半潜式起重拆解平台快速排载特性仿真

张绍书，高海波*，林治国，张胜飞，陈伶翔

(1.武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063；2.招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通 226116)

0 引 言

大型半潜式起重拆解平台集起重、居住和运输等功能于一体，且满足重载吊载的压载稳性与储备浮力要求[1-2]，在海上废弃平台拆除领域中具有明显的竞争优势[3-4]。平台的压载水排载量随着吊载能力的提升而增大，在一定的工况作业时间内，排水的速度要求更快，传统水泵系统难以适应新的要求，因此采用与潜艇类似的压缩空气快速排载系统设计，实现平台快速排载功能[5]。周卓亮等[6]分析了快速排载系统的工作原理。刘辉等[7]建立潜艇高压气吹除主压载水舱排水模型，对半潜式起重拆解平台快速排载系统数学模型的建立具有借鉴意义。

对快速排载系统排载特性进行研究是优化控制和合理设计的基础，为研究压力平衡排载法和压力聚集排载法两种排载方式的排载特性，本文以SimuWorks为平台搭建快速排载系统的仿真模型，选取典型工况进行仿真试验，分析两种排载方式下快速排载系统排载过程的排载特性。

1 快速排载系统工作原理

Serooskerke号半潜式起重拆解平台的立体结构如图1所示，总体采用非对称式设计，能够满足起重拆解作业、起吊设备布置、快速调载和人员居住等需求。平台底部由浮筒和立柱压载舱组成，起重侧为主浮筒，非起重侧为辅浮筒，每个浮筒上方有2个立柱压载舱，4个立柱压载舱支撑上部甲板，起到支撑平台和相互传递承受的重力及提供的浮力的作用[8-10]。立柱内设置快速排载舱。2台起重能力为2 200 t的桅杆式起重机位于主浮筒侧的甲板上。

图1 半潜式起重拆解平台立体结构图

快速排载系统是半潜式起重拆解平台的重要组成部分，其压载舱系统由普通压载舱、浮筒应急压载舱、立柱快速压载舱等3部分组成，每个压载舱都配备单独进/排水管，其中立柱快速压载舱(Column Side Ballast Tank,CSBT)是快速排载系统的重要组成部分，仅在起重机吊载重物时才需启用，因其进/排水量大，需快速进/排水，为缩短吊物时间，采用压缩空气排载。立柱压载舱结构如图2所示，立柱压载舱设有由船舶管理系统控制开闭的4个压缩空气进气阀、2个通气阀；空压机向压缩空气环形总管供气，立柱压载舱与环形总管相连；底部有2个直通舷外的海水阀。主浮筒侧立柱压载舱#1/#2和辅浮筒侧立柱压载舱#1/#2的体积分别为2 193.8 m3、2 188.0 m3、1 570.7 m3、1 563.6 m3。

图2 半潜式起重拆解平台立柱压载舱结构图

快速排载系统共有4台空压机，在平台起重作业时，快速排载系统的空压机通过压缩空气管系直接向起重侧立柱压载舱内输送高压空气，由船舶管理系统控制阀门启闭。在水面以上形成高压空气垫，开启海水阀，快速排出压载舱内海水；同时，非起重侧立柱压载舱内的海水阀开启，并以重力注水的方式压载，用来平衡倾覆力矩，以维持平台重心稳定，使平台处于安全浮态[11-13]。

2 快速排载系统数学模型

2.1 空压机排气量方程

在实际工作过程中空压机不可避免地有一定量的空气泄漏，不能使空压机的排气量达到理论值。因此，实际工作中的空压机排气量和容积效率与理论上的等熵绝热压缩并不匹配。空压机的容积效率为空压机的实际排量与理论排量的比。在考虑容积效率的情况下空压机实际运行的体积流量Q为

Q=Vinsη

(1)

式中：Vi为在单位时间内螺杆空压机每转动1次的吸气量，m3/min；ns为转速，r/min；η为容积效率。在实际工程中计算容积效率的经验公式为

(2)

式中：Po为空压机排气压力，Pa；Pi为空压机进气压力，Pa。

2.2 立柱压载舱动态排载数学模型

作为快速排载系统的重要组成部分，立柱压载舱与普通储气罐不同，是一个含有空气和水的双介质舱室。工况开始后舱内气体压力和排载速度会相互影响。

为简化模型，作如下假设：

(1) 立柱压载舱各个点的气体压力和温度等参数都一致；

(2) 忽略舱室及管道与外界之间的热量交换；

(3) 忽略弯头、阀门等造成的局部压力损失；

(4) 打开进气阀，默认阀门两侧的压力相等。

分析气体状态变化常用理想气体状态方程为

(3)

立柱压载舱海水阀的排水流速由伯努利方程[14-15]推出：

(4)

(5)

式(4)和式(5)中：ΔP为舱室内外压强差；ρs为海水密度，1 025 kg/m3；g为重力加速度，9.8 N/kg；h为压载舱内海水高度，m；Pout为标准大气压，101 300 Pa；hout为海平面到压载舱底距离，m；K为阻力系数，4.20；v为通过海水阀的海水流速，kg/s。

立柱压载舱的快速排载是一个边充气边排水的动态过程，立柱压载舱模型为有反馈的动态模型。

立柱压载舱内的初始状态气体压力为

(6)

式中：P1为立柱压载舱初始状态气体压力，Pa；V1为立柱压载舱初始状态气体体积，m3；m1为立柱压载舱初始状态气体质量，kg。

初始时刻海水阀排水流速由伯努利方程推出：

(7)

(8)

式(7)和式(8)中：ΔP1为初始状态时舱室内外压强差；v1为初始时刻海水阀排水流速；h1为立柱压载舱初始状态水位。

经过一段微小的时间Δt后：

(1) 立柱压载舱中气体的质量为

m2=ρg2QΔt+m1

(9)

式中：ρg为空气密度，1.204 kg/m3；m2为经过Δt后立柱压载舱中气体的质量，kg。

(2) 立柱压载舱中气体体积V2为

V2=V1+Svv1Δt

(10)

式中：Sv为2个海水阀的横截面面积，其值取1.542 6 m2。

(3) 立柱压载舱内空气压力P2为

(11)

(4) 立柱压载舱内的水位h2为

(12)

式中：Sc为压载舱的横截面面积，155.17 m2。

(5) 海水阀排水流速

由伯努利方程得

(13)

(14)

式(13)和式(14)中：ΔP2为经过Δt后的舱室内外压强差；v2为当前时刻海水阀排水流速。

3 典型工况仿真试验及分析

在半潜式起重拆解平台快速排载系统中，4台工频空压机为系统供气。在起重作业中，2台空压机投入使用，其余2台备用；在工况完成前，空压机启动后始终处于装载或卸载状态。选取双机起吊0～4 200 t起重工况进行仿真试验，吊载过程所允许的最大时间为3 000 s，吊杆的吊钩负荷半径为22.1 m，吊杆的初始角度为73°[13]。主浮筒侧的2个立柱压载舱(CSBTMP#1/#2)用压缩空气排载，辅浮筒侧的2个立柱压载舱(CSBTOP#1/#2)用重力注水的方式压载，以保持平台的重心稳定。由平台稳性计算数据可得，在起重工况下这4个立柱压载舱内海水体积的变化如表1所示。

表1 0～4 200 t起重工况立柱压载舱内的海水体积 m3

利用SimuWorks软件搭建快速排载系统实时动态仿真模型，如图3所示。

图3 SimuWorks环境下的仿真模型

分别采用压力平衡排载法和压力聚集排载法对双机起吊0～4 200 t起重工况进行仿真试验。压力平衡排载法是当舱室内压力达到一定值与舱外压强平衡时，即舱内空气压强加上舱内水位所产生的压强等于舱外大气压强加上海平面到舱底段海水所产生的压强时，打开舱室的海水阀进行排载，排载到终体积对应的水位时海水阀关闭，起重工况结束。压力聚集排载法是当舱室内压力聚集到0.26 MPa时，打开舱室的海水阀进行排载，排载到终体积对应的水位时，海水阀关闭，起重工况结束。

通过仿真试验，得到2种排载方式立柱压载舱内的空气压力曲线、海水流量曲线和液位曲线，如图4～图6所示。

压力平衡排载法和压力聚集排载法都是从零时刻开始空压机向立柱压载舱内供气。压力平衡排载法在6 s时，立柱压载舱空气压力与舱外压力平衡，打开海水阀开始排载。压力聚集排载法在251 s时立柱压载舱空气压力达到设定值0.26 MPa，打开海水阀开始排载。

图4 立柱压载舱空气压力曲线

图5 立柱压载舱海水流量曲线

图6 立柱压载舱液位曲线

如图4所示，在压力平衡排载法排载过程中空气压力逐渐上升且曲线斜率逐渐减小。图5中流量迅速达到峰值后下降。图6中液位逐渐下降。空气压力上升是因为在排载过程中空气总管连续向立柱压载舱供气；压力曲线的斜率逐渐减小是因为打开海水阀排载，压载水的排出使得立柱压载舱空气侧体积不断增大。流量和液位的变化趋势是空气压力作用的结果。

如图4所示，压力聚集排载法在空气压力达到设定值时开始排载，排载初期空气压力高。图5中流量急剧升高达到峰值后下降。图6中液位迅速下降。由于随着舱内的海水不断排出，立柱压载舱空气侧体积迅速增加，短时间内压缩空气总管的供气量不足以补偿立柱压载舱空气侧体积的增加，舱内压力也随之下降，压力的下降则会反过来影响流量，使流量不断下降。直至空气总管的供气量足以补偿液位下降导致的空气侧增大的体积，空气压力开始上升且变化趋势与压力平衡排载法一致，流量变化趋势与压力平衡排载法一致。

压力平衡排载法的工况完成时间为1 317 s，压力聚集排载法的工况完成时间为1 280 s，两种排载方式的仿真运行时间均在安全范围内；压力平衡排载法先于压力聚集排载法打开海水阀排载，但压力平衡排载法比压力聚集排载法排载时间慢37 s，这是压力聚集排载法排载初期流量大的结果。压力平衡排载法排载过程的流量变化较稳定，压力聚集排载法排载过程的流量波动非常大，且瞬时流量极大，流量的波动及瞬时流量过大不利于平台作业的安全。

4 结 论

建立快速排载系统数学模型和SimuWorks仿真模型，在实船典型工况下，对两种排载方式进行仿真试验，结果表明所建立的数学模型及仿真模型能够合理地描述半潜式起重拆解平台快速排载系统的排载过程，为进一步开展快速排载系统控制策略研究奠定了基础。提出压力平衡排载法和压力聚集排载法2种排载方式，对比分析2种排载方式的空气压力曲线、液位曲线、流量曲线，结果表明：压力平衡排载法空气压力和流量波动小，在仿真时间相近的情况下，压力平衡排载法比压力聚集排载法安全性更高。