某客滾船氣力式防橫傾系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

朱雨林，王建功

（招商局金陵船舶（南京）有限公司技術(shù)中心，江蘇 南京 210015）

0 引言

常規(guī)的防橫傾系統(tǒng)采用雙向變量泵將水從一側(cè)的防橫傾艙內(nèi)駁到另外一側(cè)的防橫傾艙，但雙向變量泵受結(jié)構(gòu)形式限制，其排量無(wú)法做的很大，故其反應(yīng)速度和補(bǔ)償效率有限。氣力式防橫傾系統(tǒng)因其鼓風(fēng)機(jī)排量大且能連續(xù)工作，防橫傾艙連通管截面積大，能使大量的水流快速在橫傾艙間流動(dòng)，從而可以快速補(bǔ)償不對(duì)稱載荷。對(duì)客滾船這種穩(wěn)性要求高的船舶，鼓風(fēng)機(jī)型式防橫傾系統(tǒng)顯得尤為重要。本文以某客滾船為例，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的氣力式防橫傾系統(tǒng)設(shè)計(jì)和控制方式[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

防橫傾系統(tǒng)的原理如圖1所示，主要部件包含有：

1）鼓風(fēng)機(jī)單元，鼓風(fēng)機(jī)單元是氣力式防橫傾系統(tǒng)的動(dòng)力來(lái)源，用來(lái)產(chǎn)生有一定壓力的空氣，將一側(cè)防橫傾艙內(nèi)的水排至另外1個(gè)艙，其作用類似于常規(guī)防橫傾系統(tǒng)的變量泵。鼓風(fēng)機(jī)單元包含風(fēng)機(jī)、進(jìn)出口消音器、安全閥、止回閥、加熱器、減震器、橡膠補(bǔ)償器、控制箱等。由于鼓風(fēng)機(jī)單元的產(chǎn)生的噪音很大，整個(gè)單元通常被罩在1個(gè)消音箱內(nèi)。

2）排氣消音器，從防橫傾艙內(nèi)排出的氣體通過(guò)排氣消音器排至房間內(nèi)，以保證房間的噪音要求。

3）閥組單元，通過(guò)控制閥組上遙控閥的開(kāi)閉，可以控制將一側(cè)防橫傾艙內(nèi)的水排至另外1個(gè)艙。

4）防橫傾艙，通常設(shè)置一對(duì)或幾對(duì)防橫傾艙來(lái)調(diào)節(jié)船舶的穩(wěn)性。其容積的大小，取決于裝卸貨時(shí)防橫傾系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)牟粚?duì)稱負(fù)載的數(shù)值，也即需要將多少容積的水從一側(cè)防橫傾艙排到另外一側(cè)防橫傾艙。

5）連通管及閥，用來(lái)連通左右防橫傾艙之間的管路，保證遙控閥開(kāi)啟時(shí)一舷防橫傾艙的水可以通過(guò)該管路快速流至另外一舷的防橫傾艙。連通管路的遙控閥為單作用關(guān)閉閥，當(dāng)閥的控制系統(tǒng)失效時(shí)遙控閥自動(dòng)關(guān)閉，以防止左右舷防橫傾艙之間產(chǎn)生不希望的水流流動(dòng)。

6）控制空氣組件，包含空氣瓶和空氣處理單元，用來(lái)將來(lái)自船上的控制空氣儲(chǔ)存、過(guò)濾，消音，送至閥控箱控制氣動(dòng)閥的開(kāi)閉。

7）傳感器組件，包含頂部傳感器、底部傳感器、高位報(bào)警液位開(kāi)關(guān)。整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)就是靠這些傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。頂部傳感器用來(lái)測(cè)量艙內(nèi)的氣壓，底部傳感器用來(lái)測(cè)量艙內(nèi)的氣壓和水壓，兩者結(jié)合可以顯示艙內(nèi)的液位，并輸出防橫傾艙壓力低、壓力高和低液位報(bào)警。高位報(bào)警液位開(kāi)關(guān)可以有效的防止艙被打滿，保護(hù)防橫傾艙。

8）艙室透氣管及透氣閥，每個(gè)防橫傾艙內(nèi)設(shè)置2根透氣管，1個(gè)布置在艙的底部，1個(gè)布置在艙的頂部。頂部的透氣管設(shè)置透氣遙控閥。這樣設(shè)置既可以保證防橫傾艙密封，又可以防止防橫傾艙超壓。透氣閥的開(kāi)啟和關(guān)閉由傳感器輸出的防橫傾艙壓力高、壓力低自動(dòng)控制。一旦艙內(nèi)壓力超過(guò)壓力高設(shè)定值，透氣閥自動(dòng)打開(kāi)，釋放壓力。當(dāng)壓力恢復(fù)時(shí)，透氣閥自動(dòng)關(guān)閉。一旦艙的壓力低于壓力低設(shè)定值，透氣閥也會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，向艙內(nèi)補(bǔ)氣。當(dāng)壓力恢復(fù)時(shí)，透氣閥自動(dòng)關(guān)閉。如果艙內(nèi)壓力高或壓力低超過(guò)2 s，仍未恢復(fù)，則鼓風(fēng)機(jī)停止。

9）控制組件，防橫傾系統(tǒng)的控制組件包含閥控箱和遙控控制箱。閥控箱布置在防橫傾泵艙內(nèi)，用來(lái)就地控制。其內(nèi)包含1個(gè)傾斜儀和1個(gè)壓差控制器。傾斜儀用來(lái)監(jiān)測(cè)船舶橫傾角度，并將監(jiān)測(cè)到的值傳輸給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。壓差控制器用來(lái)監(jiān)測(cè)防橫傾泵艙內(nèi)氣壓與大氣壓之間的差值，當(dāng)房間內(nèi)負(fù)壓低于壓差控制器的設(shè)定值時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)停止，系統(tǒng)內(nèi)其他所有閥自動(dòng)關(guān)閉，透氣閥打開(kāi)。由于系統(tǒng)停止從房間內(nèi)抽取空氣，在房間送風(fēng)機(jī)的作用下，防橫傾泵艙內(nèi)的壓力會(huì)逐漸恢復(fù)。遙控控制箱通常位于貨控室，用于遠(yuǎn)程控制，包含1個(gè)PLC控制單元和1個(gè)觸摸屏控制單元。

1.2 系統(tǒng)設(shè)備選型

系統(tǒng)設(shè)備選型需根據(jù)船舶在裝卸貨過(guò)程中允許產(chǎn)生的最大不對(duì)稱負(fù)載值進(jìn)行計(jì)算。例如，某客滾船規(guī)格書對(duì)防橫傾系統(tǒng)的要求：“防橫傾系統(tǒng)需要能夠在每層甲板上完全裝載具有36 t貨物單元的向外2個(gè)車道（共計(jì)20個(gè)貨物單元），而不加載另一側(cè)的車道（不是同時(shí)在所有甲板上）時(shí)船舶不產(chǎn)生最大3°的傾斜角度?！?，結(jié)合裝載手冊(cè)，可以得出以下極限裝載工況：

滿載到港工況時(shí)，在3甲板卸載20輛拖車；

空載到港工況時(shí)，在7甲板裝載20輛拖車。

根據(jù)船東提供的每分鐘5輛拖車的裝卸貨速率要求，可以反向推導(dǎo)出每分鐘防橫傾系統(tǒng)需要補(bǔ)償多少水量以滿足不產(chǎn)生最大3°的橫傾角度的要求。

對(duì)滿載工況時(shí)的單側(cè)卸貨，分4步考慮：

1 min后：5輛拖車（每輛36 t重）在3甲板最左側(cè)的車道卸貨。防橫傾系統(tǒng)有40 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙?，橫傾角度約為右傾1.1°；

2 min后：10輛拖車（每輛36 t重）已經(jīng)在3甲板最左側(cè)的車道卸貨。防橫傾系統(tǒng)有90 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙?，橫傾角度約為右傾2.0°；

3 min后：15輛拖車（每輛36 t重）已經(jīng)在3甲板最左側(cè)的2個(gè)車道卸貨。防橫傾系統(tǒng)有140 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙?，橫傾角度約為右傾2.0°；

4 min后：20輛拖車（每輛36 t重）已經(jīng)在3甲板最左側(cè)的2個(gè)車道卸貨。防橫傾系統(tǒng)有190 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙?，橫傾角度約為右傾2.6°。

對(duì)空載工況時(shí)的單側(cè)裝貨，分4步考慮：

1 min后：5輛拖車（每輛36 t重）在7甲板最右側(cè)的車道裝貨。防橫傾系統(tǒng)有40 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙希瑱M傾角度約為右傾0.6°；

2 min后：10輛拖車（每輛36 t重）已經(jīng)在7甲板最右側(cè)的車道裝貨。防橫傾系統(tǒng)有90 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙?，橫傾角度約為右傾1.2°；

3 min后：15輛拖車（每輛36 t重）已經(jīng)在7甲板最右側(cè)的2個(gè)車道裝貨。防橫傾系統(tǒng)有140 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙希瑱M傾角度約為右傾1.4°；

4 min后：20輛拖車（每輛36 t重）已經(jīng)在3甲板最右側(cè)的2個(gè)車道裝貨。防橫傾系有190 t的水補(bǔ)償?shù)阶笙?，橫傾角度約為右傾1.6°。

可以確定防橫傾系統(tǒng)在5 min內(nèi)最大補(bǔ)償190 t水，可以滿足規(guī)格書橫傾角度小于3°的要求。從而可以確定系統(tǒng)的平均流量為190×60/4=2850 m3/h。這樣，鼓風(fēng)機(jī)的排量、空氣管的通徑、連通管的通徑都可以選出和算出。

該客滾船實(shí)取平均補(bǔ)償流量為2900 m3/h，鼓風(fēng)機(jī)的排量為5400 m3/h。

根據(jù)公式

Q=VπD2/4。

式中：Q為流量m3/h；D為管子內(nèi)徑；V為管路流速（根據(jù)輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，流速通常可取2～3 m/s）

得出每根連通管的通徑為DN450(連通管共2根)。

該客滾船防橫傾艙內(nèi)的介質(zhì)為水，其注入管路管徑為DN100，根據(jù)DNV規(guī)范，動(dòng)力注入水艙的透氣管需為注入管徑的1.25倍，可以得出防橫傾艙透氣管的管徑。由于防橫傾內(nèi)水的排出是通過(guò)壓載系統(tǒng)且壓載水的管徑為DN250，當(dāng)船舶進(jìn)塢或防橫傾艙內(nèi)的設(shè)備需要檢修而需要將水艙內(nèi)的水泄放掉時(shí)，為了避免空氣來(lái)不及通過(guò)空氣管頭進(jìn)入艙內(nèi)，導(dǎo)致空氣管頭的浮球被吸住，進(jìn)而使排水困難，本船實(shí)取空氣管頭的通徑為DN200。

由于鼓風(fēng)機(jī)吸取的是防橫傾泵艙內(nèi)的空氣，在另外一側(cè)防橫傾艙內(nèi)的空氣被壓回房間內(nèi)之前，房間內(nèi)進(jìn)出氣體的流量是不平衡的，為了避免防橫傾系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)房間負(fù)壓低于壓差控制器的設(shè)定值而導(dǎo)致鼓風(fēng)機(jī)自動(dòng)停止，房間內(nèi)送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量就必須大于鼓風(fēng)機(jī)的排量。由于鼓風(fēng)機(jī)的排量為5400 m3/h，該客滾船實(shí)取送風(fēng)機(jī)風(fēng)量為6000 m3/h 。

1.3 系統(tǒng)工作原理

氣力式橫傾系統(tǒng)可在自動(dòng)模式和手動(dòng)模式下運(yùn)行。

自動(dòng)模式：一旦閥控箱內(nèi)的傾斜儀檢測(cè)到船舶橫傾角度超過(guò)設(shè)定值（該值初始設(shè)定為1°，可以在控制系統(tǒng)中修改），信號(hào)將被傳送給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)作：控制鼓風(fēng)機(jī)和相應(yīng)的閥打開(kāi)。例如，當(dāng)傾斜儀監(jiān)測(cè)到船舶當(dāng)前的橫傾角度為右傾1°時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)，并打開(kāi)遙控閥AHV02，AHV03，AHV07，AHV08，AHV09，AHV10。這樣來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的空氣通過(guò)閥AHV02，AHV08送到防橫傾艙（右）內(nèi)。防橫傾艙（右）內(nèi)的水在氣壓的作用下通過(guò)連通管及閥AHV09/10到達(dá)防橫傾艙（左）。隨著防橫傾艙（左）水位上升，該艙內(nèi)的水在壓力的作用下經(jīng)過(guò)閥AHV07，AHV03及排氣消音器排進(jìn)防橫傾泵艙內(nèi)。氣體和水流的流動(dòng)路線可見(jiàn)圖1的箭頭所示。大量的水快速?gòu)姆罊M傾艙（右）流動(dòng)到防橫傾艙（左）補(bǔ)償了裝卸貨時(shí)不對(duì)稱載荷引起的右傾。當(dāng)船舶橫傾角度降低到設(shè)定值（該值初始設(shè)定為0°，可以在控制系統(tǒng)中修改）時(shí)，防橫傾系統(tǒng)自動(dòng)停止[2]。

圖1 氣力式防橫傾系統(tǒng)氣體/水流流向圖

相反，當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到左傾時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)，并打開(kāi)遙控閥AHV01，AHV04，AHV07，AHV08，AHV09，AHV10。來(lái)自鼓風(fēng)機(jī)的空氣通過(guò)閥AHV01，AHV07送到防橫傾艙（左）內(nèi)。防橫傾艙（左）內(nèi)的水在氣壓的作用下通過(guò)連通管及閥AHV09/10到達(dá)防橫傾艙（右）。隨著防橫傾艙（右）水位上升，該艙內(nèi)的水在壓力的作用下經(jīng)過(guò)閥AHV08，AHV04及排氣消音器排進(jìn)防橫傾泵艙內(nèi)。大量的水快速?gòu)姆罊M傾艙（左）流動(dòng)到防橫傾艙（右）補(bǔ)償了裝卸貨時(shí)不對(duì)稱載荷引起的左傾。當(dāng)船舶橫傾角度降低到設(shè)定值（該值初始設(shè)定為0°，可以在控制系統(tǒng)中修改）時(shí)，防橫傾系統(tǒng)自動(dòng)停止。

手動(dòng)模式：當(dāng)控制模式打在手動(dòng)模式下，船員可以在控制箱、遙控控制箱和駕駛室觸摸屏上手動(dòng)開(kāi)啟鼓風(fēng)機(jī)和遙控閥來(lái)控制防傾艙內(nèi)的水從一舷向另外一舷流動(dòng)，來(lái)降低橫傾角度。當(dāng)觀察到橫傾角度降低到預(yù)期值時(shí)，船員可手動(dòng)關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)和遙控閥。

2 系統(tǒng)控制

2.1 HOMIP控制板

該客滾船防橫傾系統(tǒng)的控制采用HOPPE設(shè)計(jì)的名為HOMIP的控制板。采用PLC控制技術(shù)來(lái)提高裝置控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，從而保證抗橫傾裝置的可靠性和穩(wěn)定性。PLC控制系統(tǒng)的核心是微型計(jì)算機(jī)，不但具有較高的運(yùn)行速度，還可以實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的內(nèi)部同步，其適應(yīng)性和抗干擾能力都較強(qiáng)，可以有效避免抗橫傾裝置的抖動(dòng)問(wèn)題。打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，HOMIP開(kāi)始啟動(dòng)。整個(gè)過(guò)程大概要90 s。在這個(gè)過(guò)程中，系統(tǒng)繼電器將會(huì)工作，面板上的LED燈將會(huì)變紅，直到系統(tǒng)啟動(dòng)完成。

2.2 運(yùn)用HOMIP的進(jìn)行防橫傾系統(tǒng)操作

在初次運(yùn)用系統(tǒng)進(jìn)行防橫傾操作前，必須對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，主要包含防橫傾艙內(nèi)液體密度、低液位報(bào)警值，超壓報(bào)警值，低壓報(bào)警值、最大艙高艙容、壓力傳感器位置。本船HOMIP支持防橫傾艙的防橫傾和壓載功能，因此使用防橫傾功能時(shí)，必須先將模式選在防橫傾模式。防橫傾模式開(kāi)啟后，透氣閥自動(dòng)關(guān)閉。選擇手動(dòng)模式或自動(dòng)模式。如選擇自動(dòng)模式則系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的角度自動(dòng)啟動(dòng)和停止鼓風(fēng)機(jī)并開(kāi)啟和關(guān)閉相應(yīng)的閥。如選擇手動(dòng)模式，則根據(jù)MIMIC圖上的橫傾儀的橫傾角度，來(lái)決定需要將防橫傾艙內(nèi)的水駁到哪舷。

右傾則需將右防橫傾艙的水駁倒左防橫傾艙，操作如下：1）在MIMIC圖上選擇TO PS；2）根據(jù)上述選擇，鼓風(fēng)機(jī)面板上閥組和防橫傾艙相應(yīng)遙控蝶閥自動(dòng)開(kāi)啟；3）右防橫傾艙的水開(kāi)始向左防橫傾艙流動(dòng)；4）如認(rèn)為橫傾角度已經(jīng)滿足要求，則可按OFF停止防橫傾系統(tǒng)運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)某客滾船氣力式防橫傾系統(tǒng)設(shè)計(jì)的介紹，初步掌握了氣力式防橫傾系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)、組成、運(yùn)行原理和控制操作，對(duì)以后新造船的設(shè)計(jì)提供一些有益的借鑒。