应用于LNG交割中的FSRU货物交割及管理系统研究

李 静，朱嘉敏

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

作为清洁能源，液化天然气（LNG）的市场需求量一直在稳定增长，同时随着人们越来越强的环保意识，在沿海建设陆上LNG 接收终端受到的限制已经越来越多，人们开始考虑将LNG 接收终端建设在海上。

浮式液化天然气储存及再气化装置（LNGFSRU，简称为FSRU）则解决了上述问题。一方面，它集LNG 接收、储存、转运及再气化外输等多种功能于一体，可以系泊于码头作为LNG 接收终端，亦可进行LNG 的运输。另一方面，作为海上终端，FSRU 可远离发电厂、工业区和人口密集区。

LNG 主要由甲烷组成，同时含有少量的乙烷、丙烷、氮及其他成分。由于全球LNG 的组成成分随分布的区域不同存在着差异，人们通常以LNG的热值替代LNG 体积作为最终交割的参数。同时，为统一FSRU 接收标准，国际液化天然气进口国组织（GIIGNL）编制了相应的参考手册（GIIGNL 手册），明确了LNG 运输船和LNG 终端之间货物交割时的热值计量方式和货物交割及管理系统（CTMS）的配置。

1 交割中的LNG热值计算方法

1.1 计算公式

LNG 交割的计算公式取决于合同销售条件。在海运和内河运输规则中，最常用的是船上交货价（FOB）销售合同、成本加运费（CFR）销售合同或成本加运费加保险费（CIF）的销售合同。几种合同的最大区别是计算公式中的参数责任方不同，买方和卖方均有权验证由另一方提供、维护和操作的每个系统的准确性。一般而言，专业的检验师会根据双方同意的条款及条件，进行交割热值计算，并出具最终的热值报告。

交割中的热值可以用以下公式计算[1]：

式中，Q为交割中LNG 的热值，J；VLNG为交割中LNG的体积，m3；ρLNG为交割中LNG的密度，kg/m3；QLNG为单位质量的LNG 的热值，J/kg；Q1为回流的挥发气（BOG）的热值，J；Q2为在机舱消耗的BOG热值，J。

需要注意的是：为简单起见，交割双方还可以商定一个固定的热值用于替换公式中的Q1和Q2[1]。在某些情况下，Q2不参与计算。

1.2 FSRU的CTMS配置

由公式（1）可知，必须测量和/或计算的5 种参数为：VLNG、ρLNG、QLNG、Q1和Q2。

1）VLNG主要由货舱中的雷达液位计和校准系统测量完成。对于大多数船舶来说，船上的CTMS可以测量每个货舱的LNG 液位及密度，再通过管理软件可转换成相应的LNG 体积，进行修正后，系统可实现对货物体积的自动测量。

为了准确测量体积，通常要求LNG 船上的LNG 管道在2次交割期间处于相同的库存状态。管道在交割前或完全充满LNG，或排空。

2）ρLNG通过测量LNG 的组成和温度计算确定。通常由CTMS中的雷达液位计来完成。

3）QLNG通过计算当地交割的天然气的组分而确定。通常由船上的液化天然气取样系统完成，取样系统的组份信息可通过网络协议传送给CTMS。

4）Q1和Q2通常会由交割双方估算，或者依照GIIGNL手册计算。

2 综合CTMS发展现状

CTMS 发展至今，自动化程度已经越来越高，并与船上的集中控制系统相兼容。某FSRU 项目中CTMS示意图如图1所示。

图1 某FSRU项目中CTMS示意图

以某改装FSRU 项目的CTMS 为例，该系统包括人机界面、实时处理系统及本地仪表系统。冗余的网关服务器和数据处理单元及数个信号采集模块内置在数据处理箱中，组成一个冗余的以太网环网；2 台操作站连接在以太网环网上，处于热备份状态。多个信号采集模块分别连接各个货物子系统，并将货物子系统的实时信号统一转换为标准的工业信号传送到数据处理单元。数据处理单元接受工作站命令实时控制货物系统，可以监控装卸货及保护设备，同时可通过安全型路由器将货物系统的实时数据对外发布。本项目的CTMS具有高实时性、高稳定性和高安全性特点。

该项目的CTMS 是根据GIIGNL 手册及相关的ISO 液化天然气传输仪器仪表和计算标准设计的，是一个自动化程度比较高的CTMS，并具有直接计算热值及出具报告的功能。交割报告的布局非常灵活，为操作人员提供了在线更改报表布局及更改小数数位和单位的功能。交割报告可以实时打印，提供CTMS计算相关的所有参数的当前状态。

该项目的CTMS主要有以下关键设备/系统。

1）雷达液位计。主要用于完成货舱内的液位测量及密度测量、报警及关断。雷达式液位计结构示意图如图2所示。

图2 雷达式液位计结构示意图

该雷达液位计设计成可测量含有BOG 货舱的液位计。每段管道都配有法兰，并配有参考标记。电子液位元器件和标记元器件同时测量，并通过将液体回波与参考标记回波进行比较，实现了测量中的连续自动校准和系统自我修正。与传统浮子式、电容式的液位传感器相比，雷达式液位计有诸多的优点：舱内无动作传感器元器件，无浮动阀断裂风险，同时雷达式的电子元器件无需在空舱的情况下就可以进行日常维护。

2）温度传感器。提供温度参数，为计算LNG体积及密度提供温度相关的参数。

在监测低温LNG 时，温度传感器必须满足船用认可的标准，并同时满足货物交割的国际标准规定，通常每个温度传感器只有唯一的序列号和校准证书。

3）压力传感器。压力传感器通常带有一个三通控制阀，用于精确测量舱内压力，再经过特殊校准以确保最高的精度。

4）密度测量系统。本项目的CTMS 还有一个重要的参数是密度参数。实时监测舱内的密度参数可防止倾覆发生。

在初始阶段，舱底部的LNG 密度高于舱上部的密度。当货舱中LNG 在长时间持续不充分的循环/混合及发生热量的导入后，会使得底部的LNG蒸发，当底部的LNG 与上部的LNG 密度差逐渐减小到负值，即底部的LNG 密度小于上部时，货舱内LNG 将会发生翻转现象，进而会导致倾覆的发生[2]。

在早期阶段，当发现开始翻转时，通常由作业者手动运行货舱泵以防止翻转进一步发生。而今专门的密度测量系统已经越来越多地被船东采用，通过对密度和温度的趋势进行分析，作业者就可以在早期阶段识别出相关的密度剖面，并采取适当的措施防止发生翻转倾覆。

5）LNG 热值交割报告。CTMS 可自动生成并打印正式的交割文件。当前，系统已经可以提供灵活的报表生成器，以适应不同船东的需求。

3 结束语

当前，CTMS 和中央监测报警系统集成设计，将货舱的CTMS 和压载控制系统纳入统一的智能化管理平台中，实现了货船管理的高度智能化，为船员提供更多对应辅助决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。

同时数字化带来的高效、安全和强适应性在航运业显示出巨大的潜力。然而，为了实现数字化，需要从流程中获取高精度的数据。这就对舱内传感器在精度、智能性及校准上提出了更高的要求。未来，当船对船加注LNG 业务需求扩大时，数字化在技术准备、云服务、兼容性及客户认可上将发挥更加重要的价值，可以为船舶操作中心、船东和租船人提供大数据共享和信息管理。