新型化学品船温度控制系统研究

水平

摘要：根据IMO关于国际散装运输危险化学品船舶结构和设备规范，针对化学品船高温货品运输的特殊要求，设计化学品船货品的温度监控系统．系统采用先进的DCS结构、PLC控制技术和双循环系统等，加热介质有热水、蒸汽和热油三种．设计的温度监控系统可以解决危险化学品运输和装卸的安全防护问题，为解决新型化学品船设计和建造的关键技术进行有益的探索．

关键词：化学品船；运输／装卸；高温货品；温度控制系统

0 引 言

随着经济和贸易的发展，各种特殊物质的运输已经成为值得关注的问题，为此，新型化学品船应运而生．化学品船主要指运载除石油、成品油及液化石油气体以外的各种液、固态化学品货物的船舶，它是一种国际造船和航运界公认的高技术、高附加值的新型船舶之一．由于化学品的特殊性，其运输中的安全和环保问题必须得到保障，因此，开发并研究出符合最新国际公约规则的要求并具有一定前瞻性的化学品船对于中国参与国际船舶市场竞争显得尤为重要．

目前，新型化学品船在许多技术装备、工艺和设计技术等方面在中国尚属空白，因此该领域的研究对中国自行设计和建造高附加值、高新技术的船舶产品方面有重要意义．本文针对化学品船的运输特性，对其中液货安全最直接的温度监测和加热控制系统进行了研究，以解决高黏高温货品的运输和装卸问题，达到安全、高效运载特殊化学品的目的．通过对该系统的研究，为解决化学品船设计和建造方面的一些关键技术，建造新型化学品船做好技术准备．[1]

1 高温货品加热系统

根据IMO关于国际散装运输危险化学品船舶结构和设备规范IBC Codet[2]，化学品船运载的货品通常指在37．8℃温度时饱和蒸汽压不超过0．28 MPa的化学品，其中凝固点高于0℃及其以上的货品称为高温货品．出于如下原因，这些货品在运输过程中要进行加热处理：(1)黏度高的化学品通过加热，使其黏度降到可泵黏度范围内，实现用泵装卸货品；(2)避免货品在温度低时产生结晶，在货舱内形成沉淀物；(3)有些在常温下固体态的货品，是在熔融状态下用船舶运输的；(4)出于货品本身的化学稳定性要求，某些货品必须保持在某一温度范围内．[3]

高温货品加热系统设计应考虑如下因素：

1．1 加热方式

目前化学品船舶加热系统通常采用两种加热方式，一是在货舱内敷设加热盘来加热货舱内的货品，其加热系统结构简单，但对于货舱的清洗、盘管的修复工作带来很多不便；另一种是在货舱外甲板加热系统．一般的油船和大多数化学品船均采用前一种加热方式，对于容易发生沉淀的货品和有特殊规定货品则必须采用货舱外加热．

1．2 加热介质

加热系统采用的加热介质主要有热水、蒸汽和热油三种，其中热水的加热能力可将货品加热到90℃以上；蒸汽的焓值高，单位重量热介质的载热量大，热交换的效率高，适用于大多数货物；对于一些遇水会产生反应或易被水污染的货物，必须用热油或其他介质加热，其特点是系统压力低、不易腐蚀、温度高(可达220℃)等．

1．3 系统结构

化学品船运载的货物大多为有毒物质或对环境有严重污染的货品．为防止有毒物质进入加热系统而流到安全区域，给机舱工作人员带来危害，必须采用双循环加热系统．[4]

综上所述：化学品运输船的高温货品加热系统应采用双循环结构，由于机舱内配备的锅炉一般是蒸汽锅炉或热油锅炉，极少采用热水锅炉，故第一加热回路系统的加热介质采用来自安装在机舱内的蒸汽锅炉的蒸汽；由于热油加热系统的优点比较多，即使在货品可以用蒸汽加热的情况下，也往往采用热油加热，故第二加热回路采用热油加热．其结构如图1所示．

2 货物的温度监控系统

化学品货物种类繁多，有一些特殊的化学品货物在运输和装卸过程中需要保持一定的温度，因此需要一套温度的监测、调节控制环节，以做到实时地监控货物的状态，同时也为其他的控制环节服务．货物温度监控系统包括对货物温度的检测与货物温度的调节控制两个部分．

2．1 温度测量部分

温度测量的目的是实时监视货物的状态，为温度控制提供依据．根据货品是否要求封闭，可采用开放式、限制式或封闭式测量装置．对于高温高黏货品，在系统中要设置足够数量的温度传感器，布置在货舱上、中、下等不同部位，形成系统冗余，并计算平均温度，提高控制的精度和系统的安全系数．在此环节还可根据实际需要设置检测其他参数的传感器，如压力、液位、成分、湿度等．对于某些特殊货品，在其过热或者温度过低时会发生危险时，需要额外设置传感器，采集上、下限的报警温度．

2．2 加热温度控制系统

加热系统中设置有控制阀，用于隔断每个液货舱的加热，并在必要时可以用人工调节其流量．通常可采用液压、气动或者电动控制阀开闭，但触发控制应由电信号完成，以便于整个加热系统的集中控制和自动控制，如图2所示．

3 控制系统方案设计

分布式系统又称分散式控制系统或集散控制系统，其基本思想是集中操作管理，分散控制．控制分散，可以做到“危险分散”，从而使整个系统的可靠性大大提高；而集中操作可以将多种监控、管理功能有机地集成起来，使整个系统的功能大为提高．分布式系统采用层次化的积木式体系结构，组合灵活，易于扩展，具有高可靠性，便于维修与更新．[5]

目前，新型化学品船的单船吨位逐步增大，载运货品更多；分舱更密，以适应更多品种的货物；采用—舱—泵的装卸系统，营运性更灵活；船舶安全系统的要求更为全面．所以，货物系统的温度控制系统本身即是一个复杂的系统结构，同时又作为船舶自动化系统的一个组成部分，故设计中采用分布式的系统结构．该系统分为两个层次，如图3中的直接测控级和过程管理级，同时该层还与整船的自动化系统联网，作为其中的一个组成部分．[5]

3．1 直接测控级

采用PLC专用控制器，包括足够数量的传感器和气动、液压或电动在内的阀门．该环节安装在货舱附近，直接面对每个舱室的温度以及其他相关参数进行监测，使货品处于安全、良好的运输状态．在直接测控级配有小量的显示功能和报警功能，同时为了提高系统的可靠性，根据轮机设备规范要求，设置就地手动控制系统．该部分通过现场总线与上位机相连，实现数据和控制参数的传输．作为整船监测报警系统的一部分，需将报警信号整理出来，集中传送至全船报警系统，供其处理．[6]

3．2 过程管理级

该环节位于机舱集控站，采用工业控制计算机，具有如下功能：①综合监视直接控制级中各舱室的所有信息，集中显示和报警；②根据需要存储、打印一些主要的监测点参数和报警记录；③某些重要的设备运行信息、报警信息还实时通信至船舶自动化系统或航行记录设备中存储；④集中操作，进行各控制回路的组态、参数设定和修改，优化控制过程等；⑤具有遥控功能，实现对调节阀的远距离操作．

在系统设计时，必须对全部货舱所有监测信号进行全面了解，明确系统的组成、安装形式和功能实现方法，确定系统配置、设备选型．在设计中还考虑到控制系统的安全性、可靠性和方便性，使其符合相应的船舶自动化系统设计规范．

4 结 语

化学品船舶的安全航运是非常重要的，其船型始终处于发展变化之中，相关的国际公约和规则几乎年年都有新的举措．通过本文研究，给出了高温货品的温度控制系统的初步设计，同时也为化学品船的装卸自动化、洗舱自动化以及监测报警自动化系统提供了硬件基础，进一步完善了船舶自动化系统．本文所做的研究仅仅是初步的，还没有涉及化学品船设计和建造的很多方面，如船型、结构、动力装置等，但对高温货品在运输过程中状态进行监控，以达到安全，高效的目的，提高新型化学品船的安全性、高效性和经济性无疑具有重要的意义．

参考文献：

[1]刘强，高晖．危险化学品运输安全统一监控平台的探讨和设想[J]．中国安全科学学报，2006(2)：14-17．

[2]国际散装运输化学品船舶结构和设备规范IBC Code[z]．2002．

[3]危险化学品安全管理条例[z]．2002．

[4]沈斐敏，雷兢．危险化学品在运输过程中的危险分析与控制[J]．工业安全与环保，2005(11)：16-18．

[5]高东杰，谭杰，林红双．先进控制技术应用[M]．北京：国防工业出版社，2003．

[6]黄柱深，黄超麟．基于PLC的高精度温度控制系统[J]．机电工程技术，2006(2)：23-26．

作者：孟松，孟宪尧，韩新洁  来源：大连海事大学学报

marren