LNG罐箱多式聯運監控系統研究

馬御風，周世良，趙殿鵬，吳俊，李曉飚

（1．重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016;2．重慶西科水運工程咨詢有限公司，重慶 400016;3．浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 311215）

1 引言

天然氣是一種重要的清潔能源，我國的天然氣消費量逐年增長。2021年我國天然氣消費量為3726 億立方米，進口量為1675 億立方米，同比增長19.9%。其中，液化天然氣（以下簡稱LNG）進口量占天然氣總進口量的65%，通過管道方式的進口量占比為35%。

LNG 運輸方式主要有船舶、鐵路、公路、管道等，LNG 罐式集裝箱多式聯運為LNG 運輸提供了一種新模式。LNG 罐式集裝箱（以下簡稱LNG 罐箱）是一種LNG 儲運設備，將真空絕熱低溫液體儲罐安置于集裝箱框架內。采用國際通用的集裝箱標準外形尺寸，便于堆碼排列，可利用輪船、火車、汽車等多種運輸工具進行運輸。國外對LNG 罐箱的應用相對較早，日本在上世紀末就嘗試用低溫罐箱進行LNG 運輸，美國、挪威、葡萄牙等歐美國家也有LNG 罐箱運輸相關的應用。國內對LNG 罐箱的研究可追溯到2002年，當時新疆廣匯建設了一條鐵路專線和LNG 罐箱配套設施。2013年，國家鐵路總公司在青藏鐵路格拉段開展LNG 罐箱運輸試驗。2018年，中國海油組織了國內首次LNG 罐箱運輸作業。2019年，搭載著24 個LNG 罐箱的運輸船順利抵達南京龍潭港，標志著我國首次LNG 罐箱江海聯運的成功。2020年，自馬來西亞啟航的中國籍“泛舟6”輪載運著205 個LNG 罐箱，安全靠泊煙臺龍口港，這是國內首次成功開展整船載運LNG 罐箱進口業務。

2 LNG 罐箱多式聯運模式

2.1 LNG 罐箱多式聯運的流程

傳統LNG 運輸方式利用專用船舶、火車、槽車等進行運輸，屬于散裝運輸。利用標準罐箱進行運輸是一種較新的LNG 物流模式，屬于包裝運輸。進口LNG 時，供應商將充裝了LNG 的罐箱運輸至出發港口，然后吊裝至集裝箱船上，與其它貨物混裝運輸或者整船單獨運輸。到達目的港口后再通過水路、公路、鐵路等方式運抵終端用戶處或臨時堆存。LNG 罐箱多式聯運的主要流程如圖1所示。

圖1 LNG 罐箱多式聯運流程

2.2 LNG 罐箱多式聯運的特點

傳統運輸模式需要自建或租用大型LNG 運輸船、專用碼頭、LNG 接收站和其它相關設施。LNG 罐箱多式聯運模式只需采購標準罐箱，利用集裝箱車船或對通用車船予以改造后進行運輸。傳統模式多為整單大批量運輸，LNG 罐箱模式適應多單小批量的情況。傳統模式下每次變換運輸工具時，都需要對LNG 進行卸載和充注，耗時較長作業繁瑣。新模式下變換運輸工具時只需對罐箱吊裝和固定即可，耗時短，作業簡單。此外，LNG 罐箱在運抵用戶處后可脫離運輸車體獨立使用或作為臨時存儲設施，使用更靈活。

與傳統LNG 運輸模式相比，LNG 罐箱多式聯運具有投資規模小、建設周期短、周轉方便、運輸使用靈活等特點。適合小批量的LNG 進口運輸，也能適應天然氣需求季節性變化的特性，彌補傳統LNG 運輸模式的不足。

2.3 LNG 罐箱多式聯運的風險

LNG 的主要成分為甲烷，其發生泄漏時會由于汽化產生局部低溫，對設備和人員造成傷害。其汽化后與空氣混合遇點火源則可能發生燃燒或爆炸。LNG 罐箱儲運過程中的風險主要有以下幾點：

（1）罐箱本身的安全風險。罐箱由于自身結構、材料、制造工藝等原因，可能產生罐箱變形、壓力增高、泄漏等問題。

（2）罐箱裝卸過程中的安全風險。港口集裝箱裝卸作業在露天進行，受風、霧、雷電、波浪、照明等影響比較明顯。人員的操作、配合和設備的安全性能也是影響作業安全的重要因素。這些因素的綜合作用可能導致裝卸過程中出現罐箱碰撞、墜落等情況。

（3）運輸過程中的安全風險。LNG 罐箱在公路和鐵路運輸過程中受道路、天氣、車輛、駕駛員等多種因素影響，可能出現罐箱刮擦、碰撞、側翻、甩落等狀況。在水路運輸過程中由于風浪、積載和隔離不當等原因，也可能造成罐箱破損、墜落、火災等。

（4）堆放存儲時的安全風險。LNG 罐箱具備“宜運宜儲”的特點，但是在臨時堆載和作為臨時存儲設備時，不規范堆載可能造成罐體受壓發生變形破損，從而導致LNG 泄漏。

（5）LNG 充卸過程的安全風險。LNG 罐箱終端使用現場情況復雜多變，使用人員操作和管理水平參差不齊，容易發生LNG 罐箱閥門法蘭泄漏、安全閥意外開啟、軟管脫落等事故。

3 LNG 罐箱多式聯運監控系統

3.1 系統總體方案

LNG 罐箱多式聯運監控系統利用傳感器、無線通訊、數據庫、互聯網等技術，實現對罐箱從LNG 生產方到最終用戶的運輸過程全流程實時監控。

系統主要由罐箱監測設備和監控平臺兩部分組成。監測設備安裝在LNG 罐箱上，每一套設備都與罐箱唯一對應。利用各種傳感器采集罐箱相關參數，并將所有數據通過蜂窩網絡或衛星通訊的方式發送到監控平臺。監控平臺對所有LNG 罐箱的數據提供存儲、分析、查詢、報警等功能。LNG 罐箱多式聯運監控系統總體方案如圖2所示。

圖2 LNG 罐箱多式聯運監控系統總體方案

3.2 罐箱監測設備

罐箱監測設備主要由溫度檢測、壓力/液位檢測、傾角檢測、加速度檢測、氣體檢測等模塊構成。

3．2．1 溫度檢測

在物質豐裕的現代社會，人們更加關注精神愉悅和享受，精神生活相對貧乏使得人們對心理學的要求不再僅僅滿足于防治心理疾病上，而且還包括找尋快樂、過幸福生活等。積極心理學的理念正好滿足了人們不斷追求幸福生活的需求，逐步成為當代心理學家的研究重點。在積極心理學的范疇中，流暢體驗是促進人們獲取幸福感的一種方法。大量研究證實了流暢體驗能夠帶來巨大的愉悅感，并促進了個體生活質量的提高。大量實證結果表明，鍛煉身體對改善消極心理有重大作用。積極心理與身體鍛煉如何實現正向互促，從而提高生活質量成為人們新的思考方向。

罐箱內部溫度利用防爆型工業級溫度變送器進行檢測，變送器通過法蘭安裝于儲罐中。傳感器測量范圍下限低于LNG 的沸點，具有較快響應速度和較高的防護防爆等級。

3．2．2 壓力/液位檢測

利用集成的壓力檢測模塊檢測罐箱內部的氣相和液相壓力，壓力感應核心采用單晶硅技術，具有穩定性好、精度高、耐過壓沖擊等優點。由一個傳感器完成壓力數據采集，能最大限度減化安裝調試、提高現場使用效率、盡可能減少罐體引管接頭數量、降低泄漏、提高罐箱安全性。

LNG 液位檢測通常采用壓差式液位儀表、超聲液位計和電容式液位計等方式。LNG 的低溫特性導致傳感器容易損壞，且需要增加線路?？筛鶕﨤NG 氣化、沸騰及膨脹等基本深冷特性，通過對LNG 比重、罐箱內部空間形狀、溫度、氣相壓力、液相壓力等非接觸性數據進行綜合計算分析，從而獲得罐箱內LNG 的液位高度。

3．2．3 傾角檢測

傾角檢測用于判斷罐箱在儲運過程中是否發生翻轉、傾覆等，通過在罐箱上安裝傾角測量儀來實現。傾角測量儀的傳感器單元由兩個線傾角儀正交構成，線傾角儀的核心是兩個敏感方向相互正交放置的一維MEMS微加速度計。

3．2．4 加速度檢測

LNG 罐箱運輸過程中可能發生運輸工具的碰撞，或者在裝卸罐箱過程中發生撞擊和跌落等，這些都可能導致罐箱產生變形甚至破損。采用基于MEMS 硅微加工技術的壓阻式加速度傳感器，通過預先設置加速度報警閾值，可在罐箱發生不同程度的撞擊時進行分級報警。

目前可燃氣體傳感器大都采用熱催化、電化學或紅外線技術。前兩種主要通過氣體與化學感應材料的反應檢測氣體濃度，該方式易受其它氣體干擾，漏報、誤報情況嚴重。而且需要定期對傳感器進行標定，其使用壽命也比較短。采用紅外線方式的產品容易受環境影響，檢測準確率較低，檢測反應速度也比較慢。

激光氣體檢測技術利用不同物質對特定波長的光波有最大吸收的原理，具有防干擾性強，使用周期長，檢測精度高，無需再標定或更換傳感元件等優點。采用激光傳感器對LNG 罐箱周圍環境中的甲烷氣體進行檢測，能夠很好地滿足LNG 罐箱的儲運特性。

3．2．6 罐箱定位

罐箱定位采用GPS 或北斗系統，通過定位芯片獲取罐箱實時位置，并可通過歷史位置信息繪制移動軌跡。

表1 傳感器參數

3.3 罐箱監控平臺

LNG 罐箱監控平臺可以為用戶提供其權限范圍內的所有罐箱狀態，實現高效綜合監控和管理調度。監控平臺的核心功能包括：對運輸、轉儲、使用過程中的每一個罐箱狀態的掌握，對罐箱異常情況的分析報警，對罐箱歷史數據的查詢與分析。還可以利用數據挖掘等大數據技術，對LNG 罐箱本身狀況做出評估預判，以提高安全性，做到防患于未然。滿足LNG 供應渠道的多樣化，實現從LNG 上游供應源到LNG 終端用戶全過程的監控和管理。

LNG 罐箱監控平臺架構主要包括采集層、傳輸層、數據層和應用層。

（1）采集層：主要由LNG 罐箱監測設備構成，基于模塊化、標準化設計，用于獲取罐箱狀態數據。

（2）傳輸層：提供罐箱監測設備的網絡接口接入，支持不同的通訊方式。當罐箱處于通訊條件較好的環境中時，可以利用蜂窩網絡實現數據傳輸；當通訊條件較差，如遠洋、深山等情況，可通過組建局域網，將多個罐箱的數據匯總處理后通過海事衛星或北斗短報文等方式進行傳輸。

（3）數據層：提供各類數據的存儲、分析、管理和共享分發服務及關系數據、規則引擎等算法工具支撐，由基礎數據庫、業務數據庫、共享數據庫、規則數據庫等組成。

（4）應用層：利用罐箱監測設備采集的數據，結合多式聯運具體業務需求，為用戶（罐箱制造商、罐箱運營方、物流公司、終端用戶、監管部門等）提供基于不同數據要素、時間跨度與表現形式的系列化監控服務與數據展現，如罐箱監測、智能預警、使用管理等綜合性服務。

監控平臺采用B/S 模式，該模式客戶端具有同一性，將系統功能實現的核心部分放在服務器上，只有少數業務邏輯在前端實現，簡化系統的開發、維護和使用。平臺針對不同功能設計相應的功能界面，且面對不同用戶開放不同權限，各用戶在自身權限范圍內實現對罐箱的監控。監控平臺部分功能界面如圖3所示。

圖3 罐箱監控平臺界面

4 結束語

隨著LNG 罐箱多式聯運物流模式的發展，LNG 罐箱的市場存量會越來越大，對這些罐箱狀態的監控十分必要。本文針對多式聯運的特點，提出一種LNG 罐箱多式聯運監控系統，該系統通過在罐箱上安裝監測設備獲取罐箱狀態參數，利用無線通訊方式將數據發送到服務器，并通過監控平臺為用戶提供罐箱狀態查詢、智能報警、綜合管理等功能。解決LNG 罐箱監控難題，提高其儲運安全性。