深海礦產(chǎn)混輸裝備防堵塞調(diào)控技術(shù)與應(yīng)用研究

沈 丹，鄭 鵬，王 磊，張家銳，占劍鋒

（1.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082；2.深海技術(shù)科學(xué)太湖實驗室，江蘇無錫 214082）

0 引 言

綠色、安全、高效的能源供應(yīng)是我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的基本保障，近年來隨著地球淺部礦物資源逐漸枯竭，資源開發(fā)不斷走向地球深部［1］，深部資源開采逐漸成為新常態(tài)。在此背景下，圍繞提升深部資源獲取能力開展基礎(chǔ)理論研究并對其進(jìn)行工程應(yīng)用成為各國關(guān)注的重點。深海礦產(chǎn)資源具有存儲量大、質(zhì)量高的特點，但受地形復(fù)雜、高壓、無光等極端環(huán)境的影響，開采難度極大，在大多數(shù)場合，陸地成熟的采礦技術(shù)和裝備無法直接應(yīng)用于深海礦產(chǎn)資源開發(fā)。［2］

目前我國深海礦產(chǎn)資源開發(fā)裝備的研究尚處于探索階段，課題主要集中在深海采礦重載作業(yè)裝備、礦石輸送裝備和水面支持裝備等領(lǐng)域［3］。盡管已多次開展相關(guān)的單體海試，但是系統(tǒng)級的深海新型礦產(chǎn)混輸智能控制裝備較為稀缺，相應(yīng)的深海采礦系統(tǒng)聯(lián)合海試也很少。在管道提升式深海礦產(chǎn)混輸系統(tǒng)中，海底的礦物需通過數(shù)百米甚至數(shù)千米的管道泵輸送至水面船［4］。這一過程中，泵管系統(tǒng)堵塞問題是面臨的最關(guān)鍵問題之一。深海混輸智能控制裝備需及時判斷混輸系統(tǒng)中礦物過泵的情況，提高礦物過泵能力。

因此，本文提出一種深海礦產(chǎn)混輸裝備防堵塞調(diào)控技術(shù)，通過研究并建立一套礦物過泵狀態(tài)判斷流程，研究混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速自動控制策略，進(jìn)而搭建一套自動調(diào)控軟硬件系統(tǒng)，借助操作便捷、人機(jī)交互友好的控制軟件界面，對混輸泵及混輸管道各狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和自動控制，提高深海礦產(chǎn)混輸系統(tǒng)的輸送效率和礦物過泵能力。

1 深海礦產(chǎn)混輸系統(tǒng)組成

深海礦產(chǎn)混輸系統(tǒng)從硬件結(jié)構(gòu)上可分為水面布放回收系統(tǒng)、放料軟管、模擬中繼器、提升硬管和深海混輸泵及監(jiān)測系統(tǒng)等，見圖1。

圖1 深海礦產(chǎn)混輸系統(tǒng)組成示意

1）水面布放回收系統(tǒng)用于實現(xiàn)對模擬中繼器、混輸泵及連接管道的布放和回收；

2）放料軟管用于實現(xiàn)水面給料功能；

3）模擬中繼器用于實現(xiàn)礦料在水下存儲的功能；

4）提升硬管用于實現(xiàn)礦料輸送功能；

5）深海混輸泵及監(jiān)測系統(tǒng)用于實現(xiàn)為礦料混輸提供動力和對泵管狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測的功能。

深海礦產(chǎn)混輸防堵塞調(diào)控方案基于深海混輸泵及監(jiān)測系統(tǒng)，提出具有自動調(diào)控功能的軟硬件系統(tǒng)、傳感器配置方案、系統(tǒng)堵塞狀態(tài)判斷流程和混輸泵轉(zhuǎn)速自動控制策略。

2 混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)判斷

礦產(chǎn)混輸泵管系統(tǒng)發(fā)生堵塞一般有2 種情況：

1）因混輸泵管內(nèi)固液兩相流中的固相濃度過大造成的流道堵塞。此時，混輸泵潛水電機(jī)輸出功率和電流的數(shù)值會減小，電機(jī)輸出電壓和轉(zhuǎn)速保持不變。混輸泵入口和出口壓力會增大，混輸泵入口和出口法蘭振動會加劇，電機(jī)繞組溫度出現(xiàn)緩慢下降的趨勢，管道內(nèi)出口流量減小。在該情況下，若不采取操作，混輸泵水力效率將下降，此時可通過降低轉(zhuǎn)速來提高混輸泵的效率。

2）因固體顆粒堵塞混輸泵葉輪導(dǎo)致葉輪堵轉(zhuǎn)引起的堵塞。此時，混輸泵電機(jī)輸出電流會快速增大，電機(jī)功率增大，電機(jī)轉(zhuǎn)速快速下降。混輸泵入口和出口壓力會減小，電機(jī)振動幅值加劇，電機(jī)繞組溫度快速升高，管道內(nèi)出口流量快速減小。若存在葉輪堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，很可能會直接影響混輸泵潛水電機(jī)在水下的安全運(yùn)行狀態(tài)。因此，當(dāng)軟件系統(tǒng)檢測到該情況時，根據(jù)輸出電流升高的程度，一般又分為兩種方式處理，即當(dāng)輸出電流升高5%，未達(dá)到10%時，判斷為混輸泵堵塞，此時需降低混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，使輸出電流減小；當(dāng)輸出電流升高10%時，需立即關(guān)停混輸泵，并對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢查。

根據(jù)上述堵塞情況下的數(shù)據(jù)狀態(tài)分析，以及多個傳感器數(shù)據(jù)之間的耦合關(guān)系，制訂一套判斷混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)的流程，見圖2。根據(jù)該流程，通過軟件語言實現(xiàn)對混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)的自動判斷，并將判斷結(jié)果用于對混輸泵轉(zhuǎn)速的自動調(diào)控。

圖2 混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)判定流程

3 自動控制策略研究

混輸泵潛水電機(jī)的轉(zhuǎn)速經(jīng)由變頻器輸出頻率實現(xiàn)控制，因此，混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的自動控制體現(xiàn)在變頻器頻率的自動控制上。

自動控制采用的是基于專家經(jīng)驗的PID（Proportional Integral Differential）自動控制算法，其原理框圖見圖3。在傳統(tǒng)增量式PID 控制算法［5］的基礎(chǔ)上，通過專家系統(tǒng)知識庫輸出修正PID 參數(shù)［6］，達(dá)到最佳的PID 控制效果，最終實現(xiàn)對混輸泵轉(zhuǎn)速的自動控制。

圖3 基于專家經(jīng)驗的自動控制策略原理框圖

軟件系統(tǒng)采集并處理混輸泵各狀態(tài)參數(shù)，并對混輸泵變頻器頻率進(jìn)行專家PID 控制。在控制算法中設(shè)置專家規(guī)則，采用增量式PID控制模型，結(jié)合專家規(guī)則，得出混輸泵變頻器頻率控制量，將其作為輸出量傳輸至混輸泵變頻器中進(jìn)行調(diào)控，并將調(diào)控輸出的變頻器頻率值作為反饋輸入信號，進(jìn)行下一輪自動調(diào)控。

專家PID控制主要針對誤差和誤差變化率設(shè)置控制規(guī)則［7］，同時還可對輸出的控制量進(jìn)行限制，分別設(shè)置上限和下限。專家PID控制規(guī)則如下。

若設(shè)定當(dāng)前時刻誤差為e（k），前一時刻誤差為e（k-1），則誤差增量可表示為

式（1）和式（2）中：Δe（k）為當(dāng)前時刻誤差增量；Δe（k-1）為前一時刻誤差增量。

規(guī)則1：設(shè)定誤差最大值EMax，若當(dāng)前時刻誤差滿足

則讓控制器滿負(fù)荷輸出，即在混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到最大值時輸出。

規(guī)則2：判斷誤差變化情況，若誤差向絕對值增大的方向變化或誤差為常數(shù)，即

則認(rèn)為誤差偏大，需增大Kp值，即

反之減小Kp值，即

規(guī)則3：判斷誤差變化情況，若誤差向絕對值減小的方向變化或誤差為0，即

則認(rèn)為誤差正在趨于穩(wěn)定或已達(dá)到平衡狀態(tài)，保持控制器輸出不變。

規(guī)則4：設(shè)定誤差最小值EMin，若誤差處于極小狀態(tài)，即

則加入積分運(yùn)算，以減小穩(wěn)態(tài)誤差。

4 自動調(diào)控軟硬件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)對混輸系統(tǒng)中深海混輸泵的自動控制，本文搭建的硬件系統(tǒng)主要包括水面控制計算機(jī)、串口通信模塊、模數(shù)采集模塊、控制臺開關(guān)和指示燈模塊等，根據(jù)各模塊的功能，系統(tǒng)可自行進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通信和自動控制。圖4 為自動調(diào)控硬件組成框圖。水面控制計算機(jī)通過串口通信模塊，主要實現(xiàn)混輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的采集和深海混輸泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出控制。采集的信息主要包括混輸泵變頻器各項運(yùn)行數(shù)據(jù)和混輸泵水下傳感器各項監(jiān)測數(shù)據(jù)等。

圖4 自動調(diào)控硬件組成框圖

其中，混輸泵變頻器的電壓、電流和頻率等數(shù)據(jù)通過RS485 接口傳輸給串口通信模塊，串口通信模塊通過PCI（Peripheral Component Interconnect）總線接口將數(shù)據(jù)傳輸給水面控制計算機(jī)。同時，水面控制計算機(jī)以MODBUS數(shù)據(jù)通信協(xié)議輸出變頻器頻率控制信號，進(jìn)而實現(xiàn)對深海混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。水面控制計算機(jī)通過模數(shù)采集模塊實現(xiàn)對控制臺上各開關(guān)動作信息的采集和指示燈的輸出控制。模數(shù)采集模塊通過PCI總線接口與水面控制計算機(jī)通信，采集控制開關(guān)的切換狀態(tài)，并接收多個狀態(tài)信息，實現(xiàn)狀態(tài)信息顯示。

4.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

為方便進(jìn)行人機(jī)交互，在水面控制計算機(jī)上運(yùn)行一套顯示與控制軟件，該軟件可實時監(jiān)控混輸系統(tǒng)各傳感器參數(shù)信息，自動判斷混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)，并可根據(jù)不同混輸作業(yè)工況或堵塞狀態(tài)，實時切換混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速手動/自動控制模式。其中，自動控制模式下可在線修改控制參數(shù)。

1）手動控制作業(yè)模式：通過人為監(jiān)測變頻器輸出電流數(shù)據(jù)，手動修改變頻器頻率，實現(xiàn)對混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，進(jìn)而實現(xiàn)對混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)的調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同作業(yè)工況。

2）自動控制作業(yè)模式：當(dāng)在人機(jī)交互界面上按下“自動控制”按鈕之后，進(jìn)入自動控制作業(yè)模式。此時，借助自動控制策略，依據(jù)預(yù)先設(shè)定的工作參數(shù)（如，設(shè)定混輸泵變頻器輸出電流的期望值），通過軟件程序自動判斷堵塞狀態(tài)。當(dāng)判斷為堵塞時，啟動自動控制算法，調(diào)節(jié)混輸泵變頻器頻率輸出，自動實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，保證混輸系統(tǒng)正常工作。自動調(diào)控軟件控制流程見圖5。

圖5 自動調(diào)控軟件控制流程

自動調(diào)控軟硬件系統(tǒng)最終集成為一臺混輸控制臺，其實物和軟件主界面見圖6。

圖6 混輸控制臺和軟件主界面

5 海試驗證及結(jié)果分析

2021 年8 月10 日—8 月26 日，在南海西沙附近海域?qū)ι詈５V產(chǎn)混輸裝備系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)級500 米海上試驗。［8］試驗時，為驗證控制算法的有效性，人為模擬混輸泵堵塞的情況，緩慢升高混輸泵的頻率，使混輸泵輸出電流增大，當(dāng)輸出電流超過額定值5%之后，自動調(diào)控開啟。通過對記錄的混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線，見圖7。

從圖7 中可看出，當(dāng)變頻器輸出電流超額定值5%之后，變頻器反饋轉(zhuǎn)速迅速有一個較大幅度的減小的過程，最后趨于穩(wěn)定，這是因為，此時軟件判斷混輸系統(tǒng)當(dāng)前處于混輸泵堵塞狀態(tài)，自動開啟了控制算法，快速降低混輸泵轉(zhuǎn)速。當(dāng)混輸泵堵塞情況得到緩解之后，輸出電流穩(wěn)定，混輸泵轉(zhuǎn)速也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖7 混輸泵電機(jī)轉(zhuǎn)速控制曲線

6 結(jié) 語

本文針對3 000 米級固液兩相流混輸裝備系統(tǒng)提出深海混輸泵防堵塞調(diào)控技術(shù)方案，設(shè)計開發(fā)適用于固液兩相流混輸裝備系統(tǒng)的軟硬件系統(tǒng)，通過搭建的傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析各數(shù)據(jù)與泵管堵塞之間的耦合關(guān)系，最終通過程序化的語言，以可視化的人機(jī)交互方式實現(xiàn)對混輸系統(tǒng)堵塞狀態(tài)的判斷和自動調(diào)控，并通過500 米級海試對該調(diào)控系統(tǒng)予以驗證，對后續(xù)類似研究的開展具有一定的借鑒意義。