油化船及LNG 動力船舶的船岸連接切斷系統設計

黃丞，姚炯

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

0 前 言

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

2017年OCIMF（石油公司國際海事論壇）出臺了關于油船和化學品船的貨物傳輸船岸連接應急切斷系統（ESD）的行業標準，中國船級社也在2019年1 月1 日簽發了OCIMF 的“油船和化學品船管匯及相關設備建議符合性聲明的指導性文件”， 要求2019 年及以后新造的油船和化學品船配置安裝ESD 系統，SIGTTO（國際燃氣儲罐和碼頭操作協會）也專門出臺了基于上述OCIMF 標準的相關要求。另一方面，根據OCIMF、SIGTTO、ISO 標準和IMO 關于使用氣體或其他低閃點燃料國際船舶安全規則（IGF CODE）以及相關船級社規范要求，新造和改裝的LNG 動力船舶也都需配置安裝ESD 系統。 英國TRELLEBORG 公司是最早也是唯一參與制定2017版OCIMF 標準的公司， 在技術上占有很大優勢，只有該公司的LNG 船岸通信系統可兼容全球全部LNG 碼頭以及LNG 加注船舶， 其他歐美公司還在研發中。 國內也沒有獨家生產、出售該系統的公司。

在綠色減排的大趨勢下，未來大部分新造船舶和改造船舶將以LNG 作為動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劃布局中。 中國是世界第一造船大國，新造油化船（包括LNG 動力油化船）以及LNG 動力散貨船、集裝箱船等主力運輸船舶，大部分都在國內船廠建造， 因此船岸連接切斷系統的市場需求巨大。根據市場調研， 目前大多數船東都希望提供針對LNG 罐子液位/壓力/溫度/流速和貨艙液位以及與碼頭關聯的船岸連接系統，該系統具有觸發自動切斷的聲光報警裝置以及手動切斷按鈕， 并集成TRELLEBORG 公司的LNG 船岸通信系統。

1 技術要求

典型的船岸連接系統如圖1 所示，信號連接形式有3 種：氣動信號，電氣信號，光纖信號。 船岸通信系統傳輸的主要信號有：

圖1 船岸連接系統配置圖

1）完整ESD 信號（主要）

2）監測報警與控制信號

3）互相連接的其他監視系統信號

4）纜繩張力數據信號

5）CCTV 信號

6）電話、傳真信號

7）網絡信號

應急切斷系統（ESD）設計需滿足SIGTTO、OCIMF 以及ISO 20519:2017 的要求，該系統的核心功能是在緊急狀態下切斷液態貨物和氣體的流動。

1.1 油船和化學品船

油化船ESD 系統通過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 技術規格的5 針扭轉接頭作為通用設備， 如圖2、圖3、圖4 所示。終端也可以采用其他形式的ESD系統，例如無線連接或其他形式的接頭。 如果使用其他形式的ESD 系統，終端負責確保該系統與到訪船只兼容。 當在船上觸發ESD 的動作（trip）指令時，能向終端發送ESD 信號，同樣終端也能向船舶發出同樣指令和信號。 手動觸發是ESD 系統最基本要求，也可配備在異常操作條件時自動停止貨物傳輸的裝置，在貨油艙高位、貨艙壓力過高或過低、貨物傳送系統超壓、火警或氣體探測異常以及船舶位移過度等情況下自動發出指令信號。

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 系統必須滿足：

1） 在船舶或終端上啟動ESD 時，所有的貨物輸送泵都將停止。

2） 當終端的油罐高位警報啟動時，船舶的貨物輸送泵也將被停止。

1.2 LNG 動力船舶

光纖連接方式是LNG 動力船舶船岸連接系統最常使用的連接方式［1］，如圖5 所示。 當LNG 動力船舶與小型LNG 加注船或LNG 碼頭工作時， 可傳輸雙方過程控制參數（LNG 罐子液位/壓力/溫度/流速等數據），系統需內嵌系統測試/系統診斷模式/越控模式，以及和對方電話通信。 LNG 動力船ESD 安全通信系統須配備以下通用通信設施，包括：

圖5 LNG 動力船舶光纖連接示意圖

1） 通信控制系統（ESD 本地& 遠程狀態，雙方數據信息-LNG 罐子液位/壓力/溫度/流速等數據），帶有主/從/遠程/測試等功能選擇；

2） ISO 規范熱線電話，用以LNG 船船或LNG船岸之間電話通信；

3）SIGTTO5 芯標準電系統接頭用以傳輸雙方ESD；

4） 2 芯標準光系統接頭，標準SONET 數據傳輸，傳輸雙方ESD 信號/電話信號/數字數據等；

5）系統測試單元。

氣動連接方式是LNG 項目最早使用的船岸連接型式， 圖6 所示的氣動連接只具備ESD 功能，一般作為光纖和電氣連接的備用應急連接系統使用。該系統由氣調節閥、壓力開關、壓力指示器、電磁閥和軟管等組成。系統壓力通常設置在2～8 bar（1 bar=105Pa），氣源通過岸站或者船側提供，一般設置5 bar為工作壓力，3 bar 為報警壓力觸發ESD 信號［2］。 但該系統運行緩慢， 且易受灰塵和潮濕空氣的影響，影響ESD 系統的關閉時間。

圖6 LNG 動力船舶氣動連接示意圖

2 船岸連接切斷系統設計

2.1 油船和化學品船的船岸連接應急切斷系統油化船船岸連接應急切斷系統主要由船岸應

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、聲光報警裝置等設備組成，如圖7 所示。 應急切斷控制箱和連接控制箱通常放置于貨控室內，在裝卸貨時可方便船員在貨控室進行操作。 甲板插座箱、切斷按鈕以及聲光報警裝置通常各一個設置在貨倉區域甲板兩舷側，第三個切斷按鈕放置在貨控室。

圖7 油船和化學品船的船岸連接應急切斷系統

當船舶靠泊油/化碼頭時，通過甲板插座箱和碼頭方相應機帶電纜插頭連接，通信雙方急停信號。例如本船發生高位報警時，觸發急停信號，通過船岸切斷控制箱和船岸連接控制箱，將此急停信號傳輸給碼頭方，反之亦然。

應急切斷控制箱由主應兩路電源供電，同時切斷箱還負責為船岸連接控制箱供電和傳輸雙向信號。 船上的其他動作和報警信號則由應急切斷控制箱集中送出，包括船上停貨油系統的信號、本系統故障信號、貨控臺和機艙監測報警公共信號、液貨艙液位高信號以及其他備用信號等，可按照船型特點進行擴展。

應急切斷控制箱的內部接口如圖8 所示，控制箱主要由主控芯片、電源輸入輸出模塊、各信號輸入輸出模塊（ESD、急停、高位報警、聲光報警、貨油泵、其他信號等），以及必要的外部設備組成。

圖8 應急切斷控制箱的內部接口圖

應急切斷控制箱的電源硬件電路如圖9 所示，電源電路設計有“主電源AC/DC 變換穩壓電路”和“應急電源DC/DC 變換穩壓電路”，任何一路電源控制器都可以由內部的低壓控制電路提供電源。 當供電電源出現異常時（如電壓超限、斷電），控制器通過“主電源、應急電源切換繼電器”進行輸入電源的自動切換，以保證控制器以及接口能正常工作。 主電源、應急電源冗余工作，是由冗余模塊的電壓信號進行處理的。 為了避免主電源或應急電源故障而影響主系統運行， 設有AC/DC 和DC/DC 雙電源模塊。 當冗余電源模塊通過檢測判定有AC 或DC 電源故障時，輸出動作信號，通過“IAS 通信電路”對外部關聯設備進行報警。

圖9 應急切斷控制箱電源硬件電路圖

應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 結合繼電器組電路組成，PLC 邏輯控制輸出，繼電器實現控制電路動作執行，外接本質安全型按鈕電路和本質安全型隔離模塊，適用除氫氣外的所有零區。 接口控制電路有集成電路板集中控制輸入輸出信號以及處理功能。 接口控制面板由LED狀態指示燈、復位按鈕、選擇開關線路組成，LED 雙色變換，實時指示LINS 的連接工作狀態。 接口兼容國際化的SIGTTO 5 芯標準，多種工作狀態選擇。

圖10 應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。最終產品實物如圖11 所示，產品檢驗包括整體外觀和檢查、現場電纜測試、ESD功能測試、工廠驗收測試等。

圖11 油船化學品船船岸連接切斷系統部件

2.2 LNG 動力船舶船岸連接切斷系統

2.2.1 LNG 動力油化船

LNG 動力油化船的船岸連接切斷系統如圖12所示，該系統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、聲光報警裝置、油化/LNG 切斷轉換功能開關等設備組成。 切斷控制箱和連接控制箱通常放置于貨控室內，在裝卸貨和LNG 供氣時可方便船員在貨控室進行操作。 甲板插座箱、切斷按鈕以及聲光報警裝置通常各一個設置在貨艙區域甲板兩舷側，第三個切斷按鈕和油化/LNG 轉換開關放置在貨控室。

圖12 LNG 動力油船和化學品船的船岸連接切斷系統

當船舶靠泊油/化碼頭時，通過切斷轉換功能開關，順利切換到油/化電通信功能，通過甲板插座箱和碼頭方相應臍帶電纜插頭連接，通信雙方急停信號。 例如本船發生高位報警時，觸發急停信號，通過船岸切斷控制箱和船岸連接控制箱，將此急停信號傳輸給碼頭方，反之亦然。

當船舶與LNG 加注船連接時，通過甲板插座箱和加注船方相應臍帶電纜插頭連接，通信雙方ESD信號、熱線電話以及罐子的液位/壓力/溫度等信號，以便本船接收到對方船信號時進行相應功能執行，例如聲光報警，以及觸發本船FGSS 系統的ESD 信號，反之亦然。

切斷控制箱由主電源和應急電源兩路供電，油化/LNG 轉換開關負責切換裝卸貨和LNG 加氣兩種模式。 船上的其他動作和報警信號則由應急切斷控制箱集中送出， 包括了船上停貨油系統的信號、本系統故障信號、 貨控臺和機艙監測報警公共信號、液貨艙液位高信號以及其他備用信號等，可按照船型特點進行擴展。

系統內部接口如圖13 所示，內部接口圖、硬件原理和產品外觀與油化船相似，主要是增加了油氣轉換模塊和光纖接口。

圖13 LNG 動力油船和化學品船的船岸連接切斷系統內部接口圖

2.2.2 LNG 動力其他船型

相較于LNG 動力油船和化學品船，LNG 動力其他船型的系統設計如圖14 所示。 設備配置比LNG 動力油化船少了轉換開關。 當和LNG 加注船連接時，通過甲板插座箱和加注船方相應臍帶電纜插頭連接，通信雙方ESD 信號、熱線電話以及罐子的液位/壓力/溫度等信號， 以便本船接收到對方船信號時進行相應功能執行，例如聲光報警，以及觸發本船FGSS 系統的ESD 信號，反之亦然。

圖14 LNG 動力其他船型的船岸連接切斷系統

油化船及LNG 動力船舶的船岸連接切斷系統設計，可以使得作業船舶或碼頭發生緊急切斷信號后，及時自動地切斷雙方的緊急切斷系統，以保證加注狀態與加注區域的安全可控，避免非可控狀態的火災及?；坊蛉加捅苄孤?。 此外，系統可實現人為手動切斷和聲光報警，以及船東對于船舶其他系統外部接口輸入輸出的個性化需求。 下一步，可針對系統主控箱顯示界面的友好性進行優化設計。

圖15 LNG 動力其他船型的船岸連接切斷系統內部接口圖

3 結 語

依據規范和標準以及市場需求，經過船岸連接切斷系統設計和產品原理設計、生產、試驗及檢驗，油化船的船岸連接切斷系統產品已成功安裝在7 999 t 加油船的首制船上，在進行船岸以及船船貨物傳輸時，當觸發切斷信號后，能夠及時有效地停止相關設備工作，有效保護船舶安全運行和海洋環境。