崔錦泉，周 偉，王智磊，王廷勇

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，山東 青島 266101)

0 引 言

隨著海洋環(huán)境保護(hù)意識(shí)逐漸提高，對(duì)于船舶排放要求越發(fā)嚴(yán)格。國(guó)際海事組織頒布了一系列有關(guān)船舶排放的防污公約，對(duì)于氮氧化合物及硫氧化物等污染物制定了詳細(xì)的排放標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)國(guó)際海事組織頒布的《MARPOL 73/78》附則Ⅵ中的規(guī)定：2020年后，對(duì)于船用低速機(jī)，在排放非控制區(qū)，氮氧化物排放限值為14.4 g/kW·h，硫氧化物排放限值為0.5% m/m；在ECA區(qū)（排放限制區(qū)），氮氧化物排放限值為3.4 g/kW·h，硫氧化物排放限值為0.1% m/m?，F(xiàn)有的SCR（選擇性催化還原技術(shù)）系統(tǒng)、EGR（廢氣再循環(huán)）系統(tǒng)以及EGSC（船舶廢氣清洗系統(tǒng)）等尾氣后處理技術(shù)已經(jīng)很難滿足公約的要求，船舶動(dòng)力市場(chǎng)逐漸趨向于清潔能源的開(kāi)發(fā)與利用。液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）作為一種清潔型綠色能源，主要組分是甲烷，還有少量的乙烷和丙烷等碳?xì)浠衔铮紵筠D(zhuǎn)化為HO 和CO，被譽(yù)為地球上最干凈的化石能源，非常適合替代石油等化石燃料成為發(fā)動(dòng)機(jī)的主要能源。面對(duì)船舶市場(chǎng)對(duì)于清潔能源動(dòng)力供應(yīng)的需求，針對(duì)船舶雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，需配置相應(yīng)的LNG供氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)工藝流程復(fù)雜，且要具備高穩(wěn)定性和安全性。在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)程中，借助計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)出與LNG供氣系統(tǒng)全面鏡像的模擬仿真系統(tǒng)。該模擬仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了LNG供氣系統(tǒng)全物理量、機(jī)電對(duì)象的過(guò)程模擬，同時(shí)完成從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到工程組態(tài)的全數(shù)字化方案，形成基于數(shù)字化技術(shù)的供氣系統(tǒng)仿真系統(tǒng)，對(duì)工藝設(shè)計(jì)參數(shù)及自動(dòng)化控制策略的合理性進(jìn)行提前驗(yàn)證。

1 模擬仿真技術(shù)開(kāi)發(fā)

船舶供氣系統(tǒng)主要由加注站、儲(chǔ)罐、BOG（boiled of gas）處理單元以及蒸發(fā)加熱單元構(gòu)成，主要供氣工況為：低溫LNG經(jīng)加注站注入儲(chǔ)罐中，再由儲(chǔ)罐內(nèi)潛液泵泵出，經(jīng)蒸發(fā)加熱單元處理后，變至一定壓力和溫度范圍內(nèi)的NG氣體，供給主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐燃燒使用。供氣系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 供氣系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖Fig. 1 Process flow diagram of gas supply system

根據(jù)供氣系統(tǒng)工藝流程圖設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用多物理量系統(tǒng)仿真軟件Amesim、自動(dòng)化接口軟件Automation Connect、機(jī)電一體化仿真軟件NX MCD及自動(dòng)化仿真軟件Portal等，創(chuàng)建出三維模型、多物理量模型等工藝模型和自動(dòng)化系統(tǒng)電氣模型，通過(guò)仿真接口連接，搭建整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字化模擬仿真系統(tǒng)，用于驗(yàn)證供氣系統(tǒng)工藝流程的邏輯性及穩(wěn)定性，整個(gè)系統(tǒng)的軟硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 模擬仿真系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成Fig. 2 Software and hardware composition of simulation system

1.1 創(chuàng)建供氣系統(tǒng)物理和運(yùn)行學(xué)模型

根據(jù)供氣系統(tǒng)工藝流程圖設(shè)備需求，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件NX繪制供氣系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備元件，包括儲(chǔ)罐、潛液泵、壓縮機(jī)和閥門等。將單個(gè)設(shè)備進(jìn)行組裝配合，建立各機(jī)構(gòu)間的運(yùn)行學(xué)關(guān)系，并設(shè)置設(shè)備與PLC之間的I/O變量接口，形成各個(gè)單元模塊撬裝圖，包括蒸發(fā)加熱撬塊、乙二醇撬塊、加注站撬塊等。按照供氣系統(tǒng)實(shí)船設(shè)備安裝方案進(jìn)行布置，并將各撬塊間對(duì)應(yīng)法蘭接口進(jìn)行管道連接，創(chuàng)建出整個(gè)供氣系統(tǒng)的三維模型。供氣系統(tǒng)儲(chǔ)罐設(shè)備、撬塊及系統(tǒng)模型如圖3所示。

圖3 供氣系統(tǒng)三維模型圖Fig. 3 Three dimensional model of gas supply system

1.2 創(chuàng)建供氣系統(tǒng)多物理量模型

運(yùn)用多物理量建模仿真軟件創(chuàng)建供氣系統(tǒng)多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行供氣系統(tǒng)多物理參數(shù)的仿真計(jì)算和數(shù)據(jù)分析，利用該平臺(tái)研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)性能。在此過(guò)程中將設(shè)備參數(shù)輸入其中，創(chuàng)建了多個(gè)物理量子模型，例如創(chuàng)建LNG供給泵的液態(tài)及壓力模型、創(chuàng)建換熱器的液氣兩相流轉(zhuǎn)換模型、創(chuàng)建壓縮機(jī)的熱氣動(dòng)模型等系統(tǒng)部件的模型，并根據(jù)子部件間的真實(shí)工藝流程及數(shù)值計(jì)算關(guān)系，連接相應(yīng)子部件模型，搭建起完整的供氣系統(tǒng)多物理量模型，并在其中輸入設(shè)備工藝參數(shù)，如LNG儲(chǔ)罐容積、泵特性曲線、換熱器參數(shù)、管路管徑長(zhǎng)度、緩沖罐容積等。供氣系統(tǒng)多物理量模型如圖4所示。

圖4 供氣系統(tǒng)多物理量模型Fig. 4 Multi physical quantity model of gas supply system

多物理量系統(tǒng)模型用于模擬液態(tài)LNG在管道中的流動(dòng)情況，并模擬液態(tài)-氣態(tài)轉(zhuǎn)換及主機(jī)/輔機(jī)氣體燃料消耗情況，同時(shí)模擬計(jì)算出各個(gè)子部件中介質(zhì)的流量、溫度及壓力變化特性。

1.3 創(chuàng)建自動(dòng)化電氣模型

創(chuàng)建供氣系統(tǒng)自動(dòng)化電氣模型。首先，根據(jù)供氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)需求創(chuàng)建自動(dòng)化系統(tǒng)硬件配置，完成控制系統(tǒng)硬件組態(tài)。其次，根據(jù)供氣系統(tǒng)工藝流程和報(bào)警點(diǎn)清單，運(yùn)用Portal軟件編制PLC程序，完成WINCC人機(jī)操作界面的設(shè)計(jì)。最后，創(chuàng)建自動(dòng)化系統(tǒng)虛擬PLC，并設(shè)置虛擬PLC與多物理量模型、三維可視化模型間的軟件通信接口。

2 模擬仿真數(shù)據(jù)應(yīng)用分析

2.1 模擬仿真平臺(tái)應(yīng)用數(shù)據(jù)分析

利用仿真系統(tǒng)驗(yàn)證2種供氣模式下供氣壓力的穩(wěn)定性和跟隨性。一種工況為供氣系統(tǒng)恒壓供氣模式，即供氣壓力不隨主機(jī)負(fù)荷變化而變化，在此處主機(jī)供氣壓力需求范圍為12.5±0.1 Bar。設(shè)置主機(jī)負(fù)荷從25%→50%→75%→100%加載，觀察主機(jī)供氣管路出口氣體壓力變化。主機(jī)耗氣量曲線和主機(jī)供氣出口壓力曲線如圖5和圖6所示?？梢钥闯觯S著主機(jī)耗氣量不斷增加，主機(jī)供氣出口壓力始終維持在12.5±0.05 Bar之間，符合主機(jī)供氣壓力±0.2 Bar設(shè)置范圍，驗(yàn)證了供氣系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖5 主機(jī)耗氣量曲線Fig. 5 Gas consumption curve of main engine

圖6 主機(jī)供氣出口壓力曲線Fig. 6 Pressure curve of main engine air supply outlet

另一種工況為供氣系統(tǒng)變壓供氣模式，即供氣壓力隨主機(jī)負(fù)荷變化而變化。主機(jī)負(fù)荷與供氣壓力設(shè)定值對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示，各個(gè)負(fù)荷階段對(duì)應(yīng)不同的供氣壓力，且隨著負(fù)荷的提升，供氣壓力不斷增加。主機(jī)所需供氣壓力與供氣出口壓力曲線圖，如圖7所示。①號(hào)曲線為主機(jī)負(fù)荷變化時(shí)所需供氣壓力曲線圖，主機(jī)工況從25%→50%→75%→100%加載，再?gòu)?00%突降至25%，由此驗(yàn)證供氣壓力是否滿足發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行需求；②號(hào)曲線為供氣系統(tǒng)主機(jī)供氣出口壓力變化曲線，從數(shù)據(jù)中可以得出，在主機(jī)負(fù)荷攀升過(guò)程中，供氣系統(tǒng)出口壓力在20 s內(nèi)可調(diào)至主機(jī)所需供氣壓力，即使主機(jī)負(fù)荷由100%突降至25%的過(guò)程中，供氣出口壓力也在1 min內(nèi)完成供氣壓力調(diào)節(jié)，滿足主機(jī)供氣需求，驗(yàn)證了供氣壓力跟隨性良好。

圖7 主機(jī)負(fù)荷與系統(tǒng)供氣壓力曲線Fig. 7 Curve of main engine load and system air supply pressure

2.2 驗(yàn)證工藝參數(shù)及邏輯合理性

在船舶供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，借助模擬仿真技術(shù)完成系統(tǒng)工藝參數(shù)的全范圍驗(yàn)證，比如管道是否設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)造成壓降過(guò)大，潛液泵最大轉(zhuǎn)速是否滿足供氣需求，換熱器換熱量是否滿足供氣系統(tǒng)換熱需求等。在變壓供氣模式下，LNG潛液泵選型初期模擬供氣壓力曲線，如圖8所示，左側(cè)第一列縱坐標(biāo)為潛液泵轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)①號(hào)潛液泵轉(zhuǎn)速變化曲線；第二列為供氣壓力，對(duì)應(yīng)②號(hào)主機(jī)負(fù)荷攀升主機(jī)所需壓力變化曲線和③號(hào)主機(jī)供氣出口壓力變化曲線。可以看出，當(dāng)主機(jī)100%負(fù)荷且供氣壓力達(dá)到14 Bar時(shí)，潛液泵轉(zhuǎn)速已達(dá)6 000 r/min，超過(guò)了潛液泵選型最大轉(zhuǎn)速。通過(guò)模擬仿真技術(shù)驗(yàn)證，及時(shí)更正了潛液泵選型，為后續(xù)供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造奠定了基礎(chǔ)。

圖8 潛液泵轉(zhuǎn)速曲線Fig. 8 Speed curve of submerged pump

表1 主機(jī)負(fù)荷與供氣壓力對(duì)應(yīng)表Tab. 1 Corresponding table of main engine load and air supply pressure

在模擬仿真系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，主機(jī)供氣出口壓力變化如圖9所示。①號(hào)曲線為負(fù)荷攀升時(shí)，主機(jī)所需壓力變化曲線；②號(hào)曲線為主機(jī)供氣出口壓力變化曲線?？梢钥闯?，主機(jī)負(fù)荷變化后，供氣壓力表現(xiàn)出波動(dòng)較大和滯后性，經(jīng)過(guò)對(duì)PID參數(shù)修正，優(yōu)化控制邏輯，使得供氣壓力變化滿足主機(jī)供氣需求。在此過(guò)程中，同時(shí)排除了眾多邏輯控制錯(cuò)誤，如I/O點(diǎn)位錯(cuò)誤、報(bào)警邏輯及動(dòng)作錯(cuò)誤、上位機(jī)顯示錯(cuò)誤、控制策略錯(cuò)誤等，驗(yàn)證各類操作模式的合理性。

圖9 供氣壓力變化曲線Fig. 9 Variation curve of air supply pressure

3 模擬仿真技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 縮短設(shè)備調(diào)試周期

通過(guò)運(yùn)用一系列模擬仿真軟件創(chuàng)建模擬仿真系統(tǒng)，模擬供氣系統(tǒng)復(fù)雜的運(yùn)行過(guò)程。在供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段初期，完成工藝參數(shù)及控制邏輯的全范圍驗(yàn)證，提前排除邏輯錯(cuò)誤，減少實(shí)船調(diào)試時(shí)間，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)虛擬調(diào)試整個(gè)過(guò)程均在無(wú)風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下進(jìn)行，避免工程調(diào)試時(shí)的錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，降低了試錯(cuò)成本。

3.2 提升工程設(shè)計(jì)質(zhì)量

在實(shí)船試航之前，驗(yàn)證控制策略及操作模式的合理性，預(yù)判供氣系統(tǒng)潛在問(wèn)題，降低實(shí)船調(diào)試的復(fù)雜性，修正虛擬環(huán)境中自動(dòng)化程序和機(jī)器功能，增加系統(tǒng)的確定性和穩(wěn)定性，使控制系統(tǒng)在實(shí)際調(diào)試時(shí)更能夠滿足客戶的預(yù)期效果，確保產(chǎn)品設(shè)備正常交付。

3.3 開(kāi)展虛擬培訓(xùn)

通過(guò)虛擬仿真技術(shù)建立全方位、全尺寸的FGSS供氣系統(tǒng)，可對(duì)雙燃料機(jī)船舶船員進(jìn)行虛擬培訓(xùn)?？赏ㄟ^(guò)三維可視化模型，使船員全面了解FGSS供氣系統(tǒng)的構(gòu)造組成，加深對(duì)各類設(shè)備空間位置、功能作用的了解，也可通過(guò)電氣控制系統(tǒng)人機(jī)操作界面，使船員熟悉整個(gè)供氣系統(tǒng)的工藝流程及操作步驟等，增強(qiáng)培訓(xùn)效果，縮短培訓(xùn)周期。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能制造時(shí)代的帶來(lái)，如何加快制造業(yè)與數(shù)字化結(jié)合成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。通過(guò)FGSS模擬仿真技術(shù)的開(kāi)發(fā)，將供氣系統(tǒng)物理實(shí)體全面拷貝到計(jì)算機(jī)仿真軟件中，實(shí)現(xiàn)了從初期工藝流程圖設(shè)計(jì)，到中期設(shè)備選型、自動(dòng)化程序編制，再到后期系統(tǒng)模擬仿真調(diào)試的全流程數(shù)字化，在加快開(kāi)發(fā)速度、縮短調(diào)試周期、優(yōu)化機(jī)械性能、減少調(diào)試風(fēng)險(xiǎn)等方面取得了突破性的進(jìn)展。通過(guò)模擬仿真平臺(tái)應(yīng)用，加快了產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)速度，為后期產(chǎn)品高質(zhì)量交付奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。