LNG船液货装卸系统分析软件平台研究

严利民黄津津孟成施凯忻建华

（1.中国船舶工业集团公司第七○八研究所 上海 200011；2.上海交通大学 上海 200240）

LNG船液货装卸系统分析软件平台研究

严利民1黄津津1孟成2施凯2忻建华2

（1.中国船舶工业集团公司第七○八研究所 上海 200011；2.上海交通大学 上海 200240）

装卸系统；组态化模型设计；仿真计算；数据库

提出了一种基于VC++平台和数据库技术的LNG船液货装卸系统设计及分析的软件平台系统，详细介绍了其内容、结构和实现方法。该系统配有与管路阻力计算相关的管道、阀件、液货舱、附件等的数据库，能够按目标船的装卸要求，直接组态设计液货装卸系统管网系统。设计人员可以在每一个模型设计完成后直接进行优化并确定液货泵的排量、压头、液货管路的管径、长度等设计信息，仿真计算装卸过程中各时间段上的的流量、节点压力、剩余舱内液体容积等各项参数。不仅简化了液货装卸系统的设计过程和计算校核的时间，而且更加方便灵活。

0 引言

近年来，我国从改变能源结构和改善环境状况角度出发，正积极发展液化天然气（LNG）技术。LNG船是在-163℃低温下运输液化天然气的专用船舶，船上液货装卸系统是控制LNG装卸流程的重要设备。设计合理的LNG船液货装卸系统对保证LNG船在规定的时间内安全顺利地完成液货装卸起着至关重要的作用［1］。目前国内尚无一套专门的液货装卸系统仿真软件能够建立LNG装卸系统模型、仿真液货装卸过程、分析装卸过程的合理性，因此设计一套具有自主知识产权的集设计、优化计算、仿真装卸过程的图形化平台等功能于一体的应用软件是很有必要的。

本文介绍的LNG船液货装卸系统分析软件是基于Windows平台、采用MSSQL Server作为后台数据库服务器，以Visual C++作为开发工具的。该软件配有详尽的LNG船液货装卸系统部件数据库，能够方便的组态化建立装卸系统管网模型。它能够仿真液货装卸流程，显示和记录装卸过程中液货系统的相关参数；通过生成完整的设计信息实现设计计算仿真集成，为“设计、制造、管理一体化”奠定基础。该软件具有较强的人机交互界面，适合开发设计人员设计LNG船液货装卸系统时使用。

1 液货装卸系统部件构成

LNG船液货装卸系统部件由液货舱、卸货泵、管道、压缩机、加热器、控制系统以及各种阀门构成，这些设备均应满足相应的规范要求。

·液货舱

LNG船的储罐即液货舱是独立于船体的特殊构造。在LNG船的设计中，考虑的主要因素是能适应低温介质的材料和对易挥发或易燃物的处理。

·液货泵

一般采用深井泵和浸没式泵。根据英国劳氏船级社（LR）以及国际海事组织（IMO）规则的要求，每个液货舱必须配备两台泵作为液货泵。

·管道

低温液体的输送管道一般使用绝热管绝热。根据OCMF规范要求，LNG船液货装卸系统由四根跨接输液管和一根货物回气管组成，以便与岸上输液系统相一致。

·阀门

主要有截止阀、液货舱安全阀、紧急切断阀。

·蒸发气压缩机

LNG船上有两种压缩机，一种是低容量压缩机，用于航行时将蒸发气供给锅炉作燃料或将蒸发气排至再液化装置再液化，一般要求配备两台；另一种是高容量压缩机，用于卸货时将蒸发气排至回气管，到岸上再液化。

·加热器

航行时，当蒸发气用作燃料时，需将低容量压缩机排出的气体用加热器加热至常温。

·控制系统

可远距离控制各种阀门操作，控制输液流量以及关闭所有设备。该系统负责调控LNG的装卸时间，保证装卸过程合理、准时、安全的进行。

2 液货装卸系统分析软件框架结构设计

一般的管网设计分析是先将管网在CAD等图形界面上设计完成，然后将设计结果信息输入到管道阻力计算程序进行管网阻力计算或经过人工进行管道阻力计算，即设计和计算分开实现。本文介绍的系统引入数据库技术和组态理念，将设计所需的标准设备做成控件放入服务器上的数据库中，而客户端就不用再安装标准设备控件数据库,使用浏览器即可查看并选用所要的设备,完成装卸系统模型设计后，可以直接将模型保存在服务器数据库，便于集中管理和同类项目借鉴使用。

系统是一个典型的三层应用程序，包括数据层、逻辑层和表示层。其中的数据层利用SQLServer数据库来实现，主要有标准部件数据库、标准液货舱数据库、历史项目模型和计算结果数据库等；逻辑层是一个计算仿真程序，它从项目模型数据库中取得数据，进行管路系统的阻力计算和卸货过程仿真模拟计算，同时核算单舱、多舱的装卸时间等，并将计算结果保存到数据库中；表示层即为组态平台，是将要设计的管网模型中的管道、附件、液货舱、液货泵等部件用标准数据库中的控件添加在所建立的系统模型列表中，构成系统管网，完成整个装卸系统模型的搭建。同时，表示层还拥有建立标准数据库和输出设计结果报告等的直观界面。系统整体结构如图1所示。

进入软件后，由用户在客户端表示层上创建完整的项目信息文件，在模型开发界面建立装卸系统模型。模型数据全部来自数据库服务器，软件自动完成将模型信息保存入模型数据库中；运用逻辑层的计算仿真模块模拟装卸过程，将计算得到的结果数据存入结果数据库中，根据设计人员的需求控制输出设计分析报告。

图1 软件整体结构图

3 液货装卸系统分析软件设计关键技术分析

液货装卸系统设计分析软件一般应具备以下基本功能：

（1）具有不同几何形状和型号的液货舱数据库，其尺寸可以自行定义，并能计算其任一高度下的舱容，或计算在任意舱容下的高度百分比；

（2）配有标准液货泵性能曲线的数据库，并允许用户进行自定义；

（3）配有与管路阻力计算相关的管道、阀件、附件等的数据库，供设计时选型使用；

（4）具有人性化的输入界面以及图形化的操作界面，建模过程各设备的选取以及参数的输入做到简捷有效；

（5）能直接将组态设计的管路模型进行管路系统的阻力计算和卸货过程仿真模拟计算，同时核算单舱、多舱的装卸时间；

（6）生成完整的设计信息数据库，为“设计、制造、管理一体化”奠定基础；

（7）输送介质主选为LNG，其他介质作为备选项，使得该软件可对油船以及其他化学品船的装卸货过程进行设计计算；

（8）实现以数据表和图形曲线等方式生成相应的设计计算报告。

根据以上要求，可以设定软件的主要功能模块，如图2所示。

图2 模块功能图

对于LNG船装卸系统而言，由于其特殊复杂的管网系统，给其稳态管道阻力计算软件的开发增添了难度。例如软件设计中该如何将建模时用户组态的每一根单元管路的节点顺序以及编号和管道、附件等信息与计算模型联系并建立计算求解方程组，如何确定舱液位高度对装卸时间的影响等。现对此软件开发的关键技术处理作如下分析。

3.1 项目管理模块

项目管理模块负责管理装卸系统设计项目的所有信息，在开始模型设计之前，通过该模块在数据库中建立相应的数据表，包括模型数据和仿真计算数据。模型设计完毕后，模型信息存入模型数据库，仿真计算结束后，计算结果信息存入仿真计算数据库。项目管理模块主要功能就是通过界面显示层完整的将模型信息保存在模型数据库中，将计算结果保存在结果数据库中，使显示层、计算层和数据层合理的联系起来。项目管理界面如图3所示。

3.2 图形界面模块

图形界面模块负责系统模型的搭建，由四个子模块组成，分别为界面模块、边界设定模块、控件模块和模型信息模块。

图3 项目管理界面

界面模块即为模型搭建的平台；边界设定模块负责管理模型边界条件，如出口背压、节点标高等；装卸系统的各类部件，如管路、附件、液货泵和液货舱等被抽象设为不同的控件，再由控件模块进行管理；每个控件在显示层有专用界面将其标准信息保存在数据库中并配有完整的型号信息，建模时只需点击对应的控件，在弹出框列表中选择所需型号，就能很方便地在系统模型中添加部件，并且部件信息会完整的记录在模型信息列表中，通过项目管理模块保存在模型数据库中。图形设计界面如图4所示。

图4 图形设计界面

3.3 数据库模块

数据库模块是整个软件的重要组成部分，软件的数据库采用SQL Server版本，采用ODBC接口作为VC访问的桥梁，可以方便地对数据库中的数据进行输入、存储、查询和输出等。根据建模仿真的要求，将数据库模块分为设备信息数据库和项目信息数据库。

3.3.1 设备信息数据库

设备信息数据库保存了装卸系统需要的所有部件的型号参数信息，包括标准设备数据库和各类型号液货舱数据库。在建模过程中，点击目标控件，就会自动连接该控件在设备信息数据库中对应的部件信息表，选择所需型号，在模型中加入部件信息。如果库中没有需要的型号，还能在显示层的专用界面中添加部件信息。

3.3.2 项目信息数据库

对于设计成功的装卸系统模型，或者典型案例模型的信息，将存入项目信息数据库（包括历史项目模型数据库和历史项目计算结果数据库），供再次调用查看，同时也能便于项目保密。

3.4 仿真计算模块

仿真计算模块是整个软件的核心部分，由管网计算和过程模拟两部分组成。管网计算保证了仿真结果的准确性，过程离散则保证了仿真流程的合理性。仿真计算界面如图5所示。

图5 仿真计算界面

3.4.1 管网计算

实际液货装卸管网比较复杂，具有多回路多支路的特点，同时鉴于程序实现难易和运行效率高低，传统管网计算采用的环路流量法和节点压力法不能很好解决装卸系统管网计算问题。本模块采用有限元法［2］，将管网中的每一管路（包含附着在该管路上的附件），当作一管网单元，通过对单元平衡方程的变形，建立管路流量和进出口节点压头的非线性关系，采用高斯赛德尔迭代法和节点压头逼近方法求解非线性方程组，获得完整的管网信息，同时设定合理的迭代收敛条件和逼近条件，提高求解速度。

3.4.2 过程离散

装卸过程中，随着装卸液货量的增大，液货舱内液货高度也会相应增减，从而影响装卸管网的阻力情况，导致液货泵工作点的变化。过程离散通过手动设定时间步长，将连续装卸过程离散成各个时间断点的稳定装卸状态；每个时间点结合液货舱舱容状态进行管网计算，累加时间步长，得到各舱装卸时间；并将各时间点的管网情况与液货舱情况对应。

3.5 分析报告模块

分析报告模块能够将设计的模型信息数据结合仿真计算结果数据，以液货舱内液货高度变化图曲线和液货泵工作点变化图曲线和相应的信息表等方式，给出设计计算分析报告，以PDF格式输出。

4 结语

LNG船液货装卸系统分析软件针对LNG船设计过程液货装卸复杂管网阻力计算的要求，对设计组态后的复杂管网自动进行阻力计算，并核算多舱LNG输送所需的时间。通过实际装卸系统建模仿真验证，软件能够很好满足设计的需求，具有显著的实际应用价值。由于目前国内还没有专门用于LNG船管路阻力计算及液货装卸仿真的软件，故该软件的完成弥补了国内液货装卸系统设计以及装卸仿真分析方面的空白，对我国自主设计LNG船液货装卸系统具有参考价值。同时，该软件也可应用于其他液货船装卸系统的装卸仿真分析，具有一定的通用性。

［1］李品友，崔益嵩.LNG船液货装卸系统的研究［J］.上海海运学院学报.2001，4（22）:53-56.

［2］黎冰，张烈辉.基于有限单元法的管网稳态分析［J］.油气田地面工程.2008，5（27）:16-17.

An analysis software plat form for cargo loading/unloading system on LNG carrier

YAN Li-min1HUANG Jin-jin1MENG Cheng2SHIkai2XIN Jian-hua2
（1，Marine Design&Research Institute of China，Shanghai200011，China；2，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China）

loading/unloading system；configuration model design；simulation；database

This paper presents a software platform system for design and analysis of liquid cargo loading/unloading system for LNG carrier based on the VC++platform and database technology.With the database of pipe，valve，liquid cargo tank and accessories related to pipe resistance calculation，configuration design of the liquid cargo loading/unloading pipe network system can be directly implemented to meet the loading/unloading requirement of target carrier.Designers can directly optimize the designed model，determine the displacement of liquid cargo pump，pressure head，the diameter and length of liquid cargo pipe and other design information，and simulate the flow，node pressure，volume of liquid remained and so on during loading/unloading process.The most advantage of this system is the simplification of design process，the reduction of time for calculation and verification，as well as the increase of convenience and flexibility.This paper also introduces the content，structure and implementation of the software platform.

U662.9

A

1001-9855（2011）03-0051-05

2010-10-19；

2011-03-17

工业和信息化部高技术船舶科研项目（编号2007K24161）。

严利民（1968-），男，汉族，高级工程师，研究方向：船舶轮机设计研究工作。

黄津津（1983-），男，汉族，工程师，研究方向：船舶轮机设计研究工作。

孟成（1984-），男，汉族，硕士研究生，研究方向：动力机械及工程。

施凯（1986-），男，汉族，博士研究生，研究方向：动力机械及工程。

忻建华（1957-），男，汉族，副教授，研究方向：能源系统信息处理及自动控制。