LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計軟件開發(fā)

施 凱，孟 成，黃津津，忻建華

（1.上海交通大學 機械與動力工程學院，上海200240；2.中國船舶工業(yè)集團公司第708研究所，上海200001）

0 引 言

本文介紹LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)化的設計方法和軟件實現(xiàn)過程。軟件采用Visual C＋＋6.0和MS SQL Sserver為開發(fā)工具，在Windows平臺上完成［1］，船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)化的設計方法和軟件實現(xiàn)過程，以Visual C＋＋6.0作為開發(fā)工具。軟件能夠根據(jù)用戶需求，以組態(tài)方式建立液貨裝卸系統(tǒng)模型以及數(shù)據(jù)結構，擁有簡潔清晰的用戶界面，方便設計開發(fā)人員使用，能夠為LNG船液貨裝卸系統(tǒng)設計提供有效手段，為進一步實施液貨裝卸過程仿真、分析裝卸過程的合理性、實現(xiàn)廠所協(xié)同設計創(chuàng)造了技術條件。

1 液貨裝卸系統(tǒng)簡介

LNG船液貨裝卸作業(yè)是通過船內液貨泵將LNG從船載液貨艙傳輸至外圍LNG接收站。由于LNG屬于低溫易燃介質，同時LNG船在接收站的停靠時間有限制，所以LNG在液貨裝卸系統(tǒng)管路中的傳輸速度需控制在一定范圍，通常在4m／s～6m／s之內，這對裝卸系統(tǒng)的設計提出了極高的要求。常用的LNG船液貨裝卸系統(tǒng)由卸貨泵、液貨艙、管道、閥門及加熱器和控制系統(tǒng)等輔助設備構成。這一安全要求和時間控制極嚴的流程由液貨裝卸系統(tǒng)保障完成。LNG船液貨裝卸組態(tài)設計軟件就是采用圖形方式，通過調用預先儲存在部件庫中的卸貨泵、閥門、管道和接頭等部件構建成一個完整的裝卸系統(tǒng)［2］，如圖1所示，并自動形成計算程序，對整個液貨裝卸系統(tǒng)進仿真計算，可以得到LNG船各個液貨艙的液貨高度、裝卸時間和各個主要管路節(jié)點的液體參數(shù) （如壓力、流量等）。如果仿真表明初始設計的液貨裝卸系統(tǒng)不滿足設計要求，則可以通過修改圖形、選擇不同的液貨泵等方式，重新形成新的裝卸系統(tǒng)，進行計算，直到滿足要求。

圖1 裝卸系統(tǒng)

2 組態(tài)設計軟件的基本構成

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計軟件構建了圖形界面、數(shù)據(jù)庫和仿真計算三大功能模塊以滿足液貨裝卸系統(tǒng)模型組態(tài)搭建和裝卸過程分析的要求。圖形界面模塊負責軟件功能界面形成和液貨裝卸系統(tǒng)模型圖搭建。數(shù)據(jù)庫模塊負責液貨裝卸系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫管理和模型數(shù)據(jù)記錄。仿真計算模塊對系統(tǒng)模型進行裝卸過程計算，得到系統(tǒng)模型各個裝卸時間點的參數(shù)情況。設計完成的LNG船液貨裝卸組態(tài)系統(tǒng)模型的基本組成為圖形單元［3］，圖形單元由圖像和數(shù)據(jù)兩部分構成，圖像由圖形界面模塊繪制而成，數(shù)據(jù)則通過數(shù)據(jù)庫模塊從系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫中讀取。組態(tài)設計軟件開發(fā)了種類齊全的圖形單元，分別代表不同的系統(tǒng)設備，并配置具有詳盡設備信息的數(shù)據(jù)庫。通過圖形組合對實際裝卸系統(tǒng)進行抽象，建立部件之間的聯(lián)系，形成簡潔直觀的點線圖式系統(tǒng)模型，內部根據(jù)圖像關系形成模型數(shù)據(jù)信息，完成配有圖像外觀和數(shù)據(jù)信息雙層結構的組態(tài)系統(tǒng)搭建。直接調用仿真計算模塊，根據(jù)模型數(shù)據(jù)信息，即可得到系統(tǒng)模型裝卸過程的各參數(shù)情況。

2.1 圖形界面設計

VC＋＋6.0擁有強大的 Windows應用程序開發(fā)功能，利用其資源編輯器和MFC庫，可以方便快速的生成用戶界面程序，在此基礎上修改界面程序，增添各項模型設計功能，完成軟件界面的構造。模型設計界面如圖2所示。界面上部首欄為菜單欄，包含整個軟件的功能選項。次欄為工具欄，安放系統(tǒng)模型設計時需要的工具快鍵按鈕。左側是系統(tǒng)信息欄，添加入管網(wǎng)的信息能在該欄中顯示和修改。系統(tǒng)信息欄上部為點信息框，顯示輸送管網(wǎng)節(jié)點位置、類型和壓頭等信息，其次為管信息框，顯示管網(wǎng)內管道型號、管上附件和所連接液貨泵的信息，最后是液貨艙信息框，顯示系統(tǒng)液貨艙的情況。

圖2 組態(tài)設計界面

系統(tǒng)模型圖采用簡單的點線式圖形結構，以節(jié)點作為模型構造基礎，直線表示裝卸系統(tǒng)管路，撐起模型整體框架［4］。若采用簡單的圖元建立方式，則非常繁瑣。通過觀察部件模型外觀和生成方法，發(fā)現(xiàn)大部分圖元都有共性，如液貨艙和管路都需要兩個節(jié)點確定位置，液貨泵和附件等都添加在管路直線上，所有圖形的縮放和平移都是通過坐標位置的改變實現(xiàn)。采用面向對象的設計理念進行操作非常適合系統(tǒng)部件的共性，通過類的繼承性質和虛函數(shù)，設計一個基類，以其為基礎引出幾個大類，再用大類派生出具體的圖元。該軟件中設計的基類CDraw定義如下：

class CDraw：public CObject／／繼承來自基本對象CObject

如果看新聞，你會以為國資委權力很大。從央企退出房地產(chǎn)領域，到某央企職工薪酬過高；從利比亞撤僑，到某央企海外投資受到巨額損失，似乎只要有關央企的新聞（特別是負面新聞），就會有國資委的身影要么勒令嚴查，要么順應輿論做出決定，要么無奈辟謠。蔣潔敏的前任李榮融，也被很多媒體塑造成“國企沙皇”的角色。在他上任前，中國央企的總資產(chǎn)是8萬億左右，他離任時，這個數(shù)字增加到21萬億，而現(xiàn)如今，央企的資產(chǎn)更增加到30萬億左右。但這些只是中國80多萬億國有資產(chǎn)的一部分而已。

｛

Public：

COLORREF m＿Color；／／顏色

int m＿Order；／／圖元序號

CString m＿Name；／／圖元名稱

……／／其他屬性

Public：／／繪制圖形函數(shù)

virtual void OnOpen（）；／／雙擊圖元性質

virtual void Serialize（CArchive＆ar）；／／序列化

……／／其他函數(shù)略

｝

2.2 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫模塊分為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)兩部分。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)處于后臺運行，主要負責系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫的維護和管理，系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫存放LNG船液貨裝卸系統(tǒng)各設備的特性參數(shù)，供設計液貨裝卸系統(tǒng)模型使用。數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)伴隨圖形界面模塊在系統(tǒng)模型搭建時自動調用，用以存放模型部件數(shù)據(jù)，記錄模型數(shù)據(jù)間的關系，為仿真計算模塊做數(shù)據(jù)準備。

該軟件采用SQL Server 2008建立數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫結構設計為客戶端／服務器模式，訪問模式則運用ADO接口技術。根據(jù)LNG船液貨裝卸系統(tǒng)部件類型，系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫分為管道數(shù)據(jù)庫、附件數(shù)據(jù)庫、液貨艙數(shù)據(jù)庫和液貨泵數(shù)據(jù)庫，各庫以數(shù)據(jù)表形式存放部件參數(shù)，庫內設有部件型號編號，記錄部件類型在庫中位置，數(shù)據(jù)表每行保存某一型號部件的所有參數(shù)信息，每列保存類別參數(shù)的不同型號部件特性數(shù)據(jù)。用戶訪問數(shù)據(jù)庫時，根據(jù)部件編號，程序內部找到部件數(shù)據(jù)，賦予部件對象數(shù)據(jù)信息［5］。

數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)在用戶建立LNG船液貨裝卸系統(tǒng)模型時處于程序內部執(zhí)行，采用MFC庫中的CObList類，以列表形式存儲數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)根據(jù)裝卸系統(tǒng)部件類別和安裝關系分為管路、液貨艙和液貨泵3部分記錄系統(tǒng)模型信息［6］。管路信息包括系統(tǒng)模型中的管道和添加至管道的附件，按照添加順序依次記錄至管路信息列表中，特別保存了管路的進出口點號，用以實現(xiàn)管路間的連接關系。液貨艙列表記錄了各液貨艙的型號和形狀參數(shù)等數(shù)據(jù)信息，保存了與液貨艙連接的液貨入口管路編號，作為液貨艙與裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)部分的數(shù)據(jù)聯(lián)系。液貨泵列表記錄了裝卸系統(tǒng)中提供動力源的液貨泵的各項數(shù)據(jù)信息，并保存了液貨泵添加至管路的管路編號，用以液貨泵數(shù)據(jù)與其他部件數(shù)據(jù)的匹配。數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)不僅記錄了LNG船液貨裝卸系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)，更重要的是建立了模型部件數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，為裝卸系統(tǒng)的仿真計算準確性提供了保證。

2.3 仿真計算模塊

仿真計算模塊通過導入數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)記錄的LNG船裝卸系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)信息，對設計的系統(tǒng)模型液貨裝卸過程情況進行計算。整個仿真計算過程通過時間離散的方式，求解各個時間狀態(tài)的管路流量情況和節(jié)點壓頭情況，并推算出液貨艙內液貨容量情況，綜合全部時間狀態(tài)裝卸系統(tǒng)各數(shù)據(jù)參數(shù)，累計得到總裝卸時間。為保證整個仿真計算過程的準確，設計了精度較高的管網(wǎng)計算方法——有限單元法［7］。

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)部分比較復雜，具有多回路多支路的特點，若采用傳統(tǒng)的環(huán)路流量法和節(jié)點壓力法，則實現(xiàn)程序非常復雜同時計算效率很低。為了解決這一問題，將有限元的思想運用于裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)計算中，將管道和上面的附件視為管路單元，設計了以管路單元為基礎的有限單元法。該方法通過建立以管路流量和進出口節(jié)點壓頭為變量的管路單元方程組，采用迭代和節(jié)點壓頭逼近的方式求解方程組，獲得裝卸系統(tǒng)管網(wǎng)在任意時間的完整數(shù)據(jù)，同時經(jīng)過設置合適的收斂和逼近條件，提高求解速度。

3 液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計軟件建立的裝卸系統(tǒng)模型不僅要有清晰的圖形顯示還要包含詳盡的系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，為進一步實現(xiàn)的系統(tǒng)仿真計算提供基礎，圖形與數(shù)據(jù)的結合也是該軟件與CAD等模型設計軟件的主要區(qū)別。軟件的設計采用組態(tài)軟件的理念，設計了類、對象和列表三層數(shù)據(jù)形式的組態(tài)結構。軟件內部應用VC＋＋類與對象的概念，以MFC中的CObject為父類，構建了CPipeobject管路設備基類，再定義了裝卸系統(tǒng)各部件子類，部件類中包含了不同部件的各項參數(shù)和相關函數(shù)。在裝卸系統(tǒng)模型建立的過程中，根據(jù)裝卸系統(tǒng)部件名，在設計界面工具欄中創(chuàng)建了多個控件按鈕，點擊按鈕時，軟件內部依據(jù)對應的部件類生成部件對象［8］，外部界面則彈出部件參數(shù)選擇界面，該界面通過數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)連接系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫，用戶選擇相應的部件參數(shù)，給部件對象賦值，如此完成一個擁有完整部件信息的模型控件的創(chuàng)建，添加入裝卸系統(tǒng)模型圖。同時處于程序內部的數(shù)據(jù)記憶系統(tǒng)根據(jù)部件類型，將添加入模型的部件數(shù)據(jù)信息記錄至部件列表中。模型建立完成后，界面上顯示的是圖形化的液貨裝卸系統(tǒng)模型，軟件內部保存的則是模型數(shù)據(jù)列表，如此完成圖形與數(shù)據(jù)的聯(lián)系。裝卸系統(tǒng)組態(tài)結構如圖3所示。

3.1 管 路

管道和附件構成了液貨裝卸系統(tǒng)的管網(wǎng)部分，管網(wǎng)作為聯(lián)系液貨艙與外部傳輸設備的紐帶，是LNG液貨裝卸系統(tǒng)的核心部分。LNG液貨裝卸系統(tǒng)中的輸送管道一般使用不銹鋼管，附件則包括閥門、彎管、三通接頭、濾器等。軟件中分別建立了管道類和附件類，規(guī)定了管道和附件的各項參數(shù)結構。實際裝卸系統(tǒng)中，附件都安裝在管道上或是管道之間接口處，軟件中，將管道和附件視為整體，組合成管路。管路類結合了管道類和附件類的信息，增加了影響裝卸系統(tǒng)阻力情況的管路阻力參數(shù)并建立其計算函數(shù)。點擊管道和附件控件，從管道和附件數(shù)據(jù)庫中選擇需要的型號，就能在裝卸系統(tǒng)模型中加入管路圖形。

圖3 系統(tǒng)組態(tài)結構

（1）管路數(shù)據(jù)結構：管道類CPipe和附件類CFitting中參數(shù)類型定義相同，有字符串型的編號和型號參數(shù)及浮點數(shù)型的特性參數(shù)組成，管道特性參數(shù)包括管長m＿Length、管徑m＿Diameter和表面粗糙度m＿Roughness等，附件特性參數(shù)包括尺寸m＿Metric和局部阻力系數(shù)m＿Epsi等。結合二者信息后的管路類CTPipe，沿用了管道的部分特性參數(shù)如管長、管徑等，同時結合管道表面粗糙度和附件局部阻力系數(shù)，定義了浮點型數(shù)據(jù)管路阻力系數(shù)m＿TS，并建立了管路阻力計算函數(shù)CalculateTotalS計算固定管路流量時管路阻力的大小。該函數(shù)首先判斷流體在管路中的流動方式 （層流或是紊流），按照流動方式求出管路沿程阻力系數(shù)，結合管路附件的局部阻力系數(shù)，得到管路總阻力系數(shù)，最后計算管路阻力的大小。管路對象映射管路類，根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息生成，它包含了管路類的所有數(shù)據(jù)和函數(shù)關系。管路添加入系統(tǒng)模型后，管路對象信息存入以管路編號為標識的管路列表。

（2）管路圖形構造：管路是裝卸系統(tǒng)模型的 “骨架”，聯(lián)系裝卸系統(tǒng)的所有部件。軟件內部通過編號的方式將管路與管路、管路與液貨泵、管路與液貨艙聯(lián)系起來［9］。外部界面上，管路圖形設計為液貨泵圖形的載體，同時也作為液貨艙圖形的連接線。管路圖形以直線的樣式顯示，必須畫在兩節(jié)點之間，根據(jù)畫線方向定義管路方向，在直線作箭頭標識，程序內部默認該方向為流體在管路內流動方向，管路圖形如模型設計界面圖2中模型直線所示。

3.2 液貨艙

現(xiàn)有的比較成熟的液貨艙類型主要有球型和薄膜型［10］。液貨艙是裝卸系統(tǒng)的源頭，艙內液貨高度和壓力對輸送過程的影響很大，尤其是裝卸過程中，液貨高度的變化對整個裝卸系統(tǒng)流量、壓頭等參數(shù)的變化起關鍵作用，因此液貨艙類中除了艙的型號、形狀參數(shù)外，還需艙體積高度的變化關系。添加液貨艙模型部件時，軟件調用液貨艙類，用戶在液貨艙數(shù)據(jù)庫中選擇液貨艙型號，在參數(shù)設定界面輸入液貨艙形狀數(shù)據(jù)，就能在裝卸系統(tǒng)模型中加入液貨艙圖形。

（1）液貨艙數(shù)據(jù)結構：液貨艙類CTank包含了液貨艙的編號、類型參數(shù)、形狀參數(shù)和高度體積函數(shù)。類型參數(shù)m＿strType以字符串形式定義，形狀參數(shù)全部定義在浮點型數(shù)組m＿fPara中，編寫高度體積函數(shù)V＿H＿function求解固定液貨高度時的液貨體積情況和固定液貨體積時的液貨高度情況，不同類型液貨艙高度體積的對應關系不同，因此在CTank類中，根據(jù)軟件數(shù)據(jù)庫自帶的艙類型，建立了各類型的高度體積函數(shù)。需要生成液貨艙對象時，在液貨艙數(shù)據(jù)庫中選擇液貨艙型號，軟件內部根據(jù)m＿str－Type，分配m＿fPara數(shù)組容量及結構，通過條件語句if（m＿strType＝＝""）選擇對象的V＿H＿function，完成對象的數(shù)據(jù)信息輸入前準備，之后彈出液貨艙參數(shù)設定界面。參數(shù)設置界面如圖4所示，顯示液貨艙對象信息，信息屬性與液貨艙類一一對應，包括艙類型及需要輸入的形狀參數(shù)，并提供艙三視、立體圖，完善數(shù)據(jù)信息后，能夠通過連接艙V＿H＿function的查看參數(shù)按鈕觀察液貨任意高度或體積時的體積高度情況。確定添加后，將液貨艙對象加入裝卸系統(tǒng)模型，同時將液貨艙數(shù)據(jù)信息存入液貨艙列表。

圖4 液貨艙參數(shù)設置界面

（2）液貨艙圖形構造：通常液貨艙采用雙泵裝載，液貨艙與兩根輸送管路連接。圖形界面中，液貨艙設定為必須與節(jié)點相連，若節(jié)點為某管路圖形的起始點，則通過編號聯(lián)系液貨艙和管路，以連接管路數(shù)確定液貨艙裝卸模式（單泵或雙泵）。添加液貨艙時，選擇液貨艙數(shù)據(jù)庫中的液貨艙型號，在參數(shù)設置界面輸入形狀參數(shù)，確定后植入數(shù)據(jù)信息，生成液貨艙對象，同時調用圖像繪制程序。液貨艙圖形如模型設計界面圖2中藍色背景矩形所示。

3.3 液貨泵

液貨泵作為液貨裝卸系統(tǒng)的動力來源，是保障裝卸作業(yè)定時定量完成的重要設備［11］。液貨泵性能參數(shù)中，水力性能曲線對裝卸作業(yè)進程影響最大，因此在液貨泵類中，定義水力性能函數(shù)模擬揚程與排量的變化趨勢［12］。各型號液貨泵擁有固定的性能參數(shù)，軟件液貨泵數(shù)據(jù)庫中預先保存有常用的液貨泵數(shù)據(jù)，同時也設定了增添入口，供用戶補充未有型號。點擊液貨泵控件，從數(shù)據(jù)庫中選擇型號，就能在裝卸系統(tǒng)模型中加入液貨泵圖形。

（1）液貨泵數(shù)據(jù)結構：液貨泵類CPump包含了液貨泵的編號、型號參數(shù)、性能參數(shù)和性能函數(shù)。編號m＿nID、型號m＿strType和性能參數(shù)參數(shù)都以字符串型定義。性能參數(shù)表征了該型號液貨泵的額定指標，包括額定流量m ＿StdFlow、額定揚程m＿StdHeight、額定功率m＿StdPower和汽蝕余量m＿Cavmargin等。CPump中保存了8組泵排量與揚程的實驗數(shù)據(jù)，以浮點型數(shù)組保存為m＿Capflow ［i］和 m＿Caphight［i］，采用最小二乘法擬合的方式［13］，通過實驗數(shù)據(jù)合成水力性能函數(shù)Q＿H＿function，同時為了排量與揚程對應的方便，轉化Q＿H＿function，再構建了一個固定揚程求排量的函數(shù)H＿Q＿function。軟件按照軟件中加入了液貨泵參數(shù)界面供用戶查看液貨泵性能使用，如圖5所示，界面中的數(shù)據(jù)來自液貨泵數(shù)據(jù)庫，與CPump中的數(shù)據(jù)結構一一對應。流量揚程曲線根據(jù)水力性能函數(shù)Q＿H＿function繪制而成。當用戶補充新液貨泵到液貨泵數(shù)據(jù)庫中時，該界面中的數(shù)據(jù)由用戶手動輸入。液貨泵添加入系統(tǒng)模型后，液貨艙數(shù)據(jù)信息存入液貨泵列表。

（2）液貨泵圖形構造：實際裝卸系統(tǒng)中，液貨泵安裝在液貨艙底部，與輸送管路連接。在軟件圖形界面中，液貨泵設定為必須添加在管路圖形上，液貨泵信息與所加管路信息通過二者編號聯(lián)系。添加液貨泵時，軟件根據(jù)所選液貨泵型號，植入數(shù)據(jù)信息，生成液貨泵對象，同時調用圖像繪制程序［14］。液貨泵圖形在模型設計界面圖2中，為內部帶有方向箭頭的紅色圓圈，箭頭方向同添加管路的方向一致。

圖5 液貨泵參數(shù)界面

4 實例分析

圖1為常見的LNG船雙泵五艙液貨卸載系統(tǒng)，卸貨泵的額定揚程均為140m，額定排量為1500m3／h，通過該組態(tài)設計軟件構建系統(tǒng)模型如圖6所示，各液貨艙容量如表1所示。通過仿真計算求得各時間狀態(tài)點的系統(tǒng)情況，表2顯示了液貨裝卸過程中2小時、5小時和14小時狀態(tài)系統(tǒng)管網(wǎng)流量情況，圖7是各艙內液貨高度變化圖，該系統(tǒng)卸貨總時間為16小時10分。仿真計算得到數(shù)據(jù)與實際系統(tǒng)裝卸過程情況相符，通過LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計軟件建立的系統(tǒng)模型能夠較好的滿足LNG船液貨裝卸系統(tǒng)系統(tǒng)設計的需要［15］。

圖6 液貨裝卸系統(tǒng)模型

5 結束語

LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計軟件采用 “組態(tài)”理念開發(fā)，擁有簡潔直觀的模型設計界面和種類齊全的系統(tǒng)設備控件，配有詳細的裝卸系統(tǒng)設備數(shù)據(jù)庫，能夠方便的建立具有圖形和數(shù)據(jù)雙層結構的液貨裝卸系統(tǒng)模型，自動調用程序進行模型液貨裝卸流程仿真計算，得出裝卸流程情況，用戶可根據(jù)計算結果調整系統(tǒng)模型，達到實際設計要求。LNG船液貨裝卸系統(tǒng)組態(tài)設計軟件填補了國內該設計軟件的空白，為我國自主研發(fā)設計該裝卸系統(tǒng)提供了可靠的工具。

表1 各艙容積

表2 系統(tǒng)模型數(shù)據(jù)

圖7 五艙液貨高度變化

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