油船貨油加熱蒸汽供給閥的液動(dòng)控制設(shè)計(jì)

林華建，陳慶鵬，鄭超瑜，俞文勝

(1.集美大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門(mén) 361021；2.泉州師范學(xué)院 航海學(xué)院，福建 泉州 362000)

目前油船貨油加熱系統(tǒng)主要利用布置于艙底的加熱盤(pán)管，采用船員現(xiàn)場(chǎng)操控蒸汽截止閥，實(shí)現(xiàn)貨油升溫或保溫[1]。這種控制方式建造初期投資成本低、維護(hù)簡(jiǎn)單、便于人工操作。在貨油加熱蒸汽供給過(guò)程中，均通過(guò)控制加熱蒸汽壓力、加熱時(shí)間、調(diào)整加熱盤(pán)管前蒸汽截止閥的開(kāi)度及調(diào)整加熱盤(pán)管數(shù)量等方式來(lái)控制貨油的升溫和保溫過(guò)程[2-4]；在持續(xù)加熱過(guò)程中，主要由值班船員通過(guò)調(diào)節(jié)蒸汽進(jìn)入貨油艙加熱盤(pán)管前蒸汽截止閥的開(kāi)度來(lái)控制加熱量[5]，調(diào)控的蒸汽閥門(mén)數(shù)量較多，且其控制效果依賴(lài)于船員素質(zhì)、責(zé)任心等因素，操作不當(dāng)易造成加熱不足或過(guò)量，進(jìn)而引發(fā)卸油困難、延長(zhǎng)在港作業(yè)時(shí)間、增加燃料油消耗等問(wèn)題[6]。

船舶貨油加熱系統(tǒng)的自動(dòng)化是必然趨勢(shì)，將手動(dòng)調(diào)控蒸汽供給閥進(jìn)行自動(dòng)化改造，選用電控最易實(shí)現(xiàn)，但在油氣覆蓋區(qū)布置大量的電控產(chǎn)品顯然不合適；氣控方式需要保證氣源的干燥，防止控制管路生成冷凝水影響閥門(mén)控制，且需結(jié)合帶電閥位反饋，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確控制；而液控由于其重量輕、體積小、運(yùn)動(dòng)慣性小、反應(yīng)速度快，各元件可根據(jù)需要方便、靈活布置，更適用于遠(yuǎn)距離無(wú)級(jí)操控[7]。為此，探討其設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 總體布局

1.1 油船貨油加熱系統(tǒng)

以載重量4.8萬(wàn)t的某油船為例，貨油艙分布區(qū)域面積的長(zhǎng)、寬分別約為128 m、32 m，具有12個(gè)貨油艙、2個(gè)污油水艙和1個(gè)殘油艙，共有15個(gè)甲板控制單元。以No.1 C.O.T.(P)為例，該艙艙容3 207.6 m3，有2個(gè)規(guī)格為16K-32蒸汽截止閥；全船油艙加熱蒸汽截止閥的總數(shù)量為40個(gè)，分別控制40個(gè)油艙底部蒸汽加熱盤(pán)管的供汽；加熱盤(pán)管有蛇形盤(pán)管和螺旋形盤(pán)管，螺旋盤(pán)管主要裝設(shè)在貨油吸入口，蛇形盤(pán)管主要鋪在艙底，從縱向看是沿船首尾線(xiàn)鋪設(shè)的直管，加熱管距艙底高度約15～20 cm[8]。標(biāo)準(zhǔn)的貨油加溫系統(tǒng)能達(dá)到所需貨油溫度，即在2 ℃環(huán)境溫度或5 ℃海水溫度情況下，貨油溫度約4 d可從44 ℃加溫到66 ℃；若用60%～70%加溫盤(pán)管，貨油溫度每天可提升3～4 ℃[9]。值班船員在完成貨油加熱過(guò)程中，需在約4 000 m2貨油甲板面上巡回，控制加熱蒸汽截止閥開(kāi)度，這樣不但增加其巡回監(jiān)控操作工作量，也無(wú)法快速準(zhǔn)確地將閥門(mén)開(kāi)度控制在合理位置上，進(jìn)而易產(chǎn)生貨油加熱不足或加熱過(guò)量的現(xiàn)象。

1.2 液壓閥控的油船貨油加熱系統(tǒng)

油輪貨油作業(yè)區(qū)域?qū)傥ｋU(xiǎn)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)所有電氣設(shè)備的金屬外殼均應(yīng)可靠接地，所有部件應(yīng)具有防靜電、防爆的安全要求。且需要控制的蒸汽截止閥門(mén)數(shù)量較多，故所設(shè)計(jì)的閥門(mén)控制系統(tǒng)應(yīng)該簡(jiǎn)潔、易維護(hù)。

在現(xiàn)有貨油加熱系統(tǒng)的每個(gè)蒸汽截止閥旁并聯(lián)一個(gè)液控蒸汽供給閥，也可取代現(xiàn)有蒸汽截止閥。所構(gòu)建液動(dòng)蒸汽供給閥見(jiàn)圖1；閥門(mén)液壓控制臺(tái)見(jiàn)圖2；油船貨油加熱蒸汽供給閥液壓控制方案[10]見(jiàn)圖3，由蒸汽供給閥(A)、液壓閥控系統(tǒng)(B)、計(jì)算機(jī)控制(C)、甲板控制單元(D)和貨油艙(E)5部分組成，其中D和E為油船現(xiàn)有甲板控制單元和貨油艙，不屬于本文自動(dòng)化控制方案所涉及的改造對(duì)象。A可布置于甲板面上；B可布置于泵控間或機(jī)艙內(nèi)，包括液壓油源、液壓閥件、主動(dòng)油缸等；C可布置于貨控室，包括計(jì)算機(jī)、I/O模塊和比例放大板等。

圖1 液動(dòng)蒸汽供給閥 圖2 閥門(mén)液壓控制臺(tái)

圖3 油船貨油加熱蒸汽供給閥控制系統(tǒng)

2 設(shè)計(jì)方案

構(gòu)建圖3油船貨油加熱蒸汽供給閥控制系統(tǒng)。與圖3的對(duì)應(yīng)關(guān)系：部件12-15構(gòu)成蒸汽供給閥A單元；部件16-28構(gòu)成液壓閥控制系統(tǒng)B單元；部件29-32構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制C單元；部件1-9及蒸汽供給閥構(gòu)成甲板控制單元D；部分9、11構(gòu)成貨油艙單元E。

2.1 蒸汽供給閥單元

A單元采用液壓從動(dòng)油缸帶動(dòng)閥桿作為蒸汽閥門(mén)開(kāi)度控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。從動(dòng)油缸的特點(diǎn)：活塞上部進(jìn)液壓油，活塞底部安裝彈簧用于平衡液壓力?；钊麠U上下直徑相等。上部伸出油缸外的活塞桿上帶有限位螺母。當(dāng)活塞向下移動(dòng)時(shí)由限位螺母限制活塞最大行程。當(dāng)活塞向上移動(dòng)時(shí)由活塞上平面與油缸上端蓋的距離限制了活塞的向上最大行程?；钊麠U下部與蒸汽閥閥桿相連接。將油缸與蒸汽閥本體結(jié)合一起稱(chēng)為蒸汽供給閥。油缸底部油口為檢漏口，用于檢查活塞與缸套之間的油密性。該液動(dòng)供給閥可替換原有的蒸汽截止閥或與現(xiàn)有的蒸汽截止閥相并聯(lián)。位移傳感器15用于測(cè)取蒸汽供給閥的開(kāi)度。

2.2 液壓閥控制系統(tǒng)

B單元由如下部件組成：液壓泵站(圖3中20、21、22、23、24組成)提供壓力可調(diào)整的液壓動(dòng)力源。比例溢流閥19控制二位二通電磁閥26的閥前壓力p0。二位二通電磁閥26實(shí)現(xiàn)接通和鎖閉油路的功能。主動(dòng)油缸18及彈簧各參數(shù)與從動(dòng)油缸13及彈簧的參數(shù)完全相同，且調(diào)整主動(dòng)彈簧預(yù)壓縮量L0與從動(dòng)彈簧的預(yù)壓縮量X0相等。

主動(dòng)彈簧安裝在油缸外面便于實(shí)驗(yàn)調(diào)試。位移傳感器16用于測(cè)取主動(dòng)油缸活塞的位移量ΔL。若忽略油液的可壓縮性及各種泄漏的存在，主動(dòng)油缸活塞位移ΔL與從動(dòng)油缸活塞位移ΔX應(yīng)該相等。

控制油壓p0作用在主動(dòng)油缸18的活塞一側(cè)，活塞另一側(cè)的油液經(jīng)連接管路作用在蒸汽供給閥的從動(dòng)油缸活塞上側(cè)，驅(qū)動(dòng)從動(dòng)活塞克服彈簧的張力和運(yùn)動(dòng)阻力后帶動(dòng)蒸汽閥桿移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽供給閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)。

2.3 計(jì)算機(jī)控制單元

C單元由比例放大板29、信號(hào)端子30、I/O模塊31和計(jì)算機(jī)32組成。計(jì)算機(jī)32根據(jù)需要輸出控制信號(hào)由I/O模塊31通過(guò)比例放大板29作用在比例溢流閥19的線(xiàn)圈上，控制比例溢流閥19的閥前油壓變化，以促使主動(dòng)油缸和從動(dòng)油缸動(dòng)作。同時(shí)，計(jì)算機(jī)32通過(guò)I/O模塊31輸入接在信號(hào)端子30上的位移傳感器15、16的位置信號(hào)或輸出控制二位二通電磁閥26的線(xiàn)圈信號(hào)(需信號(hào)隔離)。主從油缸的位移信號(hào)用于分析比較蒸汽供給閥開(kāi)度ΔX和主動(dòng)油缸活塞位移量ΔL之間的變化。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

按以上設(shè)計(jì)方案，在實(shí)驗(yàn)室搭建出一套蒸汽供給閥液壓控制系統(tǒng)，其中主要部件選型與配置如下：液壓泵站(型號(hào)YZW70-B2.2，額定壓力8 MPa)；比例溢流閥(型號(hào)EBG-03-H)；比例放大板(KX-2DB-24-48)；二位二通電磁閥(型號(hào)CV08W2017N，雙向插裝閥)；油缸(型號(hào)MOB125×16×50)；彈簧(線(xiàn)徑8 mm、外徑58 mm、長(zhǎng)度130 mm，剛度54 N/mm)；蒸汽供給閥本體(規(guī)格DN32)；位移傳感器(型號(hào)KTR-25-V2，精度0.1%)；I/O模塊(NI 6225)。

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

進(jìn)行跟隨性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證蒸汽供給閥開(kāi)度是否跟隨主動(dòng)油缸活塞位移的變化；進(jìn)行偏差性實(shí)驗(yàn)，測(cè)量蒸汽供給閥開(kāi)度變化與主動(dòng)油缸活塞位移變化的偏差；進(jìn)行可控性實(shí)驗(yàn)，測(cè)量蒸汽供給閥開(kāi)度變化與主動(dòng)油缸活塞位移變化的偏差。由于空氣的可壓縮性會(huì)影響閥門(mén)的開(kāi)度，實(shí)驗(yàn)前需要操作減壓閥27對(duì)主從油缸之間的液壓管路內(nèi)的空氣進(jìn)行排除。調(diào)整從動(dòng)油缸前的壓力0.8～1.2 MPa之間。計(jì)算機(jī)輸出DC0～3 V的控制信號(hào)，控制比例溢流閥19的開(kāi)度來(lái)獲得控制蒸汽供給閥的油壓。比例溢流閥19設(shè)定電壓變化0.1～3.0 V對(duì)應(yīng)閥前壓力變化值1～8 MPa(由溢流閥壓力與電壓變化特性確定)。2個(gè)位移傳感器15、16位置校正。實(shí)驗(yàn)時(shí)二位二通電磁閥26的線(xiàn)圈通電，油路導(dǎo)通狀態(tài)；計(jì)算機(jī)階段性地輸出控制信號(hào)，每次遞增或遞減0.15 V的電壓；然后記錄控制電壓、主動(dòng)活塞位移、蒸汽供給閥開(kāi)度。多次循環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。

圖4 多次循環(huán)控制的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4表明，由計(jì)算機(jī)控制輸出的控制電壓周期性變化時(shí)：①蒸汽供給閥開(kāi)度能跟隨主動(dòng)油缸活塞位移的變化；②蒸汽供給閥開(kāi)度變化與主動(dòng)油缸活塞位移變化存在偏差。為了清晰地觀察變化的趨勢(shì)，測(cè)取一次開(kāi)關(guān)循環(huán)控制數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。

圖5 一次開(kāi)關(guān)循環(huán)數(shù)據(jù)

由圖5可知，蒸汽供給閥開(kāi)度與主動(dòng)油缸活塞位移之間的跟隨性良好，在不同開(kāi)度時(shí)兩者之間的偏差值不同。偏差最大位于初始位A點(diǎn)(約-0.85 mm)和終了位B點(diǎn)(約0.92 mm)兩個(gè)狀態(tài)上。若近似地認(rèn)為在閥門(mén)開(kāi)度50%位時(shí)的偏差接近0 mm，向上偏差為1 mm，向下偏差為-1 mm。主動(dòng)油缸活塞位移最大位移ΔLmax，蒸汽供給閥開(kāi)度最大值ΔXmax，總偏差量E為

E=ΔLmax-ΔXmax

(1)

總偏差量相對(duì)蒸汽供給閥閥門(mén)全量程的偏差變化率k為

(2)

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象擬合出主動(dòng)油缸活塞位移ΔL與從動(dòng)油缸即蒸汽供給閥開(kāi)度ΔX之間的關(guān)系近似為

(3)

為了研究偏差變化的大小和變化趨勢(shì)，從循環(huán)測(cè)試過(guò)程中，提取每次閥位在最大或最小時(shí)，主從油缸位置之間的偏差，分別用主從油缸最大位置偏差Ec、主從油缸最小位置偏差EO表示，并計(jì)算主從油缸每回合動(dòng)作的總偏差值E。主從油缸位置變化偏差及趨勢(shì)見(jiàn)圖6。

圖6 主從油缸位置變化偏差及趨勢(shì)

圖6表明，隨著實(shí)驗(yàn)的連續(xù)進(jìn)行，主從油缸最大位置時(shí)的偏差值隨著主從油缸最小位置時(shí)的偏差的增大而增大，兩者出現(xiàn)平行上升的趨勢(shì)，其差值(即蒸汽供給閥的行程)基本保持不變，總偏差范圍1.32～2.00 mm之間，平均約為1.62 mm。出現(xiàn)閥門(mén)開(kāi)度最小值增大的原因是來(lái)回控制過(guò)程中，當(dāng)蒸汽供給閥開(kāi)度達(dá)到最小值時(shí)從動(dòng)油缸的油壓比上一次小，表明主動(dòng)油缸與從動(dòng)油缸之間存在微小的泄漏所致。觀察發(fā)現(xiàn)，只要從動(dòng)油缸在最小值時(shí)的油壓保持不變即主動(dòng)油缸與從動(dòng)油缸之間油密性良好，即可穩(wěn)定控制蒸汽供給閥的開(kāi)度變化。

由計(jì)算機(jī)運(yùn)行蒸汽供給閥開(kāi)度PID控制程序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 蒸汽供給閥開(kāi)度的PID控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖7可知，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)出不同的閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定值時(shí)，在液壓油的驅(qū)動(dòng)下，主動(dòng)活塞位移、蒸汽供給閥開(kāi)度跟隨設(shè)定值變化。設(shè)定值為1.8 mm和9.8 mm時(shí)，主動(dòng)活塞位移、蒸汽供給閥開(kāi)度在A點(diǎn)和B點(diǎn)的偏差分別為0.99 mm和0.37 mm。在控制過(guò)程中隨著開(kāi)度設(shè)定值的增大，系統(tǒng)能夠控制蒸汽供給閥在設(shè)定范圍上。且隨著設(shè)定值的增加，主動(dòng)活塞位移和蒸汽供給閥開(kāi)度之間的偏差逐漸減小。對(duì)于大量貨油加熱過(guò)程熱慣性大，因而無(wú)需過(guò)分要求控制精度的情況下，實(shí)驗(yàn)所得的閥門(mén)開(kāi)度控制效果能滿(mǎn)足生產(chǎn)需求。

4 結(jié)論

采用液壓遠(yuǎn)距離控制技術(shù)設(shè)計(jì)蒸汽供給閥開(kāi)度控制，用主動(dòng)油缸作為閥門(mén)開(kāi)度的反饋裝置，可免在貨油甲板面上大量布置帶電裝置，提高設(shè)備的安全性，同時(shí)保持甲板設(shè)備的簡(jiǎn)潔性。

實(shí)驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的通過(guò)主動(dòng)油缸帶動(dòng)從動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)的液壓閥門(mén)開(kāi)度控制方案，能夠代替船員操作閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽供給閥開(kāi)度的遠(yuǎn)距離控制，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全船貨油加熱蒸汽供給閥集中自動(dòng)控制提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。受實(shí)驗(yàn)條件的限制，所開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)范圍仍需進(jìn)一步擴(kuò)大，控制的精度也需進(jìn)一步提高。