應用于LNG交割中的FSRU貨物交割及管理系統研究

李 靜，朱嘉敏

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

作為清潔能源，液化天然氣（LNG）的市場需求量一直在穩定增長，同時隨著人們越來越強的環保意識，在沿海建設陸上LNG 接收終端受到的限制已經越來越多，人們開始考慮將LNG 接收終端建設在海上。

浮式液化天然氣儲存及再氣化裝置（LNGFSRU，簡稱為FSRU）則解決了上述問題。一方面，它集LNG 接收、儲存、轉運及再氣化外輸等多種功能于一體，可以系泊于碼頭作為LNG 接收終端，亦可進行LNG 的運輸。另一方面，作為海上終端，FSRU 可遠離發電廠、工業區和人口密集區。

LNG 主要由甲烷組成，同時含有少量的乙烷、丙烷、氮及其他成分。由于全球LNG 的組成成分隨分布的區域不同存在著差異，人們通常以LNG的熱值替代LNG 體積作為最終交割的參數。同時，為統一FSRU 接收標準，國際液化天然氣進口國組織（GIIGNL）編制了相應的參考手冊（GIIGNL 手冊），明確了LNG 運輸船和LNG 終端之間貨物交割時的熱值計量方式和貨物交割及管理系統（CTMS）的配置。

1 交割中的LNG熱值計算方法

1.1 計算公式

LNG 交割的計算公式取決于合同銷售條件。在海運和內河運輸規則中，最常用的是船上交貨價（FOB）銷售合同、成本加運費（CFR）銷售合同或成本加運費加保險費（CIF）的銷售合同。幾種合同的最大區別是計算公式中的參數責任方不同，買方和賣方均有權驗證由另一方提供、維護和操作的每個系統的準確性。一般而言，專業的檢驗師會根據雙方同意的條款及條件，進行交割熱值計算，并出具最終的熱值報告。

交割中的熱值可以用以下公式計算[1]：

式中，Q為交割中LNG 的熱值，J；VLNG為交割中LNG的體積，m3；ρLNG為交割中LNG的密度，kg/m3；QLNG為單位質量的LNG 的熱值，J/kg；Q1為回流的揮發氣（BOG）的熱值，J；Q2為在機艙消耗的BOG熱值，J。

需要注意的是：為簡單起見，交割雙方還可以商定一個固定的熱值用于替換公式中的Q1和Q2[1]。在某些情況下，Q2不參與計算。

1.2 FSRU的CTMS配置

由公式（1）可知，必須測量和/或計算的5 種參數為：VLNG、ρLNG、QLNG、Q1和Q2。

1）VLNG主要由貨艙中的雷達液位計和校準系統測量完成。對于大多數船舶來說，船上的CTMS可以測量每個貨艙的LNG 液位及密度，再通過管理軟件可轉換成相應的LNG 體積，進行修正后，系統可實現對貨物體積的自動測量。

為了準確測量體積，通常要求LNG 船上的LNG 管道在2次交割期間處于相同的庫存狀態。管道在交割前或完全充滿LNG，或排空。

2）ρLNG通過測量LNG 的組成和溫度計算確定。通常由CTMS中的雷達液位計來完成。

3）QLNG通過計算當地交割的天然氣的組分而確定。通常由船上的液化天然氣取樣系統完成，取樣系統的組份信息可通過網絡協議傳送給CTMS。

4）Q1和Q2通常會由交割雙方估算，或者依照GIIGNL手冊計算。

2 綜合CTMS發展現狀

CTMS 發展至今，自動化程度已經越來越高，并與船上的集中控制系統相兼容。某FSRU 項目中CTMS示意圖如圖1所示。

圖1 某FSRU項目中CTMS示意圖

以某改裝FSRU 項目的CTMS 為例，該系統包括人機界面、實時處理系統及本地儀表系統。冗余的網關服務器和數據處理單元及數個信號采集模塊內置在數據處理箱中，組成一個冗余的以太網環網；2 臺操作站連接在以太網環網上，處于熱備份狀態。多個信號采集模塊分別連接各個貨物子系統，并將貨物子系統的實時信號統一轉換為標準的工業信號傳送到數據處理單元。數據處理單元接受工作站命令實時控制貨物系統，可以監控裝卸貨及保護設備，同時可通過安全型路由器將貨物系統的實時數據對外發布。本項目的CTMS具有高實時性、高穩定性和高安全性特點。

該項目的CTMS 是根據GIIGNL 手冊及相關的ISO 液化天然氣傳輸儀器儀表和計算標準設計的，是一個自動化程度比較高的CTMS，并具有直接計算熱值及出具報告的功能。交割報告的布局非常靈活，為操作人員提供了在線更改報表布局及更改小數數位和單位的功能。交割報告可以實時打印，提供CTMS計算相關的所有參數的當前狀態。

該項目的CTMS主要有以下關鍵設備/系統。

1）雷達液位計。主要用于完成貨艙內的液位測量及密度測量、報警及關斷。雷達式液位計結構示意圖如圖2所示。

圖2 雷達式液位計結構示意圖

該雷達液位計設計成可測量含有BOG 貨艙的液位計。每段管道都配有法蘭，并配有參考標記。電子液位元器件和標記元器件同時測量，并通過將液體回波與參考標記回波進行比較，實現了測量中的連續自動校準和系統自我修正。與傳統浮子式、電容式的液位傳感器相比，雷達式液位計有諸多的優點：艙內無動作傳感器元器件，無浮動閥斷裂風險，同時雷達式的電子元器件無需在空艙的情況下就可以進行日常維護。

2）溫度傳感器。提供溫度參數，為計算LNG體積及密度提供溫度相關的參數。

在監測低溫LNG 時，溫度傳感器必須滿足船用認可的標準，并同時滿足貨物交割的國際標準規定，通常每個溫度傳感器只有唯一的序列號和校準證書。

3）壓力傳感器。壓力傳感器通常帶有一個三通控制閥，用于精確測量艙內壓力，再經過特殊校準以確保最高的精度。

4）密度測量系統。本項目的CTMS 還有一個重要的參數是密度參數。實時監測艙內的密度參數可防止傾覆發生。

在初始階段，艙底部的LNG 密度高于艙上部的密度。當貨艙中LNG 在長時間持續不充分的循環/混合及發生熱量的導入后，會使得底部的LNG蒸發，當底部的LNG 與上部的LNG 密度差逐漸減小到負值，即底部的LNG 密度小于上部時，貨艙內LNG 將會發生翻轉現象，進而會導致傾覆的發生[2]。

在早期階段，當發現開始翻轉時，通常由作業者手動運行貨艙泵以防止翻轉進一步發生。而今專門的密度測量系統已經越來越多地被船東采用，通過對密度和溫度的趨勢進行分析，作業者就可以在早期階段識別出相關的密度剖面，并采取適當的措施防止發生翻轉傾覆。

5）LNG 熱值交割報告。CTMS 可自動生成并打印正式的交割文件。當前，系統已經可以提供靈活的報表生成器，以適應不同船東的需求。

3 結束語

當前，CTMS 和中央監測報警系統集成設計，將貨艙的CTMS 和壓載控制系統納入統一的智能化管理平臺中，實現了貨船管理的高度智能化，為船員提供更多對應輔助決策是研究的主流方向，也很大程度地提高了CTMS操作的安全性和便利性。

同時數字化帶來的高效、安全和強適應性在航運業顯示出巨大的潛力。然而，為了實現數字化，需要從流程中獲取高精度的數據。這就對艙內傳感器在精度、智能性及校準上提出了更高的要求。未來，當船對船加注LNG 業務需求擴大時，數字化在技術準備、云服務、兼容性及客戶認可上將發揮更加重要的價值，可以為船舶操作中心、船東和租船人提供大數據共享和信息管理。