油船貨油加熱蒸汽供給閥的液動控制設計

林華建，陳慶鵬，鄭超瑜，俞文勝

(1.集美大學 輪機工程學院，福建 廈門 361021；2.泉州師范學院 航海學院，福建 泉州 362000)

目前油船貨油加熱系統主要利用布置于艙底的加熱盤管，采用船員現場操控蒸汽截止閥，實現貨油升溫或保溫[1]。這種控制方式建造初期投資成本低、維護簡單、便于人工操作。在貨油加熱蒸汽供給過程中，均通過控制加熱蒸汽壓力、加熱時間、調整加熱盤管前蒸汽截止閥的開度及調整加熱盤管數量等方式來控制貨油的升溫和保溫過程[2-4]；在持續加熱過程中，主要由值班船員通過調節蒸汽進入貨油艙加熱盤管前蒸汽截止閥的開度來控制加熱量[5]，調控的蒸汽閥門數量較多，且其控制效果依賴于船員素質、責任心等因素，操作不當易造成加熱不足或過量，進而引發卸油困難、延長在港作業時間、增加燃料油消耗等問題[6]。

船舶貨油加熱系統的自動化是必然趨勢，將手動調控蒸汽供給閥進行自動化改造，選用電控最易實現，但在油氣覆蓋區布置大量的電控產品顯然不合適；氣控方式需要保證氣源的干燥，防止控制管路生成冷凝水影響閥門控制，且需結合帶電閥位反饋，以實現遠程精確控制；而液控由于其重量輕、體積小、運動慣性小、反應速度快，各元件可根據需要方便、靈活布置，更適用于遠距離無級操控[7]。為此，探討其設計應用。

1 總體布局

1.1 油船貨油加熱系統

以載重量4.8萬t的某油船為例，貨油艙分布區域面積的長、寬分別約為128 m、32 m，具有12個貨油艙、2個污油水艙和1個殘油艙，共有15個甲板控制單元。以No.1 C.O.T.(P)為例，該艙艙容3 207.6 m3，有2個規格為16K-32蒸汽截止閥；全船油艙加熱蒸汽截止閥的總數量為40個，分別控制40個油艙底部蒸汽加熱盤管的供汽；加熱盤管有蛇形盤管和螺旋形盤管，螺旋盤管主要裝設在貨油吸入口，蛇形盤管主要鋪在艙底，從縱向看是沿船首尾線鋪設的直管，加熱管距艙底高度約15～20 cm[8]。標準的貨油加溫系統能達到所需貨油溫度，即在2 ℃環境溫度或5 ℃海水溫度情況下，貨油溫度約4 d可從44 ℃加溫到66 ℃；若用60%～70%加溫盤管，貨油溫度每天可提升3～4 ℃[9]。值班船員在完成貨油加熱過程中，需在約4 000 m2貨油甲板面上巡回，控制加熱蒸汽截止閥開度，這樣不但增加其巡回監控操作工作量，也無法快速準確地將閥門開度控制在合理位置上，進而易產生貨油加熱不足或加熱過量的現象。

1.2 液壓閥控的油船貨油加熱系統

油輪貨油作業區域屬危險區域，區域內所有電氣設備的金屬外殼均應可靠接地，所有部件應具有防靜電、防爆的安全要求。且需要控制的蒸汽截止閥門數量較多，故所設計的閥門控制系統應該簡潔、易維護。

在現有貨油加熱系統的每個蒸汽截止閥旁并聯一個液控蒸汽供給閥，也可取代現有蒸汽截止閥。所構建液動蒸汽供給閥見圖1；閥門液壓控制臺見圖2；油船貨油加熱蒸汽供給閥液壓控制方案[10]見圖3，由蒸汽供給閥(A)、液壓閥控系統(B)、計算機控制(C)、甲板控制單元(D)和貨油艙(E)5部分組成，其中D和E為油船現有甲板控制單元和貨油艙，不屬于本文自動化控制方案所涉及的改造對象。A可布置于甲板面上；B可布置于泵控間或機艙內，包括液壓油源、液壓閥件、主動油缸等；C可布置于貨控室，包括計算機、I/O模塊和比例放大板等。

圖1 液動蒸汽供給閥 圖2 閥門液壓控制臺

圖3 油船貨油加熱蒸汽供給閥控制系統

2 設計方案

構建圖3油船貨油加熱蒸汽供給閥控制系統。與圖3的對應關系：部件12-15構成蒸汽供給閥A單元；部件16-28構成液壓閥控制系統B單元；部件29-32構成計算機控制C單元；部件1-9及蒸汽供給閥構成甲板控制單元D；部分9、11構成貨油艙單元E。

2.1 蒸汽供給閥單元

A單元采用液壓從動油缸帶動閥桿作為蒸汽閥門開度控制的執行機構。從動油缸的特點：活塞上部進液壓油，活塞底部安裝彈簧用于平衡液壓力?；钊麠U上下直徑相等。上部伸出油缸外的活塞桿上帶有限位螺母。當活塞向下移動時由限位螺母限制活塞最大行程。當活塞向上移動時由活塞上平面與油缸上端蓋的距離限制了活塞的向上最大行程。活塞桿下部與蒸汽閥閥桿相連接。將油缸與蒸汽閥本體結合一起稱為蒸汽供給閥。油缸底部油口為檢漏口，用于檢查活塞與缸套之間的油密性。該液動供給閥可替換原有的蒸汽截止閥或與現有的蒸汽截止閥相并聯。位移傳感器15用于測取蒸汽供給閥的開度。

2.2 液壓閥控制系統

B單元由如下部件組成：液壓泵站(圖3中20、21、22、23、24組成)提供壓力可調整的液壓動力源。比例溢流閥19控制二位二通電磁閥26的閥前壓力p0。二位二通電磁閥26實現接通和鎖閉油路的功能。主動油缸18及彈簧各參數與從動油缸13及彈簧的參數完全相同，且調整主動彈簧預壓縮量L0與從動彈簧的預壓縮量X0相等。

主動彈簧安裝在油缸外面便于實驗調試。位移傳感器16用于測取主動油缸活塞的位移量ΔL。若忽略油液的可壓縮性及各種泄漏的存在，主動油缸活塞位移ΔL與從動油缸活塞位移ΔX應該相等。

控制油壓p0作用在主動油缸18的活塞一側，活塞另一側的油液經連接管路作用在蒸汽供給閥的從動油缸活塞上側，驅動從動活塞克服彈簧的張力和運動阻力后帶動蒸汽閥桿移動，實現對蒸汽供給閥開度的調節。

2.3 計算機控制單元

C單元由比例放大板29、信號端子30、I/O模塊31和計算機32組成。計算機32根據需要輸出控制信號由I/O模塊31通過比例放大板29作用在比例溢流閥19的線圈上，控制比例溢流閥19的閥前油壓變化，以促使主動油缸和從動油缸動作。同時，計算機32通過I/O模塊31輸入接在信號端子30上的位移傳感器15、16的位置信號或輸出控制二位二通電磁閥26的線圈信號(需信號隔離)。主從油缸的位移信號用于分析比較蒸汽供給閥開度ΔX和主動油缸活塞位移量ΔL之間的變化。

3 試驗

3.1 試驗平臺的搭建

按以上設計方案，在實驗室搭建出一套蒸汽供給閥液壓控制系統，其中主要部件選型與配置如下：液壓泵站(型號YZW70-B2.2，額定壓力8 MPa)；比例溢流閥(型號EBG-03-H)；比例放大板(KX-2DB-24-48)；二位二通電磁閥(型號CV08W2017N，雙向插裝閥)；油缸(型號MOB125×16×50)；彈簧(線徑8 mm、外徑58 mm、長度130 mm，剛度54 N/mm)；蒸汽供給閥本體(規格DN32)；位移傳感器(型號KTR-25-V2，精度0.1%)；I/O模塊(NI 6225)。

3.2 試驗內容及結果分析

進行跟隨性實驗，驗證蒸汽供給閥開度是否跟隨主動油缸活塞位移的變化；進行偏差性實驗，測量蒸汽供給閥開度變化與主動油缸活塞位移變化的偏差；進行可控性實驗，測量蒸汽供給閥開度變化與主動油缸活塞位移變化的偏差。由于空氣的可壓縮性會影響閥門的開度，實驗前需要操作減壓閥27對主從油缸之間的液壓管路內的空氣進行排除。調整從動油缸前的壓力0.8～1.2 MPa之間。計算機輸出DC0～3 V的控制信號，控制比例溢流閥19的開度來獲得控制蒸汽供給閥的油壓。比例溢流閥19設定電壓變化0.1～3.0 V對應閥前壓力變化值1～8 MPa(由溢流閥壓力與電壓變化特性確定)。2個位移傳感器15、16位置校正。實驗時二位二通電磁閥26的線圈通電，油路導通狀態；計算機階段性地輸出控制信號，每次遞增或遞減0.15 V的電壓；然后記錄控制電壓、主動活塞位移、蒸汽供給閥開度。多次循環控制的實驗數據見圖4。

圖4 多次循環控制的實驗數據

圖4表明，由計算機控制輸出的控制電壓周期性變化時：①蒸汽供給閥開度能跟隨主動油缸活塞位移的變化；②蒸汽供給閥開度變化與主動油缸活塞位移變化存在偏差。為了清晰地觀察變化的趨勢，測取一次開關循環控制數據見圖5。

圖5 一次開關循環數據

由圖5可知，蒸汽供給閥開度與主動油缸活塞位移之間的跟隨性良好，在不同開度時兩者之間的偏差值不同。偏差最大位于初始位A點(約-0.85 mm)和終了位B點(約0.92 mm)兩個狀態上。若近似地認為在閥門開度50%位時的偏差接近0 mm，向上偏差為1 mm，向下偏差為-1 mm。主動油缸活塞位移最大位移ΔLmax，蒸汽供給閥開度最大值ΔXmax，總偏差量E為

E=ΔLmax-ΔXmax

(1)

總偏差量相對蒸汽供給閥閥門全量程的偏差變化率k為

(2)

由試驗數據和現象擬合出主動油缸活塞位移ΔL與從動油缸即蒸汽供給閥開度ΔX之間的關系近似為

(3)

為了研究偏差變化的大小和變化趨勢，從循環測試過程中，提取每次閥位在最大或最小時，主從油缸位置之間的偏差，分別用主從油缸最大位置偏差Ec、主從油缸最小位置偏差EO表示，并計算主從油缸每回合動作的總偏差值E。主從油缸位置變化偏差及趨勢見圖6。

圖6 主從油缸位置變化偏差及趨勢

圖6表明，隨著實驗的連續進行，主從油缸最大位置時的偏差值隨著主從油缸最小位置時的偏差的增大而增大，兩者出現平行上升的趨勢，其差值(即蒸汽供給閥的行程)基本保持不變，總偏差范圍1.32～2.00 mm之間，平均約為1.62 mm。出現閥門開度最小值增大的原因是來回控制過程中，當蒸汽供給閥開度達到最小值時從動油缸的油壓比上一次小，表明主動油缸與從動油缸之間存在微小的泄漏所致。觀察發現，只要從動油缸在最小值時的油壓保持不變即主動油缸與從動油缸之間油密性良好，即可穩定控制蒸汽供給閥的開度變化。

由計算機運行蒸汽供給閥開度PID控制程序，實驗結果見圖7。

圖7 蒸汽供給閥開度的PID控制實驗結果

由圖7可知，當計算機發出不同的閥門開度設定值時，在液壓油的驅動下，主動活塞位移、蒸汽供給閥開度跟隨設定值變化。設定值為1.8 mm和9.8 mm時，主動活塞位移、蒸汽供給閥開度在A點和B點的偏差分別為0.99 mm和0.37 mm。在控制過程中隨著開度設定值的增大，系統能夠控制蒸汽供給閥在設定范圍上。且隨著設定值的增加，主動活塞位移和蒸汽供給閥開度之間的偏差逐漸減小。對于大量貨油加熱過程熱慣性大，因而無需過分要求控制精度的情況下，實驗所得的閥門開度控制效果能滿足生產需求。

4 結論

采用液壓遠距離控制技術設計蒸汽供給閥開度控制，用主動油缸作為閥門開度的反饋裝置，可免在貨油甲板面上大量布置帶電裝置，提高設備的安全性，同時保持甲板設備的簡潔性。

實驗表明，所設計的通過主動油缸帶動從動油缸運動的液壓閥門開度控制方案，能夠代替船員操作閥門，實現對蒸汽供給閥開度的遠距離控制，為進一步實現全船貨油加熱蒸汽供給閥集中自動控制提供重要的技術基礎。受實驗條件的限制，所開展的實驗范圍仍需進一步擴大，控制的精度也需進一步提高。