小型液化天然氣運(yùn)輸船綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫恪成，華先亮，時光志

（1.中海油能源發(fā)展采油服務(wù)分公司，天津300457；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海201203）

0 前 言

以中海油能源發(fā)展有限公司的30 000 m3液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運(yùn)輸船（動力推進(jìn)方式為全回轉(zhuǎn)電力推進(jìn)）為研究對象，介紹小型LNG 運(yùn)輸船綜合自動化系統(tǒng)（Integrated Automation System，IAS） 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)過程。 該系統(tǒng)在LNG 運(yùn)輸船以及裝載特殊類危險品貨物的船舶上對保障裝卸貨物操作和營運(yùn)管理安全具有重要作用。

1 船舶綜合自動化系統(tǒng)功能

船舶通常配備機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng) （Alarm and Monitoring，AMS），并可對少量機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行程序控制。 具備在集控室內(nèi)主機(jī)/輔機(jī)綜合故障報(bào)警、空壓機(jī)低壓力自啟動、注入泵低位起動和高位停泵功能，以及主機(jī)超溫、超速和低壓安保功能等。

隨著技術(shù)的發(fā)展， 船舶自動化程度不斷提升，AMS 功能有了較大幅度擴(kuò)展，逐漸升級為IAS。自主控制的設(shè)備和系統(tǒng)的自動化功能集成在這個系統(tǒng)中，比如閥門遙控、風(fēng)機(jī)/泵自動控制、艙液位監(jiān)測、電站功率管理、貨艙管控、推進(jìn)器控制等。 配置IAS系統(tǒng)進(jìn)一步降低了機(jī)艙輪機(jī)員的勞動強(qiáng)度。

LNG 運(yùn)輸船貨艙內(nèi)的貨物L(fēng)NG 在運(yùn)輸過程中會蒸發(fā)形成蒸發(fā)氣， 根據(jù)LNG 蒸發(fā)氣是否作為燃料，即機(jī)艙部分和貨艙部分的自動化系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)程度， 來配備相應(yīng)的IAS。 不以貨艙貨物作為燃料的LNG 運(yùn)輸船，其貨艙部分的自動化系統(tǒng)和機(jī)艙部分的自動化系統(tǒng)互相之間相對獨(dú)立；以貨艙貨物作為燃料的LNG 運(yùn)輸船，由于機(jī)艙的LNG 燃料設(shè)備（主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐）等還需負(fù)責(zé)貨艙的艙壓控制，因而機(jī)艙的推進(jìn)控制、電站管理、熱量管理等控制系統(tǒng)與貨艙的艙壓控制系統(tǒng)高度集成，且互相之間通過密切的邏輯關(guān)系相互操作，自動化系統(tǒng)的綜合程度更高。

通過調(diào)研，確定小型LNG 船舶的IAS 中需要進(jìn)行監(jiān)測、管理和控制的子系統(tǒng)，如表1 所示。

表1 綜合自動化系統(tǒng)功能需求

1.1 發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)監(jiān)控

電站包括雙燃料主發(fā)電機(jī)組以及應(yīng)急停泊柴油發(fā)電機(jī)組。 對原動機(jī)的顯示指示功能包括：顯示每臺雙燃料主發(fā)電機(jī)組的側(cè)視圖，以及雙燃料原動機(jī)的運(yùn)行指示、當(dāng)前控制位置、轉(zhuǎn)速、起動空氣壓力、燃料模式，顯示本機(jī)滑油、燃油、燃?xì)?、冷卻水、曲軸、增壓和排氣系統(tǒng)的狀態(tài)和參數(shù)；對發(fā)電機(jī)的顯示功能包括：指示繞組溫度、軸承溫度、冷卻器進(jìn)出口溫度、 冷卻液泄漏監(jiān)測、 自動電壓調(diào)節(jié)器（Automatic Voltage Regulator）狀態(tài)、電壓、功率。 報(bào)警功能包括：按照設(shè)定值對模擬量參數(shù)進(jìn)行柱狀顯示，對所有狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行報(bào)警，特別地，如果任何一個推進(jìn)器處在“運(yùn)行”模式，而應(yīng)急發(fā)電機(jī)沒有處在“應(yīng)急”模式的話，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。 控制功能包括：對發(fā)電機(jī)組的燃料模式、主/從順序、負(fù)載均衡模式、“應(yīng)急/停泊/手動模式”等進(jìn)行控制，其中雙燃料主發(fā)電機(jī)組的燃料模式是控制重點(diǎn)。 根據(jù)雙燃料主機(jī)的功率特性曲線，充分考慮了其功率提升慢的特點(diǎn)，在其標(biāo)準(zhǔn)的緊急模式、燃?xì)饽Ｊ?、燃油模式基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于供氣管路成分監(jiān)測、通風(fēng)效果檢測、氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)安全、船舶操縱機(jī)動等邏輯的模式切換，完善了雙燃料發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)監(jiān)測控制的完整性和可靠性。

1.2 全船電力網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

電力網(wǎng)絡(luò)包括AC 6 600 V 中壓段、AC 400 V/230 V 低壓段、DC 24 V 不間斷電源（UPS）段等多級網(wǎng)絡(luò)?？刂乒δ苁菍θ娏W(wǎng)絡(luò)主要開關(guān)進(jìn)行通/斷控制（優(yōu)先級低于電站管理系統(tǒng)保護(hù)功能）；顯示功能主要包括：顯示全船電力系統(tǒng)單線圖；所有配電板上主要開關(guān)狀態(tài)及匯流排的通電狀態(tài)，每段匯流排的電參數(shù)（電壓、頻率、功率因數(shù)、絕緣等）；變壓器的繞組溫度、鐵芯溫度、冷卻器進(jìn)出口溫度、空間加熱器狀態(tài)等； 每臺主發(fā)電機(jī)的電壓、 電流、功率、功率因數(shù)、柱狀帶數(shù)字顯示負(fù)荷率、運(yùn)行模式；UPS 電源系統(tǒng)的電源狀態(tài)、主要開關(guān)的狀態(tài)、輸出電壓、電流、功率、功率因數(shù)、絕緣狀態(tài)、運(yùn)行模式等；顯示蓄電池組的電壓、蓄電池安裝空間的環(huán)境溫度等。

1.3 電力推進(jìn)系統(tǒng)監(jiān)測

推進(jìn)系統(tǒng)由全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)系統(tǒng)和首側(cè)推系統(tǒng)組成。 由于推進(jìn)系統(tǒng)要求完整精密的協(xié)同控制，自動化系統(tǒng)不提供對電力推進(jìn)系統(tǒng)的控制功能，顯示功能主要包括：電力推進(jìn)系統(tǒng)單線圖；主發(fā)電機(jī)的燃料模式；中壓配電板發(fā)電機(jī)、母聯(lián)開關(guān)、推進(jìn)回路開關(guān)的狀態(tài)（聯(lián)動聯(lián)鎖關(guān)系）；推進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、功率及車鐘命令值；螺旋槳的轉(zhuǎn)速、舵角及車鐘命令值；首側(cè)推中壓軟起動器的狀態(tài)、驅(qū)動電機(jī)的狀態(tài)、推進(jìn)器螺距、降速/停車報(bào)警等。

1.4 機(jī)艙輔助設(shè)備監(jiān)控

采用雙燃料、電力推進(jìn)系統(tǒng)，機(jī)艙內(nèi)眾多輔助設(shè)備需要監(jiān)測、顯示、報(bào)警、控制。 其中：控制功能包括對系統(tǒng)、泵、閥進(jìn)行遙控，對手動遙控及程序自動控制； 顯示功能包括對油/水/氣系統(tǒng)的PID 流程圖進(jìn)行顯示，包括艙液位、艙容百分比、高低位報(bào)警、管路流通狀態(tài)、遙控閥的狀態(tài)及權(quán)限控制、泵的狀態(tài)、分油機(jī)的狀態(tài)、加注閥的狀態(tài)、加注速度指示、最近一次加注量、歷史加注總量等參數(shù)。

1.5 貨物系統(tǒng)監(jiān)測

貨物系統(tǒng)以C 型液貨罐為核心， 圍繞貨物輸入、存儲、控制、輸出配置系統(tǒng)功能，控制功能主要是對貨物系統(tǒng)的壓縮機(jī)、閥、液貨泵等進(jìn)行控制（優(yōu)先級低于貨物安全系統(tǒng)的自動控制）。 顯示功能主要是以總圖側(cè)視圖、下甲板俯視圖、貨艙中橫剖面圖為背景圖，顯示信息包括：船舶的吃水、縱傾、橫傾；當(dāng)前環(huán)境風(fēng)速風(fēng)向、大氣溫度、大氣壓力；每個貨艙的實(shí)時艙容、液位；貨物系統(tǒng)的PID 流程圖，包括每個液艙的液位、溫度、艙容、圓頂?shù)淖匀徽舭l(fā)氣（BOG）壓力、液貨泵狀態(tài)、閥狀態(tài)、管路狀態(tài)等參數(shù)。

1.6 船舶安全系統(tǒng)監(jiān)控

船舶安全系統(tǒng)主要由振動監(jiān)測、火氣、緊急切斷（Emergency Shut Down，ESD）等系統(tǒng)組成，自動化功能包括：以總圖每層甲板俯視圖的形式為背景，當(dāng)監(jiān)測液貨泵、主推進(jìn)裝置這幾類核心旋轉(zhuǎn)設(shè)備軸承的振動頻譜在任何一個監(jiān)測點(diǎn)的振動幅值超過設(shè)定值時，發(fā)出報(bào)警并在相應(yīng)的總圖形式背景圖上顯示，每個火警/氣體探頭對應(yīng)位置為一個報(bào)警點(diǎn)?；饸庀到y(tǒng)中主機(jī)的信號包括電源狀態(tài)、運(yùn)行指示、綜合報(bào)警。任何一個火氣探頭發(fā)出報(bào)警， 都能夠在模擬圖（MIMIC）上顯示其在船上的對應(yīng)位置。

控制功能包括對船艙和貨艙的ESD 系統(tǒng)，全船分6 個切斷分區(qū)，任何分區(qū)發(fā)生ESD 后都將產(chǎn)生報(bào)警，并以總圖內(nèi)相關(guān)區(qū)塊高亮的形式標(biāo)示出來，同時畫面旁顯示該切斷對應(yīng)的相關(guān)設(shè)備，并監(jiān)測ESD 系統(tǒng)的電源故障。 其中貨艙ESD 切斷部分是核心，功能包括：顯示熔斷系統(tǒng)、貨物ESD 系統(tǒng)、船岸連接（SSL）系統(tǒng)等的狀態(tài)以及相應(yīng)的報(bào)警；以船舶布置圖為背景，顯示安全系統(tǒng)每一個激活點(diǎn)（如火警探頭、氣體探頭）的具體位置。 控制功能包括其熔斷系統(tǒng)、貨物ESD 系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)邏輯在失火、溢出、通信失靈、環(huán)境突變、岸基突發(fā)意外等工況自動關(guān)斷對應(yīng)設(shè)備。

1.7 自診斷系統(tǒng)監(jiān)測

綜合自動化系統(tǒng)除了以上對船內(nèi)各主要系統(tǒng)信息進(jìn)行集成顯示和對部分子系統(tǒng)進(jìn)行控制以外，還對系統(tǒng)自身提供自診斷功能，主要包括：顯示綜合自動化系統(tǒng)方框圖，圖示每一個控制站、操作站（Operation Station，OS）的位置及通信網(wǎng)絡(luò)，顯示每個節(jié)點(diǎn)的通信狀態(tài)與報(bào)警； 顯示每個控制站的通信網(wǎng)卡、UPS、電源狀態(tài)等參數(shù)及報(bào)警；以列表形式顯示存儲周期內(nèi)所有報(bào)警歷史條目； 提供配置操作， 選取任何一個模擬量輸入輸出（Input/Output，IO）點(diǎn)，選定時間范圍，顯示該區(qū)間范圍內(nèi)的變化曲線。

2 船舶綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

30 000 m3LNG 運(yùn)輸船是一型以貨艙貨物L(fēng)NG蒸發(fā)氣作為燃料的電力推進(jìn)船舶。 貨艙采用C 型液罐，可以耐受較高的壓力，配置了機(jī)艙監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)、電站管理系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、液位遙測系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)/泵自動控制系統(tǒng)、電力推進(jìn)控制系統(tǒng)、貨物控制及密閉傳輸系統(tǒng)（貨物計(jì)量）等，總計(jì)有近4 000個通訊點(diǎn)信息IO 和近1 000 個硬件信息IO。 從功能需求、系統(tǒng)架構(gòu)成熟度等方面考慮，確定IAS 設(shè)計(jì)方案。

IAS 主要分為機(jī)艙自動化和貨艙自動化兩大系統(tǒng)。 機(jī)艙部分主要負(fù)責(zé)雙燃料發(fā)電機(jī)組、電站、機(jī)艙輔助設(shè)備、推進(jìn)系統(tǒng)等設(shè)備的信號采集、監(jiān)測、報(bào)警、控制；貨艙部分主要負(fù)責(zé)貨艙區(qū)域包括貨泵、壓縮機(jī)、管系、氮?dú)獾仍O(shè)備的信號采集、監(jiān)測、報(bào)警、控制。根據(jù)這兩部分的不同集成度，為綜合自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種架構(gòu)方案，見圖1“方案一機(jī)艙貨艙自動化分立關(guān)聯(lián)的IAS 架構(gòu)”和圖2“方案二 機(jī)艙貨艙自動化完全集成的IAS 架構(gòu)”。

“方案一”中，兩大系統(tǒng)有各自的UPS 電源、通信環(huán)網(wǎng)、信號采集設(shè)備、控制中心、操作站。 系統(tǒng)之間主要通過通信連接，在上層架構(gòu)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 兩大系統(tǒng)之間存在互相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)，比如燃?xì)庀到y(tǒng)中貨艙區(qū)域的燃?xì)馍刹糠忠约皺C(jī)艙區(qū)域的燃?xì)夤?yīng)部分， 通過設(shè)置精確的邏輯進(jìn)行硬線聯(lián)鎖。

“方案二”中，將“方案一”中分立的機(jī)艙和貨艙兩大系統(tǒng)整合在一起， 兩大系統(tǒng)共享UPS 電源、通信環(huán)網(wǎng)、信號采集設(shè)備、控制中心和操作站，統(tǒng)一對全船的機(jī)艙和貨艙設(shè)備進(jìn)行信號采集、 監(jiān)測、 報(bào)警、控制。兩大系統(tǒng)之間的邏輯關(guān)系通過統(tǒng)一的軟件進(jìn)行管理和實(shí)現(xiàn)。

圖1 方案一 機(jī)艙貨艙自動化分立關(guān)聯(lián)的IAS 架構(gòu)

圖2 方案二 機(jī)艙貨艙自動化完全集成的IAS 架構(gòu)

“方案一”是小型LNG 船目前的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀，機(jī)艙自動化和貨艙自動化分別由不同的供應(yīng)商集成提供。 其優(yōu)點(diǎn)是兩大部分各自的技術(shù)成熟度、 市場競爭程度都比較高，建造方較容易控制采購成本和技術(shù)風(fēng)險。 其缺點(diǎn)是兩大部分可能采購不同品牌型號的部件，在信號采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)、中央控制器、操作站等方面存在一定的重復(fù)投入。

“方案二”是目前大部分大型LNG 船的設(shè)計(jì)現(xiàn)狀， 即機(jī)艙自動化和貨艙自動化由同一家供應(yīng)商集成提供。 其優(yōu)點(diǎn)是打破了機(jī)艙自動化和貨艙自動化兩大部分之間的分隔， 除了規(guī)范要求的獨(dú)立安全系統(tǒng)以外， 整合、 合并了全船各處的信號采集、網(wǎng)絡(luò)交換、可編程控制器（PLC）、操作站等系統(tǒng)資源，減少了很多硬件配置和數(shù)據(jù)接口。 另外采用相同品牌的元器件， 維護(hù)管理可以節(jié)省相當(dāng)一部分成本。 其缺點(diǎn)是市場的競爭度不是很高，往往只有幾個大品牌供應(yīng)商能夠提供， 在成本控制方面容易受制于人。 另外，集成度高，對兩大系統(tǒng)之間的故障安全要求也比較高。

中海油30 000 m3LNG 船項(xiàng)目計(jì)劃建造2 艘：1號船基于當(dāng)時采購策略的原因，IAS 采用的是“方案一”， 即機(jī)艙和貨艙自動化分立關(guān)聯(lián)的架構(gòu)；2 號船的綜合自動化系統(tǒng)采用的是“方案二”，即機(jī)艙和貨艙自動化完全集成的架構(gòu)。

3 結(jié) 語

在設(shè)計(jì)該小型LNG 船舶IAS 時，尚未考慮系統(tǒng)的二次開發(fā)。 隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息技術(shù)、人工智能等技術(shù)在船舶行業(yè)逐步廣泛應(yīng)用，船舶自動化系統(tǒng)也正朝著分布型、網(wǎng)絡(luò)型和智能型方向發(fā)展。IAS 是全船數(shù)據(jù)信息采集的重要來源，各設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)成熟度也在逐漸提升，向著綜合集成化、智能化方向發(fā)展。 隨著海量數(shù)據(jù)的積累，需要對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、 挖掘和開發(fā)應(yīng)用， 因此在今后設(shè)計(jì)船舶IAS時，不僅要滿足功能需求，還應(yīng)該兼顧自動化系統(tǒng)擴(kuò)展為功能更加強(qiáng)大的智能系統(tǒng)的可能性。