油氣化工碼頭智能化前景與應用

文/黃兆周 徐孟才

隨著經濟全球化以及現代供應鏈的快速發展，港口裝備智能化成為第4代港口的發展趨勢。目前，港口的競爭已不再是深水港、大泊位、大堆場、集疏運體系等硬實力競爭，而是供應鏈、物流服務、智能化、信息化等軟實力競爭。未來，油氣化工碼頭智能化可縮短船舶停時，降低運營成本，整體提升碼頭安全管理水平。

港口是國家能源交通命脈，也是油氣化工產品進出口生命線。我國油氣化工碼頭眾多，管理水平參差不齊，部分碼頭安全環保事故頻發，對油氣化工碼頭和危險化工企業安全生產及經營管理影響巨大，國內油氣化工碼頭安全生產形勢十分嚴峻。

國內油氣化工碼頭安全生產現狀

2018 年，全國主要公用港口企業累計完成石油、天然氣及其制品吞吐量40 692 萬噸，其中原油已超越美國成為第一進口大國，近70%依靠進口，港口承擔了主要進口能源裝卸重任，對國家能源戰略的地位與作用舉足輕重。港口裝卸安全和貨物通過能力的提升，對保障國家能源安全、貿易安全意義重大。

國內油氣化工碼頭眾多，成分屬性復雜，管理水平參差不齊，部分碼頭安全環保事故頻發，作為能源化工供應鏈的重要中間環節，港口安全績效直接與石化企業和運輸船舶密切相關，港口智能化發展事關國家能源戰略安全和經濟發展。2019 年9 月20 日，中共中央、國務院印發《交通強國建設綱要》，明確習近平總書記交通強國思想的重大戰略決策。要求交通先行，適度超前，水平提高，創新先進，打造核心樞紐港，強化技術升級，開發智能交通，打造綠色高效現代物流，推進危險品物流專業化。發展“互聯網+”高效物流，創新智慧物流營運模式，推進北斗衛星系統物流應用。

隨著經濟全球化以及現代供應鏈的快速發展，港口裝備智能化成為第4 代港口的發展趨勢。港口智能化的目的是要保障港口的運行效率和港口的運行安全。目前，國內國際集裝箱碼頭智能化已初具規模，但油氣化工碼頭智能化領域卻少人問津，呈現冰火兩重天的格局。目前已知的油氣化工碼頭，大多采用分布式DCS 系統管控碼頭液貨裝卸作業，缺乏對船舶靠離泊、系解纜、接拆臂和裝卸船等作業全過程的系統集成，也沒有對碼頭控制系統、可燃/有毒氣體檢測系統、火災報警系統、消防控制系統及閉路電視（CCTV）監控系統實施連鎖，嚴重影響了油氣化工碼頭的安全生產和裝卸效率。

中海化學八所港惠州項目部原油碼頭

隨著物聯網、大數據、云計算、地理信息系統(GIS)等信息技術的港口應用，港口的競爭已不再是深水港、大泊位、大堆場、集疏運體系等硬實力競爭，而是供應鏈、物流服務、智能化、信息化等軟實力競爭。如何優化港口集轉運系統，改善裝卸工藝，提高裝卸作業效率，縮短船舶停時，降低運營成本，提高安全業績、提供增值配送服務，將是油氣化工碼頭智能化需要思考的主要問題。

油氣化工碼頭智能化系統設計

科技的飛速發展和物聯網、云計算、大數據應用的快速推進，徹底改變了作為多種運輸方式交匯的港口管理模式。港口信息化和智能化水平成為港口未來地位和發展的決定因素，通過物聯網技術與行業信息化需求的緊密結合，實現廣泛智能化的應用解決方案。油氣化工碼頭智能化包括碼頭自動靠/離泊系統、自動系/解纜系統、自動接/拆臂系統、自動裝/卸船系統4 大功能模塊。

油氣化工碼頭自動靠/離泊系統設計

基于船舶自動識別系統（AIS）、船舶交通服務系統（VTS）和智能航運遠程駕駛與控制技術的網絡化和智能化發展，建立碼頭船舶自動靠/離泊系統就成為未來港口智能化的發展方向和現實需要。應用“北斗”導航系統、5G 實時通信系統、碼頭雷達基站和泊位靠泊基點定位，利用拖輪雷達定位和“北斗”雙定位系統、激光輔助靠泊系統，結合智能航運遠程駕駛與控制技術實施船舶頂推拖帶進出港和靠/離泊作業，實現自動化管理，規避人為操作失誤風險。

輔助安全靠泊電子系統設置有激光輔助靠泊系統、環境監測系統和纜繩張力監測系統，系統集中在管理辦公樓控制室進行監控，在各泊位設置工作站。其中環境監測系統提供船舶在靠泊急需的船舶位置和船舶動態，包括：船艏和船艉的速度、船舶與碼頭的距離和夾角。系統測量范圍包括：碼頭/船舶距離0～250 m，靠泊速度±100 cm/s，相對碼頭的靠泊角度±15°。激光輔助靠泊系統激光探測器設置于碼頭平臺適當的位置，探測器前方不能有東西阻隔。系統控制中心配置1 個移動PC 顯示終端，通過UHF（特高頻無線電波）與控制中心聯系，該終端與控制室顯示相同的內容，與控制室具有熱線電話。碼頭配置大屏幕顯示器，拖輪配置BP 顯示器，顯示內容包括船首的速度、船尾的速度、船舶與碼頭的距離、船舶與碼頭的夾角。

環境監測系統既包括對風向/風速的測量，也包括對氣溫、氣壓、降水、能見度的觀測，對海洋潮位/波浪、海流等要素也要進行實時監測、記錄，環境測量儀具有自動采集功能，有標準的傳輸接口，測量數據納入靠泊系統主機，進行儲存、顯示和共享。潮位測量采用激光傳感器式潮位計，海流傳感器采用多譜樂層流計。

油氣化工碼頭自動系/解纜系統設計

基于智能航運遠程駕駛與控制技術的創新和實用，在船舶絞纜系統和碼頭絞纜機兩端均設立自動化連鎖收放裝置，通過遠程通信實施收放連鎖控制，靠泊時船舶放纜，無人機輔助拖帶掛纜，泊位絞纜機收纜，離泊時船舶收纜，泊位快速脫纜鉤放纜，船岸纜繩通過智能傳感器或拖輪實施連接或脫開操作。

碼頭設置智能纜繩張力監測系統，提供更合理的纜繩布置和纜繩受力監測，每套纜鉤配置壓力傳感器、放大器、通信接口箱，系纜鉤的受力測量數據通過屏蔽雙絞線或光纖傳輸到碼頭控制室主機，脫纜鉤控制器與主機形成閉合網絡。測量數據納入靠泊系統主機，進行儲存、監控、顯示和共享。控制室配置安裝帶有智能纜繩監測軟件的監控終端，設置聲、光報警信號裝置。船舶上的控制終端和控制室主機建立聯動和熱線電話。

油氣化工碼頭自動接/拆臂系統設計

基于緊急脫離裝置（ERS）現有的船岸輸油臂緊急脫離技術，研發船岸輸油臂連接/脫離自動化技術，并將船岸輸油臂緊急脫離升級為自動連接/脫離，實施船岸連鎖，利用5G 網絡和DCS 技術遠程控制和緊急情況自動觸發關停和脫離。

油氣化工碼頭自動裝/卸船系統設計

1.油氣化工碼頭自動裝/卸船系統網絡結構

碼頭自動裝/卸船系統網絡的組成分為網絡層、控制層和現場層，網絡層完成對控制層和現場層的信息交換進行監督管理，在控制過程起監督管理的作用,把生產過程的動態數據送到服務器，實現網絡管理一體化。控制層通過監控系統、定量裝船系統（DCS），通過光纖通訊或總線通訊的連接方式來實現與總控制中心的連接，形成一套充分融合，高安全性能的冗余控制系統。現場層由罐區、碼頭和公用區組成，實現各類受控設備的實時監控、安全連鎖、數據存儲和管理。

2.油氣化工碼頭自動裝/卸船系統功能

碼頭自動裝/卸船DCS 的體系結構基本功能包括：實時性、參數調整、報警功能、監督功能。

實時性是儀表將現場管線壓力、溫度、流量、液位、氣體濃度等在內的各種物理信號轉換為數字信號或電信號，通過執行機構處理措施將所控制信號轉變為如位移、閥位等物理變量。通過控制站創建系統的O/I 服務，完成對現場控制點的數據采集，對生產系統的整體運行狀況在操作員站上通過流程面、單回路控制畫面、數據聲音的變化體觀出來。

參數調整是在操作員站上，操作員根據生產需要對運行參數做出及時、準確的調整，如壓力、溫度、流量、液位參數的調整。

報警功能是通過對模協量、開關量、設備和系統狀態報警監視，上傳報警發生時間、報警地點、報警說明等信息列表顯示，如屏幕畫面由綠色變成紅色，并伴隨燈光閃爍、聲音提示的方式進行報警，從而提醒操作員及時處理，保證設備運行安全。

監督功能是指通過對歷史參數的瀏覽，查閱操作記錄及報警信息的處理和分析，監督操作人員是否按時完成職責操作及有無誤操作。當發生故障時，可利用實時和歷史的數據，對故障進行及時分析，明確故障發生的原因，以避免故障再次發生或減少損失。

3.油氣化工碼頭自動裝/卸船系統組成

碼頭自動裝/卸船系統主要包括碼頭控制系統、可燃/有毒氣體檢測系統、火災報警系系統、消防控制系統及閉路電視（CCTV）監控系統等5 個子系統。

碼頭控制系統。碼頭設置相對獨立的DCS 控制系統，在各液體泊位控制樓樓內分別設置一個現場機柜室，各設一套相對獨立的DCS 控制系統，并各配置一個操作員站；碼頭綜合控制樓樓內設一個碼頭中央控制室（CCR4）,內設一套相對獨立的DCS 控制系統，配置兩個操作員站及一個工程師站，一套儀表設備管理系統（AMS）服務器及一個標準OPC 接口服務器。負責對碼頭各泊位工藝作業流程的監控。

碼頭工作平臺上設置有ESD 緊急停車系統，與工藝管線上裝卸臂后第一閥門連鎖，發生事故時緊急關閉裝卸設施。管道上安裝壓力表、溫度表，可就地檢測油品的壓力和溫度。裝卸系統設置可靠的檢測介質溫度、壓力的儀表，如壓力變送器、溫度變送器等，可在線監測油品的壓力和溫度。

可燃/有毒氣體檢測系統。碼頭設置相對獨立的GDS 可燃/有毒氣體檢測系統，系統主要由獨立主機PLC 控制系統、固定式和便攜式可燃或有毒氣體濃度探測器等組成。可燃氣體濃度變送器安裝在現場，GDS 系統主機安裝在碼頭中央控制室及各泊位控制樓。現場探測器將現場可燃/有毒氣體濃度以4-20 MA 信號傳至GDS 系統主機，實現安全監測、報警等功能。

火災報警系統。碼頭設置火災報警系統，主要由報警控制器、感溫探測器、感煙探測器、報警按鈕、聲光報警器等組成。在碼頭工作臺和引橋每隔500 m 左右設置報警按鈕及聲光報警器，供報警用。當按下報警按鈕時，報警信號送到火災報警控制器，同時觸發聲光報警器。碼頭報警系統通過光纜與后方庫區火災自動報警系統進行通信。

消防控制系統。消防控制系統自成一套獨立系統,由消防炮廠家配套提供設計，接入碼頭中央控制室的計算機管理系統實現統一管理，與火災報警系統和碼頭DCS 控制系統連鎖。

閉 路 電 視（CCTV） 監 控 系統。在碼頭中央控制室設置閉路電視（CCTV）監控系統，對包括碼頭輸油臂、閥門、管匯、泊位船舶、纜繩和船舶附近水域等關鍵對象實施24 小時不間斷監控，攝像機配置電動變焦鏡頭、旋轉云臺、防護罩，并與碼頭DCS 控制系統連鎖。