LNG海上浮式加注管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李萌，周毅，鄭坤，孫冰，周斌

(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)

LNG海上浮式加注系統(tǒng)是LNG燃料加注船的核心裝備之一，用于實(shí)現(xiàn)海上LNG加注船與LNG動(dòng)力船間LNG的安全快速輸送。受風(fēng)浪、船體相互作用等因素影響，海上LNG輸送對(duì)過程安全性要求更高。本文設(shè)計(jì)一種LNG海上浮式加注管控系統(tǒng)，并建立加注系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，對(duì)加注設(shè)備及加注管路的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并量化，對(duì)加注過程及加注系統(tǒng)關(guān)鍵部件使用壽命實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，解決LNG浮式加注信息化程度低、關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)維預(yù)測(cè)能力缺失等問題，實(shí)現(xiàn)海上加注作業(yè)信息的實(shí)時(shí)采集、處理與監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

加注控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)采用模塊設(shè)計(jì)，傳感模塊、控制系統(tǒng)、計(jì)費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部分以相互獨(dú)立的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮系統(tǒng)的定制化和擴(kuò)展性。系統(tǒng)主要分為上位層、控制層和設(shè)備層，系統(tǒng)硬件架構(gòu)拓?fù)鋱D見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)拓?fù)?/p>

上位層的人機(jī)交互設(shè)備配備兩臺(tái)工業(yè)工作站：數(shù)據(jù)監(jiān)控工作站可以對(duì)海上加注系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和儀表設(shè)備的控制，同時(shí)兼?zhèn)渖a(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)服務(wù)器，完成人機(jī)交互、數(shù)據(jù)融合運(yùn)算、設(shè)備安全管理等信息化管控功能；業(yè)務(wù)工作站主要實(shí)現(xiàn)計(jì)費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)的信息管理功能，對(duì)人員的制卡、刷卡信息進(jìn)行匯錄，對(duì)生產(chǎn)單據(jù)進(jìn)行跟蹤、記錄，對(duì)人員的權(quán)限進(jìn)行分配等。

控制層由計(jì)費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)和核心控制器構(gòu)成：計(jì)費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)由自主研發(fā)的批量控制器和防爆讀卡器組成，將現(xiàn)場(chǎng)的計(jì)費(fèi)計(jì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂破骱蜕衔粚拥谋O(jiān)控站、業(yè)務(wù)站，實(shí)現(xiàn)加注過程的計(jì)費(fèi)計(jì)量和工藝生產(chǎn)的手動(dòng)控制；控制系統(tǒng)核心控制器完成現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)采集、邏輯控制、安全聯(lián)鎖、數(shù)據(jù)通信等功能，提供第三方接口，同時(shí)完成ESD的緊急切斷、緊急停車、超限緊急動(dòng)作等控制。

設(shè)備層主要配備精密儀表設(shè)備和電氣設(shè)備：精密儀表用于加注系統(tǒng)的前端信息感知與計(jì)量，通過流量計(jì)、溫/壓傳感器、靜電報(bào)警器對(duì)工藝生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行無間斷監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳給控制層；電氣設(shè)備用于調(diào)度輸送液體燃料，泵機(jī)將加注罐內(nèi)的LNG輸入到工藝管道內(nèi)，通過調(diào)節(jié)閥、緊急切斷閥實(shí)現(xiàn)流速控制和緊急切斷。

各模塊之間的功能見圖2。

圖2 模塊功能

2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

船舶加注管理系統(tǒng)基于Econsoft環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)及開發(fā)，在windows7-10的系統(tǒng)上運(yùn)行；屏幕界面基于嵌入式的運(yùn)行環(huán)境，在Kinco HMIWare進(jìn)行開發(fā)，相關(guān)界面設(shè)計(jì)見圖3。

圖3 加注系統(tǒng)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

2.1 上位層功能設(shè)計(jì)

上位層的業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)可以對(duì)加注/受注船信息、加注量、計(jì)費(fèi)額度等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，系統(tǒng)中至少保留100 000條操作記錄，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢統(tǒng)計(jì)；加注的相關(guān)參數(shù)可由有數(shù)據(jù)授權(quán)的技術(shù)人員預(yù)先在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置壓力變送器范圍，溫度變送器范圍，流量系數(shù)，預(yù)冷溫度，預(yù)冷流速等參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)精確控制。

監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工藝數(shù)據(jù)和軟管吊位置信息，提供加注狀態(tài)和數(shù)據(jù)報(bào)警功能，當(dāng)系統(tǒng)與加注批控器通訊中時(shí)，系統(tǒng)畫面將出現(xiàn)通訊故障報(bào)警信息；加注批控器和上位機(jī)之間通過RS485線和Modbus協(xié)議進(jìn)行通信，在刷卡加注時(shí)到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢查，如果信息有誤可以停止加注，從而保證系統(tǒng)安全性，同時(shí)控制系統(tǒng)可以設(shè)置就地/遠(yuǎn)程加注控制，保證加注方式的靈活性。

除此之外加注時(shí)要進(jìn)行船號(hào)的確認(rèn)，開票室制作IC卡時(shí)選擇船型編號(hào)，IC卡設(shè)定編號(hào)與泊船編號(hào)一致，方可刷卡加注；現(xiàn)場(chǎng)刷卡完成須有操作人員確認(rèn)加注信息，無誤后方可確認(rèn)信息正確開始加注；刷卡以后數(shù)據(jù)上傳到加注系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行校驗(yàn)，確認(rèn)無誤后將加注量下載到批控器，操作員確認(rèn)后進(jìn)行加注；業(yè)主可通過需求選擇需要打印的報(bào)表信息。

2.2 控制層功能設(shè)計(jì)

控制層系統(tǒng)提供本地/遠(yuǎn)程操作兩種操作模式，可以通過加注控制室的加注控制系統(tǒng)修改加注模式，聯(lián)機(jī)加注模式由制卡系統(tǒng)設(shè)置預(yù)制加注量并由加注批控器自動(dòng)讀取預(yù)裝量。脫機(jī)模式由現(xiàn)場(chǎng)操作人員在大屏上手動(dòng)輸入預(yù)裝量或輸入加注單號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)加注單號(hào)讀取預(yù)注量，輸入完成后即可直接開始加注。

在加注時(shí)需要連接接地裝置，加注完畢要斷開接地裝置；加注人員可通過批量控制器屏幕確認(rèn)加注信息。加注調(diào)節(jié)閥根據(jù)批控器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置的四段加注速度，比對(duì)加注瞬時(shí)流速，自動(dòng)控制調(diào)節(jié)閥開度，以控制流速在設(shè)定相應(yīng)加注段的流速范圍內(nèi)；在設(shè)定好預(yù)裝量后，加注撬將自動(dòng)依次打開氣動(dòng)切斷閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行充裝，在沒有報(bào)警的情況下，系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)置好的系統(tǒng)參數(shù)，自動(dòng)進(jìn)行加注流速控制，在達(dá)到系統(tǒng)設(shè)置提前量時(shí)，系統(tǒng)將減小流速，加注完成自動(dòng)關(guān)閉閥門，停止加注。當(dāng)出現(xiàn)緊急事故時(shí)緊急切斷閥在緊急停車、EDS急停狀態(tài)下切斷閥關(guān)閉，同時(shí)可以存儲(chǔ)報(bào)警信息和報(bào)警日志。

系統(tǒng)控制器連接質(zhì)量流量計(jì)、溫度變送器、壓力變送器等，對(duì)質(zhì)量、溫度、壓力等信號(hào)進(jìn)行精確采集。通過控制器的自調(diào)節(jié)PID算法控制氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，可有效消除水擊及靜電，確保動(dòng)態(tài)加注精度，保證加注的穩(wěn)定性。加注系統(tǒng)10 in彩色液晶顯示屏提供參數(shù)設(shè)置，系統(tǒng)脫機(jī)聯(lián)機(jī)狀態(tài)、溫度、壓力、流速、預(yù)裝量、已裝量與報(bào)警顯示功能，同時(shí)顯示屏上會(huì)有計(jì)費(fèi)計(jì)量顯示。

2.3 設(shè)備層功能設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)行溫度、壓力檢測(cè)，采集溫度、壓力變送器的4～20 mA信號(hào)，并在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)置上限報(bào)警值，超限則立即報(bào)警，并發(fā)出聲光，執(zhí)行器執(zhí)行聯(lián)鎖動(dòng)作；系統(tǒng)還可以進(jìn)行靜電檢測(cè)，具有靜電夾未接或接觸不良(接地電阻大于等于10 Ω時(shí))報(bào)警功能，并實(shí)現(xiàn)對(duì)控制閥門的聯(lián)鎖，防止火災(zāi)爆炸事故；當(dāng)加注遇有靜電故障時(shí)，都將發(fā)出醒目的閃爍紅光和警醒的報(bào)警聲提醒現(xiàn)場(chǎng)操作工的注意，并在批控器上滾動(dòng)顯示故障和報(bào)警項(xiàng)，當(dāng)液相線和氣相線的壓力和溫度超過設(shè)定值時(shí)控制系統(tǒng)報(bào)警。

根據(jù)加注工藝流程，自動(dòng)控制液相開關(guān)閥開關(guān)，及氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥開度根據(jù)設(shè)置參數(shù)自動(dòng)多段調(diào)節(jié)。閥位檢測(cè)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)液相/氣相開關(guān)閥、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的閥位信號(hào)，實(shí)現(xiàn)閥位遠(yuǎn)程顯示及異常報(bào)警。在軟管吊動(dòng)作過程中，通過編碼器和接近開關(guān)時(shí)刻反饋位置信息，在出現(xiàn)超限動(dòng)作前執(zhí)行安全聯(lián)鎖動(dòng)作，在出現(xiàn)緊急情況時(shí)，只需按下輔助操作盤上的防爆急停按鈕，就能立即關(guān)閉并停止該加注撬的加注進(jìn)程，同時(shí)執(zhí)行相應(yīng)的安全聯(lián)鎖動(dòng)作。

加注批控器和上位機(jī)之間通過RS485線和Modbus協(xié)議進(jìn)行通信。在刷卡加注時(shí)到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢查，如果信息有誤則停止加注，保證安全性。控制系統(tǒng)可以設(shè)置就地/遠(yuǎn)程加注，保證了加注方式的靈活性；同時(shí)上位機(jī)預(yù)留與DCS通信使用的OPC接口，供DCS采集加注撬信息。

3 加注系統(tǒng)控制流程

LNG加注控制系統(tǒng)的控制流程主要可以分為計(jì)費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)、自動(dòng)化工藝控制系統(tǒng)兩部分，加注控制流程見圖4。

圖4 加注控制流程

計(jì)費(fèi)計(jì)量系統(tǒng)包括定量加注、定額加注、非定量加注三種模式。定量加注是指控制系統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備完成工作人員設(shè)定的預(yù)定量的加注，當(dāng)IC卡余額不足時(shí)提示人員重新設(shè)定加注量；定額加注是指人員設(shè)定LNG的加注的金額，程序內(nèi)部可以自動(dòng)換算為對(duì)應(yīng)的加注量；非定量加注是指當(dāng)人員對(duì)加注量沒有預(yù)先控制時(shí)，控制器預(yù)先根據(jù)IC卡金額量進(jìn)行加注，當(dāng)余額充足時(shí)，加注前端的注滿開關(guān)信號(hào)反饋到系統(tǒng)內(nèi)部，結(jié)束加注過程，否則以最大的余額量進(jìn)行加注。相關(guān)系統(tǒng)界面顯示見圖5。

圖5 人機(jī)交互界面

自動(dòng)化工藝控制系統(tǒng)用于滿足LNG介質(zhì)加注特性的工藝要求，在預(yù)裝期間首先對(duì)管線進(jìn)行整體預(yù)冷，當(dāng)溫度滿足加注要求時(shí)，首先采取小流量罐裝，防止罐內(nèi)溫差較大導(dǎo)致LNG氣化過快造成的壓力隱患，中間過程通過預(yù)設(shè)流速來控制調(diào)節(jié)閥大開度，經(jīng)過3段階梯式的PID調(diào)節(jié)手段，實(shí)現(xiàn)LNG介質(zhì)快速、慢速、低速的分級(jí)控制過程，最終完成穩(wěn)定、安全的加注流程。