LNG储罐综合监控系统研发

文涛,冯贵荣

(1. 中国寰球工程有限公司 北京分公司,北京 100000;2. 北京美航自控系统工程有限任公司,北京 100088)

液化天然气(LNG)具有清洁节能优势,是中国近年来重点支持发展的产业,可以有效解决能源供应安全、生态环境保护的双重问题。经过多年发展,进口LNG已成为中国天然气供应的主要来源之一,LNG接收站在保障能源供应和市场调节方面发挥了重要作用。

LNG接收站是对船运LNG进行接收(含码头卸船)、储存、气化和外输等作业的场站。LNG接收站的主要功能是将海上船舶运送的约-162 ℃的液化天然气储存到LNG储罐中,再根据下游用户的需求加压,经过特制的气化器将LNG气化到零摄氏度以上,经输气首站进入输气干线输送至下游用户。其中LNG储罐是LNG接收站的关键设备,一般单罐容量超过2×105m3。LNG温度极低、易燃易爆、易气化,在储存中易产生分层和翻滚问题[1]。因此LNG接收站对仪表配置、罐区监控管理系统提出了更高的要求。现阶段LNG接收站主要是引进国外监控软件进行储罐监控,如储罐罐表系统、混凝土外罐状态监视系统、泄漏检测监视系统、地震监视系统、视频监视系统等,但都是独立的系统,系统架构各异,存在信息“孤岛”。如何设计开发1套自主可控的LNG储罐综合监控系统,对确保LNG接收站安全运行和提升精细化管理具有重要意义。

1 LNG储罐综合监控系统总体设计

LNG储罐综合监控系统总体设计分为数据采集、数据库、监控子系统、人机交互,该监控系统总体架构如图1所示。

图1 LNG储罐综合监控系统总体架构示意

1)数据采集。以测量仪表数据为基础,满足现场生产操作为目的进行组态设计。储罐仪表监测、泄漏监测、光纤测温、地震监测、混凝土外罐监测等仪表和测量主机采集的数据通过通信接口单元传输到库存监控管理软件。

2)数据库。负责现场和监控子系统数据的采集和存储。实时数据库和历史数据库存储来自数据采集的实时数据,关系数据库存储应用层的业务数据,视频数据库存储视频监控系统的音视频数据。通信接口单元数据采集到实时数据库。监控子系统的数据尽可能存储在一个统一的关系数据库,如需单独建库,可通过http,ftp等协议将数据集成到中心库。为保证信息安全,数采网关选型需满足《工业控制系统信息安全防护指引》要求[2]。

3)监控子系统。基于现场采集数据,根据业务需求构建相应业务模型,开发多种业务功能应用,包括储罐管理子系统、光纤测温子系统、泄漏监测子系统、外罐状态监测子系统、地震监测子系统、视频监控子系统、分层翻滚子系统等多种应用。

4)人机交互。负责用户访问接入,目前主要支持工作站。

2 系统功能

系统采用模块化设计,功能包括储罐管理子系统、光纤测温子系统、泄漏监测子系统、外罐状态监测子系统、地震监测子系统、视频监控子系统、分层翻滚子系统7个子系统,子系统根据业务需求可扩展增加。

2.1 罐区管理子系统

LNG罐区管理子系统包括罐区监控、库存管理两大模块。

1)罐区监控。罐区监控包括罐区总貌监控、储罐监控、报警监控等功能,为各层级管理者提供LNG储罐运行的工艺、设备、安全等综合信息和异常报告,对异常信息发出预警并推送管理人员。

a)罐区总貌监控。图形化监控罐的液位、状态(进、出、静止)、分层信息等,文本显示每个罐的罐号、液位百分比、罐的总体积、可用体积、质量、温度、密度等信息。

b)储罐监控。显示储罐的详细信息,包括罐的总体积、可用体积、质量、液位上升或下降速度等储罐信息,以及该罐液位、温度、密度等仪表采集的数据和状态,对异常仪表进行标记提醒。

c)报警监控。汇总显示仪表采集数据和计算数据的报警信息,包括液位、温度、密度的高报、高高报、低报、低低报的设置标准和当前实际值,标记超标的异常数据。

d)液位、温度和密度监控。提供储罐的液位密度曲线图、液位温度曲线图,列表显示对应曲线点的液位、温度和密度数据,提供液位等连续量的实时和历史趋势,以及对液位温度密度计(LTD)运行状态进行控制。

e)温度分布监控。监控气相温度、产品平均温度、点温。提供温度分布图、温度的实时和历史趋势。

f)分层监控。监控储罐内密度、温度、液位等数据,检测存在分层的储罐,按时间、罐名称、剖面分析时间进行列表,选择对应的剖面文件,显示对应的数据列表和分析图形。系统通过分层检测模型自动分析LTD剖面数据,判断LNG储罐液体是否存在分层,模型将确定液体处于均质、分层状态或是不确定状态,分层信息在系统所有页面可以显示。

g)储罐仪表监控。监控仪表运行的状态信息,如变量实时值、故障报警、诊断信息等。储罐仪表数据采集主要分析储罐仪表的类型、通信接口、通信协议,定制开发该储罐仪表数据的采集程序,完成现场仪表数据的自动采集。点击屏幕上的仪表图标或数据可以弹出储罐仪表命令菜单,通过命令菜单可以发送仪表命令,校准和重新调整仪表,用户必须提供新液位探测信息以及访问仪表的密码。弹出菜单中出现和/或启用的仪表命令条目取决于所选仪器的类型。储罐仪表配置信息主要用于展示罐区所有仪表的配置项列表。

LNG储罐的温度监控包括： 监测不同液位的温度,罐顶上表面气相温度,内壁罐底、内壁侧壁、环隙空间底部、环隙热角保护、内罐和外罐气相空间的温度。对于罐底、罐顶、内罐壁外表面的温度测量主要是为了控制冷却与升温,保证预冷工作的顺利进行,检测整个储罐的均匀冷却情况。温度监控通过图形化和数据展示储罐表面顶部、侧面、底部的温度实时数据和报警信息。冷却和泄漏检测传感器位于LNG储罐底部、侧面和顶部周围,用于检测壳体绝缘中可能导致产品泄漏的任何异常情况。如果传感器的温度读数与储罐顶部、底部、产品液位以下的侧面、产品液位以上的侧面中传感器的平均读数的差异超过配置的阈值,则表明存在热点或泄漏。热点由传感器示值变红表示,泄漏由传感器示值变蓝表示。

2)库存管理。库存管理包括罐容计算和进出库管理等功能。罐容计算根据仪表采集数据、罐容表和相关计量标准实时计算可用体积、当前质量、液位上升或下降速度等数据。进出库管理通过记录收付信息,计算收付批次量,生成相应的报表,为罐区库存管理提供批次量数据和库存总量数据。

2.2 分层翻滚子系统

LNG温度极低、易气化,在储存中易产生分层和翻滚问题。储罐分层检测和翻滚预测使操作人员必要时能够进行操作调整,避免发生翻滚确保安全生产。为保证预测计算的实时可靠,通过连续监测储罐中的密度、液位和温度进行自动分层检测,提供顶层、底层的密度、温度、层高度等数据的图形化直观展示和变化趋势。通过翻滚预测模型计算预计发生翻滚的时间、最大闪蒸汽(BOG)产出量、最大压力等数据进行翻滚预测。

一般情况下,LNG储罐配备的测量设备精度有限。密度计产生的密度和温度读数,统称为剖面数据,通常会与未知的实际密度偏离一个随机量。在LNG储罐中,分层非常重要,因为它是导致翻滚的关键过程之一。出现分层表明储罐流体自由流动的障碍已经形成,该障碍会阻止进入储罐的热量通过液体表面的蒸发而离开。如果热量不能以进入储罐的速度离开,那么能量就会积聚起来,而这种能量会在翻滚过程中灾难性地释放出来。一旦将剖面数据分好层后,可以按液位对它们进行排序,计算位置、层高度以及平均温度和密度。

翻滚预测需要选择存在分层的储罐,新建一个翻滚预测模型,输入初始条件： 罐号、翻滚预测持续时间、组分、储罐运行状态、漏热率、报警预设压力、传热传质系数计算模式等,然后进行计算并通过液位与密度的关系图查看翻滚预测结果,也可通过时间滑块查看预测剖面数据的变化。数据显示上分层和下分层的顶部和底部位置,以及各分层的高度、密度和温度,数据也随时间滑块的变化而变化。如果模型预测在结束日期前可能发生翻滚,则显示报警信息和声音。

2.3 泄漏监测子系统

利用声发射监测技术实现对LNG储罐泄漏和变形的监测和预警。通过在罐壁安装声发射传感器,监测裂纹、分层、腐蚀形成,实现对发展中的裂缝、泄漏、应力变形区域进行高度精准定位,可以监测到LNG储罐内外壳运行过程中的微损伤信号,能有效地应用于LNG储罐的监测和评价[3]。对于环隙空间底部、环隙热角保护区的温度检测通过检测外部温降的方式判断储罐的泄漏情况,避免出现事故。

2.4 光纤测温子系统

光纤测温子系统硬件部分需要在现场安装测温光缆和测温主机,测温主机数据通过通信接口单元接入数据库,实现对LNG储罐泄漏的监测和预警。光纤测温子系统软件功能包括实时显示不同监测回路的位置和温度值;当超过模型设定范围时进行报警,定位报警位置和报警温度值;具有自诊断功能,当光纤断裂时能自动报警[4]。

2.5 外罐状态监测子系统

混凝土外罐监测实现对LNG储罐变形的监测和预警。LNG储罐混凝土外罐状态监测混凝土底板和混凝土罐壁相对位置,具体包括混凝土外罐水平位移,垂直位移,旋转运动位移等数据。LNG储罐混凝土外罐状态监测管理所有的位移传感器,显示实时结果。LNG储罐混凝土外罐状态提前设置位移合理区间数值,当位移数据超过合理区间时系统自诊断报警。

2.6 地震监测子系统

LNG接收站安装的地震检测仪器与DCS,ESD系统数据关联,当地震来袭时,检测信号超过设定值时会触发ESD发出紧急停车指令。地震监测子系统可记录地震发生时的数据,并提供分析功能,超过正常设定值发出报警信号。

2.7 视频监控子系统

储罐视频监控子系统实现24 h不间断监控,为各层级管理者提供高品质和清晰的监控视频。可实现视频图像动态侦测、遮挡报警、视频丢失报警和外部监控系统联动[5];可接入周界、门禁等报警系统,配合视频监控子系统第一时间发现事故点,使相关人员可以迅速响应,将事故损失控制到最小范围;通过视频图像可开展自动识别火焰和烟雾等智能应用,可自动输出与应急系统的开关量联动信号。

集成头戴计算机视频监控系统,将扩展应急指挥系统至现场,实现现场应急处置人员与应急指挥部的实时移动音视频专家指导,实现应急模拟演练的信息化和实战化,提升现场应急人员的单兵能力和协同应急处置效率。

3 数据模型

LNG储罐综合监控系统数据模型分为储罐管理子系统数据模型,LNG翻滚预测模型,光纤测温子系统数据模型,泄漏监测子系统数据模型,外罐状态监测子系统数据模型,地震监测子系统数据模型,视频监控子系统数据模型。LNG储罐综合监控系统数据模型如图2所示。

图2 LNG储罐综合监控系统数据模型示意

1)LNG储罐综合监控系统数据模型中,储罐管理子系统数据模型、光纤测温子系统数据模型、泄漏监测子系统数据模型、外罐状态监测子系统数据模型与该综合监控系统之间通过储罐编码直接关联,实现储罐数据模型算法层的融合对接。

2)地震监测子系统是针对每个厂区进行的监测,与DCS联锁,同时储罐仪表报警模块也会第一时间报警。

3)视频监控子系统分为固定摄像头与移动摄像头,固定摄像头基于文献[5]为基础的实施方案,移动摄像头音视频通话2.0支持H.264 SVC部分的时域分层编码,通过改变帧率来实现伸缩性。通信过程中,各端可以根据需要生成多种层级的视频码流,或者提取出不同层级的码流。在网络丢包较为严重的环境下,接收端抛弃部分时域层的码流以实现网络适应性,从而保证弱网环境下的视频质量和用户体验。

4)用户权限模块扩展性强,创建用户需要与部门、岗位、角色等对应,用户表用户id关联部门表,岗位表和角色表通过用户id可查询用户所在部门岗位,所属角色。角色、表角色id关联权限表和菜单表,通过角色控制用户权限和菜单。

4 系统目标

LNG储罐综合监控系统重点实现以下目标：

1)总体架构图。统一数据的采集、存储和应用架构,确保数据共享和互联互通,形成储罐监控的中心数据库,为下一步数据的挖掘深化应用提供了基础。

2)具有开放性和扩展性。现场仪表可组态接入多种测量仪表和测量主机,数据采集可通过组态扩展输入输出和运算点,数据库通过组态支持增加数据采集位号,监控子系统可根据业务需求增加子系统,人机交互页面可实时监控储罐子系统。

3)研发1套LNG储罐监控管理系统,集成LNG储罐的现场仪表数据,实现罐区监控、库存管理、分层检测和翻滚预测等功能,实现LNG罐区管理关键软件的国产化,为LNG罐区生产运行管理提供国产化解决方案,助力LNG储罐安全平稳运行。

5 结束语

本文根据LNG罐区生产工艺特点,针对目前LNG储罐监控信息系统独立、存在信息“孤岛”导致融合难等问题,以满足互联互通、扩展开放、安全可靠、架构统一为目标,对LNG罐区管控一体化系统进行了架构和功能设计,阐述了综合监控系统中现场仪表、数据采集、数据库、监控子系统及人机交互的功能定义和集成关系,并设计了罐区管理子系统的功能,可为LNG罐区信息系统建设提供借鉴,对确保LNG接收站安全运行和提升精细化管理具有重要意义。