“海洋石油201”的压载控制和液位遥测系统介绍

(江苏熔盛重工有限公司，江苏 南通 226532)

“海洋石油201”是双层甲板深水铺管起重船，能铺设水深达3 000 m的管线。主甲板设置铺管主作业线和双节点管线预制线。主甲板以下两边和双层底设置各种油舱和水舱，其中大部分为压载舱。在船艉设置1台起重能力为40 MN(固定式)/35 MN(全旋转式)的海洋工程重型起重机。舱室布置要满足至少380人在船上作业。本船设计铺管速度为5 km/d。该船主要工作区域为中国南海、东海、东南亚海域，适合于全球范围内的服务。

本船入ABS和CCS双重船级，动力定位为铺管时2级(DP2)，起重时3级(DP3)。

本船设有一套全集成的船舶管理系统，它包含下列系统：①主推进系统；②动力定位系统；③功率管理系统；④轮机设备监控系统；⑤船舶辅助系统；⑥所有报警系统；⑦消防控制；⑧水密门系统显示；⑨压载控制和液位遥测系统；⑩航行设备系统；局域网。各功能具有相对独立性，本文讨论压载控制和液位遥测系统。

1 压载控制和液位遥测系统的构成

1.1 压载系统的构成

本船配置4台排量为3 500 m3/h的压载泵，前后泵舱各设置2台。压载泵可就地或遥控控制，通常由集成控制和监测系统(即ICMS，是VMS的一部分)遥控。每台泵的出口装有电液控制的流量调节阀。4台压载泵分别由#1、#2高压配电板的左右分段供电。

本船的压载系统管系为布置在双层底上的一根压载水吸入/排出环形管。每个压载水舱通过遥控蝶阀及独立的支管同环型管连接。前后泵舱的压载总管分为前后2组，其左右总管分别通过隔离阀相连。正常运行时，这些隔离阀都是关闭的。仅当海水门有问题或滤器堵塞或一个泵舱的压载泵都不工作或发生其它不正常情况时，这些隔离阀才打开。此压载系统可采用重力式压载水传输使用和压载泵传输压载水使用。所有遥控压载阀都是电液控制的，当失去控制动力时，都满足规范要求。

当一个泵舱进水时，系统仍能实施压载水舱压水和排水操作。

在40 MN起重机从左舷至右舷回转180°及起重35 MN状态下，压载系统能够在30 min完成压/排水操作。起重机回转期间，船的静态横倾应能通过左、右舷间压载水的自动调驳得以补偿。

所有压载泵的出口都设有流量调节阀，可以调节泵的流量和减小泵电机的起动电流。

1.2 液位遥测和压载系统的控制

本船的压载控制和液位遥测系统是船舶管理系统(VMS)的一部分。

压载水系统由1套综合遥控监测系统控制，分为自动及手动控制模式，两种控制模式之间可方便地转换。在压载控制室设压载控制台，在#1机舱集控台(ECC1)、#2机舱集控台(ECC2)和压载控制台上设操作站。操作站的人机界面(HMI)用于开/闭控制和阀开度信号指示、起/停压载泵、舱位指示、船舶吃水指示和横倾/纵倾指示。

液位遥测和吃水测量采用压力式传感器，并接入与压载控制公共的模块箱。

作为一个自动控制系统，手动控制功能仍应保留。本船所有的遥控阀和压载泵都可就地手动操作。

1.3 压载控制和液位遥测系统的硬件构成

压载控制和液位遥测系统作为船舶管理系统

的一部分，采用了冗余技术。系统在前、后泵舱分别设1个信号采集箱和1个阀门遥控/液位遥测模块箱。2个信号采集箱分别接入A通信网络(A网)和B通信网络(B网)。所有遥控阀和液位信号接入2个阀门遥控/液位遥测模块箱，见图1。

图1 圧载控制和液位遥测系统

由图1可以看出两个信号采集箱分别为FS50、FS51，接收和输出阀门遥控/液位遥测模块箱(RIO RCU 50和RIO RCU 51)的信息，如液位传感器、吃水传感器、压力传感器、阀门的开/关，开启/停止等信号，同时将这些信息传送至各个操作站与装载计算机，以达到全船控制的功能。每个信号采集箱具有控制全船压载系统的功能，即2个信号采集箱互为冗余。本系统与VMS的其余部分不同，网络通信冗余是通过设在不同信号采集箱内相同功能的冗余模块分别与A网和B网通信实现的。这种冗余设置增加了硬件，但提高了可靠性。鉴于本系统对起重作业的重要性，这样的设置是合理的。

压载系统操作站的控制触摸屏有以下功能：显示功能(纵倾、横倾、液位、吃水、阀的状态、泵的状态、压力等)、控制功能(工作模式选择、泵控制、阀控制、压载舱液位控制等)、报警功能。3个带有482.6 mm(19 in)TFT触摸控制屏的操作站分别位于压载控制室(驾驶甲板)、#1集控室机舱集控台(ECC1)、#2集控室机舱集控台(ECC2)。

除压载控制和液位遥测功能外，本系统还设有一些系统本身故障的报警，如传感器故障、信号采集箱模块故障、通信故障等。

2 液位遥测和船舶吃水、船舶纵、横倾遥测系统

2.1 液位遥测

每1台压载泵的吸入和排出端分别设置压力表和传感器，用于本地及遥控台读取压力。

压载水舱液位测量系统采用压力式液位传感器，能远距离读取每个压载水舱的液位参数。每个大舱容的压载水舱和参与横倾调整的压载水舱设置了2个液位传感器。这基本实现了压载水舱液位测量系统传感器的冗余性。

本系统并可依据液位数据，在系统内部计算压载水舱的水量和百分比。计算只采用15个分档，因此计算较粗。系统也可把液位测量值送至在线的装载计算机，装载计算机将计算得的压载水舱水量数据回送至液位测量系统。因装载计算机的计算精确得多，正常情况下，液位测量系统和压载控制系统的显示和控制采用装载计算机回送的压载水舱水量数据。当装载计算机与液位测量系统间的通信不正常时，显示和控制就采用内部的计算数据。

2.2 船舶吃水、船舶纵、横倾遥测

船舶吃水测量采用压力传感器。传感器分别被安装在船底部，位于船中部压载泵舱的左舷和右舷、船艏、船艉。

船舶纵、横倾根据吃水传感器测得的数据计算得到。为满足DP3的要求，本船的动力定位控制系统带有3个运动参考单元(MRU)，其测得的船舶纵、横倾数据可兼用于压载系统控制。因此，压载控制和液位遥测系统可通过VMS网络通信获得动力定位系统运动参考单元的纵、横倾数据。因MRU的数据精确得多，正常情况下，船舶纵、横倾采用MRU的数据，由船舶吃水测量计算得到的纵/横倾数据作为的冗余测量。

2.3 装载计算机

本船的装载计算机是独立的设备，可以与VMS(压载控制和液位测量系统)通过数据通信实现数据交换。通常，装载计算机的数据不回送至压载控制和液位测量系统，本船将装载计算机的数据回送至液位测量系统，同时保留液位测量系统的内部计算作为冗余，这是本系统的特色。

装载计算机可在线或离线工作。在线工作时，它接收来自液位遥测系统的液位数据和其它相关数据，完成相关计算，还将计算得的压载水舱水量数据回送至压载控制系统，用于其控制和显示。

3 压载系统的控制模式

本系统包括下列控制模式：①手动模式；②自动模式；③抗横倾模式；④外部控制模式。

3.1 手动模式

手动模式指操作站人工遥控模式。手动模式时，操作者可对每个阀和泵分别遥控。对一般的阀控制其开闭，对流量调节阀，还可控制其开度。

本船压载水舱分为前后2组，每组又分为左右2分组。对每一压载水舱分组的阀可实现一键操作。

手动模式还可实现一键全闭操作。即按下“CLOSE ALL”按键，所有阀全部关闭。

手动模式可按操作者要求，实现对任一个或多个压载水舱实现压水或排水。

3.2 自动模式

自动模式时，操作者设定所选压载水舱的液位(或水量体积，或水重量，或百分比)，本系统将自动完成开阀、开泵、停泵、关阀等操作，使所选压载水舱的液位达到要求值。液位、水量体积、水重量、百分比等数据来自装载计算机。当装载计算机与液位测量系统间的通信不正常时，就采用系统内部的计算数据。

因在泵的出口和左右舷压载水舱支管设有流量调节阀以及合适的控制程序，控制过程可避免液位振荡。

自动模式可实现2种不同的操作：①压载水舱压水或排水；②左右压载水舱间调驳。这种操作只限于同时调驳左右各1个压载水舱。

3.3 抗横倾模式

抗横倾模式用于起重作业状态。在主起重机处于左右舷间回转180°及起重3 500 t 的状态下，通过左、右舷间压载水的自动调驳，使船的静态横倾保持在允许的范围内。这种模式实际上也是一种自动控制模式，但它的控制信号不是压载水舱的液位，而是船舶的横倾角。

为避免因波浪等引起的过于频繁的压载水泵起停，程序中设置了横倾角数字滤波和最大横倾角(相当于死区)。程序还允许根据船舶的船姿情况设置预横倾。

通常，船舶横倾信号采用动力定位系统运动参考单元(MRU)的数据。当来自MRU的数据有故障时，采用由船舶吃水测量计算得到的横倾数据。

3.4 外部控制模式

此模式与自动模式功能相同。其不同之处在于自动模式依据液位数据实施控制功能，这些数据可来自装载计算机(正常时)，也可由压载控制和液位遥测系统本身计算得到(作为冗余)，而控制信号由压载控制和液位遥测系统本身产生；外部控制模式的控制信号由装载计算机产生后输入至压载控制和液位遥测系统，且液位数据只能由装载计算机自己计算。利用装载计算机系统控制压载水舱的液位可提高船舶的安全性。

另外，装载计算机兼具压载控制功能也是其特色。

4 与动力定位的协调性

动力定位相关的ABS/CCS规范对压载水系统没有要求，因此本系统的设计可不考虑与动力定位系统的协调问题。然而，本压载控制和液位遥测系统的构成与动力定位系统有很好的协调性。

在铺管作业状态，本船为DP2动力定位。因压载系统的故障对铺管作业不发生直接关系，可认为不必考虑两者之间的协调关系。

在起重作业状态，本船为DP3动力定位。因压载系统的抗横倾工作模式对保证起重作业的安全性相当重要，因此，压载系统与动力定位系统相协调是应该的。

由于前后泵舱相互远离，中间隔了好几道A-60分隔的舱壁，信号采集箱的布置满足DP3的原则。3个操作站相互远离或A-60分隔，其布置也满足DP3的原则。本船的VMS(包括压载控制和液位遥测系统)的通信布置充分考虑了DP3的要求，因此本系统的数据通信也满足DP3的原则。因此，压载控制和液位遥测系统与动力定位

系统DP3是协调的。

当一个机舱或高压配电室(#1或#2)灭失，压载系统的抗横倾能力将丧失一部分(最多可达一半)。但这时起重能力也降低了，压载系统与动力定位系统DP3仍相协调。

当1台压载泵故障时，压载系统的抗横倾能力将丧失一部分，而起重能力不变。这时就要求起重机操作者按起重负荷控制好回转速度。当一个泵舱灭失时，压载系统的抗横倾能力将丧失一半，而起重能力不变。这时就更要求起重机操作者按起重负荷控制好回转速度。

模块箱实际上是船舶管理系统所属的压载控制和液位遥测系统的外围设备。虽然其布置满足DP3的要求，但当某一模块箱灭失时，会导致相应的压载水舱不能参与抗横倾。其效果与一个泵舱灭失相当，这时就也要求起重机操作者按起重负荷控制好回转速度。

因此，就整个压载系统而言，不能与动力定位系统DP3要求完全协调，但仍能保证起重作业继续进行。然而，作为船舶管理系统一部分的压载控制和液位遥测系统与动力定位系统DP3要求完全协调。

5 结束语

“海洋石油201”的压载控制和液位遥测系统结构合理、功能完善，能满足先进的铺管起重船的作业需要。而且，本压载控制和液位遥测系统实现了与动力定位系统DP3要求的协调性。