LNG船液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件平臺(tái)研究

嚴(yán)利民黃津津孟成施凱忻建華

（1.中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海 200011；2.上海交通大學(xué) 上海 200240）

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件平臺(tái)研究

嚴(yán)利民1黃津津1孟成2施凱2忻建華2

（1.中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司第七○八研究所 上海 200011；2.上海交通大學(xué) 上海 200240）

裝卸系統(tǒng)；組態(tài)化模型設(shè)計(jì)；仿真計(jì)算；數(shù)據(jù)庫

提出了一種基于VC++平臺(tái)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的LNG船液貨裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)及分析的軟件平臺(tái)系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了其內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)配有與管路阻力計(jì)算相關(guān)的管道、閥件、液貨艙、附件等的數(shù)據(jù)庫，能夠按目標(biāo)船的裝卸要求，直接組態(tài)設(shè)計(jì)液貨裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員可以在每一個(gè)模型設(shè)計(jì)完成后直接進(jìn)行優(yōu)化并確定液貨泵的排量、壓頭、液貨管路的管徑、長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)信息，仿真計(jì)算裝卸過程中各時(shí)間段上的的流量、節(jié)點(diǎn)壓力、剩余艙內(nèi)液體容積等各項(xiàng)參數(shù)。不僅簡(jiǎn)化了液貨裝卸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程和計(jì)算校核的時(shí)間，而且更加方便靈活。

0 引言

近年來，我國從改變能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境狀況角度出發(fā)，正積極發(fā)展液化天然氣（LNG）技術(shù)。LNG船是在-163℃低溫下運(yùn)輸液化天然氣的專用船舶，船上液貨裝卸系統(tǒng)是控制LNG裝卸流程的重要設(shè)備。設(shè)計(jì)合理的LNG船液貨裝卸系統(tǒng)對(duì)保證LNG船在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)安全順利地完成液貨裝卸起著至關(guān)重要的作用［1］。目前國內(nèi)尚無一套專門的液貨裝卸系統(tǒng)仿真軟件能夠建立LNG裝卸系統(tǒng)模型、仿真液貨裝卸過程、分析裝卸過程的合理性，因此設(shè)計(jì)一套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的集設(shè)計(jì)、優(yōu)化計(jì)算、仿真裝卸過程的圖形化平臺(tái)等功能于一體的應(yīng)用軟件是很有必要的。

本文介紹的LNG船液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件是基于Windows平臺(tái)、采用MSSQL Server作為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，以Visual C++作為開發(fā)工具的。該軟件配有詳盡的LNG船液貨裝卸系統(tǒng)部件數(shù)據(jù)庫，能夠方便的組態(tài)化建立裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)模型。它能夠仿真液貨裝卸流程，顯示和記錄裝卸過程中液貨系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)；通過生成完整的設(shè)計(jì)信息實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)計(jì)算仿真集成，為“設(shè)計(jì)、制造、管理一體化”奠定基礎(chǔ)。該軟件具有較強(qiáng)的人機(jī)交互界面，適合開發(fā)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)LNG船液貨裝卸系統(tǒng)時(shí)使用。

1 液貨裝卸系統(tǒng)部件構(gòu)成

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)部件由液貨艙、卸貨泵、管道、壓縮機(jī)、加熱器、控制系統(tǒng)以及各種閥門構(gòu)成，這些設(shè)備均應(yīng)滿足相應(yīng)的規(guī)范要求。

·液貨艙

LNG船的儲(chǔ)罐即液貨艙是獨(dú)立于船體的特殊構(gòu)造。在LNG船的設(shè)計(jì)中，考慮的主要因素是能適應(yīng)低溫介質(zhì)的材料和對(duì)易揮發(fā)或易燃物的處理。

·液貨泵

一般采用深井泵和浸沒式泵。根據(jù)英國勞氏船級(jí)社（LR）以及國際海事組織（IMO）規(guī)則的要求，每個(gè)液貨艙必須配備兩臺(tái)泵作為液貨泵。

·管道

低溫液體的輸送管道一般使用絕熱管絕熱。根據(jù)OCMF規(guī)范要求，LNG船液貨裝卸系統(tǒng)由四根跨接輸液管和一根貨物回氣管組成，以便與岸上輸液系統(tǒng)相一致。

·閥門

主要有截止閥、液貨艙安全閥、緊急切斷閥。

·蒸發(fā)氣壓縮機(jī)

LNG船上有兩種壓縮機(jī)，一種是低容量壓縮機(jī)，用于航行時(shí)將蒸發(fā)氣供給鍋爐作燃料或?qū)⒄舭l(fā)氣排至再液化裝置再液化，一般要求配備兩臺(tái)；另一種是高容量壓縮機(jī)，用于卸貨時(shí)將蒸發(fā)氣排至回氣管，到岸上再液化。

·加熱器

航行時(shí)，當(dāng)蒸發(fā)氣用作燃料時(shí)，需將低容量壓縮機(jī)排出的氣體用加熱器加熱至常溫。

·控制系統(tǒng)

可遠(yuǎn)距離控制各種閥門操作，控制輸液流量以及關(guān)閉所有設(shè)備。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)控LNG的裝卸時(shí)間，保證裝卸過程合理、準(zhǔn)時(shí)、安全的進(jìn)行。

2 液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

一般的管網(wǎng)設(shè)計(jì)分析是先將管網(wǎng)在CAD等圖形界面上設(shè)計(jì)完成，然后將設(shè)計(jì)結(jié)果信息輸入到管道阻力計(jì)算程序進(jìn)行管網(wǎng)阻力計(jì)算或經(jīng)過人工進(jìn)行管道阻力計(jì)算，即設(shè)計(jì)和計(jì)算分開實(shí)現(xiàn)。本文介紹的系統(tǒng)引入數(shù)據(jù)庫技術(shù)和組態(tài)理念，將設(shè)計(jì)所需的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備做成控件放入服務(wù)器上的數(shù)據(jù)庫中，而客戶端就不用再安裝標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備控件數(shù)據(jù)庫,使用瀏覽器即可查看并選用所要的設(shè)備,完成裝卸系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)后，可以直接將模型保存在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，便于集中管理和同類項(xiàng)目借鑒使用。

系統(tǒng)是一個(gè)典型的三層應(yīng)用程序，包括數(shù)據(jù)層、邏輯層和表示層。其中的數(shù)據(jù)層利用SQLServer數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)，主要有標(biāo)準(zhǔn)部件數(shù)據(jù)庫、標(biāo)準(zhǔn)液貨艙數(shù)據(jù)庫、歷史項(xiàng)目模型和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫等；邏輯層是一個(gè)計(jì)算仿真程序，它從項(xiàng)目模型數(shù)據(jù)庫中取得數(shù)據(jù)，進(jìn)行管路系統(tǒng)的阻力計(jì)算和卸貨過程仿真模擬計(jì)算，同時(shí)核算單艙、多艙的裝卸時(shí)間等，并將計(jì)算結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫中；表示層即為組態(tài)平臺(tái)，是將要設(shè)計(jì)的管網(wǎng)模型中的管道、附件、液貨艙、液貨泵等部件用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的控件添加在所建立的系統(tǒng)模型列表中，構(gòu)成系統(tǒng)管網(wǎng)，完成整個(gè)裝卸系統(tǒng)模型的搭建。同時(shí)，表示層還擁有建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫和輸出設(shè)計(jì)結(jié)果報(bào)告等的直觀界面。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

進(jìn)入軟件后，由用戶在客戶端表示層上創(chuàng)建完整的項(xiàng)目信息文件，在模型開發(fā)界面建立裝卸系統(tǒng)模型。模型數(shù)據(jù)全部來自數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，軟件自動(dòng)完成將模型信息保存入模型數(shù)據(jù)庫中；運(yùn)用邏輯層的計(jì)算仿真模塊模擬裝卸過程，將計(jì)算得到的結(jié)果數(shù)據(jù)存入結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，根據(jù)設(shè)計(jì)人員的需求控制輸出設(shè)計(jì)分析報(bào)告。

圖1 軟件整體結(jié)構(gòu)圖

3 液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)分析

液貨裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件一般應(yīng)具備以下基本功能：

（1）具有不同幾何形狀和型號(hào)的液貨艙數(shù)據(jù)庫，其尺寸可以自行定義，并能計(jì)算其任一高度下的艙容，或計(jì)算在任意艙容下的高度百分比；

（2）配有標(biāo)準(zhǔn)液貨泵性能曲線的數(shù)據(jù)庫，并允許用戶進(jìn)行自定義；

（3）配有與管路阻力計(jì)算相關(guān)的管道、閥件、附件等的數(shù)據(jù)庫，供設(shè)計(jì)時(shí)選型使用；

（4）具有人性化的輸入界面以及圖形化的操作界面，建模過程各設(shè)備的選取以及參數(shù)的輸入做到簡(jiǎn)捷有效；

（5）能直接將組態(tài)設(shè)計(jì)的管路模型進(jìn)行管路系統(tǒng)的阻力計(jì)算和卸貨過程仿真模擬計(jì)算，同時(shí)核算單艙、多艙的裝卸時(shí)間；

（6）生成完整的設(shè)計(jì)信息數(shù)據(jù)庫，為“設(shè)計(jì)、制造、管理一體化”奠定基礎(chǔ)；

（7）輸送介質(zhì)主選為L(zhǎng)NG，其他介質(zhì)作為備選項(xiàng)，使得該軟件可對(duì)油船以及其他化學(xué)品船的裝卸貨過程進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算；

（8）實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)表和圖形曲線等方式生成相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算報(bào)告。

根據(jù)以上要求，可以設(shè)定軟件的主要功能模塊，如圖2所示。

圖2 模塊功能圖

對(duì)于LNG船裝卸系統(tǒng)而言，由于其特殊復(fù)雜的管網(wǎng)系統(tǒng)，給其穩(wěn)態(tài)管道阻力計(jì)算軟件的開發(fā)增添了難度。例如軟件設(shè)計(jì)中該如何將建模時(shí)用戶組態(tài)的每一根單元管路的節(jié)點(diǎn)順序以及編號(hào)和管道、附件等信息與計(jì)算模型聯(lián)系并建立計(jì)算求解方程組，如何確定艙液位高度對(duì)裝卸時(shí)間的影響等。現(xiàn)對(duì)此軟件開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)處理作如下分析。

3.1 項(xiàng)目管理模塊

項(xiàng)目管理模塊負(fù)責(zé)管理裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目的所有信息，在開始模型設(shè)計(jì)之前，通過該模塊在數(shù)據(jù)庫中建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)表，包括模型數(shù)據(jù)和仿真計(jì)算數(shù)據(jù)。模型設(shè)計(jì)完畢后，模型信息存入模型數(shù)據(jù)庫，仿真計(jì)算結(jié)束后，計(jì)算結(jié)果信息存入仿真計(jì)算數(shù)據(jù)庫。項(xiàng)目管理模塊主要功能就是通過界面顯示層完整的將模型信息保存在模型數(shù)據(jù)庫中，將計(jì)算結(jié)果保存在結(jié)果數(shù)據(jù)庫中，使顯示層、計(jì)算層和數(shù)據(jù)層合理的聯(lián)系起來。項(xiàng)目管理界面如圖3所示。

3.2 圖形界面模塊

圖形界面模塊負(fù)責(zé)系統(tǒng)模型的搭建，由四個(gè)子模塊組成，分別為界面模塊、邊界設(shè)定模塊、控件模塊和模型信息模塊。

圖3 項(xiàng)目管理界面

界面模塊即為模型搭建的平臺(tái)；邊界設(shè)定模塊負(fù)責(zé)管理模型邊界條件，如出口背壓、節(jié)點(diǎn)標(biāo)高等；裝卸系統(tǒng)的各類部件，如管路、附件、液貨泵和液貨艙等被抽象設(shè)為不同的控件，再由控件模塊進(jìn)行管理；每個(gè)控件在顯示層有專用界面將其標(biāo)準(zhǔn)信息保存在數(shù)據(jù)庫中并配有完整的型號(hào)信息，建模時(shí)只需點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的控件，在彈出框列表中選擇所需型號(hào)，就能很方便地在系統(tǒng)模型中添加部件，并且部件信息會(huì)完整的記錄在模型信息列表中，通過項(xiàng)目管理模塊保存在模型數(shù)據(jù)庫中。圖形設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 圖形設(shè)計(jì)界面

3.3 數(shù)據(jù)庫模塊

數(shù)據(jù)庫模塊是整個(gè)軟件的重要組成部分，軟件的數(shù)據(jù)庫采用SQL Server版本，采用ODBC接口作為VC訪問的橋梁，可以方便地對(duì)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入、存儲(chǔ)、查詢和輸出等。根據(jù)建模仿真的要求，將數(shù)據(jù)庫模塊分為設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫和項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)庫。

3.3.1 設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫

設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫保存了裝卸系統(tǒng)需要的所有部件的型號(hào)參數(shù)信息，包括標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備數(shù)據(jù)庫和各類型號(hào)液貨艙數(shù)據(jù)庫。在建模過程中，點(diǎn)擊目標(biāo)控件，就會(huì)自動(dòng)連接該控件在設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的部件信息表，選擇所需型號(hào)，在模型中加入部件信息。如果庫中沒有需要的型號(hào)，還能在顯示層的專用界面中添加部件信息。

3.3.2 項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)庫

對(duì)于設(shè)計(jì)成功的裝卸系統(tǒng)模型，或者典型案例模型的信息，將存入項(xiàng)目信息數(shù)據(jù)庫（包括歷史項(xiàng)目模型數(shù)據(jù)庫和歷史項(xiàng)目計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫），供再次調(diào)用查看，同時(shí)也能便于項(xiàng)目保密。

3.4 仿真計(jì)算模塊

仿真計(jì)算模塊是整個(gè)軟件的核心部分，由管網(wǎng)計(jì)算和過程模擬兩部分組成。管網(wǎng)計(jì)算保證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，過程離散則保證了仿真流程的合理性。仿真計(jì)算界面如圖5所示。

圖5 仿真計(jì)算界面

3.4.1 管網(wǎng)計(jì)算

實(shí)際液貨裝卸管網(wǎng)比較復(fù)雜，具有多回路多支路的特點(diǎn)，同時(shí)鑒于程序?qū)崿F(xiàn)難易和運(yùn)行效率高低，傳統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算采用的環(huán)路流量法和節(jié)點(diǎn)壓力法不能很好解決裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)計(jì)算問題。本模塊采用有限元法［2］，將管網(wǎng)中的每一管路（包含附著在該管路上的附件），當(dāng)作一管網(wǎng)單元，通過對(duì)單元平衡方程的變形，建立管路流量和進(jìn)出口節(jié)點(diǎn)壓頭的非線性關(guān)系，采用高斯賽德爾迭代法和節(jié)點(diǎn)壓頭逼近方法求解非線性方程組，獲得完整的管網(wǎng)信息，同時(shí)設(shè)定合理的迭代收斂條件和逼近條件，提高求解速度。

3.4.2 過程離散

裝卸過程中，隨著裝卸液貨量的增大，液貨艙內(nèi)液貨高度也會(huì)相應(yīng)增減，從而影響裝卸管網(wǎng)的阻力情況，導(dǎo)致液貨泵工作點(diǎn)的變化。過程離散通過手動(dòng)設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)，將連續(xù)裝卸過程離散成各個(gè)時(shí)間斷點(diǎn)的穩(wěn)定裝卸狀態(tài)；每個(gè)時(shí)間點(diǎn)結(jié)合液貨艙艙容狀態(tài)進(jìn)行管網(wǎng)計(jì)算，累加時(shí)間步長(zhǎng)，得到各艙裝卸時(shí)間；并將各時(shí)間點(diǎn)的管網(wǎng)情況與液貨艙情況對(duì)應(yīng)。

3.5 分析報(bào)告模塊

分析報(bào)告模塊能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)的模型信息數(shù)據(jù)結(jié)合仿真計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，以液貨艙內(nèi)液貨高度變化圖曲線和液貨泵工作點(diǎn)變化圖曲線和相應(yīng)的信息表等方式，給出設(shè)計(jì)計(jì)算分析報(bào)告，以PDF格式輸出。

4 結(jié)語

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)分析軟件針對(duì)LNG船設(shè)計(jì)過程液貨裝卸復(fù)雜管網(wǎng)阻力計(jì)算的要求，對(duì)設(shè)計(jì)組態(tài)后的復(fù)雜管網(wǎng)自動(dòng)進(jìn)行阻力計(jì)算，并核算多艙LNG輸送所需的時(shí)間。通過實(shí)際裝卸系統(tǒng)建模仿真驗(yàn)證，軟件能夠很好滿足設(shè)計(jì)的需求，具有顯著的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由于目前國內(nèi)還沒有專門用于LNG船管路阻力計(jì)算及液貨裝卸仿真的軟件，故該軟件的完成彌補(bǔ)了國內(nèi)液貨裝卸系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及裝卸仿真分析方面的空白，對(duì)我國自主設(shè)計(jì)LNG船液貨裝卸系統(tǒng)具有參考價(jià)值。同時(shí)，該軟件也可應(yīng)用于其他液貨船裝卸系統(tǒng)的裝卸仿真分析，具有一定的通用性。

［1］李品友，崔益嵩.LNG船液貨裝卸系統(tǒng)的研究［J］.上海海運(yùn)學(xué)院學(xué)報(bào).2001，4（22）:53-56.

［2］黎冰，張烈輝.基于有限單元法的管網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析［J］.油氣田地面工程.2008，5（27）:16-17.

An analysis software plat form for cargo loading/unloading system on LNG carrier

YAN Li-min1HUANG Jin-jin1MENG Cheng2SHIkai2XIN Jian-hua2
（1，Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China；2，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

loading/unloading system；configuration model design；simulation；database

This paper presents a software platform system for design and analysis of liquid cargo loading/unloading system for LNG carrier based on the VC++platform and database technology.With the database of pipe，valve，liquid cargo tank and accessories related to pipe resistance calculation，configuration design of the liquid cargo loading/unloading pipe network system can be directly implemented to meet the loading/unloading requirement of target carrier.Designers can directly optimize the designed model，determine the displacement of liquid cargo pump，pressure head，the diameter and length of liquid cargo pipe and other design information，and simulate the flow，node pressure，volume of liquid remained and so on during loading/unloading process.The most advantage of this system is the simplification of design process，the reduction of time for calculation and verification，as well as the increase of convenience and flexibility.This paper also introduces the content，structure and implementation of the software platform.

U662.9

A

1001-9855（2011）03-0051-05

2010-10-19；

2011-03-17

工業(yè)和信息化部高技術(shù)船舶科研項(xiàng)目（編號(hào)2007K24161）。

嚴(yán)利民（1968-），男，漢族，高級(jí)工程師，研究方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)研究工作。

黃津津（1983-），男，漢族，工程師，研究方向：船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)研究工作。

孟成（1984-），男，漢族，碩士研究生，研究方向：動(dòng)力機(jī)械及工程。

施凱（1986-），男，漢族，博士研究生，研究方向：動(dòng)力機(jī)械及工程。

忻建華（1957-），男，漢族，副教授，研究方向：能源系統(tǒng)信息處理及自動(dòng)控制。