超大型液化石油氣船液貨監(jiān)控功能設(shè)計

2019-12-25 03:05:00楊森，楊軍，范璠

船舶與海洋工程 2019年6期

楊森，楊軍，范璠

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引言

85000m3超大型液化石油氣船（Very Large Liquefied Petroleum Gas Carrier, VLGC）是目前全球同類產(chǎn)品中裝載級別最高的船型，通常用來運輸以丙烷和丁烷為主要成份的石油碳氫化合物或混合氣，其中也可能混有一定量的乙烷、丙烯、丁烯及其他化工產(chǎn)品?？紤]到運輸貨物的液化條件和大容量的裝載需求，該型船采用全冷式運輸（也稱常壓低溫型運輸）方式，即在正常大氣壓下利用再液化裝置將液化氣保持在沸騰狀態(tài)，并將其存儲在4個不耐壓的國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）獨立式A型棱形液貨罐內(nèi)，設(shè)計蒸氣壓力在正常情況下應(yīng)低于釋放閥的最大允許調(diào)定值（MARVS），最大不超過70kPa(G)，工作溫度最低可降至-52℃。當(dāng)船舶到達目的港之后?？吭谘b卸貨碼頭，船上集管區(qū)的裝卸貨管路與岸上伸出的裝卸臂對接，通過各液貨罐的深井泵進行卸貨。若接岸管路高背壓或經(jīng)由液貨加熱器輸送至非冷藏容器，還需開啟增壓泵。

液化石油氣（Liquefied Petroleum Gas, LPG）屬于易燃易爆物品，相對于干散貨和油類貨物，其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)都比較特殊。為能安全可靠地完成運輸和裝卸作業(yè)，VLGC需配備一套適用的液貨監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對液貨深井泵、增壓泵、加熱器/蒸發(fā)器、再液化裝置等設(shè)備和貨物氣相、液相等各類管系及閥門的即時監(jiān)測和控制；同時，連續(xù)監(jiān)測液貨罐及所在船艙的壓力、溫度和液位，實現(xiàn)就地的和遠程的信息同步顯示，并在異常情況下發(fā)出聲光報警[1]，使操作人員或管理人員能隨時掌握液貨裝置、液貨管系、液貨罐及所在船艙的狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并妥善處理。目前歐洲的液貨監(jiān)控技術(shù)已較為成熟，設(shè)計、配套已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，幾乎壟斷了全球市場，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展較為緩慢，故本文結(jié)合國外的設(shè)計理念，對液貨監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計進行研究。

1 監(jiān)控報警配置和功能設(shè)定

VLGC上貨物的狀態(tài)主要由貨控室內(nèi)的貨控臺（Cargo Control Console, CCC）監(jiān)控，其基本構(gòu)架見圖1。該貨控臺內(nèi)置可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），主要由處理器、存儲器、信號輸入/輸出（I/O）模塊、功能模塊和通信模塊組成。

圖1 液貨監(jiān)控系統(tǒng)的基本構(gòu)架

1) 處理器采用冗余配置，以實現(xiàn)熱備用操作。存儲器用于存放系統(tǒng)程序和用戶控制程序。

2) 信號輸入/輸出模塊根據(jù)外圍設(shè)備所處的位置分為 2類：一類是普通型模塊，適用于安全區(qū)域的信號傳輸；另一類是本質(zhì)安全型模塊，適用于危險區(qū)域的信號傳輸。2類模塊盡可能地分開安裝并在二者之間設(shè)置信號隔離。此外，還需根據(jù)收發(fā)信號的種類對具體模塊的使用進行細分。

3) 功能模塊主要用于計數(shù)、定時和定位。

4) 通信模塊采用基于MODBUS總線協(xié)議的以太網(wǎng)通信接口和串行通信接口，實現(xiàn)與裝載計算機、液位吃水遙測和船舶監(jiān)測報警等系統(tǒng)的通信。

輸入模塊采集無源觸點開關(guān)量信號、4～20mA模擬量信號和熱電阻信號等；處理器對所有輸入信號進行周期性掃描并讀取其狀態(tài)和數(shù)據(jù)，按照預(yù)先編制的用戶控制程序執(zhí)行邏輯或算術(shù)運算，將處理結(jié)果以對應(yīng)的信號形式經(jīng)輸出模塊反饋給外圍的執(zhí)行機構(gòu)，如設(shè)備的起動停止和狀態(tài)指示、電磁閥的通斷和報警及聯(lián)鎖動作的觸發(fā)等。臺面上配有貨罐液位指示器、各類電動機的電流表、泵及壓縮機的停止按鈕和安全系統(tǒng)的應(yīng)急切斷按鈕（Emergency Shutdown Device, ESD）。此外，該CCC還配有主從式人機交互界面（Human Machine Interface, HMI），利用計算機軟件視窗中的模擬圖表實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)和工序流程的顯示和設(shè)定、所有報警狀態(tài)的監(jiān)測、各類閥門的遙控及PLC定時器持續(xù)時間的調(diào)節(jié)等。同時，在駕駛室和再液化裝置區(qū)域配有ESD和作復(fù)示用的輔助HMI。

液貨監(jiān)控系統(tǒng)配備獨立的電動機控制中心（Motor Control Center, MCC），主要用于對液貨罐深井泵、增壓泵、再液化壓縮機組、淡水/乙二醇輸送泵和驅(qū)氣風(fēng)機等設(shè)備進行電力驅(qū)動及控制，并對其電流和溫度進行監(jiān)測，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時觸發(fā)相應(yīng)的保護動作，比如電動機過載或溫度過高時會自動停機；液貨罐深井泵和增壓泵的電動機低電流運行約3s之后會發(fā)出報警請求停機，直至停機動作實施之后該報警才結(jié)束。另外，MCC借助CCC內(nèi)的PLC實現(xiàn)安全聯(lián)鎖功能，比如當(dāng)液貨罐深井泵停止運行之后，對應(yīng)的液貨卸放閥會自動關(guān)閉，且該閥在深井泵停止運行之后60s內(nèi)無法開啟，反之液貨卸放閥開啟程度必須達到10%以上，只有如此對應(yīng)的深井泵才允許起動。這些泵、壓縮機組和風(fēng)機均就地配備本安型或隔爆型手動起停按鈕站，出于安全考慮，這些設(shè)備僅允許就地起動，但可就地或在CCC和MCC等處實施停機操作。

液貨罐深井泵、增壓泵和再液化壓縮機組在該船整個電網(wǎng)中屬于大功率負載，故MCC針對這些負載的啟動配置重載問詢和響應(yīng)功能：當(dāng)狀態(tài)一切正常時，操作人員按下就地起動按鈕之后，液貨監(jiān)控系統(tǒng)會向船舶電站管理系統(tǒng)（PMS）發(fā)出請求，同時就地起停按鈕站上的指示燈會慢閃，提示該請求信號已發(fā)出；船舶PMS接收到請求信號之后會檢測當(dāng)前電站容量是否充足，必要時會啟動備用發(fā)電機，一旦判斷電站容量足夠，會反饋一個允許起動的信號至液貨監(jiān)控系統(tǒng)；此時就地起停按鈕站上的指示燈會快閃，提示允許起動，操作人員應(yīng)在1min之內(nèi)再次按下就地起動按鈕，使負載正常運行，否則此次起動會失敗。當(dāng)負載正常運行時，就地起停按鈕站上的指示燈會保持常亮；當(dāng)負載停止工作時，該指示燈會熄滅。

液貨罐和露天甲板屬于危險區(qū)域，故在這些區(qū)域內(nèi)安裝的深井泵、增壓泵和驅(qū)氣風(fēng)機的電動機均為隔爆型設(shè)備，而各類傳感器、就地儀表板及其器件均為本質(zhì)安全型設(shè)備，用于測量和顯示液貨罐、液貨管路及相關(guān)設(shè)備的壓力、溫度和液位。這些儀表板按就近原則合理分布在液貨艙氣室、左右集管區(qū)、再液化裝置、液貨加熱器/蒸發(fā)器和增壓泵等艙室或設(shè)備周圍。另外，再液化壓縮機組和淡水/乙二醇輸送泵的電動機、淡水/乙二醇柜電加熱器、原位清洗（CIP）單元的電動機和電加熱器均為普通非防爆型電氣設(shè)備，放置這些設(shè)備的房間在露天甲板上。為了使該區(qū)域成為氣體安全處所，在其與露天甲板的氣體危險區(qū)域之間設(shè)置一道空氣閘。空氣閘的2扇門上各配備1個門限開關(guān)，并在該處所的兩端各安裝1臺聲光報警器，當(dāng)空氣閘的2扇門一起開啟時會觸發(fā)報警。同時，需采用機械通風(fēng)的方式，使再液化壓縮機組電動機室和空氣閘處所相對于外部氣體危險區(qū)域一直保持正壓狀態(tài)，這可通過一個壓力開關(guān)進行監(jiān)測，當(dāng)正壓消失時，應(yīng)立即起動備用風(fēng)機使其恢復(fù)到正壓狀態(tài)，否則應(yīng)切斷對該處所內(nèi)非防爆型電氣設(shè)備的供電[2]。

橋樓前壁、再液化壓縮機組室及其電動機室各安裝1臺總用聲光報警器，液貨系統(tǒng)的每次報警都會觸發(fā)這些報警器。CCC上的HMI配置2個按鈕，分別用于報警消音和報警應(yīng)答。需注意的是，該位置的HMI還配置有多種工作模式選擇功能（見表1），獲得授權(quán)的工作人員可通過安全訪問系統(tǒng)對工作模式進行選擇。

表1 工作模式選擇功能

2 貨罐液位的監(jiān)測和聯(lián)鎖動作

液貨罐分為左右兩半，每半個罐內(nèi)均配備一套液位測量裝置（雷達式或浮子式），直接連至 CCC上的遠程指示器，并采用串口連接方式（如MODBUS RS485）將液位信號傳遞至CCC內(nèi)的PLC，實現(xiàn)有效通信。此外，每半個罐內(nèi)還配備3套浮子式液位開關(guān)，分別對應(yīng)95%、98.5%和99.0%等3檔液位，各自獨立，但共用一套安裝法蘭。根據(jù)國際氣體運輸船與碼頭經(jīng)營者協(xié)會（SIGTTO）[3]的要求，每檔液位開關(guān)被觸發(fā)之后引發(fā)的報警、各種閥門及泵電動機的動作不盡相同，其中針對每個液貨罐的高液位報警（LAH），系統(tǒng)可設(shè)定開和關(guān)（ON/OFF）2種模式（見表2）[4]：正常裝卸貨時，每個液貨罐的高液位報警通常設(shè)定為ON模式，當(dāng)裝貨到達注入上限（即95.0%液位且超過5s）時會觸發(fā)高液位報警，操作者應(yīng)手動關(guān)閉注入閥，否則系統(tǒng)檢測到液貨罐溢流（即達到98.5%液位）時會自動關(guān)閉這些注入閥；正常航行時，每個液貨罐的高液位報警通常設(shè)定為OFF模式，這時液貨罐即使達到95.0%液位也不報警，只有當(dāng)系統(tǒng)檢測到液貨罐達到98.5%或99.0%液位且超過20s時才觸發(fā)溢流報警，防止因船舶晃動而誤報警。

表2 液貨罐LAH在開和關(guān)2種模式下的因果關(guān)系

另外，若某個液貨罐處于溢流狀態(tài)，系統(tǒng)可選擇正常或泵運（NORMAL/PUMP）的操作模式。在PUMP模式下，液貨罐99.0%液位引發(fā)的深井泵自動停機、接收罐液貨注入閥或集管區(qū)液相跨接管閥自動關(guān)閉等動作將被越控，允許利用深井泵將過量的液貨打出并駁運至未溢流的液貨罐內(nèi)或集管區(qū)，該模式持續(xù) 1h之后自動回到NORMAL操作模式。

3 液貨監(jiān)控輔助系統(tǒng)

對于VLGC而言，為對液貨進行安全監(jiān)控，還需配置一些輔助系統(tǒng)，如可燃氣體探測系統(tǒng)、閥門遙控系統(tǒng)、應(yīng)急切斷系統(tǒng)和惰氣系統(tǒng)等。

在上層建筑進風(fēng)口、機艙進風(fēng)口、液貨罐船艙、水手長儲藏室、淡水/乙二醇柜透氣孔、再液化壓縮機組室、再液化壓縮機組電動機室及其空氣閘處所等一些關(guān)鍵部位放置可燃氣體探測器或抽氣式采樣管，測量探測點或采樣點周圍空氣中的可燃氣體含量，從而判斷這些區(qū)域是否有氣體泄漏情況。CCC上的PLC經(jīng)由以太網(wǎng)通信或串行通信接口與可燃氣體探測控制箱連接，對這些測量點的可燃氣體含量進行連續(xù)監(jiān)測，一旦監(jiān)測到含量超標，CCC上的HMI就會觸發(fā)報警，橋樓前壁、再液化壓縮機組室及其電動機室的報警裝置也會有相應(yīng)的動作[1]。

貨物的氣相和液相管系中一些重要位置的閥門通過電控液壓方式驅(qū)動（見表 3），即以液壓動力機組為動力源，一般還帶有充氣式蓄能器提供后備動力，利用電磁閥的通斷來控制液壓油的換向，進而控制單作用式或雙作用式液壓驅(qū)動頭，實現(xiàn)閥門的啟閉。電控系統(tǒng)一旦失電，電磁閥將處于故障安全位置。CCC上的 HMI設(shè)有閥控軟件按鈕，并就地配置本安型操控按鈕站，用于手動開啟和關(guān)閉這些液壓驅(qū)動閥。同時，依靠CCC上的PLC采集開度閥上電位計反饋的電阻信號和開關(guān)閥上限位開關(guān)反饋的無源觸點信號，達到遠程實時顯示閥門啟閉位置的目的。另外，為便于在CCC上的HMI中集中監(jiān)控，閥門遙控系統(tǒng)還包括船舶壓載系統(tǒng)的閥控，但與貨物系統(tǒng)的閥控相互獨立，互不影響。

表3 液貨系統(tǒng)的液壓驅(qū)動閥

根據(jù)《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（IGC Code）的要求，VLGC必須配置一套獨立的液貨應(yīng)急切斷系統(tǒng)[2]。在駕駛室、貨控室、上層建筑入口、貨艙甲板走道、艏部艙室、液貨艙氣室旁、集管區(qū)、再液化壓縮機組室及其電動機室等部位安裝應(yīng)急切斷按鈕，并提供一套符合SIGTTO標準的本質(zhì)安全連接裝置，以連接船、岸兩端的應(yīng)急切斷系統(tǒng)；考慮到有些碼頭沒有SIGTTO標準的接口，還應(yīng)通過該連接裝置外接一個應(yīng)急切斷懸吊按鈕盒，放置在碼頭端備用[5-6]。另外，在貨艙甲板上鋪設(shè)一條控制空氣環(huán)形管路，并在該管路經(jīng)過的一些位置（比如液貨艙氣室、集管區(qū)等）配備易熔塞，一旦發(fā)生火災(zāi)，易熔塞會在98～104℃溫度范圍內(nèi)熔化，釋放環(huán)形管路中的控制空氣壓力，導(dǎo)致氣壓低或過低。當(dāng)出現(xiàn)險情時，人工按下任意一個應(yīng)急切斷按鈕，或易熔塞熔化造成的低壓、過低壓，均會觸發(fā)液貨應(yīng)急切斷系統(tǒng)，表3中的液壓驅(qū)動閥將在30s內(nèi)全部關(guān)閉，液貨罐深井泵、增壓泵、再液化壓縮機組、淡水/乙二醇輸送泵及電加熱器、原位清洗（CIP）單元泵和電加熱器將全部停止工作。當(dāng)易熔塞熔化觸發(fā)應(yīng)急切斷時，處于自動模式的甲板噴淋系統(tǒng)會自動對貨艙甲板和上層建筑前壁進行海水噴淋，起到降溫、防火和保護人身安全的作用。當(dāng)觸發(fā)應(yīng)急切斷的故障都消除時，按下CCC上的應(yīng)急切斷復(fù)位按鈕即可復(fù)位液貨應(yīng)急切斷系統(tǒng)，同時自動開通相應(yīng)的電磁閥對控制空氣環(huán)形管路進行補氣建壓。

在裝載貨物之前，VLGC需通過惰氣系統(tǒng)向液貨罐及所在的船艙引入干燥空氣和惰氣對其進行干燥和惰化。該型船的惰氣系統(tǒng)不同于油船上的惰氣系統(tǒng)，對惰氣溫度和濕度的控制要求更高，惰氣發(fā)生器產(chǎn)生的惰氣的溫度約為37℃，需先經(jīng)過換熱器將其冷卻至約5℃，并將冷凝形成的水分離掉，再經(jīng)過干燥器（2套，其中1套備用）進行除濕，最終得到要求的露點，同時利用氧氣分析儀監(jiān)測惰氣中的氧含量。另外，配備1套小型氮氣發(fā)生器作為惰氣的補充，同時可用于貨物管路和相關(guān)設(shè)備的惰化。

4 結(jié) 語