張漢柱,王岳,蔣志勇
江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003
船用脫硫塔的改造安裝是應(yīng)對在2020年1月1日以后國際海事組織(international maritime organization, IMO)“限硫令”中關(guān)于除排放控制區(qū)以外的全球其他海域船用燃油的最大硫含量不得超過0.5%的規(guī)定的重要措施。船用脫硫塔安裝工作作為剛剛起步的一項(xiàng)新興業(yè)務(wù)[1],不同于車間流水線的制造模式,其施工組織形式具有一定的復(fù)雜性、不確定性以及隨機(jī)性,是典型的離散事件。Petri網(wǎng)作為有效描述離散事件動(dòng)態(tài)的系統(tǒng),基于安裝過程中作業(yè)任務(wù)之間的合理邏輯關(guān)系,運(yùn)用工作流分析方法,通過Petri網(wǎng)對船用脫硫塔安裝過程進(jìn)行建模,并通過plant simulation的仿真技術(shù)手段,可以有效研究船用脫硫塔的安裝過程,對于提升船用脫硫塔系統(tǒng)安裝效率、降低工程成本具有重要的意義。
針對船用脫硫塔改造安裝問題,國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了較多的研究。王彥等[2]提出了基于相同噸位級別的船舶脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相似性,通過共性化處理某些關(guān)鍵影響因素,可以有效提高設(shè)計(jì)方案的通用性。羅英隆[3]提出了對船用脫硫塔進(jìn)行科學(xué)選型及從煙囪形狀設(shè)計(jì)、設(shè)備及船柜布置兩個(gè)方面科學(xué)設(shè)計(jì)脫硫塔系統(tǒng)加裝方案的方法 。戴慧慧等[4]探究了開式廢氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)船加裝設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和難點(diǎn),并為滿足系統(tǒng)功能要求提出設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及應(yīng)對措施。付佳等[5]以某18 萬t級散貨船為研究對象,從是否安裝脫硫塔、安裝同類型不同型號(hào)脫硫塔和安裝不同類型脫硫塔這 3 個(gè)因素著手探究了安裝脫硫塔對船舶局部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響,并對振動(dòng)劇烈的結(jié)構(gòu)提出優(yōu)化方案。賈榮強(qiáng)等[6]介紹了脫硫系統(tǒng)改裝過程中設(shè)計(jì)、施工的注意事項(xiàng)及解決方案,了試航調(diào)試過程中的系統(tǒng)調(diào)試參數(shù)要求。牛新苗等[7]在散貨船脫硫塔安裝工藝的基礎(chǔ)上,提出了制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)工藝流程規(guī)范來確保脫硫塔正確安裝,縮短機(jī)艙棚總段合攏周期的方案。張國鋒等[8]探索了脫硫塔項(xiàng)目的安裝風(fēng)險(xiǎn)及應(yīng)對措施,提出船東可以通過盡早與脫硫設(shè)備廠商簽訂供應(yīng)合同的方式,為日后的不確定性留下緩沖空間。張廣彧[9]通過對船舶廢氣脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程的分析,歸納和研究了系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。
綜上所述,船用脫硫塔改裝的研究對安裝設(shè)計(jì)、施工特點(diǎn)、注意事項(xiàng)及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的研究較多,而對其安裝工期計(jì)劃的研究較少,不能有效解決船用脫硫塔改造安裝工程中的效率問題。本文就開式脫硫塔系統(tǒng)的設(shè)備組成及安裝調(diào)試流程進(jìn)行總結(jié)分析,運(yùn)用離散事件動(dòng)態(tài)理論及仿真技術(shù)手段,構(gòu)建了Petri網(wǎng)開式船用脫硫塔系統(tǒng)安裝模型,詳細(xì)表述了其安裝過程的設(shè)備狀態(tài)及作業(yè)活動(dòng)之間的邏輯關(guān)系。在實(shí)際生產(chǎn)中,工程進(jìn)度會(huì)受到各種不確定因素的影響,為了保證工期,制定合理的施工計(jì)劃,在Plant Simulation中構(gòu)建了集成多因素影響的船用脫硫塔安裝仿真模型,用仿真模型來研究其施工工期方面存在的問題,從而優(yōu)化作業(yè)安裝工期、及時(shí)處理突發(fā)情況。
常用的船用脫硫系統(tǒng)類型如圖1所示,可分為干式脫硫系統(tǒng)和濕式脫硫系統(tǒng)。干式脫硫系統(tǒng)主要包括脫硫單元、鈣粉供應(yīng)筒和傳送帶以及脫硫過程控制及排放檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)正常工作的廢氣溫度在240~450 ℃,氫氧化鈣粉粒的直徑一般在2~8 mm,氫氧化鈣與硫氧化物反應(yīng)后生成石膏(硫酸鈣)。濕式脫硫系統(tǒng)包括開式脫硫塔、閉式脫硫塔和混合式脫硫塔。其中開式脫硫塔系統(tǒng)是利用弱堿性的海水對含有硫氧化物的船舶廢氣進(jìn)行中和脫硫,具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、耗能大的特點(diǎn),比較適用于海水水域,但不少國家和港口限制使用。閉式脫硫塔系統(tǒng)是將混有堿性化學(xué)物質(zhì)的洗滌水對含有硫氧化物的船舶廢氣進(jìn)行中和脫硫,脫硫后的洗滌水排入收集柜,等待岸上或者第三方接收。該系統(tǒng)不受海水堿度的影響,且不污染海洋,但安裝和營運(yùn)成本高,較適用于淡水和港內(nèi)水域。混合式脫硫塔系統(tǒng)是將開式與閉式有效組合,系統(tǒng)間可靈活切換,優(yōu)勢互補(bǔ),但是成本高,系統(tǒng)復(fù)雜。因干式脫硫系統(tǒng)比較復(fù)雜、反應(yīng)速度慢等缺點(diǎn),開式系統(tǒng)安裝和運(yùn)營成本低[10],目前的船舶多采用濕式脫硫系統(tǒng)。
圖1 船用脫硫塔類型
濕式開式脫硫塔系統(tǒng)主要是一種利用海水中堿性物質(zhì)與廢氣中堿性物質(zhì)之間的化學(xué)反應(yīng)來去除廢氣中的硫元素的系統(tǒng)[11]。該系統(tǒng)主要包括脫硫塔裝置、海水裝置、控制裝置、監(jiān)測裝置、空氣裝置、排氣裝置以及各類附件。脫硫塔裝置主要包括脫硫主、副塔,是整個(gè)脫硫塔系統(tǒng)的核心設(shè)備,是煙氣與脫硫劑反應(yīng)的主要場所;海水裝置主要包括海水泵以及變頻器單元,主要用來保證海水與煙氣充分混合;控制裝置主要包括主控制板和遙控板,主要用來負(fù)責(zé)脫硫塔系統(tǒng)的各類設(shè)備啟、停操作以及各類參數(shù)的顯示,對于準(zhǔn)確掌握整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行具有主要的作用;監(jiān)測裝置主要包括煙氣監(jiān)測模塊、海水進(jìn)出口監(jiān)測模塊,用來完成煙氣及海水狀態(tài)的采樣分析;空氣裝置主要包括密封風(fēng)機(jī)、密封風(fēng)機(jī)啟動(dòng)器以及空氣供應(yīng)模塊,用來防止煙氣泄露以及各類氣動(dòng)閥開關(guān)的動(dòng)力;排氣裝置主要包括原煙氣擋板和凈煙氣擋板,主要用來負(fù)責(zé)煙氣的排放路徑;附件主要包括各種管道、閥門、流量計(jì)、儀器等,用來保證整個(gè)脫硫系統(tǒng)的完整性。船用脫硫塔系統(tǒng)的設(shè)備組成如圖2所示。
圖2 船用脫硫塔開式系統(tǒng)主要設(shè)備
船用脫硫塔系統(tǒng)改造主要圍繞一增二改三區(qū)域的原則進(jìn)行改造安裝,即增加脫硫塔一個(gè)設(shè)備,改造機(jī)械和電氣兩個(gè)方面,改造機(jī)艙、原煙囪及新增分段3個(gè)區(qū)域,這個(gè)作業(yè)過程分為分段作業(yè)及設(shè)備及附件安裝作業(yè)兩個(gè)部分。整個(gè)安裝調(diào)試過程可描述為分段或設(shè)備運(yùn)至施工現(xiàn)場,安裝人員進(jìn)行安裝作業(yè)分配,圍繞三大區(qū)域進(jìn)行改造,對分段進(jìn)行搭載,設(shè)備進(jìn)行安裝,在安裝時(shí)先對設(shè)備位置進(jìn)行校準(zhǔn)核實(shí),做好安裝作業(yè)的準(zhǔn)備工作,隨后按照時(shí)間先后順序完成安裝,整體調(diào)試,船用脫硫塔系統(tǒng)整體安裝工程完成?;谘b置的安裝流程如圖3所示。
圖3 基于裝置的船用脫硫塔的安裝工作流程
船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝工程的設(shè)備主要來源于船東、供應(yīng)商以及船廠。由于設(shè)備來源廣,致使系統(tǒng)在地點(diǎn)和時(shí)間維度上不連續(xù),同時(shí)在設(shè)備供貨、運(yùn)輸、裝配、調(diào)試過程中易受到安裝作業(yè)人員、施工設(shè)備、工器具、技術(shù)等多方面的影響,易造成設(shè)備供貨不足、工期緊等現(xiàn)象,符合離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的特征。
在船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝過程中,船用脫硫塔體積相對龐大,且廢氣清洗系統(tǒng)涉及到機(jī)械部分和電氣部分的修改范圍較廣[12],系統(tǒng)零部件較復(fù)雜,安裝程序多,主要存在以下幾個(gè)方面的影響因素。
1) 設(shè)備進(jìn)廠的時(shí)間的影響。設(shè)備進(jìn)廠時(shí)間往往受到船廠、船東、供應(yīng)商3方面的影響,同時(shí)又受到設(shè)備制造技術(shù)、運(yùn)輸工具以及施工現(xiàn)場進(jìn)度與現(xiàn)場環(huán)境的影響,具有一定的不確定性。
2) 原船改造時(shí)間的影響。每艘船舶的建造布置形式不同,其改造難度也不盡相同,原船是設(shè)備的載體,許多安裝設(shè)備需要在完成原船改造的情況下才可以完成,這個(gè)階段需要一定的時(shí)間,同時(shí)在改造過程中還有許多安全措施、準(zhǔn)備工作要做。
3) 設(shè)備現(xiàn)場安裝調(diào)試時(shí)間的影響。由于原船環(huán)境大多比較復(fù)雜,存在交叉施工的情況,而現(xiàn)場的施工需要按照一定的工序進(jìn)行安裝施工,即安裝需要有先后順序,否則就會(huì)出現(xiàn)安裝難以進(jìn)行或是無法安裝的情況[13],這也給船用脫硫塔安裝改造工程帶來的一定的不確定性。同時(shí)該項(xiàng)工作受到作業(yè)人員數(shù)量、技術(shù)水平、設(shè)備精度等因素的影響而表現(xiàn)出安裝進(jìn)程的不確定性。
4) 自然因素的影響。船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝過程中,存在些許的露天作業(yè)以及涂裝作業(yè),容易受到惡劣天氣的影響,導(dǎo)致施工進(jìn)度的影響。
社會(huì)因素的影響。主要指船用脫硫塔系統(tǒng)安裝過程中會(huì)受到工程資金、行業(yè)技術(shù)規(guī)范以及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等因素的影響。
Petri網(wǎng)是由德國人Petri提出的,用于描述分布式系統(tǒng)的一種模型,它是一類描述離散事件的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在 Petri 網(wǎng)系統(tǒng)里,不僅可以描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),還可以模擬系統(tǒng)的運(yùn)行,能清楚直觀地表現(xiàn)系統(tǒng)的狀態(tài)及活動(dòng),常用來建模和分析并發(fā)、異步和分布式信息處理系統(tǒng)[14]。船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝系統(tǒng)多工種作業(yè)的工程活動(dòng),具有高空作業(yè)多,交叉作業(yè)多,受限空間、時(shí)間多,動(dòng)火作業(yè)多等特點(diǎn),是典型的離散事件系統(tǒng),符合Petri網(wǎng)建模的要求,因此可以用Petri網(wǎng)來表現(xiàn)船用脫硫塔改造安裝的過程。
在建立Petri網(wǎng)模型時(shí),需要對整個(gè)改造流程及相互之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行清晰的梳理,確保整個(gè)建模過程符合現(xiàn)場的實(shí)際情況,確保整個(gè)改造安裝項(xiàng)目順利進(jìn)行。通過對上文船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝流程的描述,可以清晰反映出作業(yè)的安裝順序及相互的邏輯關(guān)系。在船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝Petri網(wǎng)模型中,通過用Petri網(wǎng)中的庫所P(圓圈表示)表現(xiàn)安裝的狀態(tài),用變遷T(矩形表示)來表示安裝過程的活動(dòng),用有向?。^)表示過程的變遷的邏輯關(guān)系。根據(jù)基于裝置的船用脫硫塔安裝流程的模型,如圖4所示。其中庫所S0~S9代表安裝各個(gè)子工程開始的資源庫所,其余庫所P1~P12代表工程活動(dòng)中各個(gè)變遷完成后的狀態(tài),庫所A1代表工程活動(dòng)中的堆場狀態(tài),庫所A2代表工程活動(dòng)中的分流狀態(tài),變遷R1代表工程活動(dòng)中的改造過程,變遷T1~T9代表工程活動(dòng)中的運(yùn)輸變遷,變遷L代表工程活動(dòng)中的吊運(yùn)變遷,變遷I1~I(xiàn)10代表工程活動(dòng)的安裝和裝配變遷,變遷C代表整個(gè)工程活動(dòng)的調(diào)試階段。
圖4 船用脫硫塔改造安裝Petri網(wǎng)模型
Petri網(wǎng)是離散型系統(tǒng)建模的有效工具,但隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大,Petri網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)就會(huì)表現(xiàn)得比較冗余,致使系統(tǒng)的仿真及分析變得復(fù)雜,不利于系統(tǒng)的分析,而Plant Simulation可以很好地對離散型事件進(jìn)行快速建模[15]。因此建立結(jié)構(gòu)化的Petri網(wǎng)與抽象化的仿真模型之間的映射關(guān)系,充分利用Petri網(wǎng)及plant simulation仿真軟件各有的優(yōu)點(diǎn),對提高仿真結(jié)果的真實(shí)性和可靠性具有重要意義。
Petri網(wǎng)中,整個(gè)過程是以托肯為向?qū)?,通過數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),通過托肯在整個(gè)網(wǎng)中的流動(dòng)來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過程。而在仿真軟件Plant Simulation中,通過移動(dòng)對象的運(yùn)行來表現(xiàn)Petri網(wǎng)中托肯的運(yùn)行狀態(tài),通過用輸入的數(shù)據(jù)和編程方法控制物流對象來表現(xiàn)Petri網(wǎng)中變遷過程和庫所狀態(tài),因此Petri網(wǎng)與Plant Simulation軟件之間存在一定的相似性,具有一定的映射關(guān)系,可以相互轉(zhuǎn)化。
在建立Petri網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上,通過模型中實(shí)體及實(shí)體的邏輯關(guān)系映射為Plant Simulation 仿真模型,對該安裝進(jìn)程進(jìn)行仿真分析[16]。依據(jù)所建Petri網(wǎng)模型以及仿真軟件的特點(diǎn),將其中的關(guān)系一一映射,在仿真軟件里進(jìn)行仿真。通過仿真系統(tǒng)的模擬,可以有效改善安裝流程,優(yōu)化生產(chǎn)資源配置,減少計(jì)劃方案的錯(cuò)誤,增強(qiáng)決策與控制水平[17],對指導(dǎo)現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。在Plant Simulation中對所有庫所及變遷的映射關(guān)系做如下說明:
8) 基于所有設(shè)備均是在原船上進(jìn)行安裝調(diào)試,故此仿真原船改造用容器表示,其余設(shè)備用零件表示,脫硫塔安裝的實(shí)質(zhì)是在原船上采用裝配的形式將各個(gè)設(shè)備及附件累計(jì)連接起來,形成一個(gè)完整的系統(tǒng),故在裝配階段采用零件附加的形式將所有部分結(jié)合在一起。
根據(jù)Petri網(wǎng)模型及其映射關(guān)系,運(yùn)用plant simulation 軟件建立相應(yīng)的模型,其模型如圖5所示。
此實(shí)例為某一開式船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝工程,其施工進(jìn)度如圖6所示。
圖5 船用脫硫塔安裝模型
圖6 某開式船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝進(jìn)度計(jì)劃
將圖6某開式船用脫硫塔系統(tǒng)改造安裝進(jìn)度計(jì)劃中船用脫硫塔安裝時(shí)間輸入模型中,以小時(shí)為單位進(jìn)行分析,并將工作日以8 h工作制計(jì)算。安裝過程中會(huì)因?yàn)楦鞣N不確定因素影響工期計(jì)劃[18],故假設(shè)各部分到達(dá)時(shí)間服從(計(jì)劃開始時(shí)間,計(jì)劃開始時(shí)間×5%)的正態(tài)分布,裝配處理時(shí)間服從(計(jì)劃處理時(shí)間,計(jì)劃時(shí)間×10%)的正態(tài)分布[19],對所編制的計(jì)劃可行性進(jìn)行分析評估[20]。
在運(yùn)行仿真模型時(shí),輸入數(shù)據(jù)的隨機(jī)性會(huì)帶來輸出結(jié)果的隨機(jī)性,如果僅僅運(yùn)行一次仿真模型,或者僅僅試驗(yàn)幾個(gè)隨機(jī)抽出的方案,所得到的結(jié)果或者據(jù)此得出的結(jié)論,其有效性、精確性和一般性顯然是無法保證的。為了解決這一問題,需要多次運(yùn)行仿真,取最合適的仿真次數(shù)來決定運(yùn)行結(jié)果。本文通過plant simulation軟件自帶的實(shí)驗(yàn)管理器來確定該模型的仿真次數(shù)n。通過實(shí)驗(yàn)管理器,變更仿真運(yùn)行次數(shù),將n分別設(shè)置為10、50、100、200、500、1 000,然后查看結(jié)果的差異。其運(yùn)行結(jié)果如表1所示。仿真次數(shù)較多且結(jié)果各異,一般選擇置信區(qū)間相對較短,即置信區(qū)間下界與下界的差值最小的n值比較合理,根據(jù)表1可知,實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)都符合這一要求,但實(shí)驗(yàn)5和實(shí)驗(yàn)6的差別不大,故取實(shí)驗(yàn)5的運(yùn)行次數(shù)作為合理的運(yùn)行值,即500次作為仿真的實(shí)驗(yàn)次數(shù),即取觀察表5中的觀察數(shù)的結(jié)果作為仿真運(yùn)行的最終的結(jié)果。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到,項(xiàng)目施工的工期均值為10:21,即261 h;標(biāo)準(zhǔn)差為14,即14 h;最小值為8:23,即215 h;最大值為13:00,即312 h。將船用脫硫塔安裝施工工期的分組組距取8 h,其工期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。
表1 實(shí)驗(yàn)管理器運(yùn)行結(jié)果
圖7 船用脫硫塔工期完工次數(shù)直方圖
表2 船用脫硫塔工期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)
圖8 擬合工期完工概率分布曲線
圖9 擬合工期完工概率曲線與工期風(fēng)險(xiǎn)度曲線
根據(jù)表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),繪制船用脫硫塔工期完工次數(shù)直方圖,見圖7;擬合工期完工概率分布曲線,見圖8;擬合工期完工概率曲線與工期風(fēng)險(xiǎn)概率曲線,見圖9。
從圖7和圖8可以看出,該船用脫硫塔安裝實(shí)例的完工時(shí)間最有可能在256~263 h,但由于工序及現(xiàn)場條件的影響工期的變化,因此項(xiàng)目群的完工工期較為廣泛。原計(jì)劃工期為30 d,每天工作8 h,則計(jì)劃完工工期為240 h,由實(shí)驗(yàn)可得若在該工況下,則完工的概率只有5.4%左右,完工風(fēng)險(xiǎn)非常高,高達(dá)90%以上,故該工況的施工工期應(yīng)該相應(yīng)加長。
從仿真分析的結(jié)果來看,該安裝工程按期完工的概率偏小,風(fēng)險(xiǎn)很大,并且完工時(shí)間分布較廣,故需要優(yōu)化施工方案來提高施工質(zhì)量,以保證施工工期按期完成。具體優(yōu)化方法如下:
1)提高船體新建分段的預(yù)舾裝量,使得船上作業(yè)在地面完成,以此來使得船上舾裝的工作量降低;
2)增加施工隊(duì)伍的人數(shù)或者多使用熟練工,減少施工返工率,這樣一來每天的作業(yè)量就會(huì)增加,以此來縮短施工工期;
3) 嚴(yán)格把控裝置以及附件到廠或制造的時(shí)間,不要因?yàn)檠b置以及附件到廠時(shí)間延遲來影響施工工期;
4) 合理安排施工作業(yè),同時(shí)及時(shí)獲得現(xiàn)場的反饋,以便及時(shí)處理影響施工工期的突發(fā)事件。
本文在詳細(xì)分析了船用脫硫塔安裝類型、工藝流程以及作業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,研究了船用脫硫塔安裝過程中的工期變化影響因素?;陔x散型事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論,運(yùn)用Petri網(wǎng)建立了基于裝置的船用脫硫塔安裝模型,描述了船用脫硫塔安裝進(jìn)度過程,并針對每個(gè)階段開始時(shí)間的不確定性及處理時(shí)間的不確定性,運(yùn)用plant simulation 軟件對某一船用脫硫塔安裝工期的合理性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。通過一定量的隨機(jī)實(shí)驗(yàn),獲得了合理的工期數(shù)據(jù),用Excel對工期數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而對船用脫硫塔安裝計(jì)劃工期的可行性進(jìn)行了分析,并給出了保證施工按期完成的方法,為安裝作業(yè)的工期控制提供了理論依據(jù)。仿真模擬結(jié)果表明,根據(jù)安裝作業(yè)現(xiàn)場情況的不確定性,通過合理的仿真實(shí)驗(yàn),可對作業(yè)安裝工期進(jìn)行合理的預(yù)估和編制,進(jìn)一步優(yōu)化工程項(xiàng)目施工工期,更好地把握施工工期的變更等突發(fā)情況,更加合理地安排施工作業(yè)。