張漢柱，王岳，蔣志勇

江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

船用脫硫塔的改造安裝是應(yīng)對在2020年1月1日以后國際海事組織（international maritime organization, IMO）“限硫令”中關(guān)于除排放控制區(qū)以外的全球其他海域船用燃油的最大硫含量不得超過0.5%的規(guī)定的重要措施。船用脫硫塔安裝工作作為剛剛起步的一項(xiàng)新興業(yè)務(wù)[1]，不同于車間流水線的制造模式，其施工組織形式具有一定的復(fù)雜性、不確定性以及隨機(jī)性，是典型的離散事件。Petri網(wǎng)作為有效描述離散事件動態(tài)的系統(tǒng)，基于安裝過程中作業(yè)任務(wù)之間的合理邏輯關(guān)系，運(yùn)用工作流分析方法，通過Petri網(wǎng)對船用脫硫塔安裝過程進(jìn)行建模，并通過plant simulation的仿真技術(shù)手段，可以有效研究船用脫硫塔的安裝過程，對于提升船用脫硫塔系統(tǒng)安裝效率、降低工程成本具有重要的意義。

針對船用脫硫塔改造安裝問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究。王彥等[2]提出了基于相同噸位級別的船舶脫硫系統(tǒng)設(shè)計的相似性，通過共性化處理某些關(guān)鍵影響因素，可以有效提高設(shè)計方案的通用性。羅英隆[3]提出了對船用脫硫塔進(jìn)行科學(xué)選型及從煙囪形狀設(shè)計、設(shè)備及船柜布置兩個方面科學(xué)設(shè)計脫硫塔系統(tǒng)加裝方案的方法 。戴慧慧等[4]探究了開式廢氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船加裝設(shè)計的設(shè)計要點(diǎn)和難點(diǎn)，并為滿足系統(tǒng)功能要求提出設(shè)計注意事項(xiàng)及應(yīng)對措施。付佳等[5]以某18 萬t級散貨船為研究對象，從是否安裝脫硫塔、安裝同類型不同型號脫硫塔和安裝不同類型脫硫塔這 3 個因素著手探究了安裝脫硫塔對船舶局部結(jié)構(gòu)的振動影響，并對振動劇烈的結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案。賈榮強(qiáng)等[6]介紹了脫硫系統(tǒng)改裝過程中設(shè)計、施工的注意事項(xiàng)及解決方案,了試航調(diào)試過程中的系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)要求。牛新苗等[7]在散貨船脫硫塔安裝工藝的基礎(chǔ)上，提出了制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工藝流程規(guī)范來確保脫硫塔正確安裝，縮短機(jī)艙棚總段合攏周期的方案。張國鋒等[8]探索了脫硫塔項(xiàng)目的安裝風(fēng)險及應(yīng)對措施，提出船東可以通過盡早與脫硫設(shè)備廠商簽訂供應(yīng)合同的方式,為日后的不確定性留下緩沖空間。張廣彧[9]通過對船舶廢氣脫硫系統(tǒng)的設(shè)計流程的分析，歸納和研究了系統(tǒng)安裝設(shè)計的要點(diǎn)。

綜上所述，船用脫硫塔改裝的研究對安裝設(shè)計、施工特點(diǎn)、注意事項(xiàng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究較多，而對其安裝工期計劃的研究較少，不能有效解決船用脫硫塔改造安裝工程中的效率問題。本文就開式脫硫塔系統(tǒng)的設(shè)備組成及安裝調(diào)試流程進(jìn)行總結(jié)分析，運(yùn)用離散事件動態(tài)理論及仿真技術(shù)手段，構(gòu)建了Petri網(wǎng)開式船用脫硫塔系統(tǒng)安裝模型，詳細(xì)表述了其安裝過程的設(shè)備狀態(tài)及作業(yè)活動之間的邏輯關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中，工程進(jìn)度會受到各種不確定因素的影響，為了保證工期，制定合理的施工計劃，在Plant Simulation中構(gòu)建了集成多因素影響的船用脫硫塔安裝仿真模型，用仿真模型來研究其施工工期方面存在的問題，從而優(yōu)化作業(yè)安裝工期、及時處理突發(fā)情況。

1 船用脫硫塔系統(tǒng)

常用的船用脫硫系統(tǒng)類型如圖1所示，可分為干式脫硫系統(tǒng)和濕式脫硫系統(tǒng)。干式脫硫系統(tǒng)主要包括脫硫單元、鈣粉供應(yīng)筒和傳送帶以及脫硫過程控制及排放檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)正常工作的廢氣溫度在240～450 ℃，氫氧化鈣粉粒的直徑一般在2～8 mm，氫氧化鈣與硫氧化物反應(yīng)后生成石膏（硫酸鈣）。濕式脫硫系統(tǒng)包括開式脫硫塔、閉式脫硫塔和混合式脫硫塔。其中開式脫硫塔系統(tǒng)是利用弱堿性的海水對含有硫氧化物的船舶廢氣進(jìn)行中和脫硫，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、耗能大的特點(diǎn)，比較適用于海水水域，但不少國家和港口限制使用。閉式脫硫塔系統(tǒng)是將混有堿性化學(xué)物質(zhì)的洗滌水對含有硫氧化物的船舶廢氣進(jìn)行中和脫硫，脫硫后的洗滌水排入收集柜，等待岸上或者第三方接收。該系統(tǒng)不受海水堿度的影響，且不污染海洋，但安裝和營運(yùn)成本高，較適用于淡水和港內(nèi)水域?；旌鲜矫摿蛩到y(tǒng)是將開式與閉式有效組合，系統(tǒng)間可靈活切換，優(yōu)勢互補(bǔ)，但是成本高，系統(tǒng)復(fù)雜。因干式脫硫系統(tǒng)比較復(fù)雜、反應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)，開式系統(tǒng)安裝和運(yùn)營成本低[10]，目前的船舶多采用濕式脫硫系統(tǒng)。

圖1 船用脫硫塔類型

2 開式船用脫硫塔系統(tǒng)的主要設(shè)備組成及安裝調(diào)試流程

2.1 開式船用脫硫塔系統(tǒng)主要設(shè)備

濕式開式脫硫塔系統(tǒng)主要是一種利用海水中堿性物質(zhì)與廢氣中堿性物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)來去除廢氣中的硫元素的系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)主要包括脫硫塔裝置、海水裝置、控制裝置、監(jiān)測裝置、空氣裝置、排氣裝置以及各類附件。脫硫塔裝置主要包括脫硫主、副塔，是整個脫硫塔系統(tǒng)的核心設(shè)備，是煙氣與脫硫劑反應(yīng)的主要場所；海水裝置主要包括海水泵以及變頻器單元，主要用來保證海水與煙氣充分混合；控制裝置主要包括主控制板和遙控板，主要用來負(fù)責(zé)脫硫塔系統(tǒng)的各類設(shè)備啟、停操作以及各類參數(shù)的顯示，對于準(zhǔn)確掌握整個系統(tǒng)的運(yùn)行具有主要的作用；監(jiān)測裝置主要包括煙氣監(jiān)測模塊、海水進(jìn)出口監(jiān)測模塊，用來完成煙氣及海水狀態(tài)的采樣分析；空氣裝置主要包括密封風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)啟動器以及空氣供應(yīng)模塊，用來防止煙氣泄露以及各類氣動閥開關(guān)的動力；排氣裝置主要包括原煙氣擋板和凈煙氣擋板，主要用來負(fù)責(zé)煙氣的排放路徑；附件主要包括各種管道、閥門、流量計、儀器等，用來保證整個脫硫系統(tǒng)的完整性。船用脫硫塔系統(tǒng)的設(shè)備組成如圖2所示。

圖2 船用脫硫塔開式系統(tǒng)主要設(shè)備

2.2 開式船用脫硫塔安裝調(diào)試施工流程

船用脫硫塔系統(tǒng)改造主要圍繞一增二改三區(qū)域的原則進(jìn)行改造安裝，即增加脫硫塔一個設(shè)備，改造機(jī)械和電氣兩個方面，改造機(jī)艙、原煙囪及新增分段3個區(qū)域，這個作業(yè)過程分為分段作業(yè)及設(shè)備及附件安裝作業(yè)兩個部分。整個安裝調(diào)試過程可描述為分段或設(shè)備運(yùn)至施工現(xiàn)場，安裝人員進(jìn)行安裝作業(yè)分配，圍繞三大區(qū)域進(jìn)行改造，對分段進(jìn)行搭載，設(shè)備進(jìn)行安裝，在安裝時先對設(shè)備位置進(jìn)行校準(zhǔn)核實(shí)，做好安裝作業(yè)的準(zhǔn)備工作，隨后按照時間先后順序完成安裝，整體調(diào)試，船用脫硫塔系統(tǒng)整體安裝工程完成?；谘b置的安裝流程如圖3所示。

圖3 基于裝置的船用脫硫塔的安裝工作流程

船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝工程的設(shè)備主要來源于船東、供應(yīng)商以及船廠。由于設(shè)備來源廣，致使系統(tǒng)在地點(diǎn)和時間維度上不連續(xù)，同時在設(shè)備供貨、運(yùn)輸、裝配、調(diào)試過程中易受到安裝作業(yè)人員、施工設(shè)備、工器具、技術(shù)等多方面的影響，易造成設(shè)備供貨不足、工期緊等現(xiàn)象，符合離散事件動態(tài)系統(tǒng)的特征。

2.3 船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝過程中的不確定因素

在船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝過程中，船用脫硫塔體積相對龐大，且廢氣清洗系統(tǒng)涉及到機(jī)械部分和電氣部分的修改范圍較廣[12]，系統(tǒng)零部件較復(fù)雜，安裝程序多，主要存在以下幾個方面的影響因素。

1) 設(shè)備進(jìn)廠的時間的影響。設(shè)備進(jìn)廠時間往往受到船廠、船東、供應(yīng)商3方面的影響，同時又受到設(shè)備制造技術(shù)、運(yùn)輸工具以及施工現(xiàn)場進(jìn)度與現(xiàn)場環(huán)境的影響，具有一定的不確定性。

2) 原船改造時間的影響。每艘船舶的建造布置形式不同，其改造難度也不盡相同，原船是設(shè)備的載體，許多安裝設(shè)備需要在完成原船改造的情況下才可以完成，這個階段需要一定的時間，同時在改造過程中還有許多安全措施、準(zhǔn)備工作要做。

3) 設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試時間的影響。由于原船環(huán)境大多比較復(fù)雜，存在交叉施工的情況，而現(xiàn)場的施工需要按照一定的工序進(jìn)行安裝施工，即安裝需要有先后順序，否則就會出現(xiàn)安裝難以進(jìn)行或是無法安裝的情況[13]，這也給船用脫硫塔安裝改造工程帶來的一定的不確定性。同時該項(xiàng)工作受到作業(yè)人員數(shù)量、技術(shù)水平、設(shè)備精度等因素的影響而表現(xiàn)出安裝進(jìn)程的不確定性。

4) 自然因素的影響。船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝過程中，存在些許的露天作業(yè)以及涂裝作業(yè)，容易受到惡劣天氣的影響，導(dǎo)致施工進(jìn)度的影響。

社會因素的影響。主要指船用脫硫塔系統(tǒng)安裝過程中會受到工程資金、行業(yè)技術(shù)規(guī)范以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響。

3 基于Petri網(wǎng)的船用脫硫塔改造安裝系統(tǒng)建模

Petri網(wǎng)是由德國人Petri提出的，用于描述分布式系統(tǒng)的一種模型，它是一類描述離散事件的動態(tài)系統(tǒng)。在 Petri 網(wǎng)系統(tǒng)里，不僅可以描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，還可以模擬系統(tǒng)的運(yùn)行，能清楚直觀地表現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)及活動，常用來建模和分析并發(fā)、異步和分布式信息處理系統(tǒng)[14]。船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝系統(tǒng)多工種作業(yè)的工程活動，具有高空作業(yè)多，交叉作業(yè)多，受限空間、時間多，動火作業(yè)多等特點(diǎn)，是典型的離散事件系統(tǒng)，符合Petri網(wǎng)建模的要求，因此可以用Petri網(wǎng)來表現(xiàn)船用脫硫塔改造安裝的過程。

在建立Petri網(wǎng)模型時，需要對整個改造流程及相互之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行清晰的梳理，確保整個建模過程符合現(xiàn)場的實(shí)際情況，確保整個改造安裝項(xiàng)目順利進(jìn)行。通過對上文船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝流程的描述，可以清晰反映出作業(yè)的安裝順序及相互的邏輯關(guān)系。在船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝Petri網(wǎng)模型中，通過用Petri網(wǎng)中的庫所P（圓圈表示）表現(xiàn)安裝的狀態(tài)，用變遷T（矩形表示）來表示安裝過程的活動，用有向弧（箭頭）表示過程的變遷的邏輯關(guān)系。根據(jù)基于裝置的船用脫硫塔安裝流程的模型，如圖4所示。其中庫所S0～S9代表安裝各個子工程開始的資源庫所，其余庫所P1～P12代表工程活動中各個變遷完成后的狀態(tài)，庫所A1代表工程活動中的堆場狀態(tài)，庫所A2代表工程活動中的分流狀態(tài)，變遷R1代表工程活動中的改造過程，變遷T1～T9代表工程活動中的運(yùn)輸變遷，變遷L代表工程活動中的吊運(yùn)變遷，變遷I1～I(xiàn)10代表工程活動的安裝和裝配變遷，變遷C代表整個工程活動的調(diào)試階段。

圖4 船用脫硫塔改造安裝Petri網(wǎng)模型

4 基于Petri網(wǎng)的船用脫硫塔改造安裝系統(tǒng)仿真模型

4.1 系統(tǒng)仿真模型的建立

Petri網(wǎng)是離散型系統(tǒng)建模的有效工具，但隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，Petri網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就會表現(xiàn)得比較冗余，致使系統(tǒng)的仿真及分析變得復(fù)雜，不利于系統(tǒng)的分析，而Plant Simulation可以很好地對離散型事件進(jìn)行快速建模[15]。因此建立結(jié)構(gòu)化的Petri網(wǎng)與抽象化的仿真模型之間的映射關(guān)系，充分利用Petri網(wǎng)及plant simulation仿真軟件各有的優(yōu)點(diǎn)，對提高仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性具有重要意義。

Petri網(wǎng)中，整個過程是以托肯為向?qū)?，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動，通過托肯在整個網(wǎng)中的流動來實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的運(yùn)行過程。而在仿真軟件Plant Simulation中，通過移動對象的運(yùn)行來表現(xiàn)Petri網(wǎng)中托肯的運(yùn)行狀態(tài)，通過用輸入的數(shù)據(jù)和編程方法控制物流對象來表現(xiàn)Petri網(wǎng)中變遷過程和庫所狀態(tài)，因此Petri網(wǎng)與Plant Simulation軟件之間存在一定的相似性，具有一定的映射關(guān)系，可以相互轉(zhuǎn)化。

在建立Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，通過模型中實(shí)體及實(shí)體的邏輯關(guān)系映射為Plant Simulation 仿真模型，對該安裝進(jìn)程進(jìn)行仿真分析[16]。依據(jù)所建Petri網(wǎng)模型以及仿真軟件的特點(diǎn)，將其中的關(guān)系一一映射，在仿真軟件里進(jìn)行仿真。通過仿真系統(tǒng)的模擬，可以有效改善安裝流程，優(yōu)化生產(chǎn)資源配置，減少計劃方案的錯誤，增強(qiáng)決策與控制水平[17]，對指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。在Plant Simulation中對所有庫所及變遷的映射關(guān)系做如下說明：

8) 基于所有設(shè)備均是在原船上進(jìn)行安裝調(diào)試，故此仿真原船改造用容器表示，其余設(shè)備用零件表示，脫硫塔安裝的實(shí)質(zhì)是在原船上采用裝配的形式將各個設(shè)備及附件累計連接起來，形成一個完整的系統(tǒng)，故在裝配階段采用零件附加的形式將所有部分結(jié)合在一起。

根據(jù)Petri網(wǎng)模型及其映射關(guān)系，運(yùn)用plant simulation 軟件建立相應(yīng)的模型，其模型如圖5所示。

4.2 仿真作業(yè)實(shí)例進(jìn)度分析

此實(shí)例為某一開式船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝工程，其施工進(jìn)度如圖6所示。

圖5 船用脫硫塔安裝模型

圖6 某開式船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝進(jìn)度計劃

將圖6某開式船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝進(jìn)度計劃中船用脫硫塔安裝時間輸入模型中，以小時為單位進(jìn)行分析，并將工作日以8 h工作制計算。安裝過程中會因?yàn)楦鞣N不確定因素影響工期計劃[18]，故假設(shè)各部分到達(dá)時間服從（計劃開始時間，計劃開始時間×5%）的正態(tài)分布，裝配處理時間服從（計劃處理時間，計劃時間×10%）的正態(tài)分布[19]，對所編制的計劃可行性進(jìn)行分析評估[20]。

在運(yùn)行仿真模型時，輸入數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會帶來輸出結(jié)果的隨機(jī)性，如果僅僅運(yùn)行一次仿真模型，或者僅僅試驗(yàn)幾個隨機(jī)抽出的方案，所得到的結(jié)果或者據(jù)此得出的結(jié)論，其有效性、精確性和一般性顯然是無法保證的。為了解決這一問題，需要多次運(yùn)行仿真，取最合適的仿真次數(shù)來決定運(yùn)行結(jié)果。本文通過plant simulation軟件自帶的實(shí)驗(yàn)管理器來確定該模型的仿真次數(shù)n。通過實(shí)驗(yàn)管理器，變更仿真運(yùn)行次數(shù)，將n分別設(shè)置為10、50、100、200、500、1 000，然后查看結(jié)果的差異。其運(yùn)行結(jié)果如表1所示。仿真次數(shù)較多且結(jié)果各異，一般選擇置信區(qū)間相對較短，即置信區(qū)間下界與下界的差值最小的n值比較合理，根據(jù)表1可知，實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)都符合這一要求，但實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)6的差別不大，故取實(shí)驗(yàn)5的運(yùn)行次數(shù)作為合理的運(yùn)行值，即500次作為仿真的實(shí)驗(yàn)次數(shù)，即取觀察表5中的觀察數(shù)的結(jié)果作為仿真運(yùn)行的最終的結(jié)果。經(jīng)統(tǒng)計分析得到，項(xiàng)目施工的工期均值為10:21，即261 h；標(biāo)準(zhǔn)差為14，即14 h；最小值為8:23，即215 h；最大值為13:00，即312 h。將船用脫硫塔安裝施工工期的分組組距取8 h，其工期統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)管理器運(yùn)行結(jié)果

圖7 船用脫硫塔工期完工次數(shù)直方圖

表2 船用脫硫塔工期統(tǒng)計數(shù)據(jù)

圖8 擬合工期完工概率分布曲線

圖9 擬合工期完工概率曲線與工期風(fēng)險度曲線

根據(jù)表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，繪制船用脫硫塔工期完工次數(shù)直方圖，見圖7；擬合工期完工概率分布曲線，見圖8；擬合工期完工概率曲線與工期風(fēng)險概率曲線，見圖9。

從圖7和圖8可以看出，該船用脫硫塔安裝實(shí)例的完工時間最有可能在256～263 h，但由于工序及現(xiàn)場條件的影響工期的變化，因此項(xiàng)目群的完工工期較為廣泛。原計劃工期為30 d，每天工作8 h，則計劃完工工期為240 h，由實(shí)驗(yàn)可得若在該工況下，則完工的概率只有5.4%左右，完工風(fēng)險非常高，高達(dá)90%以上，故該工況的施工工期應(yīng)該相應(yīng)加長。

4.3 施工方案優(yōu)化

從仿真分析的結(jié)果來看，該安裝工程按期完工的概率偏小，風(fēng)險很大，并且完工時間分布較廣，故需要優(yōu)化施工方案來提高施工質(zhì)量，以保證施工工期按期完成。具體優(yōu)化方法如下：

1)提高船體新建分段的預(yù)舾裝量，使得船上作業(yè)在地面完成，以此來使得船上舾裝的工作量降低；

2)增加施工隊伍的人數(shù)或者多使用熟練工，減少施工返工率，這樣一來每天的作業(yè)量就會增加，以此來縮短施工工期；

3) 嚴(yán)格把控裝置以及附件到廠或制造的時間，不要因?yàn)檠b置以及附件到廠時間延遲來影響施工工期；

4) 合理安排施工作業(yè)，同時及時獲得現(xiàn)場的反饋，以便及時處理影響施工工期的突發(fā)事件。

5 結(jié)論

本文在詳細(xì)分析了船用脫硫塔安裝類型、工藝流程以及作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研究了船用脫硫塔安裝過程中的工期變化影響因素。基于離散型事件動態(tài)系統(tǒng)理論，運(yùn)用Petri網(wǎng)建立了基于裝置的船用脫硫塔安裝模型，描述了船用脫硫塔安裝進(jìn)度過程，并針對每個階段開始時間的不確定性及處理時間的不確定性，運(yùn)用plant simulation 軟件對某一船用脫硫塔安裝工期的合理性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過一定量的隨機(jī)實(shí)驗(yàn)，獲得了合理的工期數(shù)據(jù)，用Excel對工期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對船用脫硫塔安裝計劃工期的可行性進(jìn)行了分析，并給出了保證施工按期完成的方法，為安裝作業(yè)的工期控制提供了理論依據(jù)。仿真模擬結(jié)果表明，根據(jù)安裝作業(yè)現(xiàn)場情況的不確定性，通過合理的仿真實(shí)驗(yàn)，可對作業(yè)安裝工期進(jìn)行合理的預(yù)估和編制，進(jìn)一步優(yōu)化工程項(xiàng)目施工工期，更好地把握施工工期的變更等突發(fā)情況，更加合理地安排施工作業(yè)。