海水進(jìn)壓載總管閥門為開關(guān)閥，無法調(diào)節(jié)開度，導(dǎo)致壓載泵進(jìn)口無法控制水量，會(huì)造成壓水時(shí)壓載泵進(jìn)口壓力過大。

3)在配合主吊機(jī)吊重試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于1#、7#、9#、12#壓載艙為雙層底艙且容量比較大，如果計(jì)算機(jī)的計(jì)算方案中，這幾個(gè)艙沒有壓滿，在起重機(jī)回轉(zhuǎn)過程中，因?yàn)榕撊葺^大，自由液面會(huì)加大，船舶橫/縱傾會(huì)超出計(jì)算范圍，會(huì)有一定危險(xiǎn)。

4.2 改進(jìn)方案

針對(duì)以上系統(tǒng)缺陷，結(jié)合該船自動(dòng)壓載調(diào)試過程，對(duì)其自動(dòng)壓載系統(tǒng)提出以下改進(jìn)方案。

1)把前后泵艙進(jìn)壓載總管的閥門改為開度閥，前泵BWV008，后泵艙BWV09，這樣就可以有效地控制壓載總管的水量，從而達(dá)到控制壓載泵出口壓力的目的。

2)第3個(gè)問題處理起來比較麻煩，由于這幾個(gè)艙都是中間底艙，橫跨左右舷，要想減少自由液面，必須減小它們的艙容。一個(gè)方案是每次壓載方案都設(shè)定這幾個(gè)艙均壓滿艙水;另一個(gè)方案是把它們以中線隔開，使一艙變兩艙，這樣做的缺點(diǎn)是改動(dòng)量較大，需要加支管和閥門，好處是可以真正有效地減少自由液面。

5 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，以后的海洋工程項(xiàng)目的自動(dòng)化水平會(huì)越來越高，自動(dòng)壓載系統(tǒng)也會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。設(shè)計(jì)使用自動(dòng)壓載系統(tǒng)時(shí)要考慮船舶的很多參數(shù)，不能簡單地認(rèn)為是靠控制邏輯實(shí)現(xiàn)，要在基本和詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)船舶功能詳細(xì)考慮壓載艙結(jié)構(gòu)、壓載管系布置及相關(guān)設(shè)備的參數(shù)配置，如壓載泵排量和遙控閥門開關(guān)時(shí)間等。

［1］薛愛麗.“海洋石油201”壓載控制和液位遙測系統(tǒng)介紹［J］.船海工程，2012，41(2):84-87.