深海采矿船的协同控制策略_唐慧妍.pdf

11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8深海采矿船的协同控制策略 唐慧妍1,2 吴春秋3 王海燕4 1.中国船舶集团有限公司第七一一研究所；2.船舶与海洋工程特种装备和动力系统国家工程研究中心；3.海军装备部驻上海地区第一军事代表室；4.上海海事大学商船学院 摘 要：深海采矿船作为采矿作业母船，即装备动力定位系统也装备采矿系统。深海采矿作业是主要工作模式，既要保证采矿作业的连续性，也要保证船舶及动力定位系统的安全性。协同控制能够协调不同系统之间的运行工况和能量使用，提高船舶的作业效率和经济性。当前，协同控制主要表现在两个方面：一是建立集中控制平台，将所有系统纳入统一监控；二是使用电能管理系统，对采矿作业设备、动力定位设备等实现电能优化分配和管理。采矿作业系统内部、采矿作业与船舶系统之间的协同控制，有助于提高作业效率，提升船舶能效，将成为重点研究领域。关键词：深海采矿船；采矿作业；协同控制；电能管理系统海洋中蕴藏着丰富的矿产资源,尤其镍、钴等金属是很多高新技术产业的核心元素1。大多数海洋矿产位于深海,深海采矿船是深海矿产开发的基本装备。采矿设备众多,需要连续、可靠工作,对深海采矿船的动力、电力系统的可靠性和安全性提出了较高要求2。深海采矿船上装有大量大功率负载,包括水下采矿系统、扬矿系统和水面支持系统等多个组成部分,需要对不同系统进行统一管理和调配船舶动力和电力系统,高效的实现各系统、设备的协同控制在深海采矿船舶中日益重要。通过协同控制策略不仅可以促进各系统的协同工作,而且能够达到优化管理和合理分配全船能量,有效提升船舶能效的目标。1.系统主要组成国际主流的深海采矿装备体系一般由水面支持系统（海面支持平台和矿物处理系统）、采矿机系统及扬矿系统构成,如图1所示3。1.1水面支持子系统水面支持子系统是水下采矿、矿浆提升和输送系统的支持平台,也是采矿设备的控制中心,对矿浆进行初步处理和短暂存储,适时转运至矿浆运输船,同时也是采矿工作人员的起居处所。水面支持系统一般可以分为船舶式和平台式两类。平台式水面支持系统没有自航能力,平台的移位需图1 一般深海采矿系统流程图2 管道提升系统示意78学术ACADEMICDOI:10.14125/ki.zjsy.2023.02.00811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8长时间作业,具备采矿、航行、生活保障等多种功能6。采矿船设备众多、系统复杂,需面对多种工作环境和状态。因此,采矿船的运行工况复杂,不同运行工况下需要各系统协同工作。在采矿作业方面,采矿船需要保持动力定位,控制、管理进行水下采矿作业,将海底矿物输送至母船；需要处理、存储采集到的矿物并将其转运至矿物运输船；需要对水下和甲板作业设备进行监控、维护等。在航行方面,采矿船具备自主航行能力,在遭遇恶劣海况时能够紧急撤离。在生活保障方面,采矿船能够为船员和采矿作业人员提供具有良好的舒适性的工作、起居场所。根据深海采矿船的作业流程,采矿船的运行工况划分如表1所示。除自航工况外,深海采矿船的其他工况均依靠长时间动力定位。采矿作业与船舶自身运转及定位必须协调工作,要由专门拖船拖带。船舶式水面支持系统功能齐备,具备自航能力和较大的自持力,可以装备较高精度的动力定位系统4。此外,矿物处理设备和装卸设备也是水面支持系统的主要用能设备,需要与扬矿系统紧密配合。1.2矿机子系统矿机系统主要由深海采矿机和与之配套的监控系统、配电系统构成,包含深海挖掘系统、水下机器人、采矿车、辅助切割机械等。采矿机主要包括自行式履带作业车、集矿机构、破碎机构、液压系统、监控系统、动力装置、软管连接装置等5。目前采用的深海固体矿产资源的采集方法包括机械式、水力式及机械-水力复合式等4。此方法主要参考陆地岩石机械切削式破碎剥离法,适度结合柔性和并列多滚筒等微地形适应技术,因此其回采率和贫化率尚未取得较大进展。无法采用哪种方法,因其在深水作业,都需要足够的能源供应和良好的控制技术。1.3扬矿子系统扬矿子系统将采集到的矿石提升到海面的采矿船上。扬矿管既是提升矿石的管道,同时又连接海底集矿机,作为水下设备、动力电缆和测控通讯电缆的结构支承设备。有实用价值的扬矿系统包括水力提升和气力提升系统（见图2）。其中,水力提升的效率较高,更具实用性。扬矿子系统由输送软管、软管输送泵、中间仓、扬矿硬管、多级潜水电泵、洋面输送管道及扬矿子系统的测控与动力设备等组成。这些既是用能大户,也需要与采矿系统、水面支持系统协同工作。2.深海采矿船的运行工况深海采矿船作为海上生产、支持和存储性船舶,需要在采矿作业水域表1 深海采矿船典型工况及作业流程表典型工况工作状态作业流程航行工况航行搭载采矿设备航行至作业海域 作业准备船舶就位去除软管、立管等固定载荷；添加井架处可变载荷；准备开始作业。布放工况在动力定位状态下,将采矿作业设备布放到矿区检查全部设备,确保状态正常；布放采矿车；布放水下中继站；布放硬管并对接；布放提升泵；布放软管和ROV；对接软管与中继站；对接软管与采矿车。作业工况1动力定位状态下定点采矿作业安全检查；管道输送检查；采矿车按照规划路径进行矿浆开采；提升矿浆并进行脱水；脱水后的矿物转运至存储舱。作业工况2动力定位状态下矿区内迁移采矿车停机；各相关设备停机；采矿车运行至下一作业区；采矿船通过随动定位系统跟随采矿车迁移至下一作业区域。转运工况动力定位状态下运输船将矿物转运至运输船货舱内作业系统停止工作；运输船与采矿船安全靠泊；将采矿船存储的矿物转移到运输船；系统安全检查和维护；运输船与采矿船脱离生存工况紧急避难作业系统停止工作,与船舶脱离珠江水运 2023 027911mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8既要保证动力定位操作的安全性,又要尽可能保证采矿作业的连续性,提高采矿效率。因此,在不同工况、不同作业状态下,各系统、设备间需要良好的协同控制,才能保证整个采矿船系统稳定、可靠地长期运行。3.深海采矿船的协同控制深海采矿船的主要动力系统可以概括为推进系统、采矿系统和辅助系统。在不同的作业工况下,各种系统处于不同的工作状态。为保证整个系统协调运行,深海采矿船需要一套综合监控系统,协同控制各子系统的运行,应涵盖常规船用监测报警系统、综合自动化控制系统的要求。当前,综合控制系统中的推进、采矿和辅助系统在运行过程中仍相对独立。推进、采矿和辅助系统对电能的需求和使用相互影响、相互关联,需要协同工作,以保证船舶安全性和正常作业。采矿作业系统本身设备众多、结构复杂,各作业流程需要相互配合,各系统、设备间协同控制非常重要。深海采矿船整体协同控制主要体现在采矿作业系统本身各子系统或系统设备间的协同以及电能管理方面采矿系统与推进系统之间的协同。为了保证采矿作业的协调性,集成系统控制应能够对每个独立系统进行实时监控,实现对各独立系统的协同控制,保存采集的数据以便进行辅助决策。3.1深海采矿船各系统间的协同深海采矿系统的控制包括下放、水下行走采矿作业、回收3个环节。控制系统应完成的功能包括信号采集、集矿机控制（下放回收控制和行走控制）、通讯（控制器间通讯和与上位机通讯）。在采矿机的工作任务中,既有周期性的（如行走作业、信号采样、通信等）任务,也有非周期性的（如报警测试、避障、姿态调整等）任务。采矿机采集到的矿浆先经软管送至中间矿仓,然后经给料机的多级提升管道运至海面采矿船,沉降出的海水经初步脱泥后排入海中。扬矿系统须在恶劣海况条件下实现全部操作,系统设备功率大、检测难、数据交换量大,其设计应当遵循模块化、网络化原则,应尽可能在水面直接修改和调试水下各站的程序。多级式扬矿控制系统的最主要要求是给料机给料均匀,保证扬矿的生产能力和扬矿浓度的稳定。在海面风浪的影响下,采矿船会产生升沉位移,需要配置升沉补偿系统与扬矿系统配合。采矿船与液压缸运动方向相反,因此扬矿管的稳定可通过液压缸的位移进行补偿。液压缸的补偿位移可用一个专门的装置测得,利用此装置结合船上安装的电磁波位移传感器,就可以得到采矿船升沉位移。将此位移作为输入,将液压缸的补偿位移量作为被控量,两者形成反馈控制。虽然采矿、扬矿和水面支持系统间的协同控制能够保证采矿作业的顺利完成,但在作业效率和能效提升方面还需要进一步研究协同控制的策略,达到提高效率和节约能源的目的。3.2能量利用及管理协同船舶系统与采矿作业系统间的协同控制主要体现在能量管理策略方面,在船舶电站系统的设计和管理、控制方面进行充分的协同,在能量管理系统中实现协同控制策略。采矿系统设备众多,负载功率大,同时采矿作业是主要运行工况,因此,设计时的一个主要内容是应对采矿船在各种运行工况下的采矿设备电力负荷进行计算和分析7。深海采矿船综合控制系统设计应制定合理的能量管理策略并适时优化。能量管理策略的制定应充分分析推进系统和采矿作业系统的作业工况及能量消耗,确定系统的设备配置,准确计算不同运行工况下的能量负荷需求,然后确定各工况下发电机的运行模式,最后综合优化可靠性、经济性与安全性要求,得到采矿船整体能量管理策略。为了满足采矿船运行过程中的负荷需求、稳定性与安全性,能量管理系统需要具有机组调度与控制、频率控制与负载分配、电压控制与负载分配、推进系统的功率限制、快速减载以及重载询问等功能8。3.2.1电能管理控制策略电能管理系统首先应确保在实际运行工况下发电机都能够提供充足电力,然后在此基础上提升能量利用效率,降低能耗。能量管理系统以船舶电力系统能量优化分配为目的,与船舶电力系统的配置、发电机与负载的功率和整个采矿船的运行模式以及电力设备控制方式密切相关。深海采矿船最大的特点是需要长时间在深海区域进行采矿作业。深海采矿船上的采矿作业设备负荷大、数量多,并且采矿作业是船舶的主要任务。因此,在电能管理系统中应考虑采矿作业的连续性,同时也应考虑对采矿设备进行功率限制,提高船舶电站的安全性和能效水平。深海采矿船电能管理系统（PMS）的控制对象主要包括柴油发电机组、配电板、采矿设备、DP设备等。根据用电设备对功率的实际需求,系统应对各台柴油发电机组进行合理功率分配和启停管理,协调各发电机组的工作,同时对配电系统和电网进行监控,从而为各船舶设备及采矿设备提供可靠、稳定的电能。采矿作业设备的功率信息由PMS进行处理,保证采矿作业的连续性及船舶电站的安全性。深海采矿船一般配备DP-2系统,在动力定位运行工况下不允许全船失电。PMS会暂时限制推进器的输出功率,达到防止发电机组过载的目的。深海采矿船运行中存在靠绑接驳转运工况,需保证船舶的动力定位能力,防止出现事故,因此,还应考虑对采矿设80学术ACADEMIC11mm17mm9mm标题4mm4mm署名 811mm17mm9mm标题4mm4mm署名 8参考文献：1康娅娟,刘少军.深海采矿提升系统研究综述J.机械工程学报,2021,57(20):232-243.2翁康强.深海采矿船电站及功率管理系统方案研究J.海峡科学,2016(12):72-77.3姜月,刘放,黄世平.深海采矿工艺流程及主要装备J.现代制造技术与装备,2021.4于全虎.海洋采矿技术及采矿船舶发展综述J.北部湾大学学报,2020.5戴圣伟.深海采矿车行走控制技术研究D.中南大学,2008.6翁康强.深海采矿船综合控制系统功能设计研究J.机电技术,2020(1):5.7肖祖维.深海采矿船电站选型设计浅析J.海峡科学,2019(8):6.8潘志强.电力推进船舶能量管理系统控制策略研究D.武汉理工大学.备进行功率限制和自动分级卸载。按照采矿船的负载分配情况及作业模式,可以采用采矿作业设备功率限制加双级卸载的方案,还可以根据电站负荷情况分优先等级逐步分级卸载。在配电板负荷达到90%时,PMS开始限制采矿设备的功率输出,采矿设备的工作速率下降,但采矿作业的持续性和动力定位的安全性可以得到保证。当功率被限制后,若配电板负荷继续上升到某一水平（如达到95%时）,须卸载部分采矿设备