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

        2022-04-04 12:08:38華先亮
        天津科技 2022年3期
        關(guān)鍵詞:動作功能系統(tǒng)

        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)計院 上海 201203)

        LNG浮式轉(zhuǎn)接駁設(shè)施是一個模塊化的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,以實現(xiàn)船舶與儲存設(shè)施之間的LNG傳輸。儲存設(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。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),簡化配置,盡可能將整個貨物輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備配置在岸上,實施遠(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,不需要花費高昂的價格去專門建造LNG船靠港所需要的各種設(shè)備。同時,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)接駁到來即可。這一設(shè)計涉及低溫材料選型、成型制造、密封、試驗驗證等諸多環(huán)節(jié),過去的數(shù)年時間我國研發(fā)一直處于空白階段。

        國際上歐美等國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),憑借對該項技術(shù)的壟斷,單套裝備報價達(dá)上億美元。這嚴(yán)重制約了我國海上天然氣田的綠色健康發(fā)展,為此,我國亟需打破國外壟斷,實現(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。從國內(nèi)自身發(fā)展來看,海上LNG軟管與轉(zhuǎn)駁裝置可用于實現(xiàn)船與船之間LNG貨物的輸送與轉(zhuǎn)駁,隨著我國能源結(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]。

        面對我國南海惡劣海況條件,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)駁裝置在緊急時刻拉斷的及時性和準(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)、主動緊急脫離裝置(ERS)、軟管鞍座及防墜落系統(tǒng)、液壓動力單元(HPU)、LNG復(fù)合軟管、Y形三通接頭、船船位置檢測裝置(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種典型場景。FSRU及LNG加注船上可配備LNG低溫軟管輸送系統(tǒng),用于實現(xiàn)與LNG運輸船間的輸送,其主要由ERS緊急脫離裝置(蝶閥)、QCDC快速連接脫離(手動)、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,實時檢測加注船與受注船的距離,具備安全工作區(qū)、一級報警區(qū)(ESD1)和緊急脫離區(qū)(ESD2)三級位置實時精確檢測的能力,見表1;②緊急脫切斷與脫離,保證在緊急時刻實現(xiàn)LNG軟管的緊急切斷、緊急脫離,提高加注安全性;③IAS通信,與船舶自動化系統(tǒng)實時通信。

        表1 ESD動作表 Tab.1 ESD action table

        2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

        2.1 總體設(shè)計

        LNG軟管輸送裝置控制系統(tǒng)由PLC控制柜、操作面板、報警面板、現(xiàn)場儀表、通信系統(tǒng)、液壓動力單元、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3個區(qū)域,其中PLC控制柜位于機(jī)房,操作面板位于操作間,報警面板、現(xiàn)場儀表位于現(xiàn)場。當(dāng)控制系統(tǒng)接收到ESD信號或操作人員按下緊急按鈕后,控制液壓缸驅(qū)動實現(xiàn)軟管的緊急切斷與緊急脫離,同時進(jìn)行聲光報警。

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

        現(xiàn)場儀表:脫離油缸的接近開關(guān)、測距傳感器。測距傳感器構(gòu)成預(yù)報警、ESD1和ESD2三級報警 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)計用于實現(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)、液壓單元的控制,并配有監(jiān)控系統(tǒng)。 操作面板:安裝在操作間,位于安全區(qū)域。

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

        液壓動力系統(tǒng):由液壓動力單元和液壓控制單元組成,液壓單元具有控制快速連接(液壓)、脫離裝置(液壓)的連接和脫離操作的功能。

        現(xiàn)場信號電氣隔離:為保護(hù)PLC及現(xiàn)場設(shè)備,現(xiàn)場的控制信號在接入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

        船船位置檢測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,實現(xiàn)了在惡劣環(huán)境下識別超出包絡(luò)線范圍和啟動預(yù)報警、ESD1、ESD2的功能,可以解決復(fù)雜海況下船船對接難題,提升對接效率,降低勞動強(qiáng)度和過流壓力損失。包絡(luò)線信號邏輯表如表2所示。

        表2 包絡(luò)線信號邏輯表 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,用于實現(xiàn)ESD1控制、ESD2控制、人機(jī)界面、船舶自動化系統(tǒng)IAS通信、液壓單元的控制,PLC控制系統(tǒng)接收DCS(分散控制系統(tǒng))和LCP(操作臺)信號,通過對HPU(液壓動力單元)和其他設(shè)備發(fā)送命令控制ERS的閥門閉合動作、QCDC對接脫離動作和其他相應(yīng)動作。PLC控制系統(tǒng)也可以實時獲取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;報警面板安裝在作業(yè)現(xiàn)場,位于危險區(qū)域,具有防爆控制箱、防爆報警笛、防爆預(yù)報警報警燈、防爆ESD1報警燈、防爆ESD2報警燈、防爆ESD按鈕,用于預(yù)報警,ESD1、ESD2的報警顯示及操作。

        ①控制器方案:控制系統(tǒng)采用“集中監(jiān)測、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、報警、趨勢和報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,以及實時監(jiān)控加注過程、船船位置、液壓單元、緊急脫離等單元狀態(tài)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)歸檔、報警提示、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)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,與船舶自動化系統(tǒng)IAS采用MODBUS RTU及硬線2種形式實現(xiàn)通信,通過MODBUS RTU總線和硬線開關(guān)量等2種信號形式進(jìn)行通信。采用MODBUS RTU總線時船舶自動化系統(tǒng)IAS為主站,LNG軟管輸送控制系統(tǒng)側(cè)為從站,實現(xiàn)了船舶自動化系統(tǒng)IAS對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

        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)主要由通用動作、液壓單元控制、ESD控制、系統(tǒng)故障診斷、液壓單元控制、MODBUS RTU等部分組成。

        圖4 軟件流程圖 Fig.4 Software flow chart

        液壓動力系統(tǒng)由液壓動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。液壓動力單元(HPU)用于LNG輸送與轉(zhuǎn)駁裝置動力供給,為整個輸送系統(tǒng)提供液壓動力源,采用油液泵+手動泵+蓄能器的冗余設(shè)計,具備同時驅(qū)動5套ERS緊急脫離裝置和1套QC/DC動作的能力。選用2個不低于10L的蓄能器作為應(yīng)急動力源,供緊急情況下使用。同時,液壓動力單元還應(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,以實時檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài),出現(xiàn)異常自動報警。

        液壓單元控制流程如圖5所示。液壓控制單元具體實現(xiàn)對相應(yīng)輸送系統(tǒng)的動作控制,包括緊急脫離、快速對接等。同時,在ERS緊急脫離裝置回路上安裝ERS液壓安全閥件,通過手動操作進(jìn)行ERS的 激活/抑制操作(當(dāng)ERS處于抑制狀態(tài)時,ERS油缸不能動作),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)個液壓油缸相連以控制多組閥門動作,采用雙泵并聯(lián)設(shè)計和蓄能器的冗余設(shè)計。當(dāng)檢測到有液壓動作或蓄能器壓力低于設(shè)定下限時自動啟動液壓電機(jī)為系統(tǒng)提供動力;當(dāng)無任何動作時自動停機(jī),以節(jié)省能源。

        圖5 液壓單元控制流程 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信號檢測,當(dāng)檢測到相應(yīng)的ESD信號時按照表1執(zhí)行相應(yīng)的動作。

        圖6 ESD控制流程 Fig.6 ESD control flow

        4 功能試驗

        ①PLC冗余控制器切換過程試驗。人為設(shè)置主控制器故障,控制系統(tǒng)切換過程無錯亂、監(jiān)控信號自動保持切換時實際狀態(tài),切換后系統(tǒng)工作正常、數(shù)據(jù)無丟失。

        ②報警區(qū)域試驗。在維護(hù)超馳狀態(tài)下模擬船船距離,分別依次越過預(yù)報警、一級報警、二級報警包絡(luò)線,檢驗維護(hù)超馳狀態(tài)下船船允許運動區(qū)域及區(qū)域報警的觸發(fā)功能,利用PLC監(jiān)控軟件記錄各個包絡(luò)范圍的值。

        ③液壓系統(tǒng)功能試驗。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)動力供給,切換過程油缸動作無明顯卡頓。

        ④整機(jī)ERS低溫緊急脫離試驗(人工觸發(fā))。人工觸發(fā)緊急脫離程序,連續(xù)聲光報警啟動,緊急脫離油缸驅(qū)動下球閥在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;各性能指標(biāo)與動作功能均符合要求。

        ⑤整機(jī)ERS低溫緊急脫離試驗(模擬自動)。模擬船船距離分別依次越過預(yù)報警、一級報警、二級報警包絡(luò)線,觸發(fā)緊急脫離程序,連續(xù)聲光報警啟動,緊急脫離油缸驅(qū)動下球閥在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;各性能指標(biāo)與動作功能均符合要求。

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

        5 結(jié) 語

        試驗及實際應(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性和準(zhǔn)確性,并提高了加注安全性。但針對不同目標(biāo)船型和作業(yè)海況在各種不同的船船漂離速度、晃動、高差工況下如何確定最優(yōu)的安全工作區(qū)、一級報警區(qū)和緊急脫離區(qū)范圍仍有待更深入的研究?!?/p>

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