船用LNG 供氣系統(tǒng)控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

曾小林，丁尚志，李家樂，郭正華，張 暉

（上海船舶設(shè)備研究所，上海 200031）

0 引言

隨著人類對資源需求的日益增加，天然氣以其發(fā)熱量高、潔凈環(huán)保成為當(dāng)今社會的重要能源資源。2009年以來，國家開始推動內(nèi)河船舶應(yīng)用LNG 工作，從LNG 港口與碼頭、LNG 水上加注、LNG 船舶、LNG 水運(yùn)等方面出臺了系列標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，而燃料供氣控制系統(tǒng)是LNG 供氣的核心組成。針對LNG 船具有不同于常規(guī)燃料船舶的風(fēng)險(xiǎn)，燃料供氣控制系統(tǒng)集流程控制執(zhí)行、工作流程監(jiān)控和安全保護(hù)于一體，是實(shí)現(xiàn)燃?xì)夤?yīng)穩(wěn)定、設(shè)備安全運(yùn)行的核心，其優(yōu)劣直接影響到全船的整體性安全。

1 LN G 供氣系統(tǒng)的概述

LNG 供氣系統(tǒng)用于給雙燃料發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料，主要由加注站、C型燃料艙、汽化器、緩沖罐等組成，其原理如圖1所示。

圖1 LNG 供氣系統(tǒng)原理圖

LNG 供氣系統(tǒng)主要有加注和供氣2個(gè)工況，各工況的工作原理如下。

1）加注工況。加注站與加注方連接，加注方先用氮?dú)鈱幼⒐苈反祾?0 s，然后用閃蒸天然氣（Boil Off Gas，BOG）進(jìn)行預(yù)冷；當(dāng)溫度降到?120℃以下，預(yù)冷結(jié)束，開始進(jìn)行LNG 加注。當(dāng)燃料艙氣相壓力高于0.8 MPa 且溫度高于?130℃時(shí)，采用上噴淋進(jìn)液；當(dāng)氣相壓力≤0.8 MPa或溫度低于?130℃時(shí),采用下進(jìn)液。加注結(jié)束后，加注方進(jìn)行殘液吹掃，然后對加注管路進(jìn)行惰化。

2）供氣工況。水浴汽化器設(shè)置在燃料艙連接處所內(nèi)，將LNG 汽化成壓力、溫度、流量滿足雙燃料發(fā)動機(jī)要求的CNG（Compressed Natural Gas壓縮天然氣），CNG 經(jīng)緩沖罐向雙燃料發(fā)動機(jī)GVU（Gas Valve Unit 氣體閥件單元處所）供氣。自增壓自動維持燃料艙內(nèi)壓力，保證LNG持續(xù)不斷流出燃料艙，維持供氣質(zhì)量。

2 控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)主要目的是保證供氣系統(tǒng)持續(xù)、高效、穩(wěn)定和安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮系統(tǒng)獨(dú)立性、穩(wěn)定性、可靠性、功能完善性、控制邏輯合理性和設(shè)備、船舶安全性的原則。但控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)功能的側(cè)重點(diǎn)不同，控制系統(tǒng)主要側(cè)重于工藝流程的控制，而安全系統(tǒng)主要側(cè)重設(shè)備和船舶的安全防護(hù)，減少LNG 泄露等帶來的危害。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)采用基于PLC的分布式控制結(jié)構(gòu)，由于LNG 具有超低溫、易燃、易爆等特點(diǎn)，為了避免受共因故障的影響，控制、監(jiān)測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)完全獨(dú)立，控制、監(jiān)測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)所用的PLC控制器、電源、交換機(jī)、傳感器和電磁閥等完全獨(dú)立，但實(shí)現(xiàn)燃料供應(yīng)的氣動閥不需要重復(fù)設(shè)置，一個(gè)系統(tǒng)的故障不會影響另一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行；控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)由主電源和備用電源2路電源供電，任何一路電源故障自動切換到另一路電源供電，且電源切換過程不會影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；控制、監(jiān)測系統(tǒng)和安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立且都采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，任一系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)故障都不會影響另一系統(tǒng)；控制箱、駕控臺控制面板上都安裝有觸摸屏（HMI），任意一個(gè)觸摸屏硬件故障或通訊故障，其功能都能完全由另一個(gè)觸摸屏代替，且不影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)都是基于羅克韋爾Compact 5370 PLC以太網(wǎng)分布式架構(gòu)，系統(tǒng)使用靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)，當(dāng)供氣系統(tǒng)的工藝流程改變或功能需求改變時(shí)，只需增加PLC或者遠(yuǎn)程I/O 模塊的數(shù)量和修改控制程序，而無需改變原系統(tǒng)架構(gòu)，即可滿足新系統(tǒng)的要求。

觸摸屏（HMI）選用北爾電子X2 pro人機(jī)界面，具有2個(gè)獨(dú)立IP地址的以太網(wǎng)口，觸摸屏和控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)的通訊鏈路完全獨(dú)立，任一鏈路故障，都不會影響另一個(gè)系統(tǒng)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和獨(dú)立性。

系統(tǒng)內(nèi)部的通訊協(xié)議采用EtherNet/IP，但與可燃?xì)鈭?bào)警系統(tǒng)間的通訊協(xié)議采用Modbus RTU，通訊接口為RS485，與GVU 控制箱、IAS等外部系統(tǒng)的通訊協(xié)議采用Modbus TCP，通訊接口為以太網(wǎng)。

2.3 系統(tǒng)組成

控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)包括控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)控制箱（以下簡稱控制箱）、駕控臺控制面板，通風(fēng)風(fēng)機(jī)控制箱、可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)（可燃?xì)怏w控制器和可燃?xì)怏w探測器）、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（火災(zāi)報(bào)警控制器和感溫、感煙探頭）、加注站監(jiān)測箱、傳感器等，如圖3所示。

圖3 控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)組成

控制箱是控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)的核心，控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)的PLC、電源、交換機(jī)和安全柵等都布置在控制箱內(nèi)。加注監(jiān)測箱布置在加注站旁，加注作業(yè)時(shí)方便操作人員查看LNG 燃料艙的溫度、液位和壓力等參數(shù)及報(bào)警信息。安全系統(tǒng)配置獨(dú)立的可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，可燃?xì)怏w報(bào)警系統(tǒng)和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)把異常報(bào)警信號傳輸給安全系統(tǒng)PLC，觸發(fā)安全系統(tǒng)動作?，F(xiàn)場電氣設(shè)備依據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域的不同，選擇防爆類型合適的電氣設(shè)備，防爆類別和溫度組別應(yīng)不低于IIA，T2，本安型設(shè)備要通過安全柵連接到控制箱內(nèi)的PLC模塊。

3 控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件功能

深入了解供氣系統(tǒng)的工藝流程原理是程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，軟件功能即要滿足工藝控制需求，也要滿足船級社規(guī)范要求，應(yīng)具有以下功能：

1）數(shù)據(jù)采集功能?，F(xiàn)場壓力、溫度、液位和可燃?xì)怏w濃度等傳感器信號的采集。

2）顯示功能。實(shí)時(shí)顯示各工藝流程的狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)和報(bào)警信息。

3）控制功能。自動/手動控制供氣系統(tǒng)的加注閥組、主供液閥、主供氣閥、透氣閥和互鎖氣體閥等閥門的動作，燃料艙連接處所和GVU 通風(fēng)風(fēng)機(jī)的啟停。

4）報(bào)警聯(lián)鎖保護(hù)功能。有報(bào)警發(fā)生時(shí)觸發(fā)聲光報(bào)警，依據(jù)不同的報(bào)警級別能自動采取相應(yīng)的安全保護(hù)措施。

5）數(shù)據(jù)記錄和查詢功能。

6）自檢功能?，F(xiàn)場傳感器、PLC、通訊鏈路、ESD 鏈路等能進(jìn)行自檢，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)，能顯示故障信息。

7）參數(shù)設(shè)置功能。操作人員在權(quán)限范圍內(nèi)修改相應(yīng)的報(bào)警參數(shù)，調(diào)節(jié)工藝控制參數(shù)等。

8）加注方ESD 信息處理。

9）操作人員權(quán)限管理。

3.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏采用北爾iX Developer 軟件進(jìn)行組態(tài)編程，具有良好的人機(jī)交互界面，實(shí)時(shí)顯示供氣系統(tǒng)的工作狀態(tài)、過程數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)趨勢、報(bào)警信息和歷史報(bào)警信息。在手動工況下，操作人員可以手動遠(yuǎn)程控制供氣系統(tǒng)上的燃料艙主閥、主氣體燃料閥、互鎖氣體閥和管路透氣閥，風(fēng)機(jī)的啟停，水/乙二醇循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)泵和加熱器的啟停等，操作人員還可以設(shè)置報(bào)警值等參數(shù)。此外，一些重要的過程數(shù)據(jù)和報(bào)警信息以“.xls”的文件格式存儲到存儲卡，并且數(shù)據(jù)記錄可導(dǎo)到外部存儲器內(nèi)，方便操作人員查看和分析數(shù)據(jù)。以供氣流程為例，供氣流程界面如圖4所示。

圖4 供氣流程界面

3.3 PLC控制程序設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)PLC控制程序側(cè)重于工藝流程的控制，安全系統(tǒng)PLC程序側(cè)重于設(shè)備和船舶的安全保護(hù)，系統(tǒng)邏輯框圖如圖5所示。

控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)PLC程序都采用羅克韋爾Studio 5000軟件進(jìn)行編程，根據(jù)系統(tǒng)邏輯框圖編寫PLC程序。PLC采集現(xiàn)場傳感器信號，并循環(huán)執(zhí)行程序，按邏輯框圖設(shè)定條件自動判斷和執(zhí)行動作，滿足LNG 供氣系統(tǒng)的控制需求。為了保證供氣的連續(xù)性和穩(wěn)定性，設(shè)置合理的報(bào)警級別，當(dāng)有故障報(bào)警（危害較小的報(bào)警）發(fā)生時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警，并且PLC系統(tǒng)進(jìn)行自調(diào)節(jié)；當(dāng)有關(guān)斷報(bào)警（危害較大的報(bào)警）發(fā)生時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警并且PLC系統(tǒng)立即關(guān)閉閥門，使供氣系統(tǒng)處于一個(gè)安全狀態(tài)。

圖5 控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)邏輯框圖

4 結(jié)論

本文在詳細(xì)分析LNG 供氣系統(tǒng)加注工況和供氣工況的工藝流程原理的基礎(chǔ)上，采用基于PLC的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)相互獨(dú)立，控制方案設(shè)計(jì)合理，即滿足了供氣系統(tǒng)工藝流程的控制需求，又提高了供氣系統(tǒng)和船舶的安全性。實(shí)際使用證明，該系統(tǒng)符合規(guī)范要求，功能完善，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。