油化船及LNG 動(dòng)力船舶的船岸連接切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃丞，姚炯

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203）

0 前 言

船岸連接切斷系統(tǒng)是指油船和化學(xué)品船（油化船）在碼頭進(jìn)行貨油輸送或LNG 動(dòng)力船在碼頭或通過(guò)加注船進(jìn)行加氣時(shí)，在突發(fā)緊急情況下，能夠自動(dòng)停止貨油泵或加注船動(dòng)力泵和相關(guān)主閥，停止液體貨物和貨物揮發(fā)蒸氣流動(dòng)，使貨物操作系統(tǒng)處于安全、靜止的狀態(tài)，旨在提高船舶和碼頭的安全性。

2017年OCIMF（石油公司國(guó)際海事論壇）出臺(tái)了關(guān)于油船和化學(xué)品船的貨物傳輸船岸連接應(yīng)急切斷系統(tǒng)（ESD）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)船級(jí)社也在2019年1 月1 日簽發(fā)了OCIMF 的“油船和化學(xué)品船管匯及相關(guān)設(shè)備建議符合性聲明的指導(dǎo)性文件”， 要求2019 年及以后新造的油船和化學(xué)品船配置安裝ESD 系統(tǒng)，SIGTTO（國(guó)際燃?xì)鈨?chǔ)罐和碼頭操作協(xié)會(huì)）也專門出臺(tái)了基于上述OCIMF 標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。另一方面，根據(jù)OCIMF、SIGTTO、ISO 標(biāo)準(zhǔn)和IMO 關(guān)于使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料國(guó)際船舶安全規(guī)則（IGF CODE）以及相關(guān)船級(jí)社規(guī)范要求，新造和改裝的LNG 動(dòng)力船舶也都需配置安裝ESD 系統(tǒng)。 英國(guó)TRELLEBORG 公司是最早也是唯一參與制定2017版OCIMF 標(biāo)準(zhǔn)的公司， 在技術(shù)上占有很大優(yōu)勢(shì)，只有該公司的LNG 船岸通信系統(tǒng)可兼容全球全部LNG 碼頭以及LNG 加注船舶， 其他歐美公司還在研發(fā)中。 國(guó)內(nèi)也沒(méi)有獨(dú)家生產(chǎn)、出售該系統(tǒng)的公司。

在綠色減排的大趨勢(shì)下，未來(lái)大部分新造船舶和改造船舶將以LNG 作為動(dòng)力燃料替代部分燃油使用，與之配套的LNG 加注碼頭或者躉船加注站也都在規(guī)劃布局中。 中國(guó)是世界第一造船大國(guó)，新造油化船（包括LNG 動(dòng)力油化船）以及LNG 動(dòng)力散貨船、集裝箱船等主力運(yùn)輸船舶，大部分都在國(guó)內(nèi)船廠建造， 因此船岸連接切斷系統(tǒng)的市場(chǎng)需求巨大。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研， 目前大多數(shù)船東都希望提供針對(duì)LNG 罐子液位/壓力/溫度/流速和貨艙液位以及與碼頭關(guān)聯(lián)的船岸連接系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有觸發(fā)自動(dòng)切斷的聲光報(bào)警裝置以及手動(dòng)切斷按鈕， 并集成TRELLEBORG 公司的LNG 船岸通信系統(tǒng)。

1 技術(shù)要求

典型的船岸連接系統(tǒng)如圖1 所示，信號(hào)連接形式有3 種：氣動(dòng)信號(hào)，電氣信號(hào)，光纖信號(hào)。 船岸通信系統(tǒng)傳輸?shù)闹饕盘?hào)有：

圖1 船岸連接系統(tǒng)配置圖

1）完整ESD 信號(hào)（主要）

2）監(jiān)測(cè)報(bào)警與控制信號(hào)

3）互相連接的其他監(jiān)視系統(tǒng)信號(hào)

4）纜繩張力數(shù)據(jù)信號(hào)

5）CCTV 信號(hào)

6）電話、傳真信號(hào)

7）網(wǎng)絡(luò)信號(hào)

應(yīng)急切斷系統(tǒng)（ESD）設(shè)計(jì)需滿足SIGTTO、OCIMF 以及ISO 20519:2017 的要求，該系統(tǒng)的核心功能是在緊急狀態(tài)下切斷液態(tài)貨物和氣體的流動(dòng)。

1.1 油船和化學(xué)品船

油化船ESD 系統(tǒng)通過(guò)電纜連接本地船舶與岸基碼頭或其他船舶（終端），采用符合OCIMF/SIGTTO 技術(shù)規(guī)格的5 針扭轉(zhuǎn)接頭作為通用設(shè)備， 如圖2、圖3、圖4 所示。終端也可以采用其他形式的ESD系統(tǒng)，例如無(wú)線連接或其他形式的接頭。 如果使用其他形式的ESD 系統(tǒng)，終端負(fù)責(zé)確保該系統(tǒng)與到訪船只兼容。 當(dāng)在船上觸發(fā)ESD 的動(dòng)作（trip）指令時(shí)，能向終端發(fā)送ESD 信號(hào)，同樣終端也能向船舶發(fā)出同樣指令和信號(hào)。 手動(dòng)觸發(fā)是ESD 系統(tǒng)最基本要求，也可配備在異常操作條件時(shí)自動(dòng)停止貨物傳輸?shù)难b置，在貨油艙高位、貨艙壓力過(guò)高或過(guò)低、貨物傳送系統(tǒng)超壓、火警或氣體探測(cè)異常以及船舶位移過(guò)度等情況下自動(dòng)發(fā)出指令信號(hào)。

圖2 船用插座外型圖

圖3 碼頭用插頭外型圖

圖4 5 針插頭定義圖

ESD 系統(tǒng)必須滿足：

1） 在船舶或終端上啟動(dòng)ESD 時(shí)，所有的貨物輸送泵都將停止。

2） 當(dāng)終端的油罐高位警報(bào)啟動(dòng)時(shí)，船舶的貨物輸送泵也將被停止。

1.2 LNG 動(dòng)力船舶

光纖連接方式是LNG 動(dòng)力船舶船岸連接系統(tǒng)最常使用的連接方式［1］，如圖5 所示。 當(dāng)LNG 動(dòng)力船舶與小型LNG 加注船或LNG 碼頭工作時(shí)， 可傳輸雙方過(guò)程控制參數(shù)（LNG 罐子液位/壓力/溫度/流速等數(shù)據(jù)），系統(tǒng)需內(nèi)嵌系統(tǒng)測(cè)試/系統(tǒng)診斷模式/越控模式，以及和對(duì)方電話通信。 LNG 動(dòng)力船ESD 安全通信系統(tǒng)須配備以下通用通信設(shè)施，包括：

圖5 LNG 動(dòng)力船舶光纖連接示意圖

1） 通信控制系統(tǒng)（ESD 本地& 遠(yuǎn)程狀態(tài)，雙方數(shù)據(jù)信息-LNG 罐子液位/壓力/溫度/流速等數(shù)據(jù)），帶有主/從/遠(yuǎn)程/測(cè)試等功能選擇；

2） ISO 規(guī)范熱線電話，用以LNG 船船或LNG船岸之間電話通信；

3）SIGTTO5 芯標(biāo)準(zhǔn)電系統(tǒng)接頭用以傳輸雙方ESD；

4） 2 芯標(biāo)準(zhǔn)光系統(tǒng)接頭，標(biāo)準(zhǔn)SONET 數(shù)據(jù)傳輸，傳輸雙方ESD 信號(hào)/電話信號(hào)/數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)等；

5）系統(tǒng)測(cè)試單元。

氣動(dòng)連接方式是LNG 項(xiàng)目最早使用的船岸連接型式， 圖6 所示的氣動(dòng)連接只具備ESD 功能，一般作為光纖和電氣連接的備用應(yīng)急連接系統(tǒng)使用。該系統(tǒng)由氣調(diào)節(jié)閥、壓力開(kāi)關(guān)、壓力指示器、電磁閥和軟管等組成。系統(tǒng)壓力通常設(shè)置在2～8 bar（1 bar=105Pa），氣源通過(guò)岸站或者船側(cè)提供，一般設(shè)置5 bar為工作壓力，3 bar 為報(bào)警壓力觸發(fā)ESD 信號(hào)［2］。 但該系統(tǒng)運(yùn)行緩慢， 且易受灰塵和潮濕空氣的影響，影響ESD 系統(tǒng)的關(guān)閉時(shí)間。

圖6 LNG 動(dòng)力船舶氣動(dòng)連接示意圖

2 船岸連接切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 油船和化學(xué)品船的船岸連接應(yīng)急切斷系統(tǒng)油化船船岸連接應(yīng)急切斷系統(tǒng)主要由船岸應(yīng)

急切斷控制箱（ESD 控制箱）、船岸連接控制箱（ESL控制單元）、甲板插座箱（帶5 芯電插頭）、切斷按鈕、聲光報(bào)警裝置等設(shè)備組成，如圖7 所示。 應(yīng)急切斷控制箱和連接控制箱通常放置于貨控室內(nèi)，在裝卸貨時(shí)可方便船員在貨控室進(jìn)行操作。 甲板插座箱、切斷按鈕以及聲光報(bào)警裝置通常各一個(gè)設(shè)置在貨倉(cāng)區(qū)域甲板兩舷側(cè)，第三個(gè)切斷按鈕放置在貨控室。

圖7 油船和化學(xué)品船的船岸連接應(yīng)急切斷系統(tǒng)

當(dāng)船舶靠泊油/化碼頭時(shí)，通過(guò)甲板插座箱和碼頭方相應(yīng)機(jī)帶電纜插頭連接，通信雙方急停信號(hào)。例如本船發(fā)生高位報(bào)警時(shí)，觸發(fā)急停信號(hào)，通過(guò)船岸切斷控制箱和船岸連接控制箱，將此急停信號(hào)傳輸給碼頭方，反之亦然。

應(yīng)急切斷控制箱由主應(yīng)兩路電源供電，同時(shí)切斷箱還負(fù)責(zé)為船岸連接控制箱供電和傳輸雙向信號(hào)。 船上的其他動(dòng)作和報(bào)警信號(hào)則由應(yīng)急切斷控制箱集中送出，包括船上停貨油系統(tǒng)的信號(hào)、本系統(tǒng)故障信號(hào)、貨控臺(tái)和機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警公共信號(hào)、液貨艙液位高信號(hào)以及其他備用信號(hào)等，可按照船型特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

應(yīng)急切斷控制箱的內(nèi)部接口如圖8 所示，控制箱主要由主控芯片、電源輸入輸出模塊、各信號(hào)輸入輸出模塊（ESD、急停、高位報(bào)警、聲光報(bào)警、貨油泵、其他信號(hào)等），以及必要的外部設(shè)備組成。

圖8 應(yīng)急切斷控制箱的內(nèi)部接口圖

應(yīng)急切斷控制箱的電源硬件電路如圖9 所示，電源電路設(shè)計(jì)有“主電源AC/DC 變換穩(wěn)壓電路”和“應(yīng)急電源DC/DC 變換穩(wěn)壓電路”，任何一路電源控制器都可以由內(nèi)部的低壓控制電路提供電源。 當(dāng)供電電源出現(xiàn)異常時(shí)（如電壓超限、斷電），控制器通過(guò)“主電源、應(yīng)急電源切換繼電器”進(jìn)行輸入電源的自動(dòng)切換，以保證控制器以及接口能正常工作。 主電源、應(yīng)急電源冗余工作，是由冗余模塊的電壓信號(hào)進(jìn)行處理的。 為了避免主電源或應(yīng)急電源故障而影響主系統(tǒng)運(yùn)行， 設(shè)有AC/DC 和DC/DC 雙電源模塊。 當(dāng)冗余電源模塊通過(guò)檢測(cè)判定有AC 或DC 電源故障時(shí)，輸出動(dòng)作信號(hào)，通過(guò)“IAS 通信電路”對(duì)外部關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行報(bào)警。

圖9 應(yīng)急切斷控制箱電源硬件電路圖

應(yīng)急切斷控制箱的控制硬件電路如圖10 所示， 操作面板電路主要由LED 指示燈及控制電路、操作按鍵電路、蜂鳴器及遙控指示電路組成。 主電路由PLC 結(jié)合繼電器組電路組成，PLC 邏輯控制輸出，繼電器實(shí)現(xiàn)控制電路動(dòng)作執(zhí)行，外接本質(zhì)安全型按鈕電路和本質(zhì)安全型隔離模塊，適用除氫氣外的所有零區(qū)。 接口控制電路有集成電路板集中控制輸入輸出信號(hào)以及處理功能。 接口控制面板由LED狀態(tài)指示燈、復(fù)位按鈕、選擇開(kāi)關(guān)線路組成，LED 雙色變換，實(shí)時(shí)指示LINS 的連接工作狀態(tài)。 接口兼容國(guó)際化的SIGTTO 5 芯標(biāo)準(zhǔn)，多種工作狀態(tài)選擇。

圖10 應(yīng)急切斷控制箱控制硬件電路圖

軟件電路采用PLC 梯形圖編程， 西門子SIMATIC S7-200 硬件。最終產(chǎn)品實(shí)物如圖11 所示，產(chǎn)品檢驗(yàn)包括整體外觀和檢查、現(xiàn)場(chǎng)電纜測(cè)試、ESD功能測(cè)試、工廠驗(yàn)收測(cè)試等。

圖11 油船化學(xué)品船船岸連接切斷系統(tǒng)部件

2.2 LNG 動(dòng)力船舶船岸連接切斷系統(tǒng)

2.2.1 LNG 動(dòng)力油化船

LNG 動(dòng)力油化船的船岸連接切斷系統(tǒng)如圖12所示，該系統(tǒng)主要由船岸切斷控制箱、船岸連接控制箱（含光/電/氣功能）、甲板插座箱（帶光/電/氣插頭）、切斷按鈕、聲光報(bào)警裝置、油化/LNG 切斷轉(zhuǎn)換功能開(kāi)關(guān)等設(shè)備組成。 切斷控制箱和連接控制箱通常放置于貨控室內(nèi)，在裝卸貨和LNG 供氣時(shí)可方便船員在貨控室進(jìn)行操作。 甲板插座箱、切斷按鈕以及聲光報(bào)警裝置通常各一個(gè)設(shè)置在貨艙區(qū)域甲板兩舷側(cè)，第三個(gè)切斷按鈕和油化/LNG 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)放置在貨控室。

圖12 LNG 動(dòng)力油船和化學(xué)品船的船岸連接切斷系統(tǒng)

當(dāng)船舶靠泊油/化碼頭時(shí)，通過(guò)切斷轉(zhuǎn)換功能開(kāi)關(guān)，順利切換到油/化電通信功能，通過(guò)甲板插座箱和碼頭方相應(yīng)臍帶電纜插頭連接，通信雙方急停信號(hào)。 例如本船發(fā)生高位報(bào)警時(shí)，觸發(fā)急停信號(hào)，通過(guò)船岸切斷控制箱和船岸連接控制箱，將此急停信號(hào)傳輸給碼頭方，反之亦然。

當(dāng)船舶與LNG 加注船連接時(shí)，通過(guò)甲板插座箱和加注船方相應(yīng)臍帶電纜插頭連接，通信雙方ESD信號(hào)、熱線電話以及罐子的液位/壓力/溫度等信號(hào)，以便本船接收到對(duì)方船信號(hào)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)功能執(zhí)行，例如聲光報(bào)警，以及觸發(fā)本船F(xiàn)GSS 系統(tǒng)的ESD 信號(hào)，反之亦然。

切斷控制箱由主電源和應(yīng)急電源兩路供電，油化/LNG 轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)切換裝卸貨和LNG 加氣兩種模式。 船上的其他動(dòng)作和報(bào)警信號(hào)則由應(yīng)急切斷控制箱集中送出， 包括了船上停貨油系統(tǒng)的信號(hào)、本系統(tǒng)故障信號(hào)、 貨控臺(tái)和機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警公共信號(hào)、液貨艙液位高信號(hào)以及其他備用信號(hào)等，可按照船型特點(diǎn)進(jìn)行擴(kuò)展。

系統(tǒng)內(nèi)部接口如圖13 所示，內(nèi)部接口圖、硬件原理和產(chǎn)品外觀與油化船相似，主要是增加了油氣轉(zhuǎn)換模塊和光纖接口。

圖13 LNG 動(dòng)力油船和化學(xué)品船的船岸連接切斷系統(tǒng)內(nèi)部接口圖

2.2.2 LNG 動(dòng)力其他船型

相較于LNG 動(dòng)力油船和化學(xué)品船，LNG 動(dòng)力其他船型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖14 所示。 設(shè)備配置比LNG 動(dòng)力油化船少了轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。 當(dāng)和LNG 加注船連接時(shí)，通過(guò)甲板插座箱和加注船方相應(yīng)臍帶電纜插頭連接，通信雙方ESD 信號(hào)、熱線電話以及罐子的液位/壓力/溫度等信號(hào)， 以便本船接收到對(duì)方船信號(hào)時(shí)進(jìn)行相應(yīng)功能執(zhí)行，例如聲光報(bào)警，以及觸發(fā)本船F(xiàn)GSS 系統(tǒng)的ESD 信號(hào)，反之亦然。

圖14 LNG 動(dòng)力其他船型的船岸連接切斷系統(tǒng)

油化船及LNG 動(dòng)力船舶的船岸連接切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以使得作業(yè)船舶或碼頭發(fā)生緊急切斷信號(hào)后，及時(shí)自動(dòng)地切斷雙方的緊急切斷系統(tǒng)，以保證加注狀態(tài)與加注區(qū)域的安全可控，避免非可控狀態(tài)的火災(zāi)及?；坊蛉加捅苄孤?此外，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人為手動(dòng)切斷和聲光報(bào)警，以及船東對(duì)于船舶其他系統(tǒng)外部接口輸入輸出的個(gè)性化需求。 下一步，可針對(duì)系統(tǒng)主控箱顯示界面的友好性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖15 LNG 動(dòng)力其他船型的船岸連接切斷系統(tǒng)內(nèi)部接口圖

3 結(jié) 語(yǔ)

依據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)以及市場(chǎng)需求，經(jīng)過(guò)船岸連接切斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品原理設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)及檢驗(yàn)，油化船的船岸連接切斷系統(tǒng)產(chǎn)品已成功安裝在7 999 t 加油船的首制船上，在進(jìn)行船岸以及船船貨物傳輸時(shí)，當(dāng)觸發(fā)切斷信號(hào)后，能夠及時(shí)有效地停止相關(guān)設(shè)備工作，有效保護(hù)船舶安全運(yùn)行和海洋環(huán)境。