LNG海上浮式加注管控系統設計

李萌，周毅，鄭坤，孫冰，周斌

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

LNG海上浮式加注系統是LNG燃料加注船的核心裝備之一，用于實現海上LNG加注船與LNG動力船間LNG的安全快速輸送。受風浪、船體相互作用等因素影響，海上LNG輸送對過程安全性要求更高。本文設計一種LNG海上浮式加注管控系統，并建立加注系統數據庫，對加注設備及加注管路的重要數據進行分析并量化，對加注過程及加注系統關鍵部件使用壽命實時跟蹤監測，解決LNG浮式加注信息化程度低、關鍵設備運維預測能力缺失等問題，實現海上加注作業信息的實時采集、處理與監測。

1 系統架構

加注控制系統硬件架構采用模塊設計，傳感模塊、控制系統、計費計量系統、上位機監控系統等部分以相互獨立的方式進行設計，充分發揮系統的定制化和擴展性。系統主要分為上位層、控制層和設備層，系統硬件架構拓撲圖見圖1。

圖1 控制系統硬件架構拓撲

上位層的人機交互設備配備兩臺工業工作站：數據監控工作站可以對海上加注系統實現整體數據的監測和儀表設備的控制，同時兼備生產運行數據服務器，完成人機交互、數據融合運算、設備安全管理等信息化管控功能；業務工作站主要實現計費計量系統的信息管理功能，對人員的制卡、刷卡信息進行匯錄，對生產單據進行跟蹤、記錄，對人員的權限進行分配等。

控制層由計費計量系統和核心控制器構成：計費計量系統由自主研發的批量控制器和防爆讀卡器組成，將現場的計費計量數據傳輸到控制器和上位層的監控站、業務站，實現加注過程的計費計量和工藝生產的手動控制；控制系統核心控制器完成現場儀表數據采集、邏輯控制、安全聯鎖、數據通信等功能，提供第三方接口，同時完成ESD的緊急切斷、緊急停車、超限緊急動作等控制。

設備層主要配備精密儀表設備和電氣設備：精密儀表用于加注系統的前端信息感知與計量，通過流量計、溫/壓傳感器、靜電報警器對工藝生產數據進行無間斷監測，實時將數據遠傳給控制層；電氣設備用于調度輸送液體燃料，泵機將加注罐內的LNG輸入到工藝管道內，通過調節閥、緊急切斷閥實現流速控制和緊急切斷。

各模塊之間的功能見圖2。

圖2 模塊功能

2 控制系統功能設計

船舶加注管理系統基于Econsoft環境，實現對控制系統功能的設計及開發，在windows7-10的系統上運行；屏幕界面基于嵌入式的運行環境，在Kinco HMIWare進行開發，相關界面設計見圖3。

圖3 加注系統人機交互界面設計

2.1 上位層功能設計

上位層的業務管理系統可以對加注/受注船信息、加注量、計費額度等數據進行集中管理，系統中至少保留100 000條操作記錄，以便對數據進行查詢統計；加注的相關參數可由有數據授權的技術人員預先在系統內設置壓力變送器范圍，溫度變送器范圍，流量系數，預冷溫度，預冷流速等參數，從而實現精確控制。

監控系統可以實時監測工藝數據和軟管吊位置信息，提供加注狀態和數據報警功能，當系統與加注批控器通訊中時，系統畫面將出現通訊故障報警信息；加注批控器和上位機之間通過RS485線和Modbus協議進行通信，在刷卡加注時到數據庫中進行檢查，如果信息有誤可以停止加注，從而保證系統安全性，同時控制系統可以設置就地/遠程加注控制，保證加注方式的靈活性。

除此之外加注時要進行船號的確認，開票室制作IC卡時選擇船型編號，IC卡設定編號與泊船編號一致，方可刷卡加注；現場刷卡完成須有操作人員確認加注信息，無誤后方可確認信息正確開始加注；刷卡以后數據上傳到加注系統的數據庫中進行校驗，確認無誤后將加注量下載到批控器，操作員確認后進行加注；業主可通過需求選擇需要打印的報表信息。

2.2 控制層功能設計

控制層系統提供本地/遠程操作兩種操作模式，可以通過加注控制室的加注控制系統修改加注模式，聯機加注模式由制卡系統設置預制加注量并由加注批控器自動讀取預裝量。脫機模式由現場操作人員在大屏上手動輸入預裝量或輸入加注單號，系統根據加注單號讀取預注量，輸入完成后即可直接開始加注。

在加注時需要連接接地裝置，加注完畢要斷開接地裝置；加注人員可通過批量控制器屏幕確認加注信息。加注調節閥根據批控器內部參數設置的四段加注速度，比對加注瞬時流速，自動控制調節閥開度，以控制流速在設定相應加注段的流速范圍內；在設定好預裝量后，加注撬將自動依次打開氣動切斷閥、氣動調節閥進行充裝，在沒有報警的情況下，系統將根據設置好的系統參數，自動進行加注流速控制，在達到系統設置提前量時，系統將減小流速，加注完成自動關閉閥門，停止加注。當出現緊急事故時緊急切斷閥在緊急停車、EDS急停狀態下切斷閥關閉，同時可以存儲報警信息和報警日志。

系統控制器連接質量流量計、溫度變送器、壓力變送器等，對質量、溫度、壓力等信號進行精確采集。通過控制器的自調節PID算法控制氣動調節閥，可有效消除水擊及靜電，確保動態加注精度，保證加注的穩定性。加注系統10 in彩色液晶顯示屏提供參數設置，系統脫機聯機狀態、溫度、壓力、流速、預裝量、已裝量與報警顯示功能，同時顯示屏上會有計費計量顯示。

2.3 設備層功能設計

監控系統可以進行溫度、壓力檢測，采集溫度、壓力變送器的4～20 mA信號，并在監控系統上設置上限報警值，超限則立即報警，并發出聲光，執行器執行聯鎖動作；系統還可以進行靜電檢測，具有靜電夾未接或接觸不良(接地電阻大于等于10 Ω時)報警功能，并實現對控制閥門的聯鎖，防止火災爆炸事故；當加注遇有靜電故障時，都將發出醒目的閃爍紅光和警醒的報警聲提醒現場操作工的注意，并在批控器上滾動顯示故障和報警項，當液相線和氣相線的壓力和溫度超過設定值時控制系統報警。

根據加注工藝流程，自動控制液相開關閥開關，及氣動調節閥的開度，實現調節閥開度根據設置參數自動多段調節。閥位檢測可以實時檢測液相/氣相開關閥、氣動調節閥的閥位信號，實現閥位遠程顯示及異常報警。在軟管吊動作過程中，通過編碼器和接近開關時刻反饋位置信息，在出現超限動作前執行安全聯鎖動作，在出現緊急情況時，只需按下輔助操作盤上的防爆急停按鈕，就能立即關閉并停止該加注撬的加注進程，同時執行相應的安全聯鎖動作。

加注批控器和上位機之間通過RS485線和Modbus協議進行通信。在刷卡加注時到數據庫中進行檢查，如果信息有誤則停止加注，保證安全性。控制系統可以設置就地/遠程加注，保證了加注方式的靈活性；同時上位機預留與DCS通信使用的OPC接口，供DCS采集加注撬信息。

3 加注系統控制流程

LNG加注控制系統的控制流程主要可以分為計費計量系統、自動化工藝控制系統兩部分，加注控制流程見圖4。

圖4 加注控制流程

計費計量系統包括定量加注、定額加注、非定量加注三種模式。定量加注是指控制系統生產設備完成工作人員設定的預定量的加注，當IC卡余額不足時提示人員重新設定加注量；定額加注是指人員設定LNG的加注的金額，程序內部可以自動換算為對應的加注量；非定量加注是指當人員對加注量沒有預先控制時，控制器預先根據IC卡金額量進行加注，當余額充足時，加注前端的注滿開關信號反饋到系統內部，結束加注過程，否則以最大的余額量進行加注。相關系統界面顯示見圖5。

圖5 人機交互界面

自動化工藝控制系統用于滿足LNG介質加注特性的工藝要求，在預裝期間首先對管線進行整體預冷，當溫度滿足加注要求時，首先采取小流量罐裝，防止罐內溫差較大導致LNG氣化過快造成的壓力隱患，中間過程通過預設流速來控制調節閥大開度，經過3段階梯式的PID調節手段，實現LNG介質快速、慢速、低速的分級控制過程，最終完成穩定、安全的加注流程。