深水铺管起重船自动压载系统设计分析

刘宝昌，陈新德，吴巍巍

(江苏熔盛重工有限公司，江苏 南通226532)

“海洋石油201”是深水铺管起重船，采用DP3动力定位系统，全船采用电力推进。ABS和CCS双重船级。该船在起重作业状态满足DP3(ABS:DPS-3，CCS:DP-3)要求，在铺管作业状态满足DP2(ABS:DPS-2，CCS:DP-2)要求。

1 压载系统设计要求

压载水系统的排量是基于在6 h内将船从航行吃水8 m，调载到满载水线状态(大约9 m)。

压载水系统的设计依据是，在4 000 t起重机从左舷至右舷回转180°及起重3 500 t全回转状态下，压载系统能够30 min完成压/排水操作。

2 压载系统组成

2.1 压载舱及压载管

该船共有30个压载舱，位于双层底及主甲板以下的两舷，压载管系设计采用环形总管设计，优点是每个压载舱进出水管为同一根管系，既满足设计需求，也节省了管材、阀门及驱动头等，降低了成本，并减轻了船舶的重量。另外在失去一个泵舱或任一压载泵的情况下，仍能满足全船的压、调、排载需求。通过总管上的6个隔离阀把压载舱分为前左、前右、后左、后右4个区域，BWV032及BWV033为前后机舱隔离阀，正常情况下是关闭的。

2.2 压载泵

该船配置4台排量为3 500 m3/h的压载泵，额定电压6.6 kV，电流49 A，转速994 r/min，前后泵舱各设置2台，每台各带1台自吸真空泵防止干运转(与压载泵有启动联锁)。压载泵可就地或遥控控制，4台压载泵分别由1#、2#高压配电板的A、B段供电，4台压载泵互为备用。

2.3 阀门遥控蝶阀及液位遥测

该船阀门为电液式阀门，分别由位于泵舱的4个控制箱集中控制，设计原则为“快开慢关”。液位传感器为压力式，每个大容量压载舱及参加横倾的压载舱均安装2个传感器，液位遥测系统读取2个传感器数值并取平均值，若一个传感器出现故障，系统自动读取另一个传感器数值，保证液位数据准确。“海洋石油201”船还有4个吃水传感器，分别装在船舶底部，位于船舶船艏、船艉、左舷、右舷，通过软件修正到与船舶吃水线位置一致，为船舶提供吃水状态。为了满足DP3要求，“海洋石油201”船装有3个运动参考单元(MRU)，兼用压载系统控制。因MRU的数据比较精确，正常情况下，船舶的姿态采用MRU的数据，将吃水传感器测量的数据作为船舶姿态数据的冗余。

2.4 装载计算机

201船装载计算机作为一个独立系统与船舶管理系统(VMS)进行通讯，实时交换压载数据，系统固化该船基本信息，确保计算出的数据精确。装载计算机可以在线或离线工作，在线工作时，它接收液位遥测系统和其它相关数据，进行压载计算，离线工作时，操作员可以手动输入相关数据，进行相关计算［1］。

2.5 压载控制系统

压载系统控制集成在互为冗余的2个控制箱FS50、FS51里(见图1)，2个信号采集箱分别有2套RCU装置，A，B各有1套，通过4根光纤和4根RBUS线连接在一起，这样在任一个信号采集箱发生故障的情况下，压载系统仍能正常工作，不会影响压载系统运行。另外为了安全，该船的压载系统为独立的控制系统，即使船舶通信网络(A、B、C网)均不好用时，压载控制系统仍可以实现遥控操作。这是该船压载系统的一个特色。

图1 压载系统控制系统

3 自动压载系统的工作流程

3.1 自动压载系统的软件按钮

自动压载系统软件按钮由software buttons，automatic Fill/Discharge of tanks，automatic tank to tank operation组成，其中software buttons包括Close All、Emergency Stop、Auto and manual button。

1)Close all。前后机舱压载控制界面上均有1个Close all软铵钮，当按下这个铵钮后，控制界面上的所有阀关闭，泵停止运行。另一界面的阀和泵保持原态不变。

2)Em’cy Stop。前后机舱压载控制界面上均有一个Em’cy Stop软铵钮，当按下这个铵钮后，压载系统所有阀关闭，压载泵停止运行。

3)Auto and manual button。前后机舱压载控制界面上均有1个Auto and manual button软铵钮，这2个铵钮与Close all一样，都只负责自己所在的MINC界面。当为manual时，操作员可以手动操作压载，这时自动压载的逻辑就不起作用;当为Auto时，界面上所有阀门变为“a”，这时就不能手动操作阀门。

4)Automatic Fill/Discharge of tanks。Automatic Fill/Discharge of tanks包括2P和4P 2种模式(P表示Pump)4P模式，4个压载泵同时启动，同一泵舱2台压载泵分别是一压一排。这种模式的好处是能够快速地进行压、排载操作，更好地配合吊机工作。但也存在缺陷:任一台压载泵维修或出现故障及压载泵进出口相关阀门出现故障时，4P的自动压载逻辑就不能实现。当有压载泵遥控蝶阀发生故障或需要检修时，操作员可以使用2P模式进行压载操作。2P模式需要操作员手动选择压载泵，自动压载逻辑会根据操作员所选择的压载泵自动选择路径，进行压载。

5)Automatic tank to tank operation。“海洋石油201”船起重作业时，装载计算机会根据船舶现有压载状态计算出是否满足作业要求，如果满足，操作员就可以选择此种模式，优点是不需要从外界压载水，船舶内部调拨压载水就可以完成此次吊重工作，能更好地控制船舶状态，减少故障点，即降低了故障发生的可能性，更加安全可靠。

3.2 自动压载模式

自动压载分为手动和自动2种模式，手动模式即人工遥控模式，可以实现Close all和Em’cy Stop操作、也可以实现压载舱间的半自动压载操作。自动模式即根据作业需求自动完成船舶姿态的控制及调整，包括吃水、纵/横倾及船舶稳性GM值的范围控制。

3.3 自动压载的工作流程

以主吊机在31 m跨距下吊重2 200 t为例，介绍自动压载的逻辑流程。首先装载计算机通过液位遥测系统整理收集船舶现有压载状态数据，钢管或其他货物都录入甲板货物重量进行修正，校准船舶现有状态(船舶初始数据一定要尽量准确，这样装载计算机计算出的数据才会更接近真实值，误差才会更小)。输入吊机起重数据2 000 t，31 m跨距。装载计算机会计算出在现有状态下进行此操作后船舶的倾斜状态。确保压载系统的ICMS界面里全为“AUTO”，见图2。船舶的平均吃水为5.763 m，纵倾为0.116 m，横倾为2.866°。GM为7.4 m。

图2 装载计算机任务界面

操作员根据实际情况输入船舶倾斜范围要求、计算次数及本次所使用的压载舱。主吃水误差为0.01 m，纵倾为0.01 m，横倾为1°，在选择压载舱后，设定计算重复次数为200，如果200次内，装载计算机能够计算出符合要求的压载方案，装载计算机会显示计算方案。如果200次内没有符合要求的压载方案，装载计算机会弹出对话框提示本次计算失败。这时需要调整船舶倾斜状态误差范围重新计算，也可以通过调整所使用的压载舱重新计算。根据船舶压载舱的具体情况，软件内会设计压载舱低于多少水即为空舱，该船船设计为50 m3(可调节)。如果装载计算出的压载方案被接受认可，系统会保存该压载方案，然后按照该方案执行。

自动压载逻辑里，由于压载舱结构不同和阀门关闭的时间较长，会导致每个压载舱在压、排载水时所表现的特性不一样。为了精确控制压载水量，遥控蝶阀采用比例积分、微分调节控制(PID)，根据手动压载经验，为每个压载舱设置不同的PID值。

4 自动压载系统的缺陷及改进方案

4.1 系统缺陷

在自动压载系统调试的过程中发现该系统有以下几点缺陷。

1)压载泵排量太大，但是阀门的开启和关闭动作时间过长，导致自动压载控制时误差过大，无法实现精确控制。

2)由于自动压载时阀门采用PID控制，在压载舱接近目标值时，阀门的开度会越来越小，但是海水进压载总管阀门为开关阀，无法调节开度，导致压载泵进口无法控制水量，会造成压水时压载泵进口压力过大。

3)在配合主吊机吊重试验时，发现由于1#、7#、9#、12#压载舱为双层底舱且容量比较大，如果计算机的计算方案中，这几个舱没有压满，在起重机回转过程中，因为舱容较大，自由液面会加大，船舶横/纵倾会超出计算范围，会有一定危险。

4.2 改进方案

针对以上系统缺陷，结合该船自动压载调试过程，对其自动压载系统提出以下改进方案。

1)把前后泵舱进压载总管的阀门改为开度阀，前泵BWV008，后泵舱BWV09，这样就可以有效地控制压载总管的水量，从而达到控制压载泵出口压力的目的。

2)第3个问题处理起来比较麻烦，由于这几个舱都是中间底舱，横跨左右舷，要想减少自由液面，必须减小它们的舱容。一个方案是每次压载方案都设定这几个舱均压满舱水;另一个方案是把它们以中线隔开，使一舱变两舱，这样做的缺点是改动量较大，需要加支管和阀门，好处是可以真正有效地减少自由液面。

5 结论

随着科技的发展，以后的海洋工程项目的自动化水平会越来越高，自动压载系统也会得到广泛的应用。设计使用自动压载系统时要考虑船舶的很多参数，不能简单地认为是靠控制逻辑实现，要在基本和详细设计时根据船舶功能详细考虑压载舱结构、压载管系布置及相关设备的参数配置，如压载泵排量和遥控阀门开关时间等。

［1］薛爱丽.“海洋石油201”压载控制和液位遥测系统介绍［J］.船海工程，2012，41(2):84-87.