小型液化天然气运输船综合自动化系统设计

孙恪成，华先亮，时光志

（1.中海油能源发展采油服务分公司，天津300457；2.上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前 言

以中海油能源发展有限公司的30 000 m3液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）运输船（动力推进方式为全回转电力推进）为研究对象，介绍小型LNG 运输船综合自动化系统（Integrated Automation System，IAS） 系统的技术特点和设计过程。 该系统在LNG 运输船以及装载特殊类危险品货物的船舶上对保障装卸货物操作和营运管理安全具有重要作用。

1 船舶综合自动化系统功能

船舶通常配备机舱监测报警系统 （Alarm and Monitoring，AMS），并可对少量机舱设备进行程序控制。 具备在集控室内主机/辅机综合故障报警、空压机低压力自启动、注入泵低位起动和高位停泵功能，以及主机超温、超速和低压安保功能等。

随着技术的发展， 船舶自动化程度不断提升，AMS 功能有了较大幅度扩展，逐渐升级为IAS。自主控制的设备和系统的自动化功能集成在这个系统中，比如阀门遥控、风机/泵自动控制、舱液位监测、电站功率管理、货舱管控、推进器控制等。 配置IAS系统进一步降低了机舱轮机员的劳动强度。

LNG 运输船货舱内的货物LNG 在运输过程中会蒸发形成蒸发气， 根据LNG 蒸发气是否作为燃料，即机舱部分和货舱部分的自动化系统的关联程度， 来配备相应的IAS。 不以货舱货物作为燃料的LNG 运输船，其货舱部分的自动化系统和机舱部分的自动化系统互相之间相对独立；以货舱货物作为燃料的LNG 运输船，由于机舱的LNG 燃料设备（主机、发电机、锅炉）等还需负责货舱的舱压控制，因而机舱的推进控制、电站管理、热量管理等控制系统与货舱的舱压控制系统高度集成，且互相之间通过密切的逻辑关系相互操作，自动化系统的综合程度更高。

通过调研，确定小型LNG 船舶的IAS 中需要进行监测、管理和控制的子系统，如表1 所示。

表1 综合自动化系统功能需求

1.1 发电机组系统监控

电站包括双燃料主发电机组以及应急停泊柴油发电机组。 对原动机的显示指示功能包括：显示每台双燃料主发电机组的侧视图，以及双燃料原动机的运行指示、当前控制位置、转速、起动空气压力、燃料模式，显示本机滑油、燃油、燃气、冷却水、曲轴、增压和排气系统的状态和参数；对发电机的显示功能包括：指示绕组温度、轴承温度、冷却器进出口温度、 冷却液泄漏监测、 自动电压调节器（Automatic Voltage Regulator）状态、电压、功率。 报警功能包括：按照设定值对模拟量参数进行柱状显示，对所有状态参数进行报警，特别地，如果任何一个推进器处在“运行”模式，而应急发电机没有处在“应急”模式的话，系统发出报警。 控制功能包括：对发电机组的燃料模式、主/从顺序、负载均衡模式、“应急/停泊/手动模式”等进行控制，其中双燃料主发电机组的燃料模式是控制重点。 根据双燃料主机的功率特性曲线，充分考虑了其功率提升慢的特点，在其标准的紧急模式、燃气模式、燃油模式基础上，设计了基于供气管路成分监测、通风效果检测、氮气吹扫系统安全、船舶操纵机动等逻辑的模式切换，完善了双燃料发电机组系统监测控制的完整性和可靠性。

1.2 全船电力网络监控

电力网络包括AC 6 600 V 中压段、AC 400 V/230 V 低压段、DC 24 V 不间断电源（UPS）段等多级网络。控制功能是对全船电力网络主要开关进行通/断控制（优先级低于电站管理系统保护功能）；显示功能主要包括：显示全船电力系统单线图；所有配电板上主要开关状态及汇流排的通电状态，每段汇流排的电参数（电压、频率、功率因数、绝缘等）；变压器的绕组温度、铁芯温度、冷却器进出口温度、空间加热器状态等； 每台主发电机的电压、 电流、功率、功率因数、柱状带数字显示负荷率、运行模式；UPS 电源系统的电源状态、主要开关的状态、输出电压、电流、功率、功率因数、绝缘状态、运行模式等；显示蓄电池组的电压、蓄电池安装空间的环境温度等。

1.3 电力推进系统监测

推进系统由全回转主推进系统和首侧推系统组成。 由于推进系统要求完整精密的协同控制，自动化系统不提供对电力推进系统的控制功能，显示功能主要包括：电力推进系统单线图；主发电机的燃料模式；中压配电板发电机、母联开关、推进回路开关的状态（联动联锁关系）；推进电机的转速、功率及车钟命令值；螺旋桨的转速、舵角及车钟命令值；首侧推中压软起动器的状态、驱动电机的状态、推进器螺距、降速/停车报警等。

1.4 机舱辅助设备监控

采用双燃料、电力推进系统，机舱内众多辅助设备需要监测、显示、报警、控制。 其中：控制功能包括对系统、泵、阀进行遥控，对手动遥控及程序自动控制； 显示功能包括对油/水/气系统的PID 流程图进行显示，包括舱液位、舱容百分比、高低位报警、管路流通状态、遥控阀的状态及权限控制、泵的状态、分油机的状态、加注阀的状态、加注速度指示、最近一次加注量、历史加注总量等参数。

1.5 货物系统监测

货物系统以C 型液货罐为核心， 围绕货物输入、存储、控制、输出配置系统功能，控制功能主要是对货物系统的压缩机、阀、液货泵等进行控制（优先级低于货物安全系统的自动控制）。 显示功能主要是以总图侧视图、下甲板俯视图、货舱中横剖面图为背景图，显示信息包括：船舶的吃水、纵倾、横倾；当前环境风速风向、大气温度、大气压力；每个货舱的实时舱容、液位；货物系统的PID 流程图，包括每个液舱的液位、温度、舱容、圆顶的自然蒸发气（BOG）压力、液货泵状态、阀状态、管路状态等参数。

1.6 船舶安全系统监控

船舶安全系统主要由振动监测、火气、紧急切断（Emergency Shut Down，ESD）等系统组成，自动化功能包括：以总图每层甲板俯视图的形式为背景，当监测液货泵、主推进装置这几类核心旋转设备轴承的振动频谱在任何一个监测点的振动幅值超过设定值时，发出报警并在相应的总图形式背景图上显示，每个火警/气体探头对应位置为一个报警点。火气系统中主机的信号包括电源状态、运行指示、综合报警。任何一个火气探头发出报警， 都能够在模拟图（MIMIC）上显示其在船上的对应位置。

控制功能包括对船舱和货舱的ESD 系统，全船分6 个切断分区，任何分区发生ESD 后都将产生报警，并以总图内相关区块高亮的形式标示出来，同时画面旁显示该切断对应的相关设备，并监测ESD 系统的电源故障。 其中货舱ESD 切断部分是核心，功能包括：显示熔断系统、货物ESD 系统、船岸连接（SSL）系统等的状态以及相应的报警；以船舶布置图为背景，显示安全系统每一个激活点（如火警探头、气体探头）的具体位置。 控制功能包括其熔断系统、货物ESD 系统按照预设逻辑在失火、溢出、通信失灵、环境突变、岸基突发意外等工况自动关断对应设备。

1.7 自诊断系统监测

综合自动化系统除了以上对船内各主要系统信息进行集成显示和对部分子系统进行控制以外，还对系统自身提供自诊断功能，主要包括：显示综合自动化系统方框图，图示每一个控制站、操作站（Operation Station，OS）的位置及通信网络，显示每个节点的通信状态与报警； 显示每个控制站的通信网卡、UPS、电源状态等参数及报警；以列表形式显示存储周期内所有报警历史条目； 提供配置操作， 选取任何一个模拟量输入输出（Input/Output，IO）点，选定时间范围，显示该区间范围内的变化曲线。

2 船舶综合自动化系统设计

30 000 m3LNG 运输船是一型以货舱货物LNG蒸发气作为燃料的电力推进船舶。 货舱采用C 型液罐，可以耐受较高的压力，配置了机舱监测报警系统、电站管理系统、阀门遥控系统、液位遥测系统、风机/泵自动控制系统、电力推进控制系统、货物控制及密闭传输系统（货物计量）等，总计有近4 000个通讯点信息IO 和近1 000 个硬件信息IO。 从功能需求、系统架构成熟度等方面考虑，确定IAS 设计方案。

IAS 主要分为机舱自动化和货舱自动化两大系统。 机舱部分主要负责双燃料发电机组、电站、机舱辅助设备、推进系统等设备的信号采集、监测、报警、控制；货舱部分主要负责货舱区域包括货泵、压缩机、管系、氮气等设备的信号采集、监测、报警、控制。根据这两部分的不同集成度，为综合自动化系统设计了两种架构方案，见图1“方案一机舱货舱自动化分立关联的IAS 架构”和图2“方案二 机舱货舱自动化完全集成的IAS 架构”。

“方案一”中，两大系统有各自的UPS 电源、通信环网、信号采集设备、控制中心、操作站。 系统之间主要通过通信连接，在上层架构之间进行数据通信。 两大系统之间存在互相关联的系统，比如燃气系统中货舱区域的燃气生成部分以及机舱区域的燃气供应部分， 通过设置精确的逻辑进行硬线联锁。

“方案二”中，将“方案一”中分立的机舱和货舱两大系统整合在一起， 两大系统共享UPS 电源、通信环网、信号采集设备、控制中心和操作站，统一对全船的机舱和货舱设备进行信号采集、 监测、 报警、控制。两大系统之间的逻辑关系通过统一的软件进行管理和实现。

图1 方案一 机舱货舱自动化分立关联的IAS 架构

图2 方案二 机舱货舱自动化完全集成的IAS 架构

“方案一”是小型LNG 船目前的设计现状，机舱自动化和货舱自动化分别由不同的供应商集成提供。 其优点是两大部分各自的技术成熟度、 市场竞争程度都比较高，建造方较容易控制采购成本和技术风险。 其缺点是两大部分可能采购不同品牌型号的部件，在信号采集、传输网络、中央控制器、操作站等方面存在一定的重复投入。

“方案二”是目前大部分大型LNG 船的设计现状， 即机舱自动化和货舱自动化由同一家供应商集成提供。 其优点是打破了机舱自动化和货舱自动化两大部分之间的分隔， 除了规范要求的独立安全系统以外， 整合、 合并了全船各处的信号采集、网络交换、可编程控制器（PLC）、操作站等系统资源，减少了很多硬件配置和数据接口。 另外采用相同品牌的元器件， 维护管理可以节省相当一部分成本。 其缺点是市场的竞争度不是很高，往往只有几个大品牌供应商能够提供， 在成本控制方面容易受制于人。 另外，集成度高，对两大系统之间的故障安全要求也比较高。

中海油30 000 m3LNG 船项目计划建造2 艘：1号船基于当时采购策略的原因，IAS 采用的是“方案一”， 即机舱和货舱自动化分立关联的架构；2 号船的综合自动化系统采用的是“方案二”，即机舱和货舱自动化完全集成的架构。

3 结 语

在设计该小型LNG 船舶IAS 时，尚未考虑系统的二次开发。 随着工业互联网、信息技术、人工智能等技术在船舶行业逐步广泛应用，船舶自动化系统也正朝着分布型、网络型和智能型方向发展。IAS 是全船数据信息采集的重要来源，各设备系统的技术成熟度也在逐渐提升，向着综合集成化、智能化方向发展。 随着海量数据的积累，需要对采集数据进行存储、 挖掘和开发应用， 因此在今后设计船舶IAS时，不仅要满足功能需求，还应该兼顾自动化系统扩展为功能更加强大的智能系统的可能性。