阿芙拉型油船貨油泵自動化系統(tǒng)研究

嚴(yán) 昆

(上海海事大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院，上海 201306)

0 引言

貨油泵作為油船駁運關(guān)鍵設(shè)備之一，是將船艙內(nèi)的油品經(jīng)過管路輸送到對方碼頭終端或船舶的動力裝置。近年來,隨著10萬載重噸及以上的油船建造訂單的增加，蒸汽透平式貨油泵(簡稱“貨油泵”)由于成本和布置等方面優(yōu)勢得到廣泛應(yīng)用。但是，由于自動化系統(tǒng)界面復(fù)雜，牽涉到船舶輪機原理、控制位置和功能連鎖、報警采樣和監(jiān)測、規(guī)范和相關(guān)石油組織要求等方面，橫跨輪機和電氣專業(yè)，讓船廠專業(yè)技術(shù)人員很難全面理解。針對這一問題，本文結(jié)合江蘇某船廠建造的109 999 t阿芙拉型(Aframax,定義為8萬～12萬載重噸) 油船實例，基于保證貨油泵有效安全工作的原則，從其控制、報警監(jiān)測和安全等方面對其自動化系統(tǒng)進行研究。

1 貨油泵的控制

1.1 控制位置

阿芙拉型油船常有3種油品同時操作裝卸。考慮到原油產(chǎn)地不同以及避免單泵過大造成的不利，該船型通常配置3～4臺貨油泵，數(shù)量視船東意見而定[1]。從經(jīng)濟和可靠性角度考慮，本項目與船東協(xié)商選用SHINKO廠家3臺3 000 m3/h貨油泵。3臺貨油泵可以單獨控制，也可以3臺一起聯(lián)動通過加大駁運流量以此來節(jié)省時間。一般情況下，油船上的貨油泵只用于卸貨工況，而裝貨動力源來于岸上或其他船舶。除了3臺大貨油泵外，還有1臺用于掃艙的貨油掃艙泵。由于此泵排量不到貨油泵的10%，無需經(jīng)透平而直接由蒸汽來驅(qū)動。

貨油泵的透平機構(gòu)位于機艙(安全區(qū)域)，泵的轉(zhuǎn)動機構(gòu)與危險源接觸，安裝于獨立的泵艙(危險區(qū)域)。貨油泵的控制分為就地和遙控：就地位于機艙四平臺的透平側(cè)；考慮到卸貨時要參考各種相關(guān)數(shù)據(jù)及其他系統(tǒng)的操作同步性(如調(diào)船壓載)，將貨控室作為遙控位置對貨油泵進行操作。貨控室是位于上層建筑的第二層A甲板且朝向貨艙側(cè)的一個封閉處所，配有1個1 600 mm×800 mm大窗戶，以便觀看貨艙甲板面的情況。掃艙泵位于泵艙，使用頻率不高，只需在貨控室內(nèi)進行遙控操作。

1.2 控制流程

貨油泵啟動流程：在鍋爐蒸汽、真空冷凝海水泵、惰氣保護裝置、可燃?xì)怏w探測等相關(guān)設(shè)備正常運行情況下，透平開始備機→透平輔助滑油泵啟動→貨油泵運行→集管上壓力→貨油泵調(diào)速。

在貨控室通過觀察貨艙液位和艙內(nèi)惰氣壓力，在向外駁油時需要船員在貨控室對貨油泵進行調(diào)速。不同貨油泵廠家的調(diào)速器配置不同，大部分調(diào)速器在50%～100%區(qū)間內(nèi)對泵流速進行手柄調(diào)節(jié)。貨油掃艙泵的流量小，只需啟動和停止操作。

1.3 真空自動卸貨系統(tǒng)

卸貨中后期階段由于貨艙的油位降低，艙內(nèi)積累很多油氣，不便于貨油泵吸油，需要真空自動卸貨系統(tǒng)(AUS)和貨油泵配合，提高貨油泵自吸能力，盡可能地將艙內(nèi)貨品抽凈。當(dāng)液位降到50%以下時，通過分離罐上液位信號的反饋，液壓控制回路中的電機開始工作[2]，油氣經(jīng)真空泵單元分離后，氣體進入污油艙，液油進入泄放柜。

AUS系統(tǒng)配有電動真空泵組。該泵組的電動機放置在機艙，真空泵設(shè)置在泵艙。AUS系統(tǒng)的真空泵用于操作的配套閥組、模式選擇開關(guān)等，均可從貨控室實現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控。

1.4 手動應(yīng)急停止

貨油泵屬于油類運輸工具，當(dāng)出現(xiàn)應(yīng)急情況需要強行中止運行。在機艙蒸汽透平側(cè)(除掃艙泵)、泵艙區(qū)域、貨控室和船舯的集管區(qū)域等配有手動應(yīng)急停止按鈕，其中泵艙和集管區(qū)域為危險區(qū)域，應(yīng)停按鈕為防爆型。

在項目進程中，船東曾提出需滿足OCIMF(石油公司國際海事論壇)對油船集管區(qū)域的推薦規(guī)范(2017版)，此規(guī)范的第10節(jié)提出推薦配備貨油的通岸應(yīng)停系統(tǒng)(ESD)。目前此項技術(shù)常在LNG等液化氣船上應(yīng)用；油船上由于廠家技術(shù)方案不太成熟且價格昂貴，與船東協(xié)商后此項目未采用。但考慮OCIMF作為油船建造重要規(guī)范，后期新造船項目應(yīng)給予考慮。OCIMF 2017通常應(yīng)停要求見圖1。

圖1 OCIMF 對油船集管區(qū)域推薦規(guī)范(2017版)的通岸應(yīng)停要求

2 貨油泵報警監(jiān)測和安全系統(tǒng)

由于貨油泵為油船重要設(shè)備之一，其安全運行對整個貨物運輸至關(guān)重要，因而需配備報警監(jiān)測和安全系統(tǒng)。就地監(jiān)測設(shè)置在透平側(cè)和泵艙內(nèi)的貨油泵側(cè)，遙控監(jiān)測設(shè)置在集控室、貨控室和船舶報警監(jiān)測系統(tǒng)；安全系統(tǒng)則利用于內(nèi)外部的自動停車保護功能。

2.1 透平報警監(jiān)測

貨油泵由透平驅(qū)動，主要監(jiān)測透平轉(zhuǎn)速、潤滑機構(gòu)的油溫和油液位等。透平附近還有一個真空冷凝器，用于透平的廢氣冷凝。冷凝器上配有的浮子、壓力開關(guān)用于監(jiān)測冷凝水狀況。透平廢氣閥側(cè)出口裝有限位開關(guān)，用于貨油泵的啟動連鎖，確保泵啟動時廢氣閥出口處于打開位置。

2.2 泵艙報警監(jiān)測

每個貨油泵主要配備如下監(jiān)測：泵殼溫度傳感器、軸承溫度傳感器、泵振動傳感器、泵機械密封液位開關(guān)、泵的吸口和泄放壓力傳感器，以及和安全區(qū)域機艙接觸的填料函盒溫度監(jiān)測等，以上都可到貨控室內(nèi)進行儀表指示。由于泵艙是1類危險區(qū)域，其監(jiān)測設(shè)備需要防爆型，廠家配備傳感器為低能量型簡單設(shè)備，在機艙安全區(qū)域內(nèi)需要有本質(zhì)安全隔離柵，傳感器到隔離柵其間電纜需單獨敷設(shè)，實現(xiàn)本質(zhì)安全電路。 同時依據(jù)ABS 2017版規(guī)范要求，在貨油泵艙內(nèi)還配套泵機械密封泄漏的聲光報警裝置(防爆型)，目的是當(dāng)泄漏發(fā)生時及時提醒泵艙里船員迅速做出反應(yīng)。貨油泵組監(jiān)測圖見圖2。

圖2 泵艙貨油泵組監(jiān)測圖

2.3 遙控監(jiān)測

集控室主要監(jiān)測貨油泵的運行狀態(tài)、透平轉(zhuǎn)速、公共報警和脫扣報警等。

全面核心的監(jiān)測位于貨控室內(nèi)，覆蓋所有監(jiān)測點。從油船公司操作習(xí)慣上，蒸汽透平類貨油泵沒有采用電腦MIMIC軟件化的形式，而是一個個單獨儀表和報警指示燈分布在貨控臺上，數(shù)量眾多但卻很直觀，方便船員監(jiān)測貨油泵各項工作情況。同時在貨控室還有其他相關(guān)貨物監(jiān)測設(shè)備(如惰氣、貨物閥門遙控、壓載水處理、可燃?xì)怏w探測等)和船內(nèi)外通信工具，可以在操作過程中讓船員迅速發(fā)現(xiàn)并處理潛在的危險源。

由于船員不是一直在集控室和貨控室內(nèi)值班，為確保貨油泵在運轉(zhuǎn)前所有故障問題得到解決，需要對泵的一些重要點保持連續(xù)監(jiān)測，如：貨油泵的軸和殼體溫度，貨油泵控制部分電源，防爆隔離柵運轉(zhuǎn)等。將這些監(jiān)測點以單點或公共故障點的形式延伸至船舶報警監(jiān)測系統(tǒng)，以便值班人員發(fā)現(xiàn)故障并及時處理。

2.4 安全自動停車

在現(xiàn)今自動化程度越來越高和船員越來越少情況下，貨油泵作為重要設(shè)備，除了應(yīng)急工況下手動停止外，還應(yīng)有自動停車功能。其作用為：一方面可自動處理潛在外部危險，如惰性氣體低壓和泵艙可燃?xì)怏w濃度高；另一方面可用于保護泵自身，即不要讓泵在超工況下運行。如下為必配自動停車點，經(jīng)貨油泵組合控制板來切斷其電磁閥工作，進而使動力源的透平停止轉(zhuǎn)動：

①透平超速；

②透平廢氣背壓高；

③透平轉(zhuǎn)子振動高；

④貨油泵出口壓力高；

⑤貨油泵殼高溫；

⑥貨油泵軸承高溫(上下端)；

⑦填料函箱高溫；

⑧惰性氣體低壓；

⑨泵艙可燃?xì)怏w濃度高。

貨油泵報警監(jiān)測和安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖3。

圖3 貨油泵報警監(jiān)測和安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

3 結(jié)語

油船的貨油駁運工作需要一個高效安全的自動化系統(tǒng)，基于此原則從其控制方面需要考慮：就地和遙控之間的選擇、真空自動卸貨AUS模式操作及必備的手動應(yīng)停裝置；報警監(jiān)測方面要做到全面覆蓋和必要的公共報警點延伸到船舶報警監(jiān)測系統(tǒng)；安全方面要考慮出現(xiàn)故障時能做到立即停止，保護泵組和避免船上爆炸風(fēng)險。通過這一系列分析使相關(guān)技術(shù)人員對此系統(tǒng)有了較全面的理解，也為類似船型系統(tǒng)設(shè)計提供了參考。考慮到船級社規(guī)范和油船組織對貨油泵要求逐漸提升，船舶智能化趨勢也在不斷推進，其自動化系統(tǒng)必將不斷升級，仍需要不斷地研究來確保貨油駁運工作的順利進行。