基于Petri网的船用脱硫塔系统安装分析与建模研究

张汉柱，王岳，蒋志勇

江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003

船用脱硫塔的改造安装是应对在2020年1月1日以后国际海事组织（international maritime organization, IMO）“限硫令”中关于除排放控制区以外的全球其他海域船用燃油的最大硫含量不得超过0.5%的规定的重要措施。船用脱硫塔安装工作作为刚刚起步的一项新兴业务[1]，不同于车间流水线的制造模式，其施工组织形式具有一定的复杂性、不确定性以及随机性，是典型的离散事件。Petri网作为有效描述离散事件动态的系统，基于安装过程中作业任务之间的合理逻辑关系，运用工作流分析方法，通过Petri网对船用脱硫塔安装过程进行建模，并通过plant simulation的仿真技术手段，可以有效研究船用脱硫塔的安装过程，对于提升船用脱硫塔系统安装效率、降低工程成本具有重要的意义。

针对船用脱硫塔改造安装问题，国内外学者已经进行了较多的研究。王彦等[2]提出了基于相同吨位级别的船舶脱硫系统设计的相似性，通过共性化处理某些关键影响因素，可以有效提高设计方案的通用性。罗英隆[3]提出了对船用脱硫塔进行科学选型及从烟囱形状设计、设备及船柜布置两个方面科学设计脱硫塔系统加装方案的方法 。戴慧慧等[4]探究了开式废气脱硫系统进行实船加装设计的设计要点和难点，并为满足系统功能要求提出设计注意事项及应对措施。付佳等[5]以某18 万t级散货船为研究对象，从是否安装脱硫塔、安装同类型不同型号脱硫塔和安装不同类型脱硫塔这 3 个因素着手探究了安装脱硫塔对船舶局部结构的振动影响，并对振动剧烈的结构提出优化方案。贾荣强等[6]介绍了脱硫系统改装过程中设计、施工的注意事项及解决方案,了试航调试过程中的系统调试参数要求。牛新苗等[7]在散货船脱硫塔安装工艺的基础上，提出了制定标准作业工艺流程规范来确保脱硫塔正确安装，缩短机舱棚总段合拢周期的方案。张国锋等[8]探索了脱硫塔项目的安装风险及应对措施，提出船东可以通过尽早与脱硫设备厂商签订供应合同的方式,为日后的不确定性留下缓冲空间。张广彧[9]通过对船舶废气脱硫系统的设计流程的分析，归纳和研究了系统安装设计的要点。

综上所述，船用脱硫塔改装的研究对安装设计、施工特点、注意事项及结构强度的研究较多，而对其安装工期计划的研究较少，不能有效解决船用脱硫塔改造安装工程中的效率问题。本文就开式脱硫塔系统的设备组成及安装调试流程进行总结分析，运用离散事件动态理论及仿真技术手段，构建了Petri网开式船用脱硫塔系统安装模型，详细表述了其安装过程的设备状态及作业活动之间的逻辑关系。在实际生产中，工程进度会受到各种不确定因素的影响，为了保证工期，制定合理的施工计划，在Plant Simulation中构建了集成多因素影响的船用脱硫塔安装仿真模型，用仿真模型来研究其施工工期方面存在的问题，从而优化作业安装工期、及时处理突发情况。

1 船用脱硫塔系统

常用的船用脱硫系统类型如图1所示，可分为干式脱硫系统和湿式脱硫系统。干式脱硫系统主要包括脱硫单元、钙粉供应筒和传送带以及脱硫过程控制及排放检测系统。该系统正常工作的废气温度在240～450 ℃，氢氧化钙粉粒的直径一般在2～8 mm，氢氧化钙与硫氧化物反应后生成石膏（硫酸钙）。湿式脱硫系统包括开式脱硫塔、闭式脱硫塔和混合式脱硫塔。其中开式脱硫塔系统是利用弱碱性的海水对含有硫氧化物的船舶废气进行中和脱硫，具有成本低、结构简单、耗能大的特点，比较适用于海水水域，但不少国家和港口限制使用。闭式脱硫塔系统是将混有碱性化学物质的洗涤水对含有硫氧化物的船舶废气进行中和脱硫，脱硫后的洗涤水排入收集柜，等待岸上或者第三方接收。该系统不受海水碱度的影响，且不污染海洋，但安装和营运成本高，较适用于淡水和港内水域。混合式脱硫塔系统是将开式与闭式有效组合，系统间可灵活切换，优势互补，但是成本高，系统复杂。因干式脱硫系统比较复杂、反应速度慢等缺点，开式系统安装和运营成本低[10]，目前的船舶多采用湿式脱硫系统。

图1 船用脱硫塔类型

2 开式船用脱硫塔系统的主要设备组成及安装调试流程

2.1 开式船用脱硫塔系统主要设备

湿式开式脱硫塔系统主要是一种利用海水中碱性物质与废气中碱性物质之间的化学反应来去除废气中的硫元素的系统[11]。该系统主要包括脱硫塔装置、海水装置、控制装置、监测装置、空气装置、排气装置以及各类附件。脱硫塔装置主要包括脱硫主、副塔，是整个脱硫塔系统的核心设备，是烟气与脱硫剂反应的主要场所；海水装置主要包括海水泵以及变频器单元，主要用来保证海水与烟气充分混合；控制装置主要包括主控制板和遥控板，主要用来负责脱硫塔系统的各类设备启、停操作以及各类参数的显示，对于准确掌握整个系统的运行具有主要的作用；监测装置主要包括烟气监测模块、海水进出口监测模块，用来完成烟气及海水状态的采样分析；空气装置主要包括密封风机、密封风机启动器以及空气供应模块，用来防止烟气泄露以及各类气动阀开关的动力；排气装置主要包括原烟气挡板和净烟气挡板，主要用来负责烟气的排放路径；附件主要包括各种管道、阀门、流量计、仪器等，用来保证整个脱硫系统的完整性。船用脱硫塔系统的设备组成如图2所示。

图2 船用脱硫塔开式系统主要设备

2.2 开式船用脱硫塔安装调试施工流程

船用脱硫塔系统改造主要围绕一增二改三区域的原则进行改造安装，即增加脱硫塔一个设备，改造机械和电气两个方面，改造机舱、原烟囱及新增分段3个区域，这个作业过程分为分段作业及设备及附件安装作业两个部分。整个安装调试过程可描述为分段或设备运至施工现场，安装人员进行安装作业分配，围绕三大区域进行改造，对分段进行搭载，设备进行安装，在安装时先对设备位置进行校准核实，做好安装作业的准备工作，随后按照时间先后顺序完成安装，整体调试，船用脱硫塔系统整体安装工程完成。基于装置的安装流程如图3所示。

图3 基于装置的船用脱硫塔的安装工作流程

船用脱硫塔系统改造安装工程的设备主要来源于船东、供应商以及船厂。由于设备来源广，致使系统在地点和时间维度上不连续，同时在设备供货、运输、装配、调试过程中易受到安装作业人员、施工设备、工器具、技术等多方面的影响，易造成设备供货不足、工期紧等现象，符合离散事件动态系统的特征。

2.3 船用脱硫塔系统改造安装过程中的不确定因素

在船用脱硫塔系统改造安装过程中，船用脱硫塔体积相对庞大，且废气清洗系统涉及到机械部分和电气部分的修改范围较广[12]，系统零部件较复杂，安装程序多，主要存在以下几个方面的影响因素。

1) 设备进厂的时间的影响。设备进厂时间往往受到船厂、船东、供应商3方面的影响，同时又受到设备制造技术、运输工具以及施工现场进度与现场环境的影响，具有一定的不确定性。

2) 原船改造时间的影响。每艘船舶的建造布置形式不同，其改造难度也不尽相同，原船是设备的载体，许多安装设备需要在完成原船改造的情况下才可以完成，这个阶段需要一定的时间，同时在改造过程中还有许多安全措施、准备工作要做。

3) 设备现场安装调试时间的影响。由于原船环境大多比较复杂，存在交叉施工的情况，而现场的施工需要按照一定的工序进行安装施工，即安装需要有先后顺序，否则就会出现安装难以进行或是无法安装的情况[13]，这也给船用脱硫塔安装改造工程带来的一定的不确定性。同时该项工作受到作业人员数量、技术水平、设备精度等因素的影响而表现出安装进程的不确定性。

4) 自然因素的影响。船用脱硫塔系统改造安装过程中，存在些许的露天作业以及涂装作业，容易受到恶劣天气的影响，导致施工进度的影响。

社会因素的影响。主要指船用脱硫塔系统安装过程中会受到工程资金、行业技术规范以及验收标准等因素的影响。

3 基于Petri网的船用脱硫塔改造安装系统建模

Petri网是由德国人Petri提出的，用于描述分布式系统的一种模型，它是一类描述离散事件的动态系统。在 Petri 网系统里，不仅可以描述系统的结构，还可以模拟系统的运行，能清楚直观地表现系统的状态及活动，常用来建模和分析并发、异步和分布式信息处理系统[14]。船用脱硫塔系统改造安装系统多工种作业的工程活动，具有高空作业多，交叉作业多，受限空间、时间多，动火作业多等特点，是典型的离散事件系统，符合Petri网建模的要求，因此可以用Petri网来表现船用脱硫塔改造安装的过程。

在建立Petri网模型时，需要对整个改造流程及相互之间的逻辑关系进行清晰的梳理，确保整个建模过程符合现场的实际情况，确保整个改造安装项目顺利进行。通过对上文船用脱硫塔系统改造安装流程的描述，可以清晰反映出作业的安装顺序及相互的逻辑关系。在船用脱硫塔系统改造安装Petri网模型中，通过用Petri网中的库所P（圆圈表示）表现安装的状态，用变迁T（矩形表示）来表示安装过程的活动，用有向弧（箭头）表示过程的变迁的逻辑关系。根据基于装置的船用脱硫塔安装流程的模型，如图4所示。其中库所S0～S9代表安装各个子工程开始的资源库所，其余库所P1～P12代表工程活动中各个变迁完成后的状态，库所A1代表工程活动中的堆场状态，库所A2代表工程活动中的分流状态，变迁R1代表工程活动中的改造过程，变迁T1～T9代表工程活动中的运输变迁，变迁L代表工程活动中的吊运变迁，变迁I1～I10代表工程活动的安装和装配变迁，变迁C代表整个工程活动的调试阶段。

图4 船用脱硫塔改造安装Petri网模型

4 基于Petri网的船用脱硫塔改造安装系统仿真模型

4.1 系统仿真模型的建立

Petri网是离散型系统建模的有效工具，但随着系统规模的扩大，Petri网系统的结构就会表现得比较冗余，致使系统的仿真及分析变得复杂，不利于系统的分析，而Plant Simulation可以很好地对离散型事件进行快速建模[15]。因此建立结构化的Petri网与抽象化的仿真模型之间的映射关系，充分利用Petri网及plant simulation仿真软件各有的优点，对提高仿真结果的真实性和可靠性具有重要意义。

Petri网中，整个过程是以托肯为向导，通过数据驱动，通过托肯在整个网中的流动来实现整个系统的运行过程。而在仿真软件Plant Simulation中，通过移动对象的运行来表现Petri网中托肯的运行状态，通过用输入的数据和编程方法控制物流对象来表现Petri网中变迁过程和库所状态，因此Petri网与Plant Simulation软件之间存在一定的相似性，具有一定的映射关系，可以相互转化。

在建立Petri网模型的基础上，通过模型中实体及实体的逻辑关系映射为Plant Simulation 仿真模型，对该安装进程进行仿真分析[16]。依据所建Petri网模型以及仿真软件的特点，将其中的关系一一映射，在仿真软件里进行仿真。通过仿真系统的模拟，可以有效改善安装流程，优化生产资源配置，减少计划方案的错误，增强决策与控制水平[17]，对指导现场实际生产具有重要意义。在Plant Simulation中对所有库所及变迁的映射关系做如下说明：

8) 基于所有设备均是在原船上进行安装调试，故此仿真原船改造用容器表示，其余设备用零件表示，脱硫塔安装的实质是在原船上采用装配的形式将各个设备及附件累计连接起来，形成一个完整的系统，故在装配阶段采用零件附加的形式将所有部分结合在一起。

根据Petri网模型及其映射关系，运用plant simulation 软件建立相应的模型，其模型如图5所示。

4.2 仿真作业实例进度分析

此实例为某一开式船用脱硫塔系统改造安装工程，其施工进度如图6所示。

图5 船用脱硫塔安装模型

图6 某开式船用脱硫塔系统改造安装进度计划

将图6某开式船用脱硫塔系统改造安装进度计划中船用脱硫塔安装时间输入模型中，以小时为单位进行分析，并将工作日以8 h工作制计算。安装过程中会因为各种不确定因素影响工期计划[18]，故假设各部分到达时间服从（计划开始时间，计划开始时间×5%）的正态分布，装配处理时间服从（计划处理时间，计划时间×10%）的正态分布[19]，对所编制的计划可行性进行分析评估[20]。

在运行仿真模型时，输入数据的随机性会带来输出结果的随机性，如果仅仅运行一次仿真模型，或者仅仅试验几个随机抽出的方案，所得到的结果或者据此得出的结论，其有效性、精确性和一般性显然是无法保证的。为了解决这一问题，需要多次运行仿真，取最合适的仿真次数来决定运行结果。本文通过plant simulation软件自带的实验管理器来确定该模型的仿真次数n。通过实验管理器，变更仿真运行次数，将n分别设置为10、50、100、200、500、1 000，然后查看结果的差异。其运行结果如表1所示。仿真次数较多且结果各异，一般选择置信区间相对较短，即置信区间下界与下界的差值最小的n值比较合理，根据表1可知，实验5和实验都符合这一要求，但实验5和实验6的差别不大，故取实验5的运行次数作为合理的运行值，即500次作为仿真的实验次数，即取观察表5中的观察数的结果作为仿真运行的最终的结果。经统计分析得到，项目施工的工期均值为10:21，即261 h；标准差为14，即14 h；最小值为8:23，即215 h；最大值为13:00，即312 h。将船用脱硫塔安装施工工期的分组组距取8 h，其工期统计数据见表2。

表1 实验管理器运行结果

图7 船用脱硫塔工期完工次数直方图

表2 船用脱硫塔工期统计数据

图8 拟合工期完工概率分布曲线

图9 拟合工期完工概率曲线与工期风险度曲线

根据表2的统计数据，绘制船用脱硫塔工期完工次数直方图，见图7；拟合工期完工概率分布曲线，见图8；拟合工期完工概率曲线与工期风险概率曲线，见图9。

从图7和图8可以看出，该船用脱硫塔安装实例的完工时间最有可能在256～263 h，但由于工序及现场条件的影响工期的变化，因此项目群的完工工期较为广泛。原计划工期为30 d，每天工作8 h，则计划完工工期为240 h，由实验可得若在该工况下，则完工的概率只有5.4%左右，完工风险非常高，高达90%以上，故该工况的施工工期应该相应加长。

4.3 施工方案优化

从仿真分析的结果来看，该安装工程按期完工的概率偏小，风险很大，并且完工时间分布较广，故需要优化施工方案来提高施工质量，以保证施工工期按期完成。具体优化方法如下：

1)提高船体新建分段的预舾装量，使得船上作业在地面完成，以此来使得船上舾装的工作量降低；

2)增加施工队伍的人数或者多使用熟练工，减少施工返工率，这样一来每天的作业量就会增加，以此来缩短施工工期；

3) 严格把控装置以及附件到厂或制造的时间，不要因为装置以及附件到厂时间延迟来影响施工工期；

4) 合理安排施工作业，同时及时获得现场的反馈，以便及时处理影响施工工期的突发事件。

5 结论

本文在详细分析了船用脱硫塔安装类型、工艺流程以及作业特点的基础上，研究了船用脱硫塔安装过程中的工期变化影响因素。基于离散型事件动态系统理论，运用Petri网建立了基于装置的船用脱硫塔安装模型，描述了船用脱硫塔安装进度过程，并针对每个阶段开始时间的不确定性及处理时间的不确定性，运用plant simulation 软件对某一船用脱硫塔安装工期的合理性进行了实验。通过一定量的随机实验，获得了合理的工期数据，用Excel对工期数据进行处理，从而对船用脱硫塔安装计划工期的可行性进行了分析，并给出了保证施工按期完成的方法，为安装作业的工期控制提供了理论依据。仿真模拟结果表明，根据安装作业现场情况的不确定性，通过合理的仿真实验，可对作业安装工期进行合理的预估和编制，进一步优化工程项目施工工期，更好地把握施工工期的变更等突发情况，更加合理地安排施工作业。