水下作業平臺的節能型零速定深控制系統設計研究*

陽世榮

（中國艦船研究設計中心 武漢 430064）

1 引言

隨著海洋探索與資源開發需求的日益增長，水下作業平臺在海洋調查、水聲研究、深海資源勘探、海洋生態研究、海底電纜/光纜維護、水下救生及打撈等領域得到了廣泛的應用［1～3］。水下零速定深操縱能夠實現作業平臺的水下懸停，是作業平臺在水下定點作業（如資源勘探、環境勘察、水下救生及打撈等）期間常用的操縱控制工況［4～6］。其中，在進行海洋水聲環境勘察時，為了獲得良好的水聲勘察效果，還要求作業平臺在水下定深操縱期間盡可能地降低平臺自噪聲［7］。水下懸停期間，作業平臺的主推進裝置停車，航速趨近零，主升降舵及方向舵的舵效應也趨近零。為了穩定水下懸停深度，作業平臺一般通過安裝于舷側的多個輔助推進器及副舵，進行定深控制及姿態調整［8］。這種常規的定深控制方式消耗電能較多且仍存在一定的推進器噪聲。而水下作業平臺所攜帶的電能有限，且水下作業工況復雜，作業功率波動較大，能源的攜帶量直接決定其續航力及作業功能的實現［9］。因此，這種利用輔助推進器實施的定深控制方式既不利于延長水下作業時間，也影響了水聲勘察效果。

為克服前文所述水下定深控制方式存在的不足，本文介紹了一種采用壓縮空氣輔助做功的“泵排自注”定深控制系統，能夠大幅減少水下定深懸停期間的操縱控制耗電和降低作業平臺自噪聲。本文對該系統的工作原理、技術方案、陸上驗證試驗等進行了重點說明。

2 節能型零速定深控制工作原理

為盡可能地減少水下零速定深控制期間的操縱控制耗電，作業平臺采用向內部專用液艙進行注排水的方式，從而改變作業平臺的重力與浮力平衡關系，使得作業平臺懸停在水下一定深度范圍內。作業平臺內部專用液艙與舷外之間的注排水一般采用“泵排自注”方式，即利用舷外海水壓力實現舷外海水自流注入液艙，利用排水泵將液艙內的海水排出舷外。但是，隨著作業平臺水下工作深度的增加，舷外海水壓力隨之增加，將導致排水泵承受的排水背壓增大，從而增加了排水泵耗電量，同時，在作業平臺與舷外之間的巨大壓力差作用下，還會導致內部專用液艙自流注水噪聲和排水泵噪聲均增大。因此，一般的“泵排自注”方式也難以滿足水下懸停定深期間的節能、降噪需求。

為改進不足，節能型水下定深控制系統采用壓縮空氣輔助做功的“泵排自注”工作原理，其具體流程為：首先利用作業平臺的壓縮空氣系統對專用液艙進行預加壓，使專用液艙內部壓力比作業平臺舷外壓力低約0.1MPa～0.3MPa。專用液艙內部壓力比舷外海水低，開通注水管路，舷外海水在壓力作用下自動流入耐壓水艙，實現自流注水。由于專用液艙充入了壓縮空氣，可平衡一部分舷外海水壓力，因此能夠減小排水泵的排水背壓，利用小功率的排水泵即可實現排水。注排水期間，專用液艙的水量發生變化導致專用液艙的氣體空間體積隨之變化，氣體壓力隨之改變，從而改變專用液艙與舷外之間的壓力差，影響注排水速率，此時可通過對專用液艙進行充氣加壓或放氣減壓操作，調整注排水速率。

綜上，節能型水下零速定深控制系統利用水下作業平臺的壓縮空氣輔助做功，從而減小了排水泵的排水背壓，降低了排水泵的功率；同時，在注排水期間，通過充氣加壓和排氣減壓，將作業平臺內部專用液艙與舷外海水之間的壓力差控制在適當范圍之內，實現注排水速率可控，從而降低自流注水與水泵排水噪聲。

3 節能型零速定深控制系統技術方案

節能型零速定深控制系統由專用液艙、集中控制臺、排水泵、啟動器箱、水量壓差測量儀、液位變送器、壓差變送器、電磁流量計、氣水管路與管路閥件等組成，其系統原理圖如圖1所示。

圖1 節能型零速定深控制系統原理圖

圖1中的專用液艙設置于在作業平臺的重心位置；壓差變送器的兩個測量通道分別連接專用液艙底部與舷外，其中，高壓測量通道接舷外，低壓測量通道接專用液艙底部，用于測量專用液艙內部與舷外海水之間的壓力差，當舷外海水壓力大于專用液艙內部壓力時，壓力差為正值；液位變送器的兩個測量通道分別連接專用液艙頂部和底部，用于測量專用液艙內部的海水液位；水量壓差測量儀的測量通道分別連接壓差變送器、液位變送器，用于接收壓力差和液位測量信息，并計算和顯示專用液艙內部的水量、舷外與液艙之間的壓力差；專用液艙通過水管路分別與舷外海水、作業平臺的其他內部液艙連通；排水泵安裝于水管路上，可將專用液艙內部海水排出，也可從作業平臺的其他內部液艙向專用液艙調水；啟動器控制箱用于控制排水泵啟停、運行；水管路上還設有通舷外電控水閥F1、注水電控水閥F2、排水電控水閥F3、調水電控水閥F4；流量計設置于通舷外電控水閥F1與注水電控水閥F2之間的水管路上，能夠測量注排水流量；專用液艙通過氣管路與作業平臺的壓縮空氣系統連接，在進氣管路上依次設置了空氣減壓閥、進氣電磁閥和空氣安全閥，在放氣管路上設有放氣電磁閥，放氣口設有消聲器，可將專用液艙內部多余的氣體排放到作業平臺艙室中。從圖1可以看出，集中控制臺是作業平臺水下零速定深操作控制中心，能夠對專用液艙內部的水量、專用液艙與舷外海水之間的壓力差、注排水流量、作業平臺水下工作深度等信息進行集中監測，對注排水、充放氣進行集中控制。

結合圖1所示，節能型零速定深控制系統的工作流程如下所述。

1）專用液艙內的初始水量調整

為了保證定深控制系統的注排水能力，同時盡量節省作業平臺的壓縮空氣使用量，專用液艙的初始水量應當為滿艙容水量的45%～55%，在液艙內預留約一半空間用于形成帶壓力的空氣墊。為了不破壞作業平臺在水下的初始均衡狀態，專用液艙的初始水量調整應當在作業平臺內部進行。

（1）當專用液艙內的初始水量不足時，在集中控制臺上遙控打開注水電控水閥F2、調水電控水閥F4，并遙控啟動排水泵，作業平臺其他內部液艙的水經電控水閥F4、排水泵、電控水閥F2移至專用液艙。

（2）當專用液艙內的初始水量過多時，在集中控制臺上遙控打開進氣閥，壓縮空氣經空氣減壓閥、進氣閥、空氣安全閥進入專用液艙，加入適量壓縮空氣后，關閉進氣閥。而后打開排水電控水閥F3、移水電控水閥F4，在專用液艙內部空氣壓力作用下，專用液艙的水經電控水閥F3、F4流回作業平臺的其他內部液艙。

2）專用液艙的預加壓

為了降低排水泵的功率，需要向專用液艙通入壓縮空氣，利用壓縮空氣在專用液艙內形成帶壓力的空氣墊，從而降低排水泵的排水背壓。在集中控制臺上，遙控打開進氣閥，壓縮空氣經空氣減壓閥、進氣閥、空氣安全閥進入專用液艙，同時觀察集中控制臺上顯示的來自水量壓差測量儀發送的壓差測量值，當壓差測量值調整到0.19MPa～0.2MPa時（此時，專用液艙內部壓力低于舷外海水壓力），關閉進氣閥，預加壓結束。

3）零速定深期間的注排水控制

（1）若作業平臺重力小于浮力，此時在集中控制臺顯示的深度數值不斷減小，則向專用液艙注水。注水控制操作為：在集中控制臺上遙控打開通舷外電控水閥F1、注水電控水閥F2，由于專用液艙內壓力比舷外海水低，海水在壓力差的作用下，經由電控水閥F1、電磁流量計、電控水閥F2自流進入專用液艙。根據電磁流量計發送給集中控制臺的流量值，可以控制注水量的多少。

（2）若作業平臺重力大于浮力，此時在集中控制臺顯示的深度數值不斷減小，則由專用液艙向舷外排水。排水控制操作為：在集中控制臺上遙控打開通舷外電控水閥F1、排水電控水閥F3，啟動排水泵，專用液艙內的水經由電控水閥F3、排水泵、電磁流量計、電控水閥F1排出舷外。根據電磁流量計發送給集中控制臺的流量值，可以控制排水量的多少。

4）專用液艙的加壓和減壓

（1）定深期間，當專用液艙與舷外海水壓力差過小導致自流注水速度過慢時，則需要降低專用液艙內的壓力，專用液艙的減壓操縱方式有兩種。方式一：直接放氣減壓，在集中控制臺遙控打開放氣閥，專用液艙內的壓縮空氣經由放氣閥、消聲器排出至作業平臺艙室內。根據集中控制臺的壓差顯示數值進行判斷，當壓差數值恢復到規定的工作范圍后，關閉放氣閥。方式二：回移水減壓，在集中控制臺上遙控打開排水電控水閥F3、移水電控水閥F4，在專用液艙內空氣壓力作用下，專用液艙內的水經電控水閥F3、F4流回作業平臺的其他內部液艙，同時也降低專用液艙內的壓力。根據集中控制臺的壓差顯示數值進行判斷，當壓差數值恢復到規定的工作范圍后，停止回移水。

（2）當專用液艙與舷外壓力差過大導致排水速度過慢時，則需要增加專用液艙內的壓力，此時需對專用液艙進行補氣加壓。在集中控制臺上遙控打開進氣閥，壓縮空氣經空氣減壓閥、進氣閥、空氣安全閥進入專用液艙。在集中控制臺上根據壓差顯示數值進行判斷，當壓差數值恢復到規定的工作范圍后，停止補氣加壓。

如上所述，在整個定深控制過程中，由集中控制臺實施定深控制系統的集中監控，依據監測的壓差變化信息，對專用液艙進行加壓、減壓控制，一般始終保持專用液艙內壓力比舷外海水壓力低0.1MPa～0.3MPa；依據舷外深度變化情況，通過往復多次的自流注水和小功率水泵的排水來調節作業平臺的重力與浮力平衡關系，從而實現作業平臺在水下的零速深度穩定。由于液艙內部與舷外海水壓力差始終控制在一定范圍內，排水背壓較小，注排水速率適當，既減小了排水泵耗電又降低了注排水時發出的噪聲。

4 主要設備技術說明

零速定深控制系統的主要設備電氣、控制接口關系如圖2所示。

圖2 零速定深控制系統電氣、控制接口示意圖

圖2中，集中控制臺是系統的操作控制中心，由臺體、工業計算機、顯示面板、控制面板等組成，其顯示面板能夠集中顯示專用液艙內部的水量、專用液艙與舷外海水之間的壓力差、注排水流量、作業平臺水下工作深度、排水泵運行狀態以及電控水閥、進排氣控制閥開閉狀態等信息，其控制面板設置了進氣、排氣、注水、排水、預注水、回移水控制按鈕，便于操作人員實施集中監控操作。水量壓差測量儀應用低成本低功耗高集成度高可靠性的單片機電路，單片機處理器采用PIC 18F4680芯片，該芯片集成度高、功耗低、穩定性好、最高工作頻率可達40MHz［10］，并應用分辨率高、動態范圍廣的 16 位AD轉換芯片AD7706［11］，實時采集和轉換液位變送器、壓差變送器送來的測量信號，并采用文獻［12］介紹的水下平臺不規則液艙水量測量算法，實現專用液艙內部的水量、專用液艙與舷外海水之間的壓力差的實時計算與顯示，同步通過通信接口將水量和壓差信息傳送給集中控制臺，水量壓差測量儀的硬件電路原理框圖如圖3所示。啟動器控制箱應用低成本且成熟可靠的閉式星三角啟動電路，既能降低排水泵啟動電流，同時還能消除普通星三角啟動電路可能導致的二次沖擊電流［13］，減少排水泵多次啟停對作業平臺小容量電網的沖擊。

圖3 水量壓差測量儀硬件電路原理框圖

圖2中的排水泵、液位及壓差變送器、電磁流量計、進排氣控制閥、電控水閥等設備均可選型通用貨架產品，本文不再贅述。

5 陸上驗證試驗

由于零速定深控制工況為典型的水下作業工況，為盡可能地化解本控制系統應用水下作業平臺的技術風險，必須通過搭建陸上試驗系統、開展陸上驗證試驗，從而檢驗、校核本控制系統的功能和性能，盡可能的提前發現和解決問題，確保應用成功。圖4為陸上驗證試驗系統的原理框圖。

如圖4所示，模擬液艙用于模擬作業平臺的專用液艙和其他液艙，假海模擬艙和假海控制系統用于模擬舷外海水情況和深度變化，運動仿真模擬器基于水下運動方程構建，用于模擬仿真作業平臺的水下運動姿態、深度變化過程。同時，還設置了與實際應用場合相似的氣水管路與管路閥件。定深控制系統的集中控制臺、排水泵、啟動器箱、水量壓差測量儀、液位變送器、壓差變送器、電磁流量計等設備可直接安裝或電氣接入上述系統，從而構建完整的陸上驗證試驗系統。

圖4 陸上驗證試驗系統原理框圖

在陸上驗證試驗的準備階段，首先在運動仿真模擬器上設置作業平臺的水下初始深度、專用液艙初始水量及其他運動初始參數；同步調試設置假海控制系統參數，使得假海模擬艙模擬水下初始深度及其對應的舷外海水壓力，并通過水管路，將初始深度的舷外海水壓力傳遞至定深控制系統的設備通海管路接口，如壓差變送器的高壓端測量通道、注排水管路通海口等；然后在集中控制臺上操控定深控制系統設備，通過模擬液艙之間的移水控制、向模擬專用液艙進排氣控制，進行模擬專用液艙的初始水量、初始壓差調整，使得初始水量與運動仿真模擬器的初始水量值一致，初始壓力差約為0.2MPa。

陸上驗證試驗開始后，啟動運動仿真模擬器運行，運動模擬器將深度信號發送給假海模擬系統，假海模擬系統將舷外海水壓力傳遞給定深控制系統設備通海接口，定深控制系統的集中控制臺將水量、壓差等信息發送給運動模擬器，由于試驗準備階段，運動模擬器、假海模擬艙、定深控制系統的初始參數一致，整個陸上驗證試驗系統處于靜態平衡狀態。

在運動模擬器上加入一個初始不均衡量，運動模擬器開始上浮或下潛運動，破壞了上述靜態平衡，假海模擬艙隨之模擬海水深度變化和舷外海水壓力變化，并傳遞給定深控制系統設備通海管路接口，定深控制系統接受到深度變化和舷外海水壓力變化后，以恢復初始深度為控制目標，在集中控制臺上，對模擬專用液艙進行注排水、進排氣操作，同時將變化的液艙水量、壓力差信號實時反饋給運動模擬器，運動模擬器接受到了液艙水量變化信息，自身的重力和浮力平衡關系隨之改變，經過多輪控制與反饋，使得運動模擬器恢復到初始深度。

以在運動模擬器上增加下潛運動不均衡量為例進行說明。下潛運動不均衡量設置后，運動模擬器的重力大于浮力，開始下潛運動，深度隨之增加；運動模擬器將深度增加信息發送給假海控制系統，假海模擬艙模擬的海水深度和舷外海水壓力隨之增加，并將深度增加信息發送給集中控制臺，將舷外海水壓力增加的變化傳遞給壓差變送器；集中控制臺接受到深度增加信息后，立即啟動對模擬專用液艙的排水操作，將液艙內的部分水量排出至假海模擬艙，同時實時監測壓力差變化狀態，適時啟動對模擬專用液艙的進排氣操作，進行壓力差控制，另一方面，集中控制臺實時將液艙水量減少、壓力差變化等信息發送給運動模擬器；運動模擬器接受到液艙水量減少信息后，依據水量變化實時計算作業平臺的重力浮力平衡關系，并根據水下運動方程，仿真模擬作業平臺在水下的零速潛浮運動，同時將深度變化信息實時發送給假海模擬系統，從而實現了整個系統的閉環。經過上述多輪控制與反饋，最終使得模擬專用液艙排出的水量抵消了下潛運動不均衡量，進而使得運動模擬器恢復到初始深度。經過陸上驗證試驗的控制操作與閉環反饋，從而能夠校核定深控制系統的實際控制效果。

6 結語

本文介紹的水下作業平臺零速定深控制系統，采用壓縮空氣輔助做功的“泵排自注”工作原理，利用壓縮空氣在作業平臺內部專用液艙與舷外海水之間建立可控的壓力差，既能實現速度可控的自流注水，也可利用小功率的排水泵實現較大深度范圍內的排水，通過對專用液艙進行注排水改變作業平臺的重力浮力平衡關系，從而實現作業平臺水下零速定深穩定控制。在水下零速定深期間，因作業平臺內部專用液艙與舷外海水之間的壓力差較小，自流注水速率較低，排水泵功率較小，在實現深度穩定控制的同時也實現了節能、降噪目標。