某客滚船气力式防横倾系统的设计

朱雨林，王建功

（招商局金陵船舶（南京）有限公司技术中心，江苏 南京 210015）

0 引言

常规的防横倾系统采用双向变量泵将水从一侧的防横倾舱内驳到另外一侧的防横倾舱，但双向变量泵受结构形式限制，其排量无法做的很大，故其反应速度和补偿效率有限。气力式防横倾系统因其鼓风机排量大且能连续工作，防横倾舱连通管截面积大，能使大量的水流快速在横倾舱间流动，从而可以快速补偿不对称载荷。对客滚船这种稳性要求高的船舶，鼓风机型式防横倾系统显得尤为重要。本文以某客滚船为例，详细介绍了系统的气力式防横倾系统设计和控制方式[1]。

1 系统设计

1.1 系统组成

防横倾系统的原理如图1所示，主要部件包含有：

1）鼓风机单元，鼓风机单元是气力式防横倾系统的动力来源，用来产生有一定压力的空气，将一侧防横倾舱内的水排至另外1个舱，其作用类似于常规防横倾系统的变量泵。鼓风机单元包含风机、进出口消音器、安全阀、止回阀、加热器、减震器、橡胶补偿器、控制箱等。由于鼓风机单元的产生的噪音很大，整个单元通常被罩在1个消音箱内。

2）排气消音器，从防横倾舱内排出的气体通过排气消音器排至房间内，以保证房间的噪音要求。

3）阀组单元，通过控制阀组上遥控阀的开闭，可以控制将一侧防横倾舱内的水排至另外1个舱。

4）防横倾舱，通常设置一对或几对防横倾舱来调节船舶的稳性。其容积的大小，取决于装卸货时防横倾系统需要补偿的不对称负载的数值，也即需要将多少容积的水从一侧防横倾舱排到另外一侧防横倾舱。

5）连通管及阀，用来连通左右防横倾舱之间的管路，保证遥控阀开启时一舷防横倾舱的水可以通过该管路快速流至另外一舷的防横倾舱。连通管路的遥控阀为单作用关闭阀，当阀的控制系统失效时遥控阀自动关闭，以防止左右舷防横倾舱之间产生不希望的水流流动。

6）控制空气组件，包含空气瓶和空气处理单元，用来将来自船上的控制空气储存、过滤，消音，送至阀控箱控制气动阀的开闭。

7）传感器组件，包含顶部传感器、底部传感器、高位报警液位开关。整个系统的监测就是靠这些传感器来实现的。顶部传感器用来测量舱内的气压，底部传感器用来测量舱内的气压和水压，两者结合可以显示舱内的液位，并输出防横倾舱压力低、压力高和低液位报警。高位报警液位开关可以有效的防止舱被打满，保护防横倾舱。

8）舱室透气管及透气阀，每个防横倾舱内设置2根透气管，1个布置在舱的底部，1个布置在舱的顶部。顶部的透气管设置透气遥控阀。这样设置既可以保证防横倾舱密封，又可以防止防横倾舱超压。透气阀的开启和关闭由传感器输出的防横倾舱压力高、压力低自动控制。一旦舱内压力超过压力高设定值，透气阀自动打开，释放压力。当压力恢复时，透气阀自动关闭。一旦舱的压力低于压力低设定值，透气阀也会自动打开，向舱内补气。当压力恢复时，透气阀自动关闭。如果舱内压力高或压力低超过2 s，仍未恢复，则鼓风机停止。

9）控制组件，防横倾系统的控制组件包含阀控箱和遥控控制箱。阀控箱布置在防横倾泵舱内，用来就地控制。其内包含1个倾斜仪和1个压差控制器。倾斜仪用来监测船舶横倾角度，并将监测到的值传输给计算机控制系统。压差控制器用来监测防横倾泵舱内气压与大气压之间的差值，当房间内负压低于压差控制器的设定值时，鼓风机停止，系统内其他所有阀自动关闭，透气阀打开。由于系统停止从房间内抽取空气，在房间送风机的作用下，防横倾泵舱内的压力会逐渐恢复。遥控控制箱通常位于货控室，用于远程控制，包含1个PLC控制单元和1个触摸屏控制单元。

1.2 系统设备选型

系统设备选型需根据船舶在装卸货过程中允许产生的最大不对称负载值进行计算。例如，某客滚船规格书对防横倾系统的要求：“防横倾系统需要能够在每层甲板上完全装载具有36 t货物单元的向外2个车道（共计20个货物单元），而不加载另一侧的车道（不是同时在所有甲板上）时船舶不产生最大3°的倾斜角度。”，结合装载手册，可以得出以下极限装载工况：

满载到港工况时，在3甲板卸载20辆拖车；

空载到港工况时，在7甲板装载20辆拖车。

根据船东提供的每分钟5辆拖车的装卸货速率要求，可以反向推导出每分钟防横倾系统需要补偿多少水量以满足不产生最大3°的横倾角度的要求。

对满载工况时的单侧卸货，分4步考虑：

1 min后：5辆拖车（每辆36 t重）在3甲板最左侧的车道卸货。防横倾系统有40 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾1.1°；

2 min后：10辆拖车（每辆36 t重）已经在3甲板最左侧的车道卸货。防横倾系统有90 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾2.0°；

3 min后：15辆拖车（每辆36 t重）已经在3甲板最左侧的2个车道卸货。防横倾系统有140 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾2.0°；

4 min后：20辆拖车（每辆36 t重）已经在3甲板最左侧的2个车道卸货。防横倾系统有190 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾2.6°。

对空载工况时的单侧装货，分4步考虑：

1 min后：5辆拖车（每辆36 t重）在7甲板最右侧的车道装货。防横倾系统有40 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾0.6°；

2 min后：10辆拖车（每辆36 t重）已经在7甲板最右侧的车道装货。防横倾系统有90 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾1.2°；

3 min后：15辆拖车（每辆36 t重）已经在7甲板最右侧的2个车道装货。防横倾系统有140 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾1.4°；

4 min后：20辆拖车（每辆36 t重）已经在3甲板最右侧的2个车道装货。防横倾系有190 t的水补偿到左舷，横倾角度约为右倾1.6°。

可以确定防横倾系统在5 min内最大补偿190 t水，可以满足规格书横倾角度小于3°的要求。从而可以确定系统的平均流量为190×60/4=2850 m3/h。这样，鼓风机的排量、空气管的通径、连通管的通径都可以选出和算出。

该客滚船实取平均补偿流量为2900 m3/h，鼓风机的排量为5400 m3/h。

根据公式

Q=VπD2/4。

式中：Q为流量m3/h；D为管子内径；V为管路流速（根据轮机设计手册，流速通常可取2～3 m/s）

得出每根连通管的通径为DN450(连通管共2根)。

该客滚船防横倾舱内的介质为水，其注入管路管径为DN100，根据DNV规范，动力注入水舱的透气管需为注入管径的1.25倍，可以得出防横倾舱透气管的管径。由于防横倾内水的排出是通过压载系统且压载水的管径为DN250，当船舶进坞或防横倾舱内的设备需要检修而需要将水舱内的水泄放掉时，为了避免空气来不及通过空气管头进入舱内，导致空气管头的浮球被吸住，进而使排水困难，本船实取空气管头的通径为DN200。

由于鼓风机吸取的是防横倾泵舱内的空气，在另外一侧防横倾舱内的空气被压回房间内之前，房间内进出气体的流量是不平衡的，为了避免防横倾系统正常运行时房间负压低于压差控制器的设定值而导致鼓风机自动停止，房间内送风机的风量就必须大于鼓风机的排量。由于鼓风机的排量为5400 m3/h，该客滚船实取送风机风量为6000 m3/h 。

1.3 系统工作原理

气力式横倾系统可在自动模式和手动模式下运行。

自动模式：一旦阀控箱内的倾斜仪检测到船舶横倾角度超过设定值（该值初始设定为1°，可以在控制系统中修改），信号将被传送给计算机控制系统，控制系统开始动作：控制鼓风机和相应的阀打开。例如，当倾斜仪监测到船舶当前的横倾角度为右倾1°时，系统自动开启鼓风机，并打开遥控阀AHV02，AHV03，AHV07，AHV08，AHV09，AHV10。这样来自鼓风机的空气通过阀AHV02，AHV08送到防横倾舱（右）内。防横倾舱（右）内的水在气压的作用下通过连通管及阀AHV09/10到达防横倾舱（左）。随着防横倾舱（左）水位上升，该舱内的水在压力的作用下经过阀AHV07，AHV03及排气消音器排进防横倾泵舱内。气体和水流的流动路线可见图1的箭头所示。大量的水快速从防横倾舱（右）流动到防横倾舱（左）补偿了装卸货时不对称载荷引起的右倾。当船舶横倾角度降低到设定值（该值初始设定为0°，可以在控制系统中修改）时，防横倾系统自动停止[2]。

图1 气力式防横倾系统气体/水流流向图

相反，当系统监测到左倾时，则系统自动开启鼓风机，并打开遥控阀AHV01，AHV04，AHV07，AHV08，AHV09，AHV10。来自鼓风机的空气通过阀AHV01，AHV07送到防横倾舱（左）内。防横倾舱（左）内的水在气压的作用下通过连通管及阀AHV09/10到达防横倾舱（右）。随着防横倾舱（右）水位上升，该舱内的水在压力的作用下经过阀AHV08，AHV04及排气消音器排进防横倾泵舱内。大量的水快速从防横倾舱（左）流动到防横倾舱（右）补偿了装卸货时不对称载荷引起的左倾。当船舶横倾角度降低到设定值（该值初始设定为0°，可以在控制系统中修改）时，防横倾系统自动停止。

手动模式：当控制模式打在手动模式下，船员可以在控制箱、遥控控制箱和驾驶室触摸屏上手动开启鼓风机和遥控阀来控制防倾舱内的水从一舷向另外一舷流动，来降低横倾角度。当观察到横倾角度降低到预期值时，船员可手动关闭鼓风机和遥控阀。

2 系统控制

2.1 HOMIP控制板

该客滚船防横倾系统的控制采用HOPPE设计的名为HOMIP的控制板。采用PLC控制技术来提高装置控制系统的自动化水平，从而保证抗横倾装置的可靠性和稳定性。PLC控制系统的核心是微型计算机，不但具有较高的运行速度，还可以实现严格的内部同步，其适应性和抗干扰能力都较强，可以有效避免抗横倾装置的抖动问题。打开电源开关，HOMIP开始启动。整个过程大概要90 s。在这个过程中，系统继电器将会工作，面板上的LED灯将会变红，直到系统启动完成。

2.2 运用HOMIP的进行防横倾系统操作

在初次运用系统进行防横倾操作前，必须对系统的参数进行设定，主要包含防横倾舱内液体密度、低液位报警值，超压报警值，低压报警值、最大舱高舱容、压力传感器位置。本船HOMIP支持防横倾舱的防横倾和压载功能，因此使用防横倾功能时，必须先将模式选在防横倾模式。防横倾模式开启后，透气阀自动关闭。选择手动模式或自动模式。如选择自动模式则系统会根据预先设定的角度自动启动和停止鼓风机并开启和关闭相应的阀。如选择手动模式，则根据MIMIC图上的横倾仪的横倾角度，来决定需要将防横倾舱内的水驳到哪舷。

右倾则需将右防横倾舱的水驳倒左防横倾舱，操作如下：1）在MIMIC图上选择TO PS；2）根据上述选择，鼓风机面板上阀组和防横倾舱相应遥控蝶阀自动开启；3）右防横倾舱的水开始向左防横倾舱流动；4）如认为横倾角度已经满足要求，则可按OFF停止防横倾系统运行。

3 结语

本文通过对某客滚船气力式防横倾系统设计的介绍，初步掌握了气力式防横倾系统的优势、组成、运行原理和控制操作，对以后新造船的设计提供一些有益的借鉴。