LNG罐箱多式聯(lián)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)研究

馬御風(fēng)，周世良，趙殿鵬，吳俊，李曉飚

（1．重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016;2．重慶西科水運(yùn)工程咨詢有限公司，重慶 400016;3．浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 311215）

1 引言

天然氣是一種重要的清潔能源，我國的天然氣消費(fèi)量逐年增長。2021年我國天然氣消費(fèi)量為3726 億立方米，進(jìn)口量為1675 億立方米，同比增長19.9%。其中，液化天然氣（以下簡稱LNG）進(jìn)口量占天然氣總進(jìn)口量的65%，通過管道方式的進(jìn)口量占比為35%。

LNG 運(yùn)輸方式主要有船舶、鐵路、公路、管道等，LNG 罐式集裝箱多式聯(lián)運(yùn)為LNG 運(yùn)輸提供了一種新模式。LNG 罐式集裝箱（以下簡稱LNG 罐箱）是一種LNG 儲運(yùn)設(shè)備，將真空絕熱低溫液體儲罐安置于集裝箱框架內(nèi)。采用國際通用的集裝箱標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸，便于堆碼排列，可利用輪船、火車、汽車等多種運(yùn)輸工具進(jìn)行運(yùn)輸。國外對LNG 罐箱的應(yīng)用相對較早，日本在上世紀(jì)末就嘗試用低溫罐箱進(jìn)行LNG 運(yùn)輸，美國、挪威、葡萄牙等歐美國家也有LNG 罐箱運(yùn)輸相關(guān)的應(yīng)用。國內(nèi)對LNG 罐箱的研究可追溯到2002年，當(dāng)時新疆廣匯建設(shè)了一條鐵路專線和LNG 罐箱配套設(shè)施。2013年，國家鐵路總公司在青藏鐵路格拉段開展LNG 罐箱運(yùn)輸試驗(yàn)。2018年，中國海油組織了國內(nèi)首次LNG 罐箱運(yùn)輸作業(yè)。2019年，搭載著24 個LNG 罐箱的運(yùn)輸船順利抵達(dá)南京龍?zhí)陡?，?biāo)志著我國首次LNG 罐箱江海聯(lián)運(yùn)的成功。2020年，自馬來西亞啟航的中國籍“泛舟6”輪載運(yùn)著205 個LNG 罐箱，安全靠泊煙臺龍口港，這是國內(nèi)首次成功開展整船載運(yùn)LNG 罐箱進(jìn)口業(yè)務(wù)。

2 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)模式

2.1 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)的流程

傳統(tǒng)LNG 運(yùn)輸方式利用專用船舶、火車、槽車等進(jìn)行運(yùn)輸，屬于散裝運(yùn)輸。利用標(biāo)準(zhǔn)罐箱進(jìn)行運(yùn)輸是一種較新的LNG 物流模式，屬于包裝運(yùn)輸。進(jìn)口LNG 時，供應(yīng)商將充裝了LNG 的罐箱運(yùn)輸至出發(fā)港口，然后吊裝至集裝箱船上，與其它貨物混裝運(yùn)輸或者整船單獨(dú)運(yùn)輸。到達(dá)目的港口后再通過水路、公路、鐵路等方式運(yùn)抵終端用戶處或臨時堆存。LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)的主要流程如圖1所示。

圖1 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)流程

2.2 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)運(yùn)輸模式需要自建或租用大型LNG 運(yùn)輸船、專用碼頭、LNG 接收站和其它相關(guān)設(shè)施。LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)模式只需采購標(biāo)準(zhǔn)罐箱，利用集裝箱車船或?qū)νㄓ密嚧枰愿脑旌筮M(jìn)行運(yùn)輸。傳統(tǒng)模式多為整單大批量運(yùn)輸，LNG 罐箱模式適應(yīng)多單小批量的情況。傳統(tǒng)模式下每次變換運(yùn)輸工具時，都需要對LNG 進(jìn)行卸載和充注，耗時較長作業(yè)繁瑣。新模式下變換運(yùn)輸工具時只需對罐箱吊裝和固定即可，耗時短，作業(yè)簡單。此外，LNG 罐箱在運(yùn)抵用戶處后可脫離運(yùn)輸車體獨(dú)立使用或作為臨時存儲設(shè)施，使用更靈活。

與傳統(tǒng)LNG 運(yùn)輸模式相比，LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)具有投資規(guī)模小、建設(shè)周期短、周轉(zhuǎn)方便、運(yùn)輸使用靈活等特點(diǎn)。適合小批量的LNG 進(jìn)口運(yùn)輸，也能適應(yīng)天然氣需求季節(jié)性變化的特性，彌補(bǔ)傳統(tǒng)LNG 運(yùn)輸模式的不足。

2.3 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)的風(fēng)險

LNG 的主要成分為甲烷，其發(fā)生泄漏時會由于汽化產(chǎn)生局部低溫，對設(shè)備和人員造成傷害。其汽化后與空氣混合遇點(diǎn)火源則可能發(fā)生燃燒或爆炸。LNG 罐箱儲運(yùn)過程中的風(fēng)險主要有以下幾點(diǎn)：

（1）罐箱本身的安全風(fēng)險。罐箱由于自身結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝等原因，可能產(chǎn)生罐箱變形、壓力增高、泄漏等問題。

（2）罐箱裝卸過程中的安全風(fēng)險。港口集裝箱裝卸作業(yè)在露天進(jìn)行，受風(fēng)、霧、雷電、波浪、照明等影響比較明顯。人員的操作、配合和設(shè)備的安全性能也是影響作業(yè)安全的重要因素。這些因素的綜合作用可能導(dǎo)致裝卸過程中出現(xiàn)罐箱碰撞、墜落等情況。

（3）運(yùn)輸過程中的安全風(fēng)險。LNG 罐箱在公路和鐵路運(yùn)輸過程中受道路、天氣、車輛、駕駛員等多種因素影響，可能出現(xiàn)罐箱刮擦、碰撞、側(cè)翻、甩落等狀況。在水路運(yùn)輸過程中由于風(fēng)浪、積載和隔離不當(dāng)?shù)仍?，也可能造成罐箱破損、墜落、火災(zāi)等。

（4）堆放存儲時的安全風(fēng)險。LNG 罐箱具備“宜運(yùn)宜儲”的特點(diǎn)，但是在臨時堆載和作為臨時存儲設(shè)備時，不規(guī)范堆載可能造成罐體受壓發(fā)生變形破損，從而導(dǎo)致LNG 泄漏。

（5）LNG 充卸過程的安全風(fēng)險。LNG 罐箱終端使用現(xiàn)場情況復(fù)雜多變，使用人員操作和管理水平參差不齊，容易發(fā)生LNG 罐箱閥門法蘭泄漏、安全閥意外開啟、軟管脫落等事故。

3 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)總體方案

LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)利用傳感器、無線通訊、數(shù)據(jù)庫、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對罐箱從LNG 生產(chǎn)方到最終用戶的運(yùn)輸過程全流程實(shí)時監(jiān)控。

系統(tǒng)主要由罐箱監(jiān)測設(shè)備和監(jiān)控平臺兩部分組成。監(jiān)測設(shè)備安裝在LNG 罐箱上，每一套設(shè)備都與罐箱唯一對應(yīng)。利用各種傳感器采集罐箱相關(guān)參數(shù)，并將所有數(shù)據(jù)通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星通訊的方式發(fā)送到監(jiān)控平臺。監(jiān)控平臺對所有LNG 罐箱的數(shù)據(jù)提供存儲、分析、查詢、報(bào)警等功能。LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案如圖2所示。

圖2 LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

3.2 罐箱監(jiān)測設(shè)備

罐箱監(jiān)測設(shè)備主要由溫度檢測、壓力/液位檢測、傾角檢測、加速度檢測、氣體檢測等模塊構(gòu)成。

3．2．1 溫度檢測

在物質(zhì)豐裕的現(xiàn)代社會，人們更加關(guān)注精神愉悅和享受，精神生活相對貧乏使得人們對心理學(xué)的要求不再僅僅滿足于防治心理疾病上，而且還包括找尋快樂、過幸福生活等。積極心理學(xué)的理念正好滿足了人們不斷追求幸福生活的需求，逐步成為當(dāng)代心理學(xué)家的研究重點(diǎn)。在積極心理學(xué)的范疇中，流暢體驗(yàn)是促進(jìn)人們獲取幸福感的一種方法。大量研究證實(shí)了流暢體驗(yàn)?zāi)軌驇砭薮蟮挠鋹偢?，并促進(jìn)了個體生活質(zhì)量的提高。大量實(shí)證結(jié)果表明，鍛煉身體對改善消極心理有重大作用。積極心理與身體鍛煉如何實(shí)現(xiàn)正向互促，從而提高生活質(zhì)量成為人們新的思考方向。

罐箱內(nèi)部溫度利用防爆型工業(yè)級溫度變送器進(jìn)行檢測，變送器通過法蘭安裝于儲罐中。傳感器測量范圍下限低于LNG 的沸點(diǎn)，具有較快響應(yīng)速度和較高的防護(hù)防爆等級。

3．2．2 壓力/液位檢測

利用集成的壓力檢測模塊檢測罐箱內(nèi)部的氣相和液相壓力，壓力感應(yīng)核心采用單晶硅技術(shù)，具有穩(wěn)定性好、精度高、耐過壓沖擊等優(yōu)點(diǎn)。由一個傳感器完成壓力數(shù)據(jù)采集，能最大限度減化安裝調(diào)試、提高現(xiàn)場使用效率、盡可能減少罐體引管接頭數(shù)量、降低泄漏、提高罐箱安全性。

LNG 液位檢測通常采用壓差式液位儀表、超聲液位計(jì)和電容式液位計(jì)等方式。LNG 的低溫特性導(dǎo)致傳感器容易損壞，且需要增加線路?？筛鶕?jù)LNG 氣化、沸騰及膨脹等基本深冷特性，通過對LNG 比重、罐箱內(nèi)部空間形狀、溫度、氣相壓力、液相壓力等非接觸性數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算分析，從而獲得罐箱內(nèi)LNG 的液位高度。

3．2．3 傾角檢測

傾角檢測用于判斷罐箱在儲運(yùn)過程中是否發(fā)生翻轉(zhuǎn)、傾覆等，通過在罐箱上安裝傾角測量儀來實(shí)現(xiàn)。傾角測量儀的傳感器單元由兩個線傾角儀正交構(gòu)成，線傾角儀的核心是兩個敏感方向相互正交放置的一維MEMS微加速度計(jì)。

3．2．4 加速度檢測

LNG 罐箱運(yùn)輸過程中可能發(fā)生運(yùn)輸工具的碰撞，或者在裝卸罐箱過程中發(fā)生撞擊和跌落等，這些都可能導(dǎo)致罐箱產(chǎn)生變形甚至破損。采用基于MEMS 硅微加工技術(shù)的壓阻式加速度傳感器，通過預(yù)先設(shè)置加速度報(bào)警閾值，可在罐箱發(fā)生不同程度的撞擊時進(jìn)行分級報(bào)警。

目前可燃?xì)怏w傳感器大都采用熱催化、電化學(xué)或紅外線技術(shù)。前兩種主要通過氣體與化學(xué)感應(yīng)材料的反應(yīng)檢測氣體濃度，該方式易受其它氣體干擾，漏報(bào)、誤報(bào)情況嚴(yán)重。而且需要定期對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，其使用壽命也比較短。采用紅外線方式的產(chǎn)品容易受環(huán)境影響，檢測準(zhǔn)確率較低，檢測反應(yīng)速度也比較慢。

激光氣體檢測技術(shù)利用不同物質(zhì)對特定波長的光波有最大吸收的原理，具有防干擾性強(qiáng)，使用周期長，檢測精度高，無需再標(biāo)定或更換傳感元件等優(yōu)點(diǎn)。采用激光傳感器對LNG 罐箱周圍環(huán)境中的甲烷氣體進(jìn)行檢測，能夠很好地滿足LNG 罐箱的儲運(yùn)特性。

3．2．6 罐箱定位

罐箱定位采用GPS 或北斗系統(tǒng)，通過定位芯片獲取罐箱實(shí)時位置，并可通過歷史位置信息繪制移動軌跡。

表1 傳感器參數(shù)

3.3 罐箱監(jiān)控平臺

LNG 罐箱監(jiān)控平臺可以為用戶提供其權(quán)限范圍內(nèi)的所有罐箱狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)高效綜合監(jiān)控和管理調(diào)度。監(jiān)控平臺的核心功能包括：對運(yùn)輸、轉(zhuǎn)儲、使用過程中的每一個罐箱狀態(tài)的掌握，對罐箱異常情況的分析報(bào)警，對罐箱歷史數(shù)據(jù)的查詢與分析。還可以利用數(shù)據(jù)挖掘等大數(shù)據(jù)技術(shù)，對LNG 罐箱本身狀況做出評估預(yù)判，以提高安全性，做到防患于未然。滿足LNG 供應(yīng)渠道的多樣化，實(shí)現(xiàn)從LNG 上游供應(yīng)源到LNG 終端用戶全過程的監(jiān)控和管理。

LNG 罐箱監(jiān)控平臺架構(gòu)主要包括采集層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層。

（1）采集層：主要由LNG 罐箱監(jiān)測設(shè)備構(gòu)成，基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，用于獲取罐箱狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）傳輸層：提供罐箱監(jiān)測設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口接入，支持不同的通訊方式。當(dāng)罐箱處于通訊條件較好的環(huán)境中時，可以利用蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)通訊條件較差，如遠(yuǎn)洋、深山等情況，可通過組建局域網(wǎng)，將多個罐箱的數(shù)據(jù)匯總處理后通過海事衛(wèi)星或北斗短報(bào)文等方式進(jìn)行傳輸。

（3）數(shù)據(jù)層：提供各類數(shù)據(jù)的存儲、分析、管理和共享分發(fā)服務(wù)及關(guān)系數(shù)據(jù)、規(guī)則引擎等算法工具支撐，由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、共享數(shù)據(jù)庫、規(guī)則數(shù)據(jù)庫等組成。

（4）應(yīng)用層：利用罐箱監(jiān)測設(shè)備采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合多式聯(lián)運(yùn)具體業(yè)務(wù)需求，為用戶（罐箱制造商、罐箱運(yùn)營方、物流公司、終端用戶、監(jiān)管部門等）提供基于不同數(shù)據(jù)要素、時間跨度與表現(xiàn)形式的系列化監(jiān)控服務(wù)與數(shù)據(jù)展現(xiàn)，如罐箱監(jiān)測、智能預(yù)警、使用管理等綜合性服務(wù)。

監(jiān)控平臺采用B/S 模式，該模式客戶端具有同一性，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分放在服務(wù)器上，只有少數(shù)業(yè)務(wù)邏輯在前端實(shí)現(xiàn)，簡化系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用。平臺針對不同功能設(shè)計(jì)相應(yīng)的功能界面，且面對不同用戶開放不同權(quán)限，各用戶在自身權(quán)限范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對罐箱的監(jiān)控。監(jiān)控平臺部分功能界面如圖3所示。

圖3 罐箱監(jiān)控平臺界面

4 結(jié)束語

隨著LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)物流模式的發(fā)展，LNG 罐箱的市場存量會越來越大，對這些罐箱狀態(tài)的監(jiān)控十分必要。本文針對多式聯(lián)運(yùn)的特點(diǎn)，提出一種LNG 罐箱多式聯(lián)運(yùn)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在罐箱上安裝監(jiān)測設(shè)備獲取罐箱狀態(tài)參數(shù)，利用無線通訊方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器，并通過監(jiān)控平臺為用戶提供罐箱狀態(tài)查詢、智能報(bào)警、綜合管理等功能。解決LNG 罐箱監(jiān)控難題，提高其儲運(yùn)安全性。