超大型液化石油氣船液貨監(jiān)控功能設(shè)計(jì)

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(jí)別最高的船型，通常用來運(yùn)輸以丙烷和丁烷為主要成份的石油碳?xì)浠衔锘蚧旌蠚?，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(yùn)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(yùn)輸（也稱常壓低溫型運(yùn)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(chǔ)在4個(gè)不耐壓的國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）獨(dú)立式A型棱形液貨罐內(nèi)，設(shè)計(jì)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(dá)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(duì)接，通過各液貨罐的深井泵進(jìn)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(duì)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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)監(jiān)測和控制；同時(shí)，連續(xù)監(jiān)測液貨罐及所在船艙的壓力、溫度和液位，實(shí)現(xiàn)就地的和遠(yuǎn)程的信息同步顯示，并在異常情況下發(fā)出聲光報(bào)警[1]，使操作人員或管理人員能隨時(shí)掌握液貨裝置、液貨管系、液貨罐及所在船艙的狀態(tài)，及時(shí)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(jì)、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(jì)理念，對(duì)液貨監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 監(jiān)控報(bào)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(tái)（Cargo Control Console, CCC）監(jiān)控，其基本構(gòu)架見圖1。該貨控臺(tái)內(nèi)置可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC），主要由處理器、存儲(chǔ)器、信號(hào)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(shí)現(xiàn)熱備用操作。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)程序和用戶控制程序。

2) 信號(hào)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(hào)傳輸；另一類是本質(zhì)安全型模塊，適用于危險(xiǎn)區(qū)域的信號(hào)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(hào)隔離。此外，還需根據(jù)收發(fā)信號(hào)的種類對(duì)具體模塊的使用進(jìn)行細(xì)分。

3) 功能模塊主要用于計(jì)數(shù)、定時(shí)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(shí)現(xiàn)與裝載計(jì)算機(jī)、液位吃水遙測和船舶監(jiān)測報(bào)警等系統(tǒng)的通信。

輸入模塊采集無源觸點(diǎn)開關(guān)量信號(hào)、4～20mA模擬量信號(hào)和熱電阻信號(hào)等；處理器對(duì)所有輸入信號(hào)進(jìn)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(yùn)算，將處理結(jié)果以對(duì)應(yīng)的信號(hào)形式經(jīng)輸出模塊反饋給外圍的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如設(shè)備的起動(dòng)停止和狀態(tài)指示、電磁閥的通斷和報(bào)警及聯(lián)鎖動(dòng)作的觸發(fā)等。臺(tái)面上配有貨罐液位指示器、各類電動(dòng)機(jī)的電流表、泵及壓縮機(jī)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(jī)交互界面（Human Machine Interface, HMI），利用計(jì)算機(jī)軟件視窗中的模擬圖表實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)和工序流程的顯示和設(shè)定、所有報(bào)警狀態(tài)的監(jiān)測、各類閥門的遙控及PLC定時(shí)器持續(xù)時(shí)間的調(diào)節(jié)等。同時(shí)，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(dú)立的電動(dòng)機(jī)控制中心（Motor Control Center, MCC），主要用于對(duì)液貨罐深井泵、增壓泵、再液化壓縮機(jī)組、淡水/乙二醇輸送泵和驅(qū)氣風(fēng)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行電力驅(qū)動(dòng)及控制，并對(duì)其電流和溫度進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)觸發(fā)相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，比如電動(dòng)機(jī)過載或溫度過高時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)；液貨罐深井泵和增壓泵的電動(dòng)機(jī)低電流運(yùn)行約3s之后會(huì)發(fā)出報(bào)警請(qǐng)求停機(jī)，直至停機(jī)動(dòng)作實(shí)施之后該報(bào)警才結(jié)束。另外，MCC借助CCC內(nèi)的PLC實(shí)現(xiàn)安全聯(lián)鎖功能，比如當(dāng)液貨罐深井泵停止運(yùn)行之后，對(duì)應(yīng)的液貨卸放閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，且該閥在深井泵停止運(yùn)行之后60s內(nèi)無法開啟，反之液貨卸放閥開啟程度必須達(dá)到10%以上，只有如此對(duì)應(yīng)的深井泵才允許起動(dòng)。這些泵、壓縮機(jī)組和風(fēng)機(jī)均就地配備本安型或隔爆型手動(dòng)起停按鈕站，出于安全考慮，這些設(shè)備僅允許就地起動(dòng)，但可就地或在CCC和MCC等處實(shí)施停機(jī)操作。

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

液貨罐和露天甲板屬于危險(xiǎn)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(jī)的電動(dòng)機(jī)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(jī)組和淡水/乙二醇輸送泵的電動(dòng)機(jī)、淡水/乙二醇柜電加熱器、原位清洗（CIP）單元的電動(dòng)機(jī)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(xiǎn)區(qū)域之間設(shè)置一道空氣閘?？諝忾l的2扇門上各配備1個(gè)門限開關(guān)，并在該處所的兩端各安裝1臺(tái)聲光報(bào)警器，當(dāng)空氣閘的2扇門一起開啟時(shí)會(huì)觸發(fā)報(bào)警。同時(shí)，需采用機(jī)械通風(fēng)的方式，使再液化壓縮機(jī)組電動(dòng)機(jī)室和空氣閘處所相對(duì)于外部氣體危險(xiǎn)區(qū)域一直保持正壓狀態(tài)，這可通過一個(gè)壓力開關(guān)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)正壓消失時(shí)，應(yīng)立即起動(dòng)備用風(fēng)機(jī)使其恢復(fù)到正壓狀態(tài)，否則應(yīng)切斷對(duì)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(jī)組室及其電動(dòng)機(jī)室各安裝1臺(tái)總用聲光報(bào)警器，液貨系統(tǒng)的每次報(bào)警都會(huì)觸發(fā)這些報(bào)警器。CCC上的HMI配置2個(gè)按鈕，分別用于報(bào)警消音和報(bào)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(duì)工作模式進(jìn)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(dòng)作

液貨罐分為左右兩半，每半個(gè)罐內(nèi)均配備一套液位測量裝置（雷達(dá)式或浮子式），直接連至 CCC上的遠(yuǎn)程指示器，并采用串口連接方式（如MODBUS RS485）將液位信號(hào)傳遞至CCC內(nèi)的PLC，實(shí)現(xiàn)有效通信。此外，每半個(gè)罐內(nèi)還配備3套浮子式液位開關(guān)，分別對(duì)應(yīng)95%、98.5%和99.0%等3檔液位，各自獨(dú)立，但共用一套安裝法蘭。根據(jù)國際氣體運(yùn)輸船與碼頭經(jīng)營者協(xié)會(huì)（SIGTTO）[3]的要求，每檔液位開關(guān)被觸發(fā)之后引發(fā)的報(bào)警、各種閥門及泵電動(dòng)機(jī)的動(dòng)作不盡相同，其中針對(duì)每個(gè)液貨罐的高液位報(bào)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(shí)，每個(gè)液貨罐的高液位報(bào)警通常設(shè)定為ON模式，當(dāng)裝貨到達(dá)注入上限（即95.0%液位且超過5s）時(shí)會(huì)觸發(fā)高液位報(bào)警，操作者應(yīng)手動(dòng)關(guān)閉注入閥，否則系統(tǒng)檢測到液貨罐溢流（即達(dá)到98.5%液位）時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉這些注入閥；正常航行時(shí)，每個(gè)液貨罐的高液位報(bào)警通常設(shè)定為OFF模式，這時(shí)液貨罐即使達(dá)到95.0%液位也不報(bào)警，只有當(dāng)系統(tǒng)檢測到液貨罐達(dá)到98.5%或99.0%液位且超過20s時(shí)才觸發(fā)溢流報(bào)警，防止因船舶晃動(dòng)而誤報(bào)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(gè)液貨罐處于溢流狀態(tài)，系統(tǒng)可選擇正常或泵運(yùn)（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(dòng)停機(jī)、接收罐液貨注入閥或集管區(qū)液相跨接管閥自動(dòng)關(guān)閉等動(dòng)作將被越控，允許利用深井泵將過量的液貨打出并駁運(yùn)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(dòng)回到NORMAL操作模式。

3 液貨監(jiān)控輔助系統(tǒng)

對(duì)于VLGC而言，為對(duì)液貨進(jìn)行安全監(jiān)控，還需配置一些輔助系統(tǒng)，如可燃?xì)怏w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(jìn)風(fēng)口、機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口、液貨罐船艙、水手長儲(chǔ)藏室、淡水/乙二醇柜透氣孔、再液化壓縮機(jī)組室、再液化壓縮機(jī)組電動(dòng)機(jī)室及其空氣閘處所等一些關(guān)鍵部位放置可燃?xì)怏w探測器或抽氣式采樣管，測量探測點(diǎn)或采樣點(diǎn)周圍空氣中的可燃?xì)怏w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?xì)怏w探測控制箱連接，對(duì)這些測量點(diǎn)的可燃?xì)怏w含量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，一旦監(jiān)測到含量超標(biāo)，CCC上的HMI就會(huì)觸發(fā)報(bào)警，橋樓前壁、再液化壓縮機(jī)組室及其電動(dòng)機(jī)室的報(bào)警裝置也會(huì)有相應(yīng)的動(dòng)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(dòng)（見表 3），即以液壓動(dòng)力機(jī)組為動(dòng)力源，一般還帶有充氣式蓄能器提供后備動(dòng)力，利用電磁閥的通斷來控制液壓油的換向，進(jìn)而控制單作用式或雙作用式液壓驅(qū)動(dòng)頭，實(shí)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(dòng)開啟和關(guān)閉這些液壓驅(qū)動(dòng)閥。同時(shí)，依靠CCC上的PLC采集開度閥上電位計(jì)反饋的電阻信號(hào)和開關(guān)閥上限位開關(guān)反饋的無源觸點(diǎn)信號(hào)，達(dá)到遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)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(dú)立，互不影響。

表3 液貨系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)閥

根據(jù)《國際散裝運(yùn)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(dú)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(jī)組室及其電動(dòng)機(jī)室等部位安裝應(yīng)急切斷按鈕，并提供一套符合SIGTTO標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的接口，還應(yīng)通過該連接裝置外接一個(gè)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(huì)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(xiǎn)情時(shí)，人工按下任意一個(gè)應(yīng)急切斷按鈕，或易熔塞熔化造成的低壓、過低壓，均會(huì)觸發(fā)液貨應(yīng)急切斷系統(tǒng)，表3中的液壓驅(qū)動(dòng)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(jī)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(shí)，處于自動(dòng)模式的甲板噴淋系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)貨艙甲板和上層建筑前壁進(jìn)行海水噴淋，起到降溫、防火和保護(hù)人身安全的作用。當(dāng)觸發(fā)應(yīng)急切斷的故障都消除時(shí)，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(shí)自動(dòng)開通相應(yīng)的電磁閥對(duì)控制空氣環(huán)形管路進(jìn)行補(bǔ)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(duì)其進(jìn)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(duì)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(jìn)行除濕，最終得到要求的露點(diǎn)，同時(shí)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?dú)獍l(fā)生器作為惰氣的補(bǔ)充，同時(shí)可用于貨物管路和相關(guān)設(shè)備的惰化。

4 結(jié) 語

本文基于VLGC的功能及其運(yùn)載貨品的特性研究了當(dāng)前該型船采用的液貨監(jiān)控裝置，剖析了其系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備配置和內(nèi)外接口關(guān)聯(lián)；同時(shí)，結(jié)合船級(jí)社規(guī)范和國際法規(guī)等相關(guān)要求及用戶經(jīng)驗(yàn)，對(duì)液貨監(jiān)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了闡述。該研究可為國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入該領(lǐng)域提供一定的技術(shù)指導(dǎo)。