水下作業(yè)平臺的節(jié)能型零速定深控制系統(tǒng)設(shè)計研究*

陽世榮

（中國艦船研究設(shè)計中心 武漢 430064）

1 引言

隨著海洋探索與資源開發(fā)需求的日益增長，水下作業(yè)平臺在海洋調(diào)查、水聲研究、深海資源勘探、海洋生態(tài)研究、海底電纜/光纜維護、水下救生及打撈等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1～3］。水下零速定深操縱能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)平臺的水下懸停，是作業(yè)平臺在水下定點作業(yè)（如資源勘探、環(huán)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(huán)境勘察時，為了獲得良好的水聲勘察效果，還要求作業(yè)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(yè)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(yīng)也趨近零。為了穩(wěn)定水下懸停深度，作業(yè)平臺一般通過安裝于舷側(cè)的多個輔助推進器及副舵，進行定深控制及姿態(tài)調(diào)整［8］。這種常規(guī)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(yè)平臺所攜帶的電能有限，且水下作業(yè)工況復(fù)雜，作業(yè)功率波動較大，能源的攜帶量直接決定其續(xù)航力及作業(yè)功能的實現(xiàn)［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(yè)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(tǒng)，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(yè)平臺自噪聲。本文對該系統(tǒng)的工作原理、技術(shù)方案、陸上驗證試驗等進行了重點說明。

2 節(jié)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(yè)平臺采用向內(nèi)部專用液艙進行注排水的方式，從而改變作業(yè)平臺的重力與浮力平衡關(guān)系，使得作業(yè)平臺懸停在水下一定深度范圍內(nèi)。作業(yè)平臺內(nèi)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(xiàn)舷外海水自流注入液艙，利用排水泵將液艙內(nèi)的海水排出舷外。但是，隨著作業(yè)平臺水下工作深度的增加，舷外海水壓力隨之增加，將導(dǎo)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(yè)平臺與舷外之間的巨大壓力差作用下，還會導(dǎo)致內(nèi)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(jié)能、降噪需求。

為改進不足，節(jié)能型水下定深控制系統(tǒng)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(yè)平臺的壓縮空氣系統(tǒng)對專用液艙進行預(yù)加壓，使專用液艙內(nèi)部壓力比作業(yè)平臺舷外壓力低約0.1MPa～0.3MPa。專用液艙內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)排水。注排水期間，專用液艙的水量發(fā)生變化導(dǎo)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(diào)整注排水速率。

綜上，節(jié)能型水下零速定深控制系統(tǒng)利用水下作業(yè)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(yè)平臺內(nèi)部專用液艙與舷外海水之間的壓力差控制在適當(dāng)范圍之內(nèi)，實現(xiàn)注排水速率可控，從而降低自流注水與水泵排水噪聲。

3 節(jié)能型零速定深控制系統(tǒng)技術(shù)方案

節(jié)能型零速定深控制系統(tǒng)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(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 節(jié)能型零速定深控制系統(tǒng)原理圖

圖1中的專用液艙設(shè)置于在作業(yè)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(nèi)部與舷外海水之間的壓力差，當(dāng)舷外海水壓力大于專用液艙內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yè)平臺的其他內(nèi)部液艙連通；排水泵安裝于水管路上，可將專用液艙內(nèi)部海水排出，也可從作業(yè)平臺的其他內(nèi)部液艙向?qū)Ｓ靡号撜{(diào)水；啟動器控制箱用于控制排水泵啟停、運行；水管路上還設(shè)有通舷外電控水閥F1、注水電控水閥F2、排水電控水閥F3、調(diào)水電控水閥F4；流量計設(shè)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(yè)平臺的壓縮空氣系統(tǒng)連接，在進氣管路上依次設(shè)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(shè)有放氣電磁閥，放氣口設(shè)有消聲器，可將專用液艙內(nèi)部多余的氣體排放到作業(yè)平臺艙室中。從圖1可以看出，集中控制臺是作業(yè)平臺水下零速定深操作控制中心，能夠?qū)Ｓ靡号搩?nèi)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(yè)平臺水下工作深度等信息進行集中監(jiān)測，對注排水、充放氣進行集中控制。

結(jié)合圖1所示，節(jié)能型零速定深控制系統(tǒng)的工作流程如下所述。

1）專用液艙內(nèi)的初始水量調(diào)整

為了保證定深控制系統(tǒng)的注排水能力，同時盡量節(jié)省作業(yè)平臺的壓縮空氣使用量，專用液艙的初始水量應(yīng)當(dāng)為滿艙容水量的45%～55%，在液艙內(nèi)預(yù)留約一半空間用于形成帶壓力的空氣墊。為了不破壞作業(yè)平臺在水下的初始均衡狀態(tài)，專用液艙的初始水量調(diào)整應(yīng)當(dāng)在作業(yè)平臺內(nèi)部進行。

（1）當(dāng)專用液艙內(nèi)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(diào)水電控水閥F4，并遙控啟動排水泵，作業(yè)平臺其他內(nèi)部液艙的水經(jīng)電控水閥F4、排水泵、電控水閥F2移至專用液艙。

（2）當(dāng)專用液艙內(nèi)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(jīng)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(guān)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(nèi)部空氣壓力作用下，專用液艙的水經(jīng)電控水閥F3、F4流回作業(yè)平臺的其他內(nèi)部液艙。

2）專用液艙的預(yù)加壓

為了降低排水泵的功率，需要向?qū)Ｓ靡号撏ㄈ雺嚎s空氣，利用壓縮空氣在專用液艙內(nèi)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(jīng)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(fā)送的壓差測量值，當(dāng)壓差測量值調(diào)整到0.19MPa～0.2MPa時（此時，專用液艙內(nèi)部壓力低于舷外海水壓力），關(guān)閉進氣閥，預(yù)加壓結(jié)束。

3）零速定深期間的注排水控制

（1）若作業(yè)平臺重力小于浮力，此時在集中控制臺顯示的深度數(shù)值不斷減小，則向?qū)Ｓ靡号撟⑺?。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(nèi)壓力比舷外海水低，海水在壓力差的作用下，經(jīng)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(jù)電磁流量計發(fā)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(yè)平臺重力大于浮力，此時在集中控制臺顯示的深度數(shù)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(nèi)的水經(jīng)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(jù)電磁流量計發(fā)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(dāng)專用液艙與舷外海水壓力差過小導(dǎo)致自流注水速度過慢時，則需要降低專用液艙內(nèi)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(nèi)的壓縮空氣經(jīng)由放氣閥、消聲器排出至作業(yè)平臺艙室內(nèi)。根據(jù)集中控制臺的壓差顯示數(shù)值進行判斷，當(dāng)壓差數(shù)值恢復(fù)到規(guī)定的工作范圍后，關(guān)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(nèi)空氣壓力作用下，專用液艙內(nèi)的水經(jīng)電控水閥F3、F4流回作業(yè)平臺的其他內(nèi)部液艙，同時也降低專用液艙內(nèi)的壓力。根據(jù)集中控制臺的壓差顯示數(shù)值進行判斷，當(dāng)壓差數(shù)值恢復(fù)到規(guī)定的工作范圍后，停止回移水。

（2）當(dāng)專用液艙與舷外壓力差過大導(dǎo)致排水速度過慢時，則需要增加專用液艙內(nèi)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(jīng)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(jù)壓差顯示數(shù)值進行判斷，當(dāng)壓差數(shù)值恢復(fù)到規(guī)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(tǒng)的集中監(jiān)控，依據(jù)監(jiān)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(nèi)壓力比舷外海水壓力低0.1MPa～0.3MPa；依據(jù)舷外深度變化情況，通過往復(fù)多次的自流注水和小功率水泵的排水來調(diào)節(jié)作業(yè)平臺的重力與浮力平衡關(guān)系，從而實現(xiàn)作業(yè)平臺在水下的零速深度穩(wěn)定。由于液艙內(nèi)部與舷外海水壓力差始終控制在一定范圍內(nèi)，排水背壓較小，注排水速率適當(dāng)，既減小了排水泵耗電又降低了注排水時發(fā)出的噪聲。

4 主要設(shè)備技術(shù)說明

零速定深控制系統(tǒng)的主要設(shè)備電氣、控制接口關(guān)系如圖2所示。

圖2 零速定深控制系統(tǒng)電氣、控制接口示意圖

圖2中，集中控制臺是系統(tǒng)的操作控制中心，由臺體、工業(yè)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(nèi)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(yè)平臺水下工作深度、排水泵運行狀態(tài)以及電控水閥、進排氣控制閥開閉狀態(tài)等信息，其控制面板設(shè)置了進氣、排氣、注水、排水、預(yù)注水、回移水控制按鈕，便于操作人員實施集中監(jiān)控操作。水量壓差測量儀應(yīng)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(wěn)定性好、最高工作頻率可達40MHz［10］，并應(yīng)用分辨率高、動態(tài)范圍廣的 16 位AD轉(zhuǎn)換芯片AD7706［11］，實時采集和轉(zhuǎn)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(guī)則液艙水量測量算法，實現(xiàn)專用液艙內(nèi)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(yīng)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(dǎo)致的二次沖擊電流［13］，減少排水泵多次啟停對作業(yè)平臺小容量電網(wǎng)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(shè)備均可選型通用貨架產(chǎn)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(yè)工況，為盡可能地化解本控制系統(tǒng)應(yīng)用水下作業(yè)平臺的技術(shù)風(fēng)險，必須通過搭建陸上試驗系統(tǒng)、開展陸上驗證試驗，從而檢驗、校核本控制系統(tǒng)的功能和性能，盡可能的提前發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保應(yīng)用成功。圖4為陸上驗證試驗系統(tǒng)的原理框圖。

如圖4所示，模擬液艙用于模擬作業(yè)平臺的專用液艙和其他液艙，假海模擬艙和假?？刂葡到y(tǒng)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(gòu)建，用于模擬仿真作業(yè)平臺的水下運動姿態(tài)、深度變化過程。同時，還設(shè)置了與實際應(yīng)用場合相似的氣水管路與管路閥件。定深控制系統(tǒng)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(shè)備可直接安裝或電氣接入上述系統(tǒng)，從而構(gòu)建完整的陸上驗證試驗系統(tǒng)。

圖4 陸上驗證試驗系統(tǒng)原理框圖

在陸上驗證試驗的準(zhǔn)備階段，首先在運動仿真模擬器上設(shè)置作業(yè)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(shù)；同步調(diào)試設(shè)置假海控制系統(tǒng)參數(shù)，使得假海模擬艙模擬水下初始深度及其對應(yīng)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(tǒng)的設(shè)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?？诘龋蝗缓笤诩锌刂婆_上操控定深控制系統(tǒng)設(shè)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(diào)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(fā)送給假海模擬系統(tǒng)，假海模擬系統(tǒng)將舷外海水壓力傳遞給定深控制系統(tǒng)設(shè)備通海接口，定深控制系統(tǒng)的集中控制臺將水量、壓差等信息發(fā)送給運動模擬器，由于試驗準(zhǔn)備階段，運動模擬器、假海模擬艙、定深控制系統(tǒng)的初始參數(shù)一致，整個陸上驗證試驗系統(tǒng)處于靜態(tài)平衡狀態(tài)。

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(tài)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(tǒng)設(shè)備通海管路接口，定深控制系統(tǒng)接受到深度變化和舷外海水壓力變化后，以恢復(fù)初始深度為控制目標(biāo)，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(guān)系隨之改變，經(jīng)過多輪控制與反饋，使得運動模擬器恢復(fù)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(shè)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(fā)送給假?？刂葡到y(tǒng)，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(fā)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(nèi)的部分水量排出至假海模擬艙，同時實時監(jiān)測壓力差變化狀態(tài)，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(fā)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(jù)水量變化實時計算作業(yè)平臺的重力浮力平衡關(guān)系，并根據(jù)水下運動方程，仿真模擬作業(yè)平臺在水下的零速潛浮運動，同時將深度變化信息實時發(fā)送給假海模擬系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的閉環(huán)。經(jīng)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(fù)到初始深度。經(jīng)過陸上驗證試驗的控制操作與閉環(huán)反饋，從而能夠校核定深控制系統(tǒng)的實際控制效果。

6 結(jié)語

本文介紹的水下作業(yè)平臺零速定深控制系統(tǒng)，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(yè)平臺內(nèi)部專用液艙與舷外海水之間建立可控的壓力差，既能實現(xiàn)速度可控的自流注水，也可利用小功率的排水泵實現(xiàn)較大深度范圍內(nèi)的排水，通過對專用液艙進行注排水改變作業(yè)平臺的重力浮力平衡關(guān)系，從而實現(xiàn)作業(yè)平臺水下零速定深穩(wěn)定控制。在水下零速定深期間，因作業(yè)平臺內(nèi)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(xiàn)深度穩(wěn)定控制的同時也實現(xiàn)了節(jié)能、降噪目標(biāo)。