FSRU的船岸及船船連接系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓宇，劉洪亮，夏華波，韋曉強(qiáng)，楊學(xué)利

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203)

LNG-FSRU(以下簡(jiǎn)稱“FSRU”)是將LNG氣化工廠移植到海上的新型接收終端，與陸地岸站相比具有適應(yīng)性廣、工程量少、投資小、建設(shè)周期短、不占用土地資源、方便選址和搬遷等優(yōu)勢(shì)[1-2]。目前FSRU與LNG船之間、FSRU與陸地終端之間，沒(méi)有統(tǒng)一控制的通信系統(tǒng)，都是一對(duì)一的雙邊通信，但FSRU在貨物傳輸和對(duì)岸作業(yè)時(shí)存在三方同時(shí)作業(yè)的情況，沒(méi)有統(tǒng)一的通信控制，操作便利性和安全性受到了較大影響。目前行業(yè)內(nèi)并沒(méi)有形成統(tǒng)一的FSRU聯(lián)動(dòng)通信做法，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)相關(guān)的研究報(bào)道，國(guó)外的研究也僅限船岸連接系統(tǒng)的設(shè)備廠家。本文根據(jù)市場(chǎng)使用需求，按照相關(guān)規(guī)范和作業(yè)要求，進(jìn)行FSRU、LNG船、碼頭終端三方之間的聯(lián)動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析，以滿足FSRU對(duì)岸基和對(duì)LNG運(yùn)輸船在不同作業(yè)模式下的信息交互的要求。

1 FSRU工作模式

FSRU作業(yè)模式通常分為:①FSRU向碼頭輸氣(NG)模式，在此工況下，F(xiàn)SRU僅與碼頭接收站連接，向碼頭接收站輸出氣體天然氣(NG)；②FSRU向碼頭輸LNG模式，在此模式下FSRU僅與碼頭接收站連接，向碼頭接收站輸出液化天然氣(LNG)；③FSRU向碼頭輸LNG和NG模式，在此模式下FSRU僅與碼頭接收站連接，向碼頭接收站同時(shí)輸出液化天然氣(LNG)和氣體天然氣(NG)；④FSRU接收LNG模式，在此模式下FSRU僅與LNG運(yùn)輸船連接，LNG運(yùn)輸船向FSRU輸送液化天然氣(LNG)；⑤)FSRU三方聯(lián)動(dòng)模式，在此模式下，F(xiàn)SRU同時(shí)與碼頭接收站和LNG運(yùn)輸船連接，向碼頭接收站輸出氣體天然氣(NG)，同時(shí)LNG運(yùn)輸船向FSRU輸送液化天然氣(LNG)。不同的作業(yè)工況下FSRU船對(duì)岸及船船之間船舶狀態(tài)信號(hào)通信系統(tǒng)要求不同。

2 船岸通訊和貨物緊急切斷功能

2.1 船岸通信

船岸通信主要是傳輸船舶和岸基碼頭端的貨物ESD信號(hào)和其他信號(hào)。目前船岸通訊方式主要有電氣連接，光纖連接和氣動(dòng)連接3種[3-4]，電氣連接分為Pyle-National 系統(tǒng)；ITT-Cannon電話連接系統(tǒng)；Miyaki 電氣連接系統(tǒng)和SIGTTO 電氣連接系統(tǒng)。氣動(dòng)連接系統(tǒng)是早期在LNG船舶上的船岸連接系統(tǒng)，目前氣動(dòng)連接系統(tǒng)主要作為光纖連接和電氣連接的備用，新的終端可考慮不采用氣動(dòng)連接，按照規(guī)范要求，船岸連接系統(tǒng)應(yīng)具備冗余[5]，本方案采用主流的光纖連接和電氣連接方式。

2.2 貨物緊急切斷功能(ESD)

貨物緊急切斷(ESD)的功能是在緊急情況下停止貨物液體和蒸汽流動(dòng)，并使貨物裝卸系統(tǒng)處于安全、靜態(tài)狀態(tài)。貨物ESD系統(tǒng)的核心功能通過(guò)控制緊急關(guān)閉閥的遠(yuǎn)程關(guān)閉達(dá)到切斷船舶和岸上之間的液體和蒸汽貨物傳輸，停止貨物泵和壓縮機(jī)，同時(shí)貨物ESD系統(tǒng)動(dòng)作需要在船舶和碼頭上都能發(fā)出視聽(tīng)報(bào)警。

3 FSRU三方聯(lián)動(dòng)控制通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FUSU在不同的作業(yè)工況下涉及到FSRU與接收站碼頭之間的信號(hào)連接以及FSRU與LNG運(yùn)輸船之間的信號(hào)連接。在前述①～⑤作業(yè)模式中，①～④的作業(yè)模式需要FSRU僅對(duì)岸基碼頭或者對(duì)LNG運(yùn)輸船進(jìn)行信息傳輸。FSRU三方聯(lián)動(dòng)模式則需要FSRU對(duì)岸基碼頭和LNG運(yùn)輸船同時(shí)進(jìn)行信息傳輸，該作業(yè)模式對(duì)船岸連接系統(tǒng)的需求包含了①～④的作業(yè)模式對(duì)船岸連接系統(tǒng)的要求。

以FSRU在三方聯(lián)動(dòng)作業(yè)模式下的船岸連接系統(tǒng)提出設(shè)計(jì)思路，以滿足FSRU在不同的作業(yè)模式下的要求。

3.1 FSRU三方聯(lián)動(dòng)作業(yè)模式特點(diǎn)

FSRU三方聯(lián)動(dòng)模式下，F(xiàn)SRU同時(shí)與碼頭接收站和LNG運(yùn)輸船連接，F(xiàn)SRU向碼頭接收站輸出氣體天然氣(NG)或者液化天然氣(LNG)，同時(shí)LNG運(yùn)輸船向FSRU輸送液化天然氣(LNG)。

LNG運(yùn)輸船、FSRU和碼頭接收站之間的控制中心根據(jù)靠泊布置情況設(shè)置，LNG船和FSRU分別靠泊在碼頭時(shí)，控制中心設(shè)置在岸上。LNG運(yùn)輸船、FSRU并聯(lián)靠泊時(shí)，控制中心宜設(shè)置在FSRU上，控制中心應(yīng)能滿足同時(shí)控制船岸通信和船船通信，既可以單獨(dú)觸發(fā)，也可以全部觸發(fā)。通常情況下，F(xiàn)SRU、LNG運(yùn)輸船，以及岸基接收站采用并聯(lián)靠泊運(yùn)行。見(jiàn)圖1。

圖1 FSRU三方聯(lián)動(dòng)靠泊場(chǎng)景

3.2 FSRU三方聯(lián)動(dòng)通訊方案設(shè)計(jì)

FSRU三方聯(lián)動(dòng)通信方案設(shè)計(jì)需要滿足IGC和SIGTTO對(duì)液貨船貨物緊急切斷的要求，同時(shí)考慮FSRU作業(yè)模式的特殊性。為滿足FSRU在三方聯(lián)動(dòng)作業(yè)模式下LNG輸船和FSRU以及碼頭接收站的安全，需要在控制中心控制FSRU和岸基碼頭以及LNG運(yùn)輸船之間的通信并作出相應(yīng)的控制決策。

3.2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

FSRU船岸/船船連接系統(tǒng)需在三方聯(lián)動(dòng)模式下同時(shí)滿足連接岸基碼頭和LNG運(yùn)輸船， FSRU相對(duì)于岸基碼頭，作為船端，相對(duì)于LNG運(yùn)輸船則作為岸端。FSRU船岸/船船連接系統(tǒng)示意圖和簡(jiǎn)要構(gòu)架分別見(jiàn)圖2、3。

圖2 FSRU船岸及船船連接系統(tǒng)示意

本構(gòu)架中，F(xiàn)SRU船岸及船船連接模塊的主控單元，為控制中心，負(fù)責(zé)船岸和船船之間信號(hào)的處理，包括：系泊數(shù)據(jù)(MLM)，貨物維護(hù)系統(tǒng)(CHS)數(shù)據(jù)，貨物ESD數(shù)據(jù)，熱線電話(Hotphone)，公用電話(Publicphone)，內(nèi)部電話(Plantphone)。同時(shí)采用了Pyle-National和ITT-Cannon雙電氣連接方式，可以覆蓋全球大多數(shù)區(qū)域的使用，可擴(kuò)展市場(chǎng)范圍。

FSRU與岸基碼頭連接處均為三部分，分別為Pyle-National電氣連接(FJ-EL-C)系統(tǒng);光纖連接(FJ-FO-C)系統(tǒng)和ITT-Cannon電氣連接(FJ-ITT-C)系統(tǒng)。

FSRU與LNG運(yùn)輸船連接處分為三部分，分別為Pyle-National電氣連接(FC-EL-C)系統(tǒng);光纖連接(FC-FO-C)系統(tǒng)和ITT-Cannon電氣連接(FC-ITT-C)系統(tǒng)。

3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

FSRU向終端傳輸LNG和CNG數(shù)據(jù)，采用光纖傳輸和電氣傳輸同時(shí)進(jìn)行，光纖傳輸作為主用，電氣傳輸作為備用。采用雙電氣傳輸系統(tǒng)，分別為Pyle-National電氣連接系統(tǒng)和ITT-Cannon電氣連接系統(tǒng)，其中，ITT-Cannon電氣連接系統(tǒng)需要依據(jù)靠泊的終端類型確定其是否需要連接。

圖3 FSRU船岸/船船連接系統(tǒng)構(gòu)架

光纖連接采用行業(yè)規(guī)范SIGTTO指南要求的6芯光纖，光纖1號(hào)和2號(hào)端口傳輸4路綜合信號(hào)，綜合信號(hào)包括熱線電話，共用電話，內(nèi)部電話以及系泊數(shù)據(jù)信號(hào)，4路信號(hào)采用不同的頻率傳輸[6]。光纖3號(hào)和4號(hào)端口傳輸FSRU與岸基碼頭LNG的ESD-1信號(hào)。光纖5號(hào)和6號(hào)端口傳輸FSRU與岸基碼頭CNG的ESD-1信號(hào)。此時(shí)光纖連接示意見(jiàn)圖4。

圖4 FSRU船到岸連接光纖系統(tǒng)

電氣連接采用Pyle-National 電氣連接系統(tǒng)，端口信息按照SIGTTO指南要求設(shè)置，其中1～10號(hào)端口傳輸熱線電話，共用電話以及內(nèi)部電話信號(hào)。31～34號(hào)端口用于傳輸FSRU與岸基碼頭之間的系泊數(shù)據(jù)信號(hào)。FSRU向岸基碼頭傳輸LNG，需要13，14號(hào)端口傳輸岸基碼頭到船舶方向ESD-1信號(hào)，15，16號(hào)端口傳輸船舶到岸基碼頭方向ESD-1信號(hào)。FSRU向岸基碼頭傳輸CNG，需要25，26號(hào)端口傳輸岸基碼頭到船舶方向ESD-1信號(hào)，27，28號(hào)端口傳輸船舶到岸基碼頭方向ESD-1信號(hào)。作為備用的電氣連接示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 FSRU船到岸連接電氣系統(tǒng)

FSRU與LNG運(yùn)輸船(LNG)連接時(shí)，LNG運(yùn)輸船向FSRU傳輸LNG數(shù)據(jù)，采用光纖傳輸和電氣傳輸同時(shí)進(jìn)行，光纖傳輸作為主用，電氣傳輸作為備用。采用雙電氣傳輸系統(tǒng)，分別為Pyle-National電氣連接系統(tǒng)和ITT-Cannon電氣連接系統(tǒng)，其中，ITT-Cannon電氣連接系統(tǒng)需要依據(jù)靠泊的終端類型確定其是否需要連接。

光纖連接和電氣連接形式與FSRU跟岸基碼頭類似，F(xiàn)SRU與岸基碼頭連接時(shí)船岸/船船連接配置LNG和CNG系統(tǒng)兩路ESD信號(hào)。FSRU與LNGC連接時(shí)船岸/船船連接僅需要配置LNG的ESD信號(hào)。FSRU與LNGC連接時(shí)光纖和電氣連接見(jiàn)圖6、7。

圖6 FSRU船到船連接光纖系統(tǒng)

圖7 FSRU船到船連接電氣系統(tǒng)

4 FSRU船岸傳輸作業(yè)停止操作程序

4.1 船岸脫離要求

船岸之間傳輸作業(yè)停止分為正常和事故2種關(guān)斷。貨物傳輸系統(tǒng)應(yīng)配置緊急關(guān)斷系統(tǒng)(ESD)和緊急脫離系統(tǒng)(ERS)。通過(guò)船岸連接系統(tǒng)協(xié)調(diào)ESD和ERS系統(tǒng)，防止傳輸系統(tǒng)壓力過(guò)高。LNG傳輸系統(tǒng)，ESD和ERS系統(tǒng)協(xié)調(diào)應(yīng)考慮LNGC，F(xiàn)SRU，岸基碼頭之間的相對(duì)漂移，以確定由于系泊系統(tǒng)故障而發(fā)生漂移的速度和加速度?？紤]的因素有：風(fēng)速風(fēng)向、船舶對(duì)推進(jìn)或者系泊系統(tǒng)的誤動(dòng)作以及潮汐波浪等。

4.2 FSRU解脫程序和緊急關(guān)斷

正常情況下，F(xiàn)SRU應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)的操作程序停止貨物傳輸。FSRU在作業(yè)時(shí)，應(yīng)將船岸之間的連接數(shù)量限制到最少以縮短解脫時(shí)間，正常解脫時(shí)間應(yīng)該控制在1 h以內(nèi)。

貨物傳輸作業(yè)時(shí)，應(yīng)確認(rèn)ESD處于正常工作狀態(tài)，ESD系統(tǒng)應(yīng)該能自動(dòng)和手動(dòng)啟動(dòng)。緊急關(guān)斷系統(tǒng)的操作流程見(jiàn)圖8。

圖8 FSRU 緊急切斷系統(tǒng)操作流程

4.3 FSRU緊急脫離程序

當(dāng)正常解脫無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，為保證FSRU，岸基碼頭和LNGC的安全，需啟動(dòng)緊急脫離程序。若ESD系統(tǒng)啟動(dòng)后，緊急狀態(tài)仍然存在，應(yīng)執(zhí)行緊急脫離系統(tǒng)(ERS)使貨物傳輸系統(tǒng)脫離。ERS可以自動(dòng)完成也可以通過(guò)在中控室手動(dòng)操作完成。緊急脫離系統(tǒng)應(yīng)該考慮貨物傳輸系統(tǒng)排空后進(jìn)行脫離和貨物傳輸系統(tǒng)排空前進(jìn)行脫離。機(jī)械脫離執(zhí)行前需要確保緊急脫離單元(ERC)的閥關(guān)閉。兩種脫離方式操作流程見(jiàn)圖9。

圖9 FSRU 緊急緊急脫離程序

5 結(jié)論

為解決FSRU與LNG船和碼頭終端的三方聯(lián)動(dòng)通訊問(wèn)題，設(shè)計(jì)帶有通訊控制中心的三方聯(lián)動(dòng)通信系統(tǒng)。

1)控制中心宜設(shè)置在FSRU上，控制中心能同時(shí)控制船船連接子系統(tǒng)和船岸連接子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)集中統(tǒng)一管理。

2)船船和船岸兩種子系統(tǒng)均以光纖傳輸為主，電氣傳輸為輔，船船連接子系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、共用電話、內(nèi)部電話、系泊數(shù)據(jù)等4路綜合信號(hào)和LNG的ESD信號(hào)傳輸；船岸連接子系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)4路綜合信號(hào)和LNG及CNG的2路ESD信號(hào)傳輸，這些傳輸功能能夠滿足FSRU所有的信息傳輸模式。

3)采用Pyle-National和ITT-Cannon雙電氣連接，能基本滿足全球不同港口設(shè)施的兼容要求。

4)為系統(tǒng)制定的應(yīng)急解脫程序，能保障使用的安全可靠性。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在行業(yè)通用SIGTTO指南規(guī)定的通信端口范圍內(nèi)，在現(xiàn)有通信功能基礎(chǔ)上，對(duì)未定義端口的一種功能拓展設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)FSRU、LNG運(yùn)輸船、終端的三方聯(lián)動(dòng)，使得原來(lái)的船岸連接和船船連接兩套獨(dú)立系統(tǒng)融合成了一套綜合控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了方案，便于集中統(tǒng)一管理。