半潛式起重拆解平臺快速排載系統(tǒng)的建模仿真

高海波，唐翊銘，張勝飛，林治國，武美君

(武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢 430063)

半潛式起重拆解平臺海上作業(yè)的能力不僅取決于吊機(jī)的性能，更重要的是平臺的快速壓排載平衡能力。如果所有對快速排載艙的調(diào)試都在半潛平臺上進(jìn)行，將耗費(fèi)人力物力，延長調(diào)試時(shí)間，且如果調(diào)試不當(dāng)，將會有一定的危險(xiǎn)性甚至導(dǎo)致翻船。關(guān)于船舶壓排載水系統(tǒng)的理論，現(xiàn)階段無論國內(nèi)外都缺乏完整理論和方法，國內(nèi)一些高校在這方面做出許多努力[1-2]。在國外，對壓載水艙的仿真更偏向于專門解決某一方面的問題[3-4]。采用實(shí)時(shí)仿真手段，對半潛式起重拆解平臺快速排載系統(tǒng)進(jìn)行仿真，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和使用，國內(nèi)外還鮮有文獻(xiàn)涉及。“Serooskerke”號是招商重工(江蘇)有限公司2019年建造完成的半潛式起重拆解平臺。本文以實(shí)時(shí)仿真平臺Simu Works為開發(fā)環(huán)境，對“Serooskerke”號的快速排載系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，以求能夠模擬快速排載系統(tǒng)的各種典型工況，為后期驗(yàn)證不同的快速排載系統(tǒng)控制策略打下基礎(chǔ)。

1 快速排載系統(tǒng)原理

快速排載系統(tǒng)是“Serooskerke”半潛式起重拆解平臺非常關(guān)鍵的一個(gè)系統(tǒng)。半潛式起重拆解平臺的立體結(jié)構(gòu)見圖1，起重拆解平臺不僅要滿足工作需求，還需滿足重型起吊設(shè)備布置需求、快速調(diào)載需求和人員居住需求，在起重功能實(shí)現(xiàn)的同時(shí)需綜合考慮平臺建造的經(jīng)濟(jì)性，在總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上將平臺設(shè)計(jì)為非對稱式。下面將自下向上簡單介紹平臺架構(gòu)，底部由獨(dú)立的2個(gè)浮筒組成，左側(cè)為輔浮筒，右側(cè)為主浮筒，每個(gè)浮筒的上方分別有2根立柱，4根立柱支撐起上部甲板，4根立柱內(nèi)分別有1個(gè)立柱壓載艙(CSBT)用于快速壓排載，主浮筒側(cè)2個(gè)立柱壓載艙(CSBTMP#1/2)的體積分別為2 193.8 m3和2 188.0 m3，輔浮筒側(cè)2個(gè)立柱壓載艙(CSBTOP#1/2)的體積分別為1 570.7 m3和1 563.6 m3。平臺有4臺供快速排載使用的空壓機(jī)，其中2臺位于主浮筒側(cè)后方的立柱內(nèi)，另外2臺位于輔浮筒側(cè)后方的立柱內(nèi)。在平臺起重時(shí)，快速排載系統(tǒng)的空壓機(jī)向起重側(cè)艙室內(nèi)打入高壓空氣，排出艙室內(nèi)海水以維持平臺重心穩(wěn)定。

圖1 半潛式平臺“Serooskerke”立體結(jié)構(gòu)

此平臺的快排系統(tǒng)使用2種壓排載方式：重力注水式壓排載和空壓機(jī)排載。快速排載系統(tǒng)主要是由立柱壓載艙構(gòu)成，艙室結(jié)構(gòu)見圖2，艙室的上方有4個(gè)壓縮空氣進(jìn)氣閥、2個(gè)泄氣閥，這些閥由船舶管理系統(tǒng)(VMS)控制開閉；高壓空氣環(huán)形總管連接著4個(gè)立柱艙，由空壓機(jī)向總管打氣；底部有2個(gè)直通舷外的海水閥，海水閥有2道閥門，手動控制閥和由船舶管理系統(tǒng)(VMS)控制的自動閥。

圖2 立柱內(nèi)艙室示意

快速壓排載系統(tǒng)的工作方式是在起重側(cè)采用空壓機(jī)排載，空氣壓縮機(jī)從高壓空氣管系直接向起重側(cè)立柱艙內(nèi)輸送壓縮空氣，由船舶管理系統(tǒng)(VMS)管理閥門的啟閉。當(dāng)起重或回轉(zhuǎn)工況開始時(shí)，關(guān)閉起重側(cè)立柱壓載艙通氣閥，空壓機(jī)加載，開啟氣閥，通過高壓空氣總管輸送到艙室內(nèi)，在水面以上產(chǎn)生高壓，當(dāng)空氣壓力達(dá)到指定值時(shí)，開啟海底閥將海水排放到艙室之外。與此同時(shí)，船舶管理系統(tǒng)(VMS)開啟非起重側(cè)立柱壓載艙內(nèi)的海底閥，通過重力注水方法將海水注進(jìn)非起重側(cè)立柱艙內(nèi)，用來平衡，保持平臺穩(wěn)定。

2 快速排載系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

2.1 空壓機(jī)數(shù)學(xué)模型

2.1.1 空壓機(jī)排氣量方程

在空壓機(jī)工作的過程中并不能使空壓機(jī)達(dá)到理想排氣量，會通過一些間隙泄露一定量的壓縮氣體。實(shí)際中的空壓機(jī)排量及容積效率與理論上的等熵絕熱過程并不匹配。考慮到容積效率，空壓機(jī)在現(xiàn)實(shí)運(yùn)行期間的體積流量為

Qa=Vi·ns·ηV

(1)

式中：Vi為1 min內(nèi)空氣壓縮機(jī)每轉(zhuǎn)動1次的吸氣量，m3/min；ns為轉(zhuǎn)速，r/min；ηV為容積效率。在實(shí)際工程中，通常用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算容積效率，該方程滿足了計(jì)算精度要求并且計(jì)算方便，所以被普遍應(yīng)用。

(2)

式中：po為空氣壓縮機(jī)排出空氣的壓力；pi為空氣壓縮機(jī)吸入空氣的壓力。

2.1.2 空壓機(jī)能耗模型

空氣壓縮機(jī)所耗費(fèi)的功率可用下式計(jì)算。

(3)

式中：Qa為空壓機(jī)實(shí)際體積流量，m3/min；n為等熵指數(shù)，一般取1.35；Pt為艙內(nèi)的壓力；V1為壓縮后的氣體體積。

雖然并沒有對外做功，但空壓機(jī)卸載時(shí)仍在運(yùn)行，仍然會耗費(fèi)一些電能。一般情況下，會消耗的額定功率的30%。

Pul=0.3Pe

(4)

式中：Pul為卸載狀態(tài)功率，kW；Pe為空壓機(jī)的額定功率，kW。

2.2 立柱壓載艙動態(tài)模型

立柱壓載艙是快速排載系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，不同于普通的儲氣罐，立柱壓載艙是一個(gè)雙介質(zhì)(空氣和水)的艙室。艙內(nèi)的氣體壓力會影響排載的速度，而排載的速度會反過來影響艙內(nèi)氣體體積和壓力的變化。

分析氣體變化的時(shí)候，常用下述公式。

(5)

海水管道的液體流速可由下述方程推出。

(6)

(7)

式中:p為艙室內(nèi)的空氣側(cè)壓力,Pa；h為壓載艙內(nèi)海水高度，m；p外為海平面上大氣壓力，100 kPa；h外為海平面到壓載艙底距離，m；v為海水閥的水流速，kg/s；ρ海水為海水密度，1 025 kg/m3；K為阻力系數(shù)，4.20。

壓載水艙邊充氣邊排水，快速排載是一個(gè)動態(tài)的過程，立柱壓載水艙模型是一個(gè)動態(tài)有反饋的模型。

2.2.1 初始狀態(tài)時(shí)

1)艙室內(nèi)的空氣側(cè)壓力。

(8)

式中：V1為初始狀態(tài)空氣側(cè)的體積；m1為空氣側(cè)的質(zhì)量。

2)初始時(shí)刻海水閥排水流速。由伯努利方程得

Δp1=p1+pgh1-(p外+pgh外)=

(9)

(10)

式中：h1為初始狀態(tài)下艙室的水位；v1為初始時(shí)刻壓載水管路排水流速。

2.2.2 經(jīng)過一段微小的時(shí)間Δt后，各參數(shù)的變化

1)壓載水艙中氣體的質(zhì)量。

m2=ρ氣·(Qa+Qf)Δt+m1

(11)

式中：ρ氣為空氣密度，1.204 kg/m3。

2)壓載水艙氣體部分的體積。

V2=V1+S閥v1Δt

(12)

式中：S閥為2個(gè)海水閥的橫截面,1.5426 m2。

3)艙室內(nèi)空氣側(cè)壓力。

(13)

4)壓載水艙內(nèi)的水位。

(14)

式中：S艙為艙室的橫截面積，155.17 m2。

5)海水閥排水流速。由伯努利方程得

Δp2=p2+pgh2-(p外+pgh外)=

(15)

(16)

式中：v2為當(dāng)前時(shí)刻海水閥排水流速。

3 SimuWorks及快速排載系統(tǒng)仿真模型

通過SimuWorks平臺搭建仿真模型，SimuWorks是幾大模塊的綜合，在大型科學(xué)計(jì)算及模型搭建中應(yīng)用。

3.1 SimuWorks主要模塊介紹

SimuWorks主要由以下6個(gè)部分組成:①大型科學(xué)計(jì)算與仿真引擎SimuEngine;②通用圖形化自動建模系統(tǒng)SimuBuilder;③模塊資源管理器SimuManager;④模塊資源庫SimuLib;⑤仿真功能組件;⑥項(xiàng)目管理器SimuPM。本課題主要用到SimuEngine與SimuBuilder。

3.1.1 仿真引擎SimuEngine

SimuEngine(Simulation Engine)是一個(gè)介于仿真系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)之間的可視化支撐系統(tǒng)，可以運(yùn)行在微機(jī)Windows 2000/XP/2003/Vista操作系統(tǒng)上，提供實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫及完整的仿真運(yùn)行支撐功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)可視化、在線調(diào)試、協(xié)同開發(fā)、多任務(wù)并行運(yùn)行、多流程及分布式仿真等功能，并且可以結(jié)合SimuBuilder，形成直觀的建模環(huán)境，為模型的監(jiān)控和運(yùn)行提供強(qiáng)有力的支持。

3.1.2 圖形化自動建模系統(tǒng)SimuBuilder

通用圖形化自動建模系統(tǒng)SimuBuilder，可運(yùn)行在微機(jī)的Windows 2000/XP/2003/Vista等操作系統(tǒng)上，是在SimuEngine的支撐下，使用圖形化的方法進(jìn)行系統(tǒng)建模的工具軟件，是進(jìn)行仿真系統(tǒng)開發(fā)的最主要的工具。其主要功能包括:①系統(tǒng)仿真模型組態(tài);②仿真變量的自動生成及賦值;③仿真任務(wù)生成;④仿真任務(wù)運(yùn)行管理;⑤仿真模型調(diào)試。

SimuBuilder能使建立模型的過程方便快捷、自動化程度高。

3.2 仿真模型的搭建

首先對半潛平臺的4個(gè)立柱艙(CSBT)和空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行描述，立柱艙有2種壓排載方式：靜水自流、空壓機(jī)排載。半潛船上一共有4個(gè)壓縮機(jī)，其中2個(gè)位于主浮筒側(cè)后方的立柱內(nèi)，另外2個(gè)位于輔浮筒側(cè)后方的立柱內(nèi)，所有的空壓機(jī)都是無油型螺桿式，最大流量為8 390 m3/h，2.6 bar。在起重工況下，有2臺壓縮機(jī)啟動(主、輔浮筒側(cè)每側(cè)1臺)，另外2臺備用。

建立快速排載系統(tǒng)所需要的模塊如下。

①無油型螺桿式空氣壓縮機(jī)，最大流量為8 390 m3/h，最大壓力為2.6 bar;②增壓器;③帶支耳式蝶閥;④泄放閥;⑤三通閥;⑥壓力指示器;⑦溫度指示器;⑧對夾式液動蝶閥;⑨通氣止回閥;⑩法蘭式液動蝶閥;帶有溫度傳感器的三通閥;立柱壓載水艙(CSBT)模塊;液位傳感器;遠(yuǎn)程控制閥;手動控制閥。

經(jīng)過分析簡化，增壓器的模塊可省略；帶支耳式蝶閥、泄放閥、對夾式液動蝶閥、法蘭式液動蝶閥、遠(yuǎn)程控制閥、手動控制閥可用普通閥門代替；三通閥可用普通閥組合得出；通氣止回閥實(shí)時(shí)仿真建模軟件里帶有；溫度指示器、傳感器不必單獨(dú)建立，模塊本身自帶相關(guān)參數(shù)且可顯示；壓力指示器不必單獨(dú)建立，模塊本身自帶相關(guān)參數(shù)且可顯示；液位傳感器不必單獨(dú)建立，模塊本身自帶相關(guān)參數(shù)且可顯示；無油型螺桿式壓縮機(jī)模塊實(shí)時(shí)仿真建模軟件里帶有，但需要處理參數(shù)，作部分修改；立柱壓載水艙(CSBT)模塊需要自己建立。

將各模塊用連接線相連后可以看到快速排載系統(tǒng)的模型，見圖3。

圖3 SumiWorks快速排載系統(tǒng)模型

4 典型工況的仿真模擬

以單臺吊機(jī)2 100 t起吊工況為例，根據(jù)各壓載艙的工作狀況將其分成6種工況分別進(jìn)行仿真：0～400,400～800,800～1 200,1 200～1 600,1 600～1 850,1 850～2 100 t。本文選取其中0～400,800～1 200 t兩種工況進(jìn)行說明。

不同工況的仿真模擬過程在SimuEngine上的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控圖見圖4、5。圖4中變量“二號主浮筒液位”隨時(shí)間的變化趨勢代表二號主浮筒的液位變化，“二號主浮筒空氣壓力”代表二號主浮筒艙內(nèi)的空氣側(cè)壓力變化，“二號主浮筒流量”代表二號主浮筒海水的出口流量變化，“一號主浮筒液位”代表一號主浮筒的液位變化。

圖4 0～400 t工況下仿真系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

在0～400 t工況下，MP2空氣管進(jìn)氣，使艙室內(nèi)空氣側(cè)壓力逐漸上升，當(dāng)艙室內(nèi)空氣壓力與液體側(cè)壓之和達(dá)到了截止閥的給定壓力時(shí)，MP2的海水閥開啟，MP2的排載工作開始進(jìn)行。當(dāng)MP2的液位從8.7 m降低至7.8 m時(shí)，0～400 t起吊工況完成。理論計(jì)算過程耗時(shí)117 s，仿真過程耗時(shí)120 s，較理論值慢3 s，誤差為2.6%，基本認(rèn)為仿真過程與理論計(jì)算吻合。

由圖5可知，在800～1 200 t工況下，MP1與MP2的空氣閥均開啟，空氣管道同時(shí)通空氣，此時(shí)MP2的空氣管道中的空氣量減小為原來的一半，所以MP2艙室內(nèi)的壓力隨之降低，流量也會隨之急劇下降，當(dāng)MP2艙室的液位從6.6 m下降至5.9 m時(shí)，MP2海水閥與空氣閥均關(guān)閉，此時(shí)MP1空氣管道的空氣流量上升，艙室內(nèi)空氣壓力上升速度加快，當(dāng)艙室內(nèi)總壓力達(dá)到截止閥的背壓時(shí)，MP1海水閥開啟，排載工作開始進(jìn)行，當(dāng)MP1艙室的液位從3.4 m降到3.1 m時(shí)，MP1的空氣閥與海水閥關(guān)閉，800～1 200 t工況完成。理論計(jì)算過程耗時(shí)380 s，仿真時(shí)間為372 s，較理論值快了8 s，誤差為2.1%，仿真模型具有較高的精度。

圖5 800～1 200 t工況下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

5 結(jié)論

本文依托所建立的半潛式起重拆解平臺的快速排載系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行了單機(jī)起吊0～2 100 t工況的分階段仿真試驗(yàn)，排載用時(shí)與理論計(jì)算值的誤差僅為2.1%，驗(yàn)證了模型的精度和有效性，為下一步模擬測試各種快速排載系統(tǒng)控制策略打下良好的模型基礎(chǔ)。目前的典型工況仿真還沒有涉及到脫鉤等極限工況，在以后的研究中將予以補(bǔ)充和完善。