海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)接駁裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 萌，周 毅，華先亮，周 斌，孫 冰

(1. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司 天津 300452；2. 上海船舶研究設(shè)計(jì)院 上海 201203)

LNG浮式轉(zhuǎn)接駁設(shè)施是一個(gè)模塊化的LNG傳輸系統(tǒng)，使用浮式軟管與模塊化的岸上設(shè)施相連接，以實(shí)現(xiàn)船舶與儲(chǔ)存設(shè)施之間的LNG傳輸。儲(chǔ)存設(shè)施可以是任何浮式終端、岸上終端或船舶，具備成本低、建設(shè)周期短、效益高、作業(yè)靈活等特點(diǎn)。在保證LNG傳輸安全性的前提下充分利用靠泊船舶的設(shè)備和碼頭作業(yè)必要的輔助裝備協(xié)同作業(yè)，簡(jiǎn)化配置，盡可能將整個(gè)貨物輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備配置在岸上，實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。更為重要的是LNG浮式轉(zhuǎn)接駁可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的LNG碼頭，不需要花費(fèi)高昂的價(jià)格去專門建造LNG船靠港所需要的各種設(shè)備。同時(shí)，轉(zhuǎn)接駁讓LNG的傳輸變得更加方便快捷，LNG船不需要靠岸，只需要在碼頭附近的水域通過浮筒進(jìn)行系泊等待轉(zhuǎn)接駁到來(lái)即可。這一設(shè)計(jì)涉及低溫材料選型、成型制造、密封、試驗(yàn)驗(yàn)證等諸多環(huán)節(jié)，過去的數(shù)年時(shí)間我國(guó)研發(fā)一直處于空白階段。

國(guó)際上歐美等國(guó)家的海洋工程裝備公司，如Technip -FMC、Trelleborg等，已經(jīng)開展了相關(guān)LNG卸料裝備的技術(shù)研究和樣機(jī)研制工作，提出了FLNG串靠外輸技術(shù)，用了10余年時(shí)間研制出了53～26cm口徑低溫軟管輸送系統(tǒng)。目前上述公司已經(jīng)掌握了耐低溫復(fù)合軟管的核心技術(shù)，憑借對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的壟斷，單套裝備報(bào)價(jià)達(dá)上億美元。這嚴(yán)重制約了我國(guó)海上天然氣田的綠色健康發(fā)展，為此，我國(guó)亟需打破國(guó)外壟斷，實(shí)現(xiàn)低溫柔性軟管輸送系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)自主可控的需求日益迫切。從國(guó)內(nèi)自身發(fā)展來(lái)看，海上LNG軟管與轉(zhuǎn)駁裝置可用于實(shí)現(xiàn)船與船之間LNG貨物的輸送與轉(zhuǎn)駁，隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整優(yōu)化與改革深化，海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置已不可避免地成為影響海上LNG產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展壯大的重要一環(huán)[1-3]。

面對(duì)我國(guó)南海惡劣海況條件，常規(guī)海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置已無(wú)法滿足裝卸作業(yè)條件的技術(shù)要求，以及不同船舶、不同海況下復(fù)雜作業(yè)的條件。因此，需要根據(jù)海上LNG輸送與轉(zhuǎn)駁安全可靠的需求構(gòu)建冗余控制器、冗余網(wǎng)絡(luò)、冗余IO、冗余傳感器四重冗余的控制系統(tǒng)，保證海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置在緊急時(shí)刻拉斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，并提高加注安全性。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

LNG輸送與轉(zhuǎn)駁裝置主要由船船快速連接/分離裝置(QC/DC)、主動(dòng)緊急脫離裝置(ERS)、軟管鞍座及防墜落系統(tǒng)、液壓動(dòng)力單元(HPU)、LNG復(fù)合軟管、Y形三通接頭、船船位置檢測(cè)裝置(VSD)、集成控制系統(tǒng)等組成[4]，其組成圖如圖1所示。

圖1 LNG輸送與轉(zhuǎn)駁裝置組成 Fig.1 Composition of LNG transportation and transfer device

LNG低溫軟管輸送系統(tǒng)可應(yīng)用于FSRU及LNG加注船輸送、FLNG輸送這2種典型場(chǎng)景。FSRU及LNG加注船上可配備LNG低溫軟管輸送系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)與LNG運(yùn)輸船間的輸送，其主要由ERS緊急脫離裝置(蝶閥)、QCDC快速連接脫離(手動(dòng))、電液控制系統(tǒng)、軟管鞍座及防墜落系統(tǒng)、低溫軟管(懸空)及其他附屬件等部分組成。FLNG上同樣可配備LNG低溫軟管輸送系統(tǒng)，主要由ERS緊急脫離裝置(球閥)、低溫軟管(漂浮)、QCDC快速連接裝置(液壓)、導(dǎo)向牽引裝置及電液控制系統(tǒng)組成。

1.2 系統(tǒng)功能

對(duì)海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)基本要求如下：①船船位置檢測(cè)，實(shí)時(shí)檢測(cè)加注船與受注船的距離，具備安全工作區(qū)、一級(jí)報(bào)警區(qū)(ESD1)和緊急脫離區(qū)(ESD2)三級(jí)位置實(shí)時(shí)精確檢測(cè)的能力，見表1；②緊急脫切斷與脫離，保證在緊急時(shí)刻實(shí)現(xiàn)LNG軟管的緊急切斷、緊急脫離，提高加注安全性；③IAS通信，與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)時(shí)通信。

表1 ESD動(dòng)作表 Tab.1 ESD action table

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

LNG軟管輸送裝置控制系統(tǒng)由PLC控制柜、操作面板、報(bào)警面板、現(xiàn)場(chǎng)儀表、通信系統(tǒng)、液壓動(dòng)力單元、液壓控制單元等部分構(gòu)成。圖2為緊急脫離裝置的電液控制系統(tǒng)的框架圖，各組成部分分布于機(jī)房、操作間和現(xiàn)場(chǎng)3個(gè)區(qū)域，其中PLC控制柜位于機(jī)房，操作面板位于操作間，報(bào)警面板、現(xiàn)場(chǎng)儀表位于現(xiàn)場(chǎng)。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到ESD信號(hào)或操作人員按下緊急按鈕后，控制液壓缸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)軟管的緊急切斷與緊急脫離，同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

圖2 LNG控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) Fig.2 Overall design of LNG control system

現(xiàn)場(chǎng)儀表：脫離油缸的接近開關(guān)、測(cè)距傳感器。測(cè)距傳感器構(gòu)成預(yù)報(bào)警、ESD1和ESD2三級(jí)報(bào)警 系統(tǒng)。

PLC控制柜：PLC控制柜安裝在機(jī)房中，位于安全區(qū)域，包含設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)以下功能的可編程邏輯控制器，如ESD1控制、ESD2控制、與IAS控制系統(tǒng)接口(用于監(jiān)控)、液壓?jiǎn)卧目刂疲⑴溆斜O(jiān)控系統(tǒng)。 操作面板：安裝在操作間，位于安全區(qū)域。

報(bào)警面板：安裝在現(xiàn)場(chǎng)，位于危險(xiǎn)區(qū)域，具有防爆控制箱、防爆報(bào)警笛、防爆預(yù)報(bào)警報(bào)警燈、防爆ESD1報(bào)警燈、防爆ESD2報(bào)警燈、防爆ESD按鈕，用于預(yù)報(bào)警，ESD1、ESD2的報(bào)警顯示及操作。

液壓動(dòng)力系統(tǒng)：由液壓動(dòng)力單元和液壓控制單元組成，液壓?jiǎn)卧哂锌刂瓶焖龠B接(液壓)、脫離裝置(液壓)的連接和脫離操作的功能。

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)電氣隔離：為保護(hù)PLC及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)的控制信號(hào)在接入PLC之前都要經(jīng)過隔離式安全柵或浪涌保護(hù)器的電氣隔離。

2.2 船船位置檢測(cè)

船船位置檢測(cè)采用硬線連接與激光雷達(dá)2種方式精確獲得船船距離信息，并在船頭、船尾冗余配置，實(shí)現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下識(shí)別超出包絡(luò)線范圍和啟動(dòng)預(yù)報(bào)警、ESD1、ESD2的功能，可以解決復(fù)雜海況下船船對(duì)接難題，提升對(duì)接效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度和過流壓力損失。包絡(luò)線信號(hào)邏輯表如表2所示。

表2 包絡(luò)線信號(hào)邏輯表 Tab.2 Envelope signal logic table

2.3 PLC控制柜

PLC控制柜安裝在機(jī)房中，位于安全區(qū)域，用于實(shí)現(xiàn)ESD1控制、ESD2控制、人機(jī)界面、船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS通信、液壓?jiǎn)卧目刂疲琍LC控制系統(tǒng)接收DCS(分散控制系統(tǒng))和LCP(操作臺(tái))信號(hào)，通過對(duì)HPU(液壓動(dòng)力單元)和其他設(shè)備發(fā)送命令控制ERS的閥門閉合動(dòng)作、QCDC對(duì)接脫離動(dòng)作和其他相應(yīng)動(dòng)作。PLC控制系統(tǒng)也可以實(shí)時(shí)獲取ERS等設(shè)備狀態(tài)信息，便于進(jìn)行安全管控。操作面板安裝在操作間，位于安全區(qū)域，具有ESD1、ESD2操作與指示功能；報(bào)警面板安裝在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，位于危險(xiǎn)區(qū)域，具有防爆控制箱、防爆報(bào)警笛、防爆預(yù)報(bào)警報(bào)警燈、防爆ESD1報(bào)警燈、防爆ESD2報(bào)警燈、防爆ESD按鈕，用于預(yù)報(bào)警，ESD1、ESD2的報(bào)警顯示及操作。

①控制器方案：控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測(cè)、分散控制”的思路，為確保LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置的數(shù)據(jù)安全傳輸、高運(yùn)行可靠性及不停機(jī)維護(hù)，采用西門子400冗余PLC，具有控制器冗余、網(wǎng)絡(luò)冗余、IO冗余三重冗余保護(hù)[5]，具體配置如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)硬件配置 Fig.3 Hardware configuration of control system

②人機(jī)界面：采用西門子WINCC組態(tài)軟件，該軟件能提供生成可視任務(wù)的組件和函數(shù)，生成畫面、腳本、報(bào)警、趨勢(shì)和報(bào)表的編輯器等都是由最基本的WinCC系統(tǒng)組件建立，其中基本系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)歸檔以較高的壓縮比進(jìn)行長(zhǎng)期數(shù)據(jù)歸檔，并具有數(shù)據(jù)導(dǎo)出和備份功能，以及實(shí)時(shí)監(jiān)控加注過程、船船位置、液壓?jiǎn)卧⒕o急脫離等單元狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、報(bào)警提示、歷史查詢等功能。

③通信方案：PLC與人機(jī)界面采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，與船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS采用MODBUS RTU及硬線2種形式實(shí)現(xiàn)通信，通過MODBUS RTU總線和硬線開關(guān)量等2種信號(hào)形式進(jìn)行通信。采用MODBUS RTU總線時(shí)船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS為主站，LNG軟管輸送控制系統(tǒng)側(cè)為從站，實(shí)現(xiàn)了船舶自動(dòng)化系統(tǒng)IAS對(duì)LNG軟管輸送控制系統(tǒng)的監(jiān)控與集成，見表3。

表3 IAS通信列表 Tab.3 IAS communication list

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)作業(yè)需求和系統(tǒng)要求，軟件的主要流程圖如圖4所示，軟件系統(tǒng)主要由通用動(dòng)作、液壓?jiǎn)卧刂啤SD控制、系統(tǒng)故障診斷、液壓?jiǎn)卧刂啤ODBUS RTU等部分組成。

圖4 軟件流程圖 Fig.4 Software flow chart

液壓動(dòng)力系統(tǒng)由液壓動(dòng)力單元和液壓控制單元組成，用于控制快速連接(液壓)、脫離裝置(液壓)的連接和脫離操作。液壓動(dòng)力單元(HPU)用于LNG輸送與轉(zhuǎn)駁裝置動(dòng)力供給，為整個(gè)輸送系統(tǒng)提供液壓動(dòng)力源，采用油液泵+手動(dòng)泵+蓄能器的冗余設(shè)計(jì)，具備同時(shí)驅(qū)動(dòng)5套ERS緊急脫離裝置和1套QC/DC動(dòng)作的能力。選用2個(gè)不低于10L的蓄能器作為應(yīng)急動(dòng)力源，供緊急情況下使用。同時(shí)，液壓動(dòng)力單元還應(yīng)配置必要的壓力傳感器、溫度傳感器、液位傳感器、污染指示器等，以實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，出現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警。

液壓?jiǎn)卧刂屏鞒倘鐖D5所示。液壓控制單元具體實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)輸送系統(tǒng)的動(dòng)作控制，包括緊急脫離、快速對(duì)接等。同時(shí)，在ERS緊急脫離裝置回路上安裝ERS液壓安全閥件，通過手動(dòng)操作進(jìn)行ERS的 激活/抑制操作(當(dāng)ERS處于抑制狀態(tài)時(shí)，ERS油缸不能動(dòng)作)，防止因非裝卸過程中誤操作導(dǎo)致ERS上下閥門脫離。其通過外部的管路系統(tǒng)與數(shù)個(gè)液壓油缸相連以控制多組閥門動(dòng)作，采用雙泵并聯(lián)設(shè)計(jì)和蓄能器的冗余設(shè)計(jì)。當(dāng)檢測(cè)到有液壓動(dòng)作或蓄能器壓力低于設(shè)定下限時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)液壓電機(jī)為系統(tǒng)提供動(dòng)力；當(dāng)無(wú)任何動(dòng)作時(shí)自動(dòng)停機(jī)，以節(jié)省能源。

圖5 液壓?jiǎn)卧刂屏鞒?Fig.5 Control flow of hydraulic unit

ESD1控制、ESD2控制流程如圖6所示，PLC根據(jù)表2的邏輯進(jìn)行ESD信號(hào)檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)的ESD信號(hào)時(shí)按照表1執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

圖6 ESD控制流程 Fig.6 ESD control flow

4 功能試驗(yàn)

①PLC冗余控制器切換過程試驗(yàn)。人為設(shè)置主控制器故障，控制系統(tǒng)切換過程無(wú)錯(cuò)亂、監(jiān)控信號(hào)自動(dòng)保持切換時(shí)實(shí)際狀態(tài)，切換后系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)無(wú)丟失。

②報(bào)警區(qū)域試驗(yàn)。在維護(hù)超馳狀態(tài)下模擬船船距離，分別依次越過預(yù)報(bào)警、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警包絡(luò)線，檢驗(yàn)維護(hù)超馳狀態(tài)下船船允許運(yùn)動(dòng)區(qū)域及區(qū)域報(bào)警的觸發(fā)功能，利用PLC監(jiān)控軟件記錄各個(gè)包絡(luò)范圍的值。

③液壓系統(tǒng)功能試驗(yàn)。人為分別設(shè)置泵1故障、泵2故障，液壓系統(tǒng)正常切換冗余泵或蓄能器，保證系統(tǒng)動(dòng)力供給，切換過程油缸動(dòng)作無(wú)明顯卡頓。

④整機(jī)ERS低溫緊急脫離試驗(yàn)(人工觸發(fā))。人工觸發(fā)緊急脫離程序，連續(xù)聲光報(bào)警啟動(dòng)，緊急脫離油缸驅(qū)動(dòng)下球閥在5s內(nèi)關(guān)閉，抱箍在下球閥關(guān)閉后2s激活，抱箍激活后液壓回撤功能啟動(dòng)；各性能指標(biāo)與動(dòng)作功能均符合要求。

⑤整機(jī)ERS低溫緊急脫離試驗(yàn)(模擬自動(dòng))。模擬船船距離分別依次越過預(yù)報(bào)警、一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警包絡(luò)線，觸發(fā)緊急脫離程序，連續(xù)聲光報(bào)警啟動(dòng)，緊急脫離油缸驅(qū)動(dòng)下球閥在5s內(nèi)關(guān)閉，抱箍在下球閥關(guān)閉后2s激活，抱箍激活后液壓回撤功能啟動(dòng)；各性能指標(biāo)與動(dòng)作功能均符合要求。

通過一系列單機(jī)系統(tǒng)試驗(yàn)及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)各性能指標(biāo)與動(dòng)作功能，試驗(yàn)過程及結(jié)果符合試驗(yàn)大綱及SY/T 6986.1—2014標(biāo)準(zhǔn)要求[6]。

5 結(jié) 語(yǔ)

試驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明采用基于冗余PLC控制的海上LNG軟管輸送與轉(zhuǎn)駁裝置控制系統(tǒng)滿足了海上LNG軟管輸送裝置全程安全輸送需求，可保證緊急拉斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，并提高了加注安全性。但針對(duì)不同目標(biāo)船型和作業(yè)海況在各種不同的船船漂離速度、晃動(dòng)、高差工況下如何確定最優(yōu)的安全工作區(qū)、一級(jí)報(bào)警區(qū)和緊急脫離區(qū)范圍仍有待更深入的研究。■