深海采礦船的協(xié)同控制策略

◎ 唐慧妍 吳春秋 王海燕

1.中國船舶集團有限公司第七一一研究所；2.船舶與海洋工程特種裝備和動力系統(tǒng)國家工程研究中心；3.海軍裝備部駐上海地區(qū)第一軍事代表室；4.上海海事大學(xué)商船學(xué)院

海洋中蘊藏著豐富的礦產(chǎn)資源，尤其鎳、鈷等金屬是很多高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的核心元素[1]。大多數(shù)海洋礦產(chǎn)位于深海，深海采礦船是深海礦產(chǎn)開發(fā)的基本裝備。采礦設(shè)備眾多，需要連續(xù)、可靠工作，對深海采礦船的動力、電力系統(tǒng)的可靠性和安全性提出了較高要求[2]。深海采礦船上裝有大量大功率負載，包括水下采礦系統(tǒng)、揚礦系統(tǒng)和水面支持系統(tǒng)等多個組成部分，需要對不同系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理和調(diào)配船舶動力和電力系統(tǒng)，高效的實現(xiàn)各系統(tǒng)、設(shè)備的協(xié)同控制在深海采礦船舶中日益重要。通過協(xié)同控制策略不僅可以促進各系統(tǒng)的協(xié)同工作，而且能夠達到優(yōu)化管理和合理分配全船能量，有效提升船舶能效的目標。

1.系統(tǒng)主要組成

國際主流的深海采礦裝備體系一般由水面支持系統(tǒng)（海面支持平臺和礦物處理系統(tǒng)）、采礦機系統(tǒng)及揚礦系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示[3]。

圖1 一般深海采礦系統(tǒng)流程

1.1 水面支持子系統(tǒng)

水面支持子系統(tǒng)是水下采礦、礦漿提升和輸送系統(tǒng)的支持平臺，也是采礦設(shè)備的控制中心，對礦漿進行初步處理和短暫存儲，適時轉(zhuǎn)運至礦漿運輸船，同時也是采礦工作人員的起居處所。水面支持系統(tǒng)一般可以分為船舶式和平臺式兩類。平臺式水面支持系統(tǒng)沒有自航能力，平臺的移位需要由專門拖船拖帶。船舶式水面支持系統(tǒng)功能齊備，具備自航能力和較大的自持力，可以裝備較高精度的動力定位系統(tǒng)[4]。此外，礦物處理設(shè)備和裝卸設(shè)備也是水面支持系統(tǒng)的主要用能設(shè)備，需要與揚礦系統(tǒng)緊密配合。

1.2 礦機子系統(tǒng)

礦機系統(tǒng)主要由深海采礦機和與之配套的監(jiān)控系統(tǒng)、配電系統(tǒng)構(gòu)成，包含深海挖掘系統(tǒng)、水下機器人、采礦車、輔助切割機械等。采礦機主要包括自行式履帶作業(yè)車、集礦機構(gòu)、破碎機構(gòu)、液壓系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、動力裝置、軟管連接裝置等[5]。目前采用的深海固體礦產(chǎn)資源的采集方法包括機械式、水力式及機械-水力復(fù)合式等[4]。此方法主要參考陸地巖石機械切削式破碎剝離法，適度結(jié)合柔性和并列多滾筒等微地形適應(yīng)技術(shù)，因此其回采率和貧化率尚未取得較大進展。無法采用哪種方法，因其在深水作業(yè)，都需要足夠的能源供應(yīng)和良好的控制技術(shù)。

1.3 揚礦子系統(tǒng)

揚礦子系統(tǒng)將采集到的礦石提升到海面的采礦船上。揚礦管既是提升礦石的管道，同時又連接海底集礦機，作為水下設(shè)備、動力電纜和測控通訊電纜的結(jié)構(gòu)支承設(shè)備。有實用價值的揚礦系統(tǒng)包括水力提升和氣力提升系統(tǒng)（見圖2）。其中，水力提升的效率較高，更具實用性。

圖2 管道提升系統(tǒng)示意

揚礦子系統(tǒng)由輸送軟管、軟管輸送泵、中間倉、揚礦硬管、多級潛水電泵、洋面輸送管道及揚礦子系統(tǒng)的測控與動力設(shè)備等組成。這些既是用能大戶，也需要與采礦系統(tǒng)、水面支持系統(tǒng)協(xié)同工作。

2.深海采礦船的運行工況

深海采礦船作為海上生產(chǎn)、支持和存儲性船舶，需要在采礦作業(yè)水域長時間作業(yè)，具備采礦、航行、生活保障等多種功能[6]。采礦船設(shè)備眾多、系統(tǒng)復(fù)雜，需面對多種工作環(huán)境和狀態(tài)。因此，采礦船的運行工況復(fù)雜，不同運行工況下需要各系統(tǒng)協(xié)同工作。在采礦作業(yè)方面，采礦船需要保持動力定位，控制、管理進行水下采礦作業(yè)，將海底礦物輸送至母船；需要處理、存儲采集到的礦物并將其轉(zhuǎn)運至礦物運輸船；需要對水下和甲板作業(yè)設(shè)備進行監(jiān)控、維護等。在航行方面，采礦船具備自主航行能力，在遭遇惡劣海況時能夠緊急撤離。在生活保障方面，采礦船能夠為船員和采礦作業(yè)人員提供具有良好的舒適性的工作、起居場所。

根據(jù)深海采礦船的作業(yè)流程，采礦船的運行工況劃分如表1所示。除自航工況外，深海采礦船的其他工況均依靠長時間動力定位。采礦作業(yè)與船舶自身運轉(zhuǎn)及定位必須協(xié)調(diào)工作，既要保證動力定位操作的安全性，又要盡可能保證采礦作業(yè)的連續(xù)性，提高采礦效率。因此，在不同工況、不同作業(yè)狀態(tài)下，各系統(tǒng)、設(shè)備間需要良好的協(xié)同控制，才能保證整個采礦船系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地長期運行。

表1 深海采礦船典型工況及作業(yè)流程表

3.深海采礦船的協(xié)同控制

深海采礦船的主要動力系統(tǒng)可以概括為推進系統(tǒng)、采礦系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。在不同的作業(yè)工況下，各種系統(tǒng)處于不同的工作狀態(tài)。為保證整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，深海采礦船需要一套綜合監(jiān)控系統(tǒng)，協(xié)同控制各子系統(tǒng)的運行，應(yīng)涵蓋常規(guī)船用監(jiān)測報警系統(tǒng)、綜合自動化控制系統(tǒng)的要求。當前，綜合控制系統(tǒng)中的推進、采礦和輔助系統(tǒng)在運行過程中仍相對獨立。

推進、采礦和輔助系統(tǒng)對電能的需求和使用相互影響、相互關(guān)聯(lián)，需要協(xié)同工作，以保證船舶安全性和正常作業(yè)。采礦作業(yè)系統(tǒng)本身設(shè)備眾多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各作業(yè)流程需要相互配合，各系統(tǒng)、設(shè)備間協(xié)同控制非常重要。深海采礦船整體協(xié)同控制主要體現(xiàn)在采礦作業(yè)系統(tǒng)本身各子系統(tǒng)或系統(tǒng)設(shè)備間的協(xié)同以及電能管理方面采礦系統(tǒng)與推進系統(tǒng)之間的協(xié)同。為了保證采礦作業(yè)的協(xié)調(diào)性，集成系統(tǒng)控制應(yīng)能夠?qū)γ總€獨立系統(tǒng)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)對各獨立系統(tǒng)的協(xié)同控制，保存采集的數(shù)據(jù)以便進行輔助決策。

3.1 深海采礦船各系統(tǒng)間的協(xié)同

深海采礦系統(tǒng)的控制包括下放、水下行走采礦作業(yè)、回收3個環(huán)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)完成的功能包括信號采集、集礦機控制（下放回收控制和行走控制）、通訊（控制器間通訊和與上位機通訊）。在采礦機的工作任務(wù)中，既有周期性的（如行走作業(yè)、信號采樣、通信等）任務(wù)，也有非周期性的（如報警測試、避障、姿態(tài)調(diào)整等）任務(wù)。采礦機采集到的礦漿先經(jīng)軟管送至中間礦倉，然后經(jīng)給料機的多級提升管道運至海面采礦船，沉降出的海水經(jīng)初步脫泥后排入海中。

揚礦系統(tǒng)須在惡劣海況條件下實現(xiàn)全部操作，系統(tǒng)設(shè)備功率大、檢測難、數(shù)據(jù)交換量大，其設(shè)計應(yīng)當遵循模塊化、網(wǎng)絡(luò)化原則，應(yīng)盡可能在水面直接修改和調(diào)試水下各站的程序。多級式揚礦控制系統(tǒng)的最主要要求是給料機給料均勻，保證揚礦的生產(chǎn)能力和揚礦濃度的穩(wěn)定。

在海面風浪的影響下，采礦船會產(chǎn)生升沉位移，需要配置升沉補償系統(tǒng)與揚礦系統(tǒng)配合。采礦船與液壓缸運動方向相反，因此揚礦管的穩(wěn)定可通過液壓缸的位移進行補償。液壓缸的補償位移可用一個專門的裝置測得，利用此裝置結(jié)合船上安裝的電磁波位移傳感器，就可以得到采礦船升沉位移。將此位移作為輸入，將液壓缸的補償位移量作為被控量，兩者形成反饋控制。

雖然采礦、揚礦和水面支持系統(tǒng)間的協(xié)同控制能夠保證采礦作業(yè)的順利完成，但在作業(yè)效率和能效提升方面還需要進一步研究協(xié)同控制的策略，達到提高效率和節(jié)約能源的目的。

3.2 能量利用及管理協(xié)同

船舶系統(tǒng)與采礦作業(yè)系統(tǒng)間的協(xié)同控制主要體現(xiàn)在能量管理策略方面，在船舶電站系統(tǒng)的設(shè)計和管理、控制方面進行充分的協(xié)同，在能量管理系統(tǒng)中實現(xiàn)協(xié)同控制策略。采礦系統(tǒng)設(shè)備眾多，負載功率大，同時采礦作業(yè)是主要運行工況，因此，設(shè)計時的一個主要內(nèi)容是應(yīng)對采礦船在各種運行工況下的采礦設(shè)備電力負荷進行計算和分析[7]。

深海采礦船綜合控制系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)制定合理的能量管理策略并適時優(yōu)化。能量管理策略的制定應(yīng)充分分析推進系統(tǒng)和采礦作業(yè)系統(tǒng)的作業(yè)工況及能量消耗，確定系統(tǒng)的設(shè)備配置，準確計算不同運行工況下的能量負荷需求，然后確定各工況下發(fā)電機的運行模式，最后綜合優(yōu)化可靠性、經(jīng)濟性與安全性要求，得到采礦船整體能量管理策略。為了滿足采礦船運行過程中的負荷需求、穩(wěn)定性與安全性，能量管理系統(tǒng)需要具有機組調(diào)度與控制、頻率控制與負載分配、電壓控制與負載分配、推進系統(tǒng)的功率限制、快速減載以及重載詢問等功能[8]。

3.2.1 電能管理控制策略

電能管理系統(tǒng)首先應(yīng)確保在實際運行工況下發(fā)電機都能夠提供充足電力，然后在此基礎(chǔ)上提升能量利用效率，降低能耗。能量管理系統(tǒng)以船舶電力系統(tǒng)能量優(yōu)化分配為目的，與船舶電力系統(tǒng)的配置、發(fā)電機與負載的功率和整個采礦船的運行模式以及電力設(shè)備控制方式密切相關(guān)。

深海采礦船最大的特點是需要長時間在深海區(qū)域進行采礦作業(yè)。深海采礦船上的采礦作業(yè)設(shè)備負荷大、數(shù)量多，并且采礦作業(yè)是船舶的主要任務(wù)。因此，在電能管理系統(tǒng)中應(yīng)考慮采礦作業(yè)的連續(xù)性，同時也應(yīng)考慮對采礦設(shè)備進行功率限制，提高船舶電站的安全性和能效水平。

深海采礦船電能管理系統(tǒng)（PMS）的控制對象主要包括柴油發(fā)電機組、配電板、采礦設(shè)備、DP設(shè)備等。根據(jù)用電設(shè)備對功率的實際需求，系統(tǒng)應(yīng)對各臺柴油發(fā)電機組進行合理功率分配和啟停管理，協(xié)調(diào)各發(fā)電機組的工作，同時對配電系統(tǒng)和電網(wǎng)進行監(jiān)控，從而為各船舶設(shè)備及采礦設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定的電能。采礦作業(yè)設(shè)備的功率信息由PMS進行處理，保證采礦作業(yè)的連續(xù)性及船舶電站的安全性。

深海采礦船一般配備DP-2系統(tǒng)，在動力定位運行工況下不允許全船失電。PMS會暫時限制推進器的輸出功率，達到防止發(fā)電機組過載的目的。深海采礦船運行中存在靠綁接駁轉(zhuǎn)運工況，需保證船舶的動力定位能力，防止出現(xiàn)事故，因此，還應(yīng)考慮對采礦設(shè)備進行功率限制和自動分級卸載。

按照采礦船的負載分配情況及作業(yè)模式，可以采用采礦作業(yè)設(shè)備功率限制加雙級卸載的方案，還可以根據(jù)電站負荷情況分優(yōu)先等級逐步分級卸載。在配電板負荷達到90%時，PMS開始限制采礦設(shè)備的功率輸出，采礦設(shè)備的工作速率下降，但采礦作業(yè)的持續(xù)性和動力定位的安全性可以得到保證。當功率被限制后，若配電板負荷繼續(xù)上升到某一水平（如達到95%時），須卸載部分采礦設(shè)備，但在已經(jīng)建立的開采面上進行作業(yè)的采礦設(shè)備能夠繼續(xù)工作。因此，應(yīng)按照采礦設(shè)備的優(yōu)先等級依次卸載。在一些極端工況下，動力定位需要輸出大功率以保證船舶安全性時，可以暫停采礦作業(yè)。此時，電站負荷可能達到100%，PMS將全部暫停采礦設(shè)備的運行，即發(fā)生二次卸載。

在其他模式下，深海采礦船電能管理系統(tǒng)與一般工程船舶電能管理系統(tǒng)控制策略相似，不再贅述。

3.2.2 深海采礦能效提升

節(jié)能減排是船舶行業(yè)發(fā)展的長期趨勢。深海采礦船運行的經(jīng)濟性是一項重要性能指標。深海采礦船綜合技術(shù)水平較高，耗能設(shè)備種類較多，運行工況復(fù)雜，節(jié)能減排需要從多個環(huán)節(jié)考慮。

深海采礦船作為船舶的小眾群體，既具有一般工程船舶的共性，又具有自身的工作特性。電能的合理高效利用對節(jié)能減排有非常重要的意義。電力推進系統(tǒng)節(jié)能減排需要注意船舶工況較為復(fù)雜、各工況下功率負荷差異較大。深海采礦船在采礦作業(yè)期間的高峰負載與其它運行模式下的負載相差極大，其專用采礦設(shè)備基本都是重載設(shè)備；采礦作業(yè)期間負載的變化也會對發(fā)電機組造成頻繁的擾動。上述因素決定了電能管理系統(tǒng)中采用優(yōu)化的協(xié)同控制策略可以有效提升船舶電力系統(tǒng)效率和質(zhì)量，提高船舶的整體節(jié)能減排效果。

能效管理與優(yōu)化功能可以通過采集、整合船舶能效數(shù)據(jù)，對船載設(shè)備和采礦設(shè)備運行狀況、能耗數(shù)據(jù)實時監(jiān)測，對能耗較大系統(tǒng)（如動力定位、采礦作業(yè)系統(tǒng)）的運行提出優(yōu)化策略，并直接控制機組的運行，從而提高發(fā)動機組的燃油利用率、降低船舶的整體能耗，提高深海采礦船運行的經(jīng)濟性。此外，還可利用船岸通信技術(shù)，將船端數(shù)據(jù)發(fā)送到岸基設(shè)備，利用岸基的大數(shù)據(jù)分析能力，通過對歷史數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)合當前船舶實時數(shù)據(jù)，對船舶管理工作提出相應(yīng)的改進方案，提高船舶運營效率，實現(xiàn)更高級別的能效管理。

4.結(jié)束語

深海采礦船作業(yè)海域遠離大陸，運行工況復(fù)雜，設(shè)備眾多，能耗較大。船舶各系統(tǒng)之間需要相互協(xié)調(diào)、緊密配合才能更好的完成作業(yè)任務(wù)。從公開文獻來看，對深海采礦船的協(xié)同控制研究仍處于發(fā)展階段，從控制角度來看，主要是將各系統(tǒng)集成在一個集中控制平臺上；從能量管理角度來看，主要基于傳統(tǒng)能量管理策略。因此，非常有必要對深海采礦船的協(xié)同控制進行深入研究，在采礦作業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部以及采礦作業(yè)系統(tǒng)與船舶系統(tǒng)之間展開深度的協(xié)同控制策略研究，提高設(shè)備的使用效率，提升能量的利用效率，也可提高船舶的安全性。