“海洋石油201”的壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)介紹

(江蘇熔盛重工有限公司，江蘇 南通 226532)

“海洋石油201”是雙層甲板深水鋪管起重船，能鋪設(shè)水深達(dá)3 000 m的管線。主甲板設(shè)置鋪管主作業(yè)線和雙節(jié)點(diǎn)管線預(yù)制線。主甲板以下兩邊和雙層底設(shè)置各種油艙和水艙，其中大部分為壓載艙。在船艉設(shè)置1臺(tái)起重能力為40 MN(固定式)/35 MN(全旋轉(zhuǎn)式)的海洋工程重型起重機(jī)。艙室布置要滿足至少380人在船上作業(yè)。本船設(shè)計(jì)鋪管速度為5 km/d。該船主要工作區(qū)域?yàn)橹袊?guó)南海、東海、東南亞海域，適合于全球范圍內(nèi)的服務(wù)。

本船入ABS和CCS雙重船級(jí)，動(dòng)力定位為鋪管時(shí)2級(jí)(DP2)，起重時(shí)3級(jí)(DP3)。

本船設(shè)有一套全集成的船舶管理系統(tǒng)，它包含下列系統(tǒng)：①主推進(jìn)系統(tǒng)；②動(dòng)力定位系統(tǒng)；③功率管理系統(tǒng)；④輪機(jī)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)；⑤船舶輔助系統(tǒng)；⑥所有報(bào)警系統(tǒng)；⑦消防控制；⑧水密門系統(tǒng)顯示；⑨壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)；⑩航行設(shè)備系統(tǒng)；局域網(wǎng)。各功能具有相對(duì)獨(dú)立性，本文討論壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)。

1 壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成

1.1 壓載系統(tǒng)的構(gòu)成

本船配置4臺(tái)排量為3 500 m3/h的壓載泵，前后泵艙各設(shè)置2臺(tái)。壓載泵可就地或遙控控制，通常由集成控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(即ICMS，是VMS的一部分)遙控。每臺(tái)泵的出口裝有電液控制的流量調(diào)節(jié)閥。4臺(tái)壓載泵分別由#1、#2高壓配電板的左右分段供電。

本船的壓載系統(tǒng)管系為布置在雙層底上的一根壓載水吸入/排出環(huán)形管。每個(gè)壓載水艙通過遙控蝶閥及獨(dú)立的支管同環(huán)型管連接。前后泵艙的壓載總管分為前后2組，其左右總管分別通過隔離閥相連。正常運(yùn)行時(shí)，這些隔離閥都是關(guān)閉的。僅當(dāng)海水門有問題或?yàn)V器堵塞或一個(gè)泵艙的壓載泵都不工作或發(fā)生其它不正常情況時(shí)，這些隔離閥才打開。此壓載系統(tǒng)可采用重力式壓載水傳輸使用和壓載泵傳輸壓載水使用。所有遙控壓載閥都是電液控制的，當(dāng)失去控制動(dòng)力時(shí)，都滿足規(guī)范要求。

當(dāng)一個(gè)泵艙進(jìn)水時(shí)，系統(tǒng)仍能實(shí)施壓載水艙壓水和排水操作。

在40 MN起重機(jī)從左舷至右舷回轉(zhuǎn)180°及起重35 MN狀態(tài)下，壓載系統(tǒng)能夠在30 min完成壓/排水操作。起重機(jī)回轉(zhuǎn)期間，船的靜態(tài)橫傾應(yīng)能通過左、右舷間壓載水的自動(dòng)調(diào)駁得以補(bǔ)償。

所有壓載泵的出口都設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)泵的流量和減小泵電機(jī)的起動(dòng)電流。

1.2 液位遙測(cè)和壓載系統(tǒng)的控制

本船的壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)是船舶管理系統(tǒng)(VMS)的一部分。

壓載水系統(tǒng)由1套綜合遙控監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制，分為自動(dòng)及手動(dòng)控制模式，兩種控制模式之間可方便地轉(zhuǎn)換。在壓載控制室設(shè)壓載控制臺(tái)，在#1機(jī)艙集控臺(tái)(ECC1)、#2機(jī)艙集控臺(tái)(ECC2)和壓載控制臺(tái)上設(shè)操作站。操作站的人機(jī)界面(HMI)用于開/閉控制和閥開度信號(hào)指示、起/停壓載泵、艙位指示、船舶吃水指示和橫傾/縱傾指示。

液位遙測(cè)和吃水測(cè)量采用壓力式傳感器，并接入與壓載控制公共的模塊箱。

作為一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，手動(dòng)控制功能仍應(yīng)保留。本船所有的遙控閥和壓載泵都可就地手動(dòng)操作。

1.3 壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)作為船舶管理系統(tǒng)

的一部分，采用了冗余技術(shù)。系統(tǒng)在前、后泵艙分別設(shè)1個(gè)信號(hào)采集箱和1個(gè)閥門遙控/液位遙測(cè)模塊箱。2個(gè)信號(hào)采集箱分別接入A通信網(wǎng)絡(luò)(A網(wǎng))和B通信網(wǎng)絡(luò)(B網(wǎng))。所有遙控閥和液位信號(hào)接入2個(gè)閥門遙控/液位遙測(cè)模塊箱，見圖1。

圖1 圧載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)

由圖1可以看出兩個(gè)信號(hào)采集箱分別為FS50、FS51，接收和輸出閥門遙控/液位遙測(cè)模塊箱(RIO RCU 50和RIO RCU 51)的信息，如液位傳感器、吃水傳感器、壓力傳感器、閥門的開/關(guān)，開啟/停止等信號(hào)，同時(shí)將這些信息傳送至各個(gè)操作站與裝載計(jì)算機(jī)，以達(dá)到全船控制的功能。每個(gè)信號(hào)采集箱具有控制全船壓載系統(tǒng)的功能，即2個(gè)信號(hào)采集箱互為冗余。本系統(tǒng)與VMS的其余部分不同，網(wǎng)絡(luò)通信冗余是通過設(shè)在不同信號(hào)采集箱內(nèi)相同功能的冗余模塊分別與A網(wǎng)和B網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)的。這種冗余設(shè)置增加了硬件，但提高了可靠性。鑒于本系統(tǒng)對(duì)起重作業(yè)的重要性，這樣的設(shè)置是合理的。

壓載系統(tǒng)操作站的控制觸摸屏有以下功能：顯示功能(縱傾、橫傾、液位、吃水、閥的狀態(tài)、泵的狀態(tài)、壓力等)、控制功能(工作模式選擇、泵控制、閥控制、壓載艙液位控制等)、報(bào)警功能。3個(gè)帶有482.6 mm(19 in)TFT觸摸控制屏的操作站分別位于壓載控制室(駕駛甲板)、#1集控室機(jī)艙集控臺(tái)(ECC1)、#2集控室機(jī)艙集控臺(tái)(ECC2)。

除壓載控制和液位遙測(cè)功能外，本系統(tǒng)還設(shè)有一些系統(tǒng)本身故障的報(bào)警，如傳感器故障、信號(hào)采集箱模塊故障、通信故障等。

2 液位遙測(cè)和船舶吃水、船舶縱、橫傾遙測(cè)系統(tǒng)

2.1 液位遙測(cè)

每1臺(tái)壓載泵的吸入和排出端分別設(shè)置壓力表和傳感器，用于本地及遙控臺(tái)讀取壓力。

壓載水艙液位測(cè)量系統(tǒng)采用壓力式液位傳感器，能遠(yuǎn)距離讀取每個(gè)壓載水艙的液位參數(shù)。每個(gè)大艙容的壓載水艙和參與橫傾調(diào)整的壓載水艙設(shè)置了2個(gè)液位傳感器。這基本實(shí)現(xiàn)了壓載水艙液位測(cè)量系統(tǒng)傳感器的冗余性。

本系統(tǒng)并可依據(jù)液位數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)內(nèi)部計(jì)算壓載水艙的水量和百分比。計(jì)算只采用15個(gè)分檔，因此計(jì)算較粗。系統(tǒng)也可把液位測(cè)量值送至在線的裝載計(jì)算機(jī)，裝載計(jì)算機(jī)將計(jì)算得的壓載水艙水量數(shù)據(jù)回送至液位測(cè)量系統(tǒng)。因裝載計(jì)算機(jī)的計(jì)算精確得多，正常情況下，液位測(cè)量系統(tǒng)和壓載控制系統(tǒng)的顯示和控制采用裝載計(jì)算機(jī)回送的壓載水艙水量數(shù)據(jù)。當(dāng)裝載計(jì)算機(jī)與液位測(cè)量系統(tǒng)間的通信不正常時(shí)，顯示和控制就采用內(nèi)部的計(jì)算數(shù)據(jù)。

2.2 船舶吃水、船舶縱、橫傾遙測(cè)

船舶吃水測(cè)量采用壓力傳感器。傳感器分別被安裝在船底部，位于船中部壓載泵艙的左舷和右舷、船艏、船艉。

船舶縱、橫傾根據(jù)吃水傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)計(jì)算得到。為滿足DP3的要求，本船的動(dòng)力定位控制系統(tǒng)帶有3個(gè)運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU)，其測(cè)得的船舶縱、橫傾數(shù)據(jù)可兼用于壓載系統(tǒng)控制。因此，壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)可通過VMS網(wǎng)絡(luò)通信獲得動(dòng)力定位系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參考單元的縱、橫傾數(shù)據(jù)。因MRU的數(shù)據(jù)精確得多，正常情況下，船舶縱、橫傾采用MRU的數(shù)據(jù)，由船舶吃水測(cè)量計(jì)算得到的縱/橫傾數(shù)據(jù)作為的冗余測(cè)量。

2.3 裝載計(jì)算機(jī)

本船的裝載計(jì)算機(jī)是獨(dú)立的設(shè)備，可以與VMS(壓載控制和液位測(cè)量系統(tǒng))通過數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。通常，裝載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)不回送至壓載控制和液位測(cè)量系統(tǒng)，本船將裝載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)回送至液位測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)保留液位測(cè)量系統(tǒng)的內(nèi)部計(jì)算作為冗余，這是本系統(tǒng)的特色。

裝載計(jì)算機(jī)可在線或離線工作。在線工作時(shí)，它接收來自液位遙測(cè)系統(tǒng)的液位數(shù)據(jù)和其它相關(guān)數(shù)據(jù)，完成相關(guān)計(jì)算，還將計(jì)算得的壓載水艙水量數(shù)據(jù)回送至壓載控制系統(tǒng)，用于其控制和顯示。

3 壓載系統(tǒng)的控制模式

本系統(tǒng)包括下列控制模式：①手動(dòng)模式；②自動(dòng)模式；③抗橫傾模式；④外部控制模式。

3.1 手動(dòng)模式

手動(dòng)模式指操作站人工遙控模式。手動(dòng)模式時(shí)，操作者可對(duì)每個(gè)閥和泵分別遙控。對(duì)一般的閥控制其開閉，對(duì)流量調(diào)節(jié)閥，還可控制其開度。

本船壓載水艙分為前后2組，每組又分為左右2分組。對(duì)每一壓載水艙分組的閥可實(shí)現(xiàn)一鍵操作。

手動(dòng)模式還可實(shí)現(xiàn)一鍵全閉操作。即按下“CLOSE ALL”按鍵，所有閥全部關(guān)閉。

手動(dòng)模式可按操作者要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)任一個(gè)或多個(gè)壓載水艙實(shí)現(xiàn)壓水或排水。

3.2 自動(dòng)模式

自動(dòng)模式時(shí)，操作者設(shè)定所選壓載水艙的液位(或水量體積，或水重量，或百分比)，本系統(tǒng)將自動(dòng)完成開閥、開泵、停泵、關(guān)閥等操作，使所選壓載水艙的液位達(dá)到要求值。液位、水量體積、水重量、百分比等數(shù)據(jù)來自裝載計(jì)算機(jī)。當(dāng)裝載計(jì)算機(jī)與液位測(cè)量系統(tǒng)間的通信不正常時(shí)，就采用系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算數(shù)據(jù)。

因在泵的出口和左右舷壓載水艙支管設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥以及合適的控制程序，控制過程可避免液位振蕩。

自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)2種不同的操作：①壓載水艙壓水或排水；②左右壓載水艙間調(diào)駁。這種操作只限于同時(shí)調(diào)駁左右各1個(gè)壓載水艙。

3.3 抗橫傾模式

抗橫傾模式用于起重作業(yè)狀態(tài)。在主起重機(jī)處于左右舷間回轉(zhuǎn)180°及起重3 500 t 的狀態(tài)下，通過左、右舷間壓載水的自動(dòng)調(diào)駁，使船的靜態(tài)橫傾保持在允許的范圍內(nèi)。這種模式實(shí)際上也是一種自動(dòng)控制模式，但它的控制信號(hào)不是壓載水艙的液位，而是船舶的橫傾角。

為避免因波浪等引起的過于頻繁的壓載水泵起停，程序中設(shè)置了橫傾角數(shù)字濾波和最大橫傾角(相當(dāng)于死區(qū))。程序還允許根據(jù)船舶的船姿情況設(shè)置預(yù)橫傾。

通常，船舶橫傾信號(hào)采用動(dòng)力定位系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參考單元(MRU)的數(shù)據(jù)。當(dāng)來自MRU的數(shù)據(jù)有故障時(shí)，采用由船舶吃水測(cè)量計(jì)算得到的橫傾數(shù)據(jù)。

3.4 外部控制模式

此模式與自動(dòng)模式功能相同。其不同之處在于自動(dòng)模式依據(jù)液位數(shù)據(jù)實(shí)施控制功能，這些數(shù)據(jù)可來自裝載計(jì)算機(jī)(正常時(shí))，也可由壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)本身計(jì)算得到(作為冗余)，而控制信號(hào)由壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)本身產(chǎn)生；外部控制模式的控制信號(hào)由裝載計(jì)算機(jī)產(chǎn)生后輸入至壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)，且液位數(shù)據(jù)只能由裝載計(jì)算機(jī)自己計(jì)算。利用裝載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制壓載水艙的液位可提高船舶的安全性。

另外，裝載計(jì)算機(jī)兼具壓載控制功能也是其特色。

4 與動(dòng)力定位的協(xié)調(diào)性

動(dòng)力定位相關(guān)的ABS/CCS規(guī)范對(duì)壓載水系統(tǒng)沒有要求，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可不考慮與動(dòng)力定位系統(tǒng)的協(xié)調(diào)問題。然而，本壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成與動(dòng)力定位系統(tǒng)有很好的協(xié)調(diào)性。

在鋪管作業(yè)狀態(tài)，本船為DP2動(dòng)力定位。因壓載系統(tǒng)的故障對(duì)鋪管作業(yè)不發(fā)生直接關(guān)系，可認(rèn)為不必考慮兩者之間的協(xié)調(diào)關(guān)系。

在起重作業(yè)狀態(tài)，本船為DP3動(dòng)力定位。因壓載系統(tǒng)的抗橫傾工作模式對(duì)保證起重作業(yè)的安全性相當(dāng)重要，因此，壓載系統(tǒng)與動(dòng)力定位系統(tǒng)相協(xié)調(diào)是應(yīng)該的。

由于前后泵艙相互遠(yuǎn)離，中間隔了好幾道A-60分隔的艙壁，信號(hào)采集箱的布置滿足DP3的原則。3個(gè)操作站相互遠(yuǎn)離或A-60分隔，其布置也滿足DP3的原則。本船的VMS(包括壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng))的通信布置充分考慮了DP3的要求，因此本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信也滿足DP3的原則。因此，壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)與動(dòng)力定位

系統(tǒng)DP3是協(xié)調(diào)的。

當(dāng)一個(gè)機(jī)艙或高壓配電室(#1或#2)滅失，壓載系統(tǒng)的抗橫傾能力將喪失一部分(最多可達(dá)一半)。但這時(shí)起重能力也降低了，壓載系統(tǒng)與動(dòng)力定位系統(tǒng)DP3仍相協(xié)調(diào)。

當(dāng)1臺(tái)壓載泵故障時(shí)，壓載系統(tǒng)的抗橫傾能力將喪失一部分，而起重能力不變。這時(shí)就要求起重機(jī)操作者按起重負(fù)荷控制好回轉(zhuǎn)速度。當(dāng)一個(gè)泵艙滅失時(shí)，壓載系統(tǒng)的抗橫傾能力將喪失一半，而起重能力不變。這時(shí)就更要求起重機(jī)操作者按起重負(fù)荷控制好回轉(zhuǎn)速度。

模塊箱實(shí)際上是船舶管理系統(tǒng)所屬的壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)的外圍設(shè)備。雖然其布置滿足DP3的要求，但當(dāng)某一模塊箱滅失時(shí)，會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的壓載水艙不能參與抗橫傾。其效果與一個(gè)泵艙滅失相當(dāng)，這時(shí)就也要求起重機(jī)操作者按起重負(fù)荷控制好回轉(zhuǎn)速度。

因此，就整個(gè)壓載系統(tǒng)而言，不能與動(dòng)力定位系統(tǒng)DP3要求完全協(xié)調(diào)，但仍能保證起重作業(yè)繼續(xù)進(jìn)行。然而，作為船舶管理系統(tǒng)一部分的壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)與動(dòng)力定位系統(tǒng)DP3要求完全協(xié)調(diào)。

5 結(jié)束語

“海洋石油201”的壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理、功能完善，能滿足先進(jìn)的鋪管起重船的作業(yè)需要。而且，本壓載控制和液位遙測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與動(dòng)力定位系統(tǒng)DP3要求的協(xié)調(diào)性。