船用壓載空氣壓縮機控制系統的設計

于祥春 關敬民 孔凡旭 高 帥 魏鵬飛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

半潛式自航工程船(Semi-submersible Ships)也稱半潛式母船，是專門運輸大型海上石油鉆井平臺、大型艦船、潛艇、龍門吊及預制橋梁構件等超長超重，但又無法分割吊運的超大型設備的特種海運船舶。半潛式自航工程船在工作時，會像潛水艇一樣，通過調整船身壓載水量，平穩地將一個足球場大小的船身甲板潛入10～30m深的水下，只露出船樓建筑；然后等需要裝運的貨物拖拽到已經潛入水下的裝貨甲板上方時，啟動大型空氣壓縮機，用壓縮空氣將半潛式自航工程船身壓載水艙的壓載水排出船體，使船身連同甲板上的承載貨物一起浮出水面，然后綁扎固定，海運至目的地。

半潛式自航工程船的空氣壓載系統主要包括空氣壓縮機、空氣管路、壓載艙及透氣管路等系統，其中空氣壓縮機系統的設計和供貨基本由Atlas Copco、Aerzen和Ingersoll-rand公司壟斷。而壓載系統是半潛式自航工程船正常工作的重中之重，筆者將重點闡述半潛式自航工程船壓載空氣壓縮機控制系統的硬件結構和控制流程的設計方案。

1 船用壓載系統①

船舶的壓載方式主要有壓載水泵、壓縮空氣和利用靜水壓力(重力)自流3種方式。不同壓載方式的壓載速度不同，消耗的能量也不盡相同，船舶下潛和上浮的作業時間也有很大差異。

某項目船舶壓載系統設置有兩套單獨的系統：空氣壓載系統(圖1)和水泵壓載系統(圖2)，并以空氣壓載系統為主、水泵壓載系統為輔，兩種方式配合使用?？諝鈮嚎s機系統是空氣壓載系統的核心，為整個壓載系統提供可靠的壓縮空氣，空氣壓縮機系統包括4套空氣壓縮機系統(每臺流量6 750m3/h、壓力270kPa)，每兩套系統并聯工作，同時為兩個壓載主空氣管匯提供壓縮空氣。水泵壓載系統包括：艏部水泵系統，兩臺離心泵，流量1 500m3/h、壓力350kPa，負責主甲板以上的壓載水艙；艉部水泵系統，兩臺離心泵，流量400m3/h、壓力350kPa，負責艉浮箱和尾部其中一個壓載水艙。

2 壓載空氣壓縮機控制系統

壓載空氣壓縮機控制系統集中了報警、監測及控制等功能，而船底水系統、壓載系統、冷卻水系統、通風系統及壓縮機系統等各子系統分散獨立運行，同時又與全船控制系統相互聯系，實現綜合報警、監測及控制等功能。全船控制系統的功能類似于DCS系統；而壓載空氣壓縮機控制系統則以PLC為核心的單元控制系統，類似于DCS系統的現場操作控制站。

壓載空氣壓縮機系統主要包括無油螺桿空氣壓縮機、后冷卻器、氣水分離器和相關的電控儀表，這些也是壓載空氣壓縮機控制系統的主要控制對象，其中無油螺桿空氣壓縮機自帶控制柜，也是壓載空氣壓縮機控制系統的控制對象。壓載空氣壓縮機的工作過程主要是壓載作業和排載作業，因此壓載空氣壓縮機的系統控制也是圍繞這兩類作業設計的。

3 壓載空氣壓縮機控制系統的硬件配置

圖1 空氣壓載系統示意圖

圖2 水泵壓載系統示意圖

壓載空氣壓縮機系統主要由4套相同的空氣壓縮機系統組成，且互為備用。同樣控制系統也是4套互為備用，而且每一套本身又是CPU和通信冗余配備，空氣壓縮機控制系統的硬件配置如圖3所示。雙CPU之間采用同步光纖通信，與ET200之間采用Profibus DP通信，與觸摸屏之間采用網線Internet通信，與DCS系統之間采用Modbus RTU 485通信。

系統采用Simatic S7-400，包括：CPU 412-3H，2塊；模擬量輸入模塊，8點 1塊；數字量輸入模塊，16點 1塊，32點 1塊；數字量輸出模塊，16點 1塊。觸摸屏為Simatic MP 277 Touch，是多功能平臺類HMI設備，可擴展辦公領域的通信功能，設有Profibus DP接口、以太網接口和TFT屏幕，并且支持Sm@rt Service、Sm@rt Acess和OPC服務器。

4臺空氣壓縮機控制系統之間的通信采用Modbus RTU 485，采用冗余配置，其通信冗余連接如圖4所示。

圖3 空氣壓縮機控制系統硬件配置

圖4 壓載空氣壓縮機系統通信連接示意圖

4 壓載空氣壓縮機控制系統的軟件流程

圖1中給出了壓載空氣壓縮機系統的各個設備，及其與全船系統的聯系。在此流程的基礎上，設計了如圖5所示的壓載空氣壓縮機系統的控制軟件流程。

空氣壓縮機的初始狀態為停機狀態，電動閥3701～3704都處于關閉狀態。排載啟動的控制過程：首先打開電動閥3701和3704，同時監測電動閥的位置，如果處于關閉狀態則系統報警；如果電動閥正常打開則啟動空氣壓縮機?？諝鈮嚎s機啟動達到正常轉速后打開電動閥3702，監測電動閥3702的狀態，如果沒有正常打開則系統復位為初始狀態；如果電動閥3702正常打開則接著關閉電動閥3704，如果電動閥3704沒有正常關閉則系統復位為初始狀態，否則空氣壓縮機繼續工作進行排載作業；這期間如果出現空氣壓縮機報警或是TT3703監測的溫度超過70℃或者中控發出ESD關機信號，則電動閥3704打開，電動閥3701和3702關閉，壓縮機停止，同時系統復位到初始狀態。如果沒有以上情況出現，就一直運行排載作業至排載結束復位到初始狀態。

空氣壓縮機初始假設處于停機狀態，電動閥3701～3704都處于關閉狀態。壓載啟動的控制過程：首先打開電動閥3703，但在打開電動閥3703之前需保證水分罐的液位開關LSHH-3701無報警，同時監測電動閥3703的開關狀態，如果電動閥3703沒有打開則進行系統報警，確定已經打開后啟動空氣壓縮機同時打開電動閥3704。然后檢測空氣壓縮機和電動閥3704的狀態，如果空氣壓縮機沒有啟動則系統報警，如果電動閥3704沒有打開則返回初始狀態，如果空氣壓縮機和電動閥3704狀態都正常則空氣壓縮機繼續運行同時監測水分罐液位LT-3701。如果LT-3701的液位低于0mm則電磁閥SV3701關閉，如果液位高于450mm則電磁閥SV3701打開。這期間如果出現空氣壓縮機報警或是TT3703監測的溫度超過70℃，則電動閥3703和3704關閉，同時系統復位到初始狀態。如果沒有以上情況出現，那么就一直運行壓載作業至壓載結束后復位到初始狀態。

圖5 壓載空氣壓縮機系統控制流程

5 結束語

半潛式自航工程船的壓載空壓機系統是由海洋石油工程股份有限公司組織技術力量進行自主研發的，并在此基礎上進一步深化研究，該系統首次在半潛式自航工程船壓載系統成功應用后，設備一切功能運行正常，證明了該設計方案的可行性。這不但打破了國外公司在此領域的設計壟斷，也為今后在此領域的工作奠定了基礎。