LNG海上浮式加注管控系统设计

李萌，周毅，郑坤，孙冰，周斌

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

LNG海上浮式加注系统是LNG燃料加注船的核心装备之一，用于实现海上LNG加注船与LNG动力船间LNG的安全快速输送。受风浪、船体相互作用等因素影响，海上LNG输送对过程安全性要求更高。本文设计一种LNG海上浮式加注管控系统，并建立加注系统数据库，对加注设备及加注管路的重要数据进行分析并量化，对加注过程及加注系统关键部件使用寿命实时跟踪监测，解决LNG浮式加注信息化程度低、关键设备运维预测能力缺失等问题，实现海上加注作业信息的实时采集、处理与监测。

1 系统架构

加注控制系统硬件架构采用模块设计，传感模块、控制系统、计费计量系统、上位机监控系统等部分以相互独立的方式进行设计，充分发挥系统的定制化和扩展性。系统主要分为上位层、控制层和设备层，系统硬件架构拓扑图见图1。

图1 控制系统硬件架构拓扑

上位层的人机交互设备配备两台工业工作站：数据监控工作站可以对海上加注系统实现整体数据的监测和仪表设备的控制，同时兼备生产运行数据服务器，完成人机交互、数据融合运算、设备安全管理等信息化管控功能；业务工作站主要实现计费计量系统的信息管理功能，对人员的制卡、刷卡信息进行汇录，对生产单据进行跟踪、记录，对人员的权限进行分配等。

控制层由计费计量系统和核心控制器构成：计费计量系统由自主研发的批量控制器和防爆读卡器组成，将现场的计费计量数据传输到控制器和上位层的监控站、业务站，实现加注过程的计费计量和工艺生产的手动控制；控制系统核心控制器完成现场仪表数据采集、逻辑控制、安全联锁、数据通信等功能，提供第三方接口，同时完成ESD的紧急切断、紧急停车、超限紧急动作等控制。

设备层主要配备精密仪表设备和电气设备：精密仪表用于加注系统的前端信息感知与计量，通过流量计、温/压传感器、静电报警器对工艺生产数据进行无间断监测，实时将数据远传给控制层；电气设备用于调度输送液体燃料，泵机将加注罐内的LNG输入到工艺管道内，通过调节阀、紧急切断阀实现流速控制和紧急切断。

各模块之间的功能见图2。

图2 模块功能

2 控制系统功能设计

船舶加注管理系统基于Econsoft环境，实现对控制系统功能的设计及开发，在windows7-10的系统上运行；屏幕界面基于嵌入式的运行环境，在Kinco HMIWare进行开发，相关界面设计见图3。

图3 加注系统人机交互界面设计

2.1 上位层功能设计

上位层的业务管理系统可以对加注/受注船信息、加注量、计费额度等数据进行集中管理，系统中至少保留100 000条操作记录，以便对数据进行查询统计；加注的相关参数可由有数据授权的技术人员预先在系统内设置压力变送器范围，温度变送器范围，流量系数，预冷温度，预冷流速等参数，从而实现精确控制。

监控系统可以实时监测工艺数据和软管吊位置信息，提供加注状态和数据报警功能，当系统与加注批控器通讯中时，系统画面将出现通讯故障报警信息；加注批控器和上位机之间通过RS485线和Modbus协议进行通信，在刷卡加注时到数据库中进行检查，如果信息有误可以停止加注，从而保证系统安全性，同时控制系统可以设置就地/远程加注控制，保证加注方式的灵活性。

除此之外加注时要进行船号的确认，开票室制作IC卡时选择船型编号，IC卡设定编号与泊船编号一致，方可刷卡加注；现场刷卡完成须有操作人员确认加注信息，无误后方可确认信息正确开始加注；刷卡以后数据上传到加注系统的数据库中进行校验，确认无误后将加注量下载到批控器，操作员确认后进行加注；业主可通过需求选择需要打印的报表信息。

2.2 控制层功能设计

控制层系统提供本地/远程操作两种操作模式，可以通过加注控制室的加注控制系统修改加注模式，联机加注模式由制卡系统设置预制加注量并由加注批控器自动读取预装量。脱机模式由现场操作人员在大屏上手动输入预装量或输入加注单号，系统根据加注单号读取预注量，输入完成后即可直接开始加注。

在加注时需要连接接地装置，加注完毕要断开接地装置；加注人员可通过批量控制器屏幕确认加注信息。加注调节阀根据批控器内部参数设置的四段加注速度，比对加注瞬时流速，自动控制调节阀开度，以控制流速在设定相应加注段的流速范围内；在设定好预装量后，加注撬将自动依次打开气动切断阀、气动调节阀进行充装，在没有报警的情况下，系统将根据设置好的系统参数，自动进行加注流速控制，在达到系统设置提前量时，系统将减小流速，加注完成自动关闭阀门，停止加注。当出现紧急事故时紧急切断阀在紧急停车、EDS急停状态下切断阀关闭，同时可以存储报警信息和报警日志。

系统控制器连接质量流量计、温度变送器、压力变送器等，对质量、温度、压力等信号进行精确采集。通过控制器的自调节PID算法控制气动调节阀，可有效消除水击及静电，确保动态加注精度，保证加注的稳定性。加注系统10 in彩色液晶显示屏提供参数设置，系统脱机联机状态、温度、压力、流速、预装量、已装量与报警显示功能，同时显示屏上会有计费计量显示。

2.3 设备层功能设计

监控系统可以进行温度、压力检测，采集温度、压力变送器的4～20 mA信号，并在监控系统上设置上限报警值，超限则立即报警，并发出声光，执行器执行联锁动作；系统还可以进行静电检测，具有静电夹未接或接触不良(接地电阻大于等于10 Ω时)报警功能，并实现对控制阀门的联锁，防止火灾爆炸事故；当加注遇有静电故障时，都将发出醒目的闪烁红光和警醒的报警声提醒现场操作工的注意，并在批控器上滚动显示故障和报警项，当液相线和气相线的压力和温度超过设定值时控制系统报警。

根据加注工艺流程，自动控制液相开关阀开关，及气动调节阀的开度，实现调节阀开度根据设置参数自动多段调节。阀位检测可以实时检测液相/气相开关阀、气动调节阀的阀位信号，实现阀位远程显示及异常报警。在软管吊动作过程中，通过编码器和接近开关时刻反馈位置信息，在出现超限动作前执行安全联锁动作，在出现紧急情况时，只需按下辅助操作盘上的防爆急停按钮，就能立即关闭并停止该加注撬的加注进程，同时执行相应的安全联锁动作。

加注批控器和上位机之间通过RS485线和Modbus协议进行通信。在刷卡加注时到数据库中进行检查，如果信息有误则停止加注，保证安全性。控制系统可以设置就地/远程加注，保证了加注方式的灵活性；同时上位机预留与DCS通信使用的OPC接口，供DCS采集加注撬信息。

3 加注系统控制流程

LNG加注控制系统的控制流程主要可以分为计费计量系统、自动化工艺控制系统两部分，加注控制流程见图4。

图4 加注控制流程

计费计量系统包括定量加注、定额加注、非定量加注三种模式。定量加注是指控制系统生产设备完成工作人员设定的预定量的加注，当IC卡余额不足时提示人员重新设定加注量；定额加注是指人员设定LNG的加注的金额，程序内部可以自动换算为对应的加注量；非定量加注是指当人员对加注量没有预先控制时，控制器预先根据IC卡金额量进行加注，当余额充足时，加注前端的注满开关信号反馈到系统内部，结束加注过程，否则以最大的余额量进行加注。相关系统界面显示见图5。

图5 人机交互界面

自动化工艺控制系统用于满足LNG介质加注特性的工艺要求，在预装期间首先对管线进行整体预冷，当温度满足加注要求时，首先采取小流量罐装，防止罐内温差较大导致LNG气化过快造成的压力隐患，中间过程通过预设流速来控制调节阀大开度，经过3段阶梯式的PID调节手段，实现LNG介质快速、慢速、低速的分级控制过程，最终完成稳定、安全的加注流程。