應(yīng)用于LNG交割中的FSRU貨物交割及管理系統(tǒng)研究

李 靜，朱嘉敏

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

作為清潔能源，液化天然氣（LNG）的市場(chǎng)需求量一直在穩(wěn)定增長(zhǎng)，同時(shí)隨著人們?cè)絹?lái)越強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，在沿海建設(shè)陸上LNG 接收終端受到的限制已經(jīng)越來(lái)越多，人們開(kāi)始考慮將LNG 接收終端建設(shè)在海上。

浮式液化天然氣儲(chǔ)存及再氣化裝置（LNGFSRU，簡(jiǎn)稱為FSRU）則解決了上述問(wèn)題。一方面，它集LNG 接收、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)及再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體，可以系泊于碼頭作為L(zhǎng)NG 接收終端，亦可進(jìn)行LNG 的運(yùn)輸。另一方面，作為海上終端，F(xiàn)SRU 可遠(yuǎn)離發(fā)電廠、工業(yè)區(qū)和人口密集區(qū)。

LNG 主要由甲烷組成，同時(shí)含有少量的乙烷、丙烷、氮及其他成分。由于全球LNG 的組成成分隨分布的區(qū)域不同存在著差異，人們通常以LNG的熱值替代LNG 體積作為最終交割的參數(shù)。同時(shí)，為統(tǒng)一FSRU 接收標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際液化天然氣進(jìn)口國(guó)組織（GIIGNL）編制了相應(yīng)的參考手冊(cè)（GIIGNL 手冊(cè)），明確了LNG 運(yùn)輸船和LNG 終端之間貨物交割時(shí)的熱值計(jì)量方式和貨物交割及管理系統(tǒng)（CTMS）的配置。

1 交割中的LNG熱值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算公式

LNG 交割的計(jì)算公式取決于合同銷售條件。在海運(yùn)和內(nèi)河運(yùn)輸規(guī)則中，最常用的是船上交貨價(jià)（FOB）銷售合同、成本加運(yùn)費(fèi)（CFR）銷售合同或成本加運(yùn)費(fèi)加保險(xiǎn)費(fèi)（CIF）的銷售合同。幾種合同的最大區(qū)別是計(jì)算公式中的參數(shù)責(zé)任方不同，買(mǎi)方和賣(mài)方均有權(quán)驗(yàn)證由另一方提供、維護(hù)和操作的每個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。一般而言，專業(yè)的檢驗(yàn)師會(huì)根據(jù)雙方同意的條款及條件，進(jìn)行交割熱值計(jì)算，并出具最終的熱值報(bào)告。

交割中的熱值可以用以下公式計(jì)算[1]：

式中，Q為交割中LNG 的熱值，J；VLNG為交割中LNG的體積，m3；ρLNG為交割中LNG的密度，kg/m3；QLNG為單位質(zhì)量的LNG 的熱值，J/kg；Q1為回流的揮發(fā)氣（BOG）的熱值，J；Q2為在機(jī)艙消耗的BOG熱值，J。

需要注意的是：為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，交割雙方還可以商定一個(gè)固定的熱值用于替換公式中的Q1和Q2[1]。在某些情況下，Q2不參與計(jì)算。

1.2 FSRU的CTMS配置

由公式（1）可知，必須測(cè)量和/或計(jì)算的5 種參數(shù)為：VLNG、ρLNG、QLNG、Q1和Q2。

1）VLNG主要由貨艙中的雷達(dá)液位計(jì)和校準(zhǔn)系統(tǒng)測(cè)量完成。對(duì)于大多數(shù)船舶來(lái)說(shuō)，船上的CTMS可以測(cè)量每個(gè)貨艙的LNG 液位及密度，再通過(guò)管理軟件可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的LNG 體積，進(jìn)行修正后，系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物體積的自動(dòng)測(cè)量。

為了準(zhǔn)確測(cè)量體積，通常要求LNG 船上的LNG 管道在2次交割期間處于相同的庫(kù)存狀態(tài)。管道在交割前或完全充滿LNG，或排空。

2）ρLNG通過(guò)測(cè)量LNG 的組成和溫度計(jì)算確定。通常由CTMS中的雷達(dá)液位計(jì)來(lái)完成。

3）QLNG通過(guò)計(jì)算當(dāng)?shù)亟桓畹奶烊粴獾慕M分而確定。通常由船上的液化天然氣取樣系統(tǒng)完成，取樣系統(tǒng)的組份信息可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳送給CTMS。

4）Q1和Q2通常會(huì)由交割雙方估算，或者依照GIIGNL手冊(cè)計(jì)算。

2 綜合CTMS發(fā)展現(xiàn)狀

CTMS 發(fā)展至今，自動(dòng)化程度已經(jīng)越來(lái)越高，并與船上的集中控制系統(tǒng)相兼容。某FSRU 項(xiàng)目中CTMS示意圖如圖1所示。

圖1 某FSRU項(xiàng)目中CTMS示意圖

以某改裝FSRU 項(xiàng)目的CTMS 為例，該系統(tǒng)包括人機(jī)界面、實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)及本地儀表系統(tǒng)。冗余的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器和數(shù)據(jù)處理單元及數(shù)個(gè)信號(hào)采集模塊內(nèi)置在數(shù)據(jù)處理箱中，組成一個(gè)冗余的以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)；2 臺(tái)操作站連接在以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)上，處于熱備份狀態(tài)。多個(gè)信號(hào)采集模塊分別連接各個(gè)貨物子系統(tǒng)，并將貨物子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號(hào)傳送到數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元接受工作站命令實(shí)時(shí)控制貨物系統(tǒng)，可以監(jiān)控裝卸貨及保護(hù)設(shè)備，同時(shí)可通過(guò)安全型路由器將貨物系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)外發(fā)布。本項(xiàng)目的CTMS具有高實(shí)時(shí)性、高穩(wěn)定性和高安全性特點(diǎn)。

該項(xiàng)目的CTMS 是根據(jù)GIIGNL 手冊(cè)及相關(guān)的ISO 液化天然氣傳輸儀器儀表和計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，是一個(gè)自動(dòng)化程度比較高的CTMS，并具有直接計(jì)算熱值及出具報(bào)告的功能。交割報(bào)告的布局非常靈活，為操作人員提供了在線更改報(bào)表布局及更改小數(shù)數(shù)位和單位的功能。交割報(bào)告可以實(shí)時(shí)打印，提供CTMS計(jì)算相關(guān)的所有參數(shù)的當(dāng)前狀態(tài)。

該項(xiàng)目的CTMS主要有以下關(guān)鍵設(shè)備/系統(tǒng)。

1）雷達(dá)液位計(jì)。主要用于完成貨艙內(nèi)的液位測(cè)量及密度測(cè)量、報(bào)警及關(guān)斷。雷達(dá)式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 雷達(dá)式液位計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

該雷達(dá)液位計(jì)設(shè)計(jì)成可測(cè)量含有BOG 貨艙的液位計(jì)。每段管道都配有法蘭，并配有參考標(biāo)記。電子液位元器件和標(biāo)記元器件同時(shí)測(cè)量，并通過(guò)將液體回波與參考標(biāo)記回波進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量中的連續(xù)自動(dòng)校準(zhǔn)和系統(tǒng)自我修正。與傳統(tǒng)浮子式、電容式的液位傳感器相比，雷達(dá)式液位計(jì)有諸多的優(yōu)點(diǎn)：艙內(nèi)無(wú)動(dòng)作傳感器元器件，無(wú)浮動(dòng)閥斷裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)雷達(dá)式的電子元器件無(wú)需在空艙的情況下就可以進(jìn)行日常維護(hù)。

2）溫度傳感器。提供溫度參數(shù)，為計(jì)算LNG體積及密度提供溫度相關(guān)的參數(shù)。

在監(jiān)測(cè)低溫LNG 時(shí)，溫度傳感器必須滿足船用認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)，并同時(shí)滿足貨物交割的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通常每個(gè)溫度傳感器只有唯一的序列號(hào)和校準(zhǔn)證書(shū)。

3）壓力傳感器。壓力傳感器通常帶有一個(gè)三通控制閥，用于精確測(cè)量艙內(nèi)壓力，再經(jīng)過(guò)特殊校準(zhǔn)以確保最高的精度。

4）密度測(cè)量系統(tǒng)。本項(xiàng)目的CTMS 還有一個(gè)重要的參數(shù)是密度參數(shù)。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)艙內(nèi)的密度參數(shù)可防止傾覆發(fā)生。

在初始階段，艙底部的LNG 密度高于艙上部的密度。當(dāng)貨艙中LNG 在長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)不充分的循環(huán)/混合及發(fā)生熱量的導(dǎo)入后，會(huì)使得底部的LNG蒸發(fā)，當(dāng)?shù)撞康腖NG 與上部的LNG 密度差逐漸減小到負(fù)值，即底部的LNG 密度小于上部時(shí)，貨艙內(nèi)LNG 將會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致傾覆的發(fā)生[2]。

在早期階段，當(dāng)發(fā)現(xiàn)開(kāi)始翻轉(zhuǎn)時(shí)，通常由作業(yè)者手動(dòng)運(yùn)行貨艙泵以防止翻轉(zhuǎn)進(jìn)一步發(fā)生。而今專門(mén)的密度測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)越來(lái)越多地被船東采用，通過(guò)對(duì)密度和溫度的趨勢(shì)進(jìn)行分析，作業(yè)者就可以在早期階段識(shí)別出相關(guān)的密度剖面，并采取適當(dāng)?shù)拇胧┓乐拱l(fā)生翻轉(zhuǎn)傾覆。

5）LNG 熱值交割報(bào)告。CTMS 可自動(dòng)生成并打印正式的交割文件。當(dāng)前，系統(tǒng)已經(jīng)可以提供靈活的報(bào)表生成器，以適應(yīng)不同船東的需求。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，CTMS 和中央監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，將貨艙的CTMS 和壓載控制系統(tǒng)納入統(tǒng)一的智能化管理平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)了貨船管理的高度智能化，為船員提供更多對(duì)應(yīng)輔助決策是研究的主流方向，也很大程度地提高了CTMS操作的安全性和便利性。

同時(shí)數(shù)字化帶來(lái)的高效、安全和強(qiáng)適應(yīng)性在航運(yùn)業(yè)顯示出巨大的潛力。然而，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，需要從流程中獲取高精度的數(shù)據(jù)。這就對(duì)艙內(nèi)傳感器在精度、智能性及校準(zhǔn)上提出了更高的要求。未來(lái)，當(dāng)船對(duì)船加注LNG 業(yè)務(wù)需求擴(kuò)大時(shí)，數(shù)字化在技術(shù)準(zhǔn)備、云服務(wù)、兼容性及客戶認(rèn)可上將發(fā)揮更加重要的價(jià)值，可以為船舶操作中心、船東和租船人提供大數(shù)據(jù)共享和信息管理。