姚堂毅， 黃秋云

(中船黃埔文沖船舶有限公司， 廣東 廣州 510715)

0 引 言

隨著船舶自動化技術(shù)的進步和智能化水平的提高，各種先進自動化技術(shù)不斷地應(yīng)用于船舶設(shè)計及制造領(lǐng)域[1]。尤其對于新型坐底式風(fēng)電安裝船，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)能力和自動化水平更高，對于控制系統(tǒng)性能的設(shè)計和要求更嚴格。1 600 t深潛坐底式風(fēng)電安裝船，其設(shè)計功能是在海上風(fēng)電場進行各項風(fēng)電工程作業(yè)，作業(yè)時可根據(jù)海洋環(huán)境條件的不同以及風(fēng)機廠商的安裝要求，選擇在任何一種作業(yè)模式下進行風(fēng)電塔的安裝作業(yè)。本船設(shè)計作業(yè)主要分為兩種，分別是漂浮狀態(tài)作業(yè)和坐底狀態(tài)作業(yè)。在漂浮狀態(tài)時，要求船舶能處于穩(wěn)定浮態(tài)，可通過壓載系統(tǒng)控制壓載艙進行部分壓載，保證船舶的吃水穩(wěn)性；在坐底狀態(tài)時，要求船舶坐落于海床上，此時通過壓載系統(tǒng)的閥門控制壓載艙的壓載狀態(tài)，使全部壓載艙充滿壓載水，并能隨時根據(jù)作業(yè)需求調(diào)整壓載水量，保證船舶在坐底工況時具有很好的作業(yè)穩(wěn)定性。

1 沉浮系統(tǒng)組成及原理

本船的結(jié)構(gòu)分為上下兩層，中間由4個立柱支撐，底部壓載艙分布如圖1所示。設(shè)計作業(yè)工況為兩種，考慮坐底作業(yè)工況及水深要求，本船設(shè)計有30個壓載艙(包括4個浮箱)：底層22個壓載艙，中間4個立柱內(nèi)各2個壓載艙，每個壓載艙都設(shè)計成能夠進行獨立操作的系統(tǒng)。壓載系統(tǒng)設(shè)計為舷側(cè)進水，采用壓氣排水進行起浮的模式。沉浮系統(tǒng)由壓載系統(tǒng)、壓縮空氣排壓載系統(tǒng)、沖噴系統(tǒng)及閥門控制系統(tǒng)等4大模塊組成。分別從設(shè)計系統(tǒng)的主要設(shè)備布置、操控流程、管路設(shè)計要點和閥門遙控系統(tǒng)等4方面對本船沉浮系統(tǒng)進行設(shè)計介紹。

圖1 船舶整體模型及底部壓載艙分布

1.1 系統(tǒng)設(shè)備布置

1.1.1 排壓載空壓機組

排壓載空壓機是沉浮系統(tǒng)的主要設(shè)備之一，用于在坐底時進行排氣輔助壓載，起浮時進行壓氣排水輔助起浮作業(yè)。本船坐底時下殼體及立柱浸沒在32 m水面以下，4臺排壓載空壓機分別布置在4個立柱內(nèi)32 m水線以上位置，朝靠舯線方向進行布置，艏部(艉部)左右舷2臺設(shè)備互為備用，提高船舶坐底效率，增加橫傾穩(wěn)性。排壓載空壓機型號為ZA5F300-5E，壓縮排氣壓力為0.3 MPa。該裝置模塊可自動分離壓縮空氣中帶有的水蒸氣，通過冷卻裝置實現(xiàn)冷卻，保證設(shè)備的良好工況。

1.1.2 沖噴空壓機

本船坐底時下殼體在32 m水面下，下殼體與海床淤泥接觸。起浮時需要考慮破除淤泥吸附力，因此需設(shè)計：1臺沖噴空壓機，布置于右舷艏部立柱排壓載空壓機室內(nèi)，同時需避開1 500 mm危險區(qū)域的位置，型號為MAS160-7.5-50，排量為1 686 m3/h，壓力為0.75 MPa；2臺消防泵，壓力為0.7 MPa，流量為100 m3/h。經(jīng)過消防泵與沖排空壓機的聯(lián)合作用，沖噴起浮系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生高壓的汽水混合壓力流體，并通過下殼體底部均布的248個沖噴口噴射出去，破除底部淤泥的吸附力，實現(xiàn)船舶快速起浮。

1.2 系統(tǒng)工作原理

1.2.1 壓載坐底作業(yè)

坐底過程分3個階段連續(xù)進行壓載作業(yè)，分別是吃水0～6.497 m、>6.497～16.000 m和>16.000～32.000 m，壓載艙注入時是左右舷壓載艙對稱同時壓載注入。以左舷壓載艙注入為例說明具體的壓載坐底流程，系統(tǒng)作業(yè)流程如圖2所示。

在吃水0～6.497 m階段，壓載水艙的注入順序為：先是No.5壓載水艙(左)，然后是No.1壓載水艙(左)、No.7壓載水艙(左)、No.8壓載水艙(左)和No.9壓載水艙(左)同時注入。其中，No.1壓載水艙(左)和No.9壓載水艙(左)還兼做船舶縱、橫傾的調(diào)載功能，這兩個艙應(yīng)通過控制相應(yīng)的壓縮空氣注排支管遙控閥的開度來調(diào)節(jié)注水速度。

在吃水>6.497～16.000 m階段，壓載水艙的注入順序大致為：先是No.6壓載水艙(左)和No.10壓載水艙(左)同時注入，然后是No.2壓載水艙(左)、No.3壓載水艙(左)、No.4壓載水艙(左)和No.11壓載水艙(左)同時注入。其中，No.10壓載水艙(左)、No.2壓載水艙(左)和No.11壓載水艙(左)還兼做調(diào)整船舶平衡功能，故這3個艙應(yīng)特別注意通過控制相應(yīng)的壓縮空氣注排支管遙控閥的開度來調(diào)節(jié)進水速度。

在吃水>16.000～32.000 m階段，壓載水艙的注入順序大致為：先是No.11壓載水艙(左)(延續(xù)第二階段)，然后是No.12壓載水艙(左)和No.13壓載水艙(左)同時注入，最后是No.14壓載水艙(左)和No.15壓載水艙(左)同時注入。在整個船體系統(tǒng)下沉過程中通過計算機系統(tǒng)實時監(jiān)控船舶狀態(tài)，通過遠程控制系統(tǒng)隨時調(diào)整閥門開度及排壓載空壓機的狀態(tài)，保持船舶坐底過程的穩(wěn)定性及安全性。在船底接觸海床時，系統(tǒng)停止壓載，遙控系統(tǒng)控制蝶閥關(guān)閉，各監(jiān)測系統(tǒng)隨時顯示并調(diào)整船舶姿態(tài)，船舶坐底完成。

圖2 壓載坐底作業(yè)流程

1.2.2 排水起浮作業(yè)

在系統(tǒng)收到起浮作業(yè)指令時，遙控系統(tǒng)控制蝶閥開啟，排壓載空壓機收到啟動指令，向壓載艙內(nèi)部壓入空氣，壓載系統(tǒng)管路開始往外排水，同時通過位于中控室尾部的壓載控制臺操作沖噴系統(tǒng)(包括開啟沖噴系統(tǒng)的相關(guān)遙控閥門、沖噴空壓機和消防總用泵)破壞船舶的底部淤泥，破開淤泥的吸附力。觀察船舶吃水，待確定船舶已經(jīng)開始上浮，在船舶上浮至0.5 m時關(guān)閉沖噴系統(tǒng)(包括關(guān)閉沖噴系統(tǒng)的相關(guān)遙控閥門和沖噴空壓機)。排壓載系統(tǒng)繼續(xù)工作，壓載水艙的排壓載順序為下沉作業(yè)的逆過程，左、右舷對稱艙室同時進行排壓載，左、右舷壓載艙排壓載的順序依次為：①No.14壓載水艙(左、右)和No.15壓載水艙(左、右)同時排出；②No.12壓載水艙(左、右)及No.13壓載水艙(左、右)同時排出；③No.11壓載水艙(左、右)、No.2壓載水艙(左、右)、No.3壓載水艙(左、右)和No.4壓載水艙(左、右)同時排出；④No.6壓載水艙(左、右)和No.10壓載水艙(左、右)同時排出；⑤No.1壓載水艙(左、右)、No.7壓載水艙(左、右)、No.8壓載水艙(左、右)和No.9壓載水艙(左、右)同時排出；⑥No.5壓載水艙(左、右)排出。系統(tǒng)作業(yè)流程如圖3所示。在整個過程中通過計算機對船體狀態(tài)進行實時監(jiān)測和調(diào)節(jié)，保證船舶起浮穩(wěn)性。

圖3 排水起浮作業(yè)流程

2 系統(tǒng)管路設(shè)計要點

2.1 壓載管路

壓載管路設(shè)計在下殼體兩側(cè)，主要考慮船舶壓載平衡性、壓載水進出速度、入泥厚度以及應(yīng)急補水措施，系統(tǒng)管路如圖4所示。壓載管路設(shè)計要點包括：(1)實現(xiàn)船體坐底需注意海床淤泥厚度及坐底深度、壓載艙淤泥沉積及清除措施，同時壓載管系閥門系統(tǒng)設(shè)計需考慮設(shè)置淤泥沖洗裝置，避免閥門堵塞或卡死影響沉浮作業(yè)；(2)本船壓載管路設(shè)計管徑為DN 300 mm，采用加厚管，設(shè)計采用舷側(cè)進水方式，考慮坐底淤泥厚度后設(shè)計壓載管開孔距離基線3 200 mm，每個壓載艙設(shè)計有雙壓力傳感器(空氣壓力和水壓力檢測)，采用高低布置方式；(3)壓載管系設(shè)計采用1∶100的斜度，防止淤泥進入壓載艙，在壓載閥附近的壓載管上安裝沖噴吹洗管，防止淤泥沉積影響蝶閥開啟；(4)壓載閥布置控制在1 500 mm的破艙區(qū)域范圍[2]內(nèi)，防止破艙導(dǎo)致其他艙室或管系進水。

2.2 沖噴起浮管路

沖噴管路設(shè)計在靠近下殼體底板位置，采用雙總管結(jié)構(gòu)，總管上開若干支管，如圖4所示。沖噴起浮管路設(shè)計要求包括：(1)在船底板均勻布置248個沖噴口，采用DN 32 mm的管徑，沖噴口外板加半圓護圈，防止淤泥堵塞沖噴管口，各沖噴口距離為1 500 mm，保證沖噴力均布于船底；(2)設(shè)計使沖噴系統(tǒng)連接至2臺消防泵及1臺沖噴空壓機組，每個沖噴口最小排量為6 588 m3/h，提供不小于243.16 kN的破吸附力才能滿足輔助起浮作業(yè)；(3)排壓載空氣管路管徑設(shè)計為DN 150 mm，排氣壓力為0.3 MPa，從排壓載空壓機室一直延伸至下殼體。在排壓載空壓機室內(nèi)設(shè)置直徑DN 800 mm的集氣總管單元，增加泄放管和報警檢測，定時排放管路存水，避免存水阻礙壓載艙排壓載空氣管與總管的連通，導(dǎo)致氣流不能順暢進入壓載艙內(nèi)，降低下潛、上浮效率；(4)避免排氣時空氣凝水從排氣管口噴出，管路的布設(shè)應(yīng)避開1 500 mm的破損危險區(qū)域以及高應(yīng)力區(qū)，保證系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的整體安全。

圖4 沉浮系統(tǒng)管路

3 閥門遙控系統(tǒng)設(shè)計

本船沉浮系統(tǒng)涉及的壓載艙較多，控制系統(tǒng)閥門種類不同?？紤]到在坐底工況時，該船的壓載系統(tǒng)調(diào)載量大、系統(tǒng)管徑大[3]、閥門數(shù)量多，需較大的驅(qū)動力，而且閥門均安裝在海水浸沒區(qū)，工作環(huán)境惡劣，因此本船壓載系統(tǒng)的閥門驅(qū)動控制采用電液壓聯(lián)合驅(qū)動控制[4]。在浸沒區(qū)采用控制模塊與閥體分離形式；在非浸沒區(qū)，管徑較小的閥門采用整體式就地控制方式進行驅(qū)動，這樣能夠利用整體式控制結(jié)構(gòu)實現(xiàn)液壓管線的緊湊布置，操作靈活方便，從而優(yōu)化遙控系統(tǒng)的管路設(shè)計布局。

3.1 系統(tǒng)原理

沉浮系統(tǒng)的閥門控制系統(tǒng)如圖5所示，在浸沒區(qū)與非浸沒區(qū)的閥門控制方式相似。系統(tǒng)原理要點包括：(1)電磁閥箱收到接口箱發(fā)出的信號，發(fā)出指令驅(qū)動液壓動力單元工作，液壓油通過動力模塊的變換分別驅(qū)動不同液壓閥門開啟[5]；(2)閥門開啟到位時會自鎖，通過反饋信號在控制面板上顯示閥門開啟狀態(tài)；(3)當(dāng)壓載艙內(nèi)的液位達到預(yù)定高度時，傳感器發(fā)出信號，信號接口箱收到信號后發(fā)出指令，電磁閥箱接收到指令后控制驅(qū)動模塊停止供液壓油[6]，液壓遙控閥門在彈簧力的作用下自行關(guān)閉；(4)管路的啟閉狀態(tài)和艙室水位壓載情況通過行程開關(guān)及液位傳感器反饋在上位機上顯示，信號接口箱和電磁閥箱能根據(jù)閥門的狀態(tài)快速傳輸相應(yīng)的命令，提升閥門控制的反應(yīng)速度[7]；(5)遇到特殊情況時，可通過遠程遙控系統(tǒng)，利用手動液壓泵操控閥門的開啟與關(guān)閉，每個遙控閥門均有反饋開閉信號的功能，系統(tǒng)的閥門均具有斷電自鎖功能，閥門可保持在斷電時的位置。

3.2 管路及傳感器設(shè)計要點

閥門遙控系統(tǒng)作為沉浮系統(tǒng)的必要組成部分，其設(shè)計和安裝均需按照嚴格的流程進行設(shè)計和測試。設(shè)計需注意幾點：(1)在浸沒區(qū)，液壓遙控裝置的管路設(shè)計采用精密不銹鋼管防止海水腐蝕，管路設(shè)計盡量平直，減少斷管位置。為優(yōu)化管路布局和提高系統(tǒng)集成化，本船采用DN 10 mm的兩芯不銹鋼管進行敷設(shè)。(2)信號接口箱、電磁閥、手搖泵和液壓泵站等控制裝置均設(shè)置在排壓載空壓機室內(nèi)進行干濕分離處理，各閥的控制動力通過多芯管與電磁閥箱進行連接。(3)通過艙內(nèi)傳感器和4角吃水監(jiān)測，利用傳感器的信號進行反饋控制，壓載艙傳感器采用高低位雙傳感器配合安裝模式：每個艙底部設(shè)置2個水壓傳感器，低位距艙底200 mm，高位距艙底600 mm；艙頂部設(shè)2個空氣壓力傳感器，需注意考慮頂部傳感器的測量可能導(dǎo)致壓載不滿的情況。(4)增加安裝至集氣總管單元排壓載壓縮空氣管接口處的壓力傳感器，其具有就地顯示功能，保證艙頂壓縮空氣傳感器測量的準(zhǔn)確性。所有的監(jiān)測數(shù)據(jù)均通過集控室的計算機進行實時監(jiān)控顯示。

圖5 閥門控制系統(tǒng)

4 結(jié) 語

本船沉浮系統(tǒng)原理經(jīng)設(shè)計院、船廠、船舶所有人及船級社等多方討論決定，設(shè)計方案可行，不僅滿足了船舶所有人的使用作業(yè)要求，也對同類型船舶的設(shè)計具有借鑒作用。本船沉浮系統(tǒng)首次應(yīng)用于坐底式風(fēng)電安裝船，該系統(tǒng)的操作性能、經(jīng)濟性、穩(wěn)定性及整體性能會在后續(xù)的實船使用過程中進行檢驗。本船系統(tǒng)設(shè)計獲得的設(shè)計經(jīng)驗和實踐參數(shù)能夠為后續(xù)類型船舶的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和完善提供參考。