LNG槽車智能化充裝系統(tǒng)設計與研究

周樹輝 宋 坤 陳海平 范嘉堃

中海石油氣電集團有限責任公司, 北京 100028

0 前言

LNG槽車具有靈活方便、性價比高等優(yōu)點,是目前中國LNG工廠和LNG接收站最主要的陸地液態(tài)銷售、運輸工具[1]。目前槽車區(qū)存在人員多、車量大、信息雜,以及車輛管理人工指揮、信息手動錄入、各流程間相互隔離等問題。一般情況下,每個槽車操作員負責兩個裝車橇、兩臺槽車的充裝,實行兩班倒的工作模式,每班工作時間為12 h,槽車充裝高峰時期,操作員需連續(xù)10 h以上進行充裝作業(yè),容易出現(xiàn)疲勞[2]。槽車充裝步驟較多,停車后操作員進行信息確認、充裝前檢查、裝卸臂對接、氮氣吹掃、測漏、泄壓、預冷、灌裝、吹掃、拆臂等程序。裝卸臂上6個閥門共需人工轉動10余次,前后順序容易出錯[3]?，F(xiàn)有裝卸臂通常由316 L材料制成,重量超過500 kg,需操作員和槽車司機同時用力推動才能與槽車對接,整個操作過程費時費力;每輛槽車充裝時間約60～65 min,頻繁操作時段為前10 min和后10 min,其他時間操作員處于守候狀態(tài),造成了勞動力的浪費。

1 LNG槽車智能化充裝系統(tǒng)概述

為優(yōu)化LNG槽車充裝操作流程,減輕操作員的勞動強度,提高槽車充裝系統(tǒng)自動化程度,增強充裝過程的調度、管控、統(tǒng)計等綜合控制能力[4],確保槽車充裝全過程的安全,建立LNG槽車智能化充裝系統(tǒng)是非常必要的。

本系統(tǒng)主要由新型槽車智能化裝車橇和智能化管理控制系統(tǒng)兩部分組成。

新型槽車智能化裝車橇包括新型裝卸臂結構以及裝卸臂與槽車的新型對接裝置,使操作員能夠單獨輕便操作裝卸臂,并快速拆、裝裝卸臂與槽車的連接。將裝卸臂上現(xiàn)有手動操作閥門均改為自動閥門,采用計算機控制系統(tǒng)(如可編程邏輯控制器,PLC)對充裝過程各步驟進行邏輯控制;該系統(tǒng)能對槽車的壓力、液位等信號進行監(jiān)控,與各安全監(jiān)測設備(如可燃氣體探測器)進行安全聯(lián)動等,使整個充裝過程自動化、智能化。

智能化管理控制系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、裝車信息管理系統(tǒng)、車輛信息管理系統(tǒng)、網(wǎng)站系統(tǒng)(操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫)、預約系統(tǒng)、查車系統(tǒng)、操作員狀態(tài)識別等模塊系統(tǒng),實現(xiàn)從槽車進場、LNG充裝到槽車離場的全過程管理,降本增效,確保槽車充裝全過程的安全運行。

2 新型槽車智能化裝車橇

槽車裝車橇前端是裝卸臂,每臺裝卸臂有氣、液兩相臂,氣相臂在上,液相臂在下,專用于裝載橇與槽車之間傳輸?shù)蜏匾后w介質,決定了槽車充裝的流程和速度[5]。裝卸臂由立柱、內臂、外臂、彈簧缸平衡系統(tǒng)、垂管、吹掃管線和氮氣管線組成,見圖1。

圖1 槽車裝卸臂結構圖

2.1 裝卸臂上閥門升級改造

液相臂上有液相低溫球閥、氮氣吹掃閥和氮氣泄放閥3個閥門,氣相臂上有氣相低溫球閥、氮氣吹掃閥和氮氣泄放閥(有的臂無該閥門)3個閥門。具體裝車流程如下。

1)吹掃。操作員將液相臂和氣相臂上氮氣吹掃閥打開,提示司機將槽車上相對應的排空閥反復打開、關閉,進行憋壓吹掃,確保將裝卸臂前端的空氣置換成氮氣[6],然后關閉兩相臂氮氣吹掃閥。

2)泄壓。操作員打開氣相低溫球閥,等待槽車壓力表降到合適值(0.2～0.3 MPa)

3)預冷。保持氣相低溫球閥處于開啟狀態(tài)并打開液相低溫球閥,確保槽車滿足充裝狀態(tài)要求。

4)充裝。預冷程序結束進入自動充裝程序,兩相臂低溫球閥保持開啟狀態(tài)。充裝結束后,將液相臂低溫球閥關閉。

5)吹掃。打開液相臂氮氣吹掃閥,等待10 s,打開液相臂氮氣泄放閥保持5 s后關閉。重復打開關閉液相臂氮氣泄放閥3次以上,直至吹掃干凈。關閉液相臂氮氣吹掃閥,液相臂吹掃完成。關閉氣相臂低溫球閥,打開氣相臂氮氣吹掃閥,等待10 s,打開氣相臂氮氣泄放閥,關閉氣相臂氮氣吹掃閥和泄放閥,氣相臂吹掃完成。

在此期間,操作員需與槽車司機相互配合反復開關6個閥門,工作繁瑣。

將裝卸臂上閥門改造升級為自動閥門。通過市場調研完成閥門選型[7],氣動閥門重量比電動閥門重量輕,更便于操作,故本方案選擇氣動閥門。由于自動閥門的重量比原手動閥門的大,需重新對臂體進行配重計算和旋轉接頭的強度校核[8]。改造后通過PLC控制閥門開關,節(jié)省了人工操作,減少了工作量,見圖2。

圖2 裝卸臂閥門PID圖

2.2 槽車與裝卸臂連接方式改造

目前槽車與裝卸臂為法蘭連接,充裝時,由槽車司機手動拆卸法蘭盲板,將裝卸臂與槽車連接。由于法蘭由4個螺栓固定,裝車1次需要拆裝螺栓各2次,手工拆卸費時費力。

改變槽車與裝卸臂的接口方式,引入先進的快速接頭。經(jīng)調研,目前國外槽車充裝和船上充裝已有快速切斷閥配備軟管使用的先例,該快速切斷閥有雙層接口[9],內部接口封閉后再進行外層接口封閉,改造后無需測漏,可實現(xiàn)快速、安全對接。由于國內外對槽車充裝工藝要求不同,國外槽車充裝沒有配備氮氣吹掃管線,無法實現(xiàn)氮氣吹掃。根據(jù)國內槽車運輸要求,在充裝完畢后,必須對槽車管道內殘留的LNG和NG進行吹掃,防止LNG在管道內氣化成NG,長時間與管道接觸發(fā)生反應,降低安全性。故對快速切斷閥結構進行改造,接入氮氣管線并將軟管改為鋼管連接,保障連接省時省力、安全可靠。卡爪式接頭在安裝時需將卡爪旋轉90°與槽車接口對齊,反向旋轉90°卡住槽車上的法蘭,用專用扳手擰緊鎖緊螺母。由于卡爪旋轉需占用空間,故此方式適用于槽車尾部法蘭處空間足夠的情況,見圖3。

圖3 卡爪式接頭圖

2.3 裝卸臂結構改造

由于國內對LNG充裝有規(guī)定,需用金屬管道,所以裝卸臂重量過大不宜操作,需從場地空間、可操作性、實用性和安全性等方面解決此問題?？紤]增加外部助力，如在裝卸臂上借助吊車上拉臂轉動,在裝卸臂下面加滾輪小推車推動臂轉動,但橇周邊距離狹小,工作環(huán)境要求較高,所以此種方式可操作性低。故回歸裝卸臂本身,考慮改變裝卸臂的結構,將自動閥門的位置移動到內臂上,減輕外臂的重量,使一人能夠單獨控制臂的操作[10],此種方法對外圍環(huán)境影響最小。

閥門移動后需計算裝卸臂配重,主要對彈簧缸進行平衡計算。彈簧缸需要克服的平衡力包括彈簧缸本身重力及其支架重力,外臂鋼管、管件、旋轉接頭的重力,以及拉斷閥和快速接頭的重力。根據(jù)計算結果,確定閥門對裝卸臂產生的總力矩是否滿足要求。

新型槽車智能化裝車橇只對前端裝卸臂進行改造,可在傳統(tǒng)裝車橇前端直接替換新型裝卸臂,對裝車橇內無影響。

3 智能化管理控制系統(tǒng)

槽車引車入橇、停車、出橇都需要人工手勢引導,車輛信息讀取需人工確認,司機隨車攜帶裝有車輛信息的ID卡,在充裝前將該卡交由操作員進行信息確認,現(xiàn)對該系統(tǒng)進行升級。

根據(jù)槽車充裝流程設計一套客戶端軟件,從槽車進入槽車區(qū)到裝車完畢結算,實現(xiàn)智能化管理[11],可通過PC端實現(xiàn)槽車充裝遠程監(jiān)控及運營管理功能,包括各類數(shù)據(jù)實時提取、傳輸和控制等,見圖4。

圖4 槽車智能化充裝全流程框圖

智能化管理控制系統(tǒng)中,裝車橇附近加設一臺控制箱,通過總線通訊或者硬接線方式采集現(xiàn)場各種類型數(shù)據(jù),且與手持移動控制端進行遠程通訊,見圖5。

圖5 LNG槽車智能化管理控制系統(tǒng)結構框架圖

3.1 車牌識別系統(tǒng)

現(xiàn)槽車信息需人工確認,司機隨車攜帶裝有車輛信息的ID卡,在充裝前將該卡交由操作員進行信息確認。將該系統(tǒng)升級為車牌識別系統(tǒng),升級后該系統(tǒng)能夠檢測到車輛并自動提取信息進行處理[12]。在槽車充裝工藝中,配套車牌識別系統(tǒng),通過攝像機拍攝車輛圖像,讀取到每輛槽車車牌號碼,確認車輛的業(yè)務編號、預裝量等車輛信息,并由系統(tǒng)分配充裝鶴位,通過無線網(wǎng)絡,將此信息及車位分配傳輸至移動控制端[13],操作員工可提前做好準備事項,節(jié)省了操作員工刷卡及確認車輛信息等工作時間。

3.2 槽車停車位置檢測

新增停車位置檢測系統(tǒng)利用激光確定槽車位置。在裝車橇側面合適位置安裝激光測距傳感器1和2,配合使用來測量橇與槽車的間距,得到橇與槽車距離d1。在槽車前方合適位置安裝激光測距傳感器3,測得傳感器3與槽車前端距離d2。擬定d1最佳為750 mm、d2最佳為 1 000 mm[14],實際最佳位置可根據(jù)現(xiàn)場情況進行調整。d2超過2 000 mm時,默認為無效結果。

在槽車前上方裝置一組警示燈,分別為左右警示燈各1個(紅色,HL1和HL3),前后警示燈1個(綠色，HR2)。當d1過大或者過小時,偏左、偏右警示燈會常亮或者閃爍,司機根據(jù)警示燈信號調整槽車左右位置[15]。槽車緩慢前進過程中,d2會逐漸減小,當接近最佳位置時,前后警示燈會閃爍提醒,當達到最佳位置時,前后警示燈會顯示綠色,見圖6。

圖6 槽車停車位置檢測系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)可有效檢測槽車停車情況,引導司機調整槽車停車位置,并不能強制決定槽車停車位置。

3.3 裝卸臂閥門控制升級

將原裝卸臂上手動閥門更改為自動閥門并開發(fā)軟件控制系統(tǒng)[16]。將開關到位信號及驅動控制信號接入智能化管理控制系統(tǒng)控制器,可在手持移動控制端查看閥門開關狀態(tài)并遠程控制閥門開關,見圖7。

a)氣動閥門電源接線圖

臂上自動閥控制系統(tǒng)與現(xiàn)有裝車橇控制系統(tǒng)相融合,一起裝入裝車橇控制箱內,實現(xiàn)了裝卸臂和橇一體智能化作業(yè)。

3.4 保冷循環(huán)手動閥狀態(tài)遠傳功能

裝車橇上原有保冷循環(huán)閥門在非裝車狀態(tài)下屬常開閥門,用于保冷橇內管道。槽車充裝時,需手動關閉該閥門。如果裝車過程中忘記關掉,會影響裝車效果,造成資源浪費及安全隱患。由于環(huán)境原因,此閥門不宜改為電動或氣動閥門。為方便操作員監(jiān)控此閥門開關狀態(tài),在閥體上裝設機械行程開關,并將此開關信號接入系統(tǒng)控制器,參與邏輯連鎖控制,操作員可在手持移動控制端上查看此閥門開關狀態(tài)。

3.5 裝車橇控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠傳

裝車橇自帶PLC控制程序,對槽車充裝過程進行監(jiān)控,控制流程已比較成熟,故不對原邏輯控制程序做出改變。將原控制器與新系統(tǒng)對接,提取數(shù)據(jù)并遠傳至手持移動控制端,方便操作員工遠程監(jiān)控原電動設備及儀表數(shù)據(jù)。

3.6 手持移動控制端遠程控制

增加移動控制端,進行軟件開發(fā),實現(xiàn)遠程監(jiān)視控制多臺裝車橇并可接收車牌信息功能。由于工作環(huán)境比較特殊,需采用手持防爆平板電腦作為移動控制客戶端,見圖8。

圖8 移動客戶端設置圖

系統(tǒng)通過車牌識別系統(tǒng)及軟件分析得到車輛信息,遠程發(fā)送至平板電腦;裝車工藝由裝車橇自帶PLC控制,PLC加設GPRS模塊[17](通用分組無線服務技術,GPRS),通過協(xié)議將PLC與平板電腦進行交互;每個平板電腦與多套裝車橇控制系統(tǒng)進行通訊,操作員可實時掌控各裝車橇的充裝過程,從而實現(xiàn)一人控制多個裝車橇的功能。

4 槽車儀表升級改造

目前槽車上的壓力表和液位表為機械式儀表,在裝車前需檢查槽車壓力，壓力不大于0.35 MPa時才能確認裝車[18]。槽車儀表都需要人工讀取填表,在充裝過程中根據(jù)裝車橇的充裝顯示屏確定槽車充裝量。

對槽車本體監(jiān)控儀表進行改造,尋找一種經(jīng)濟實用、改造幅度最小的方法,提取槽車的壓力和液位數(shù)據(jù),使槽車狀態(tài)在充裝過程中能夠被智能化系統(tǒng)實時監(jiān)控[19]?？沈炞C智能化系統(tǒng)的可操作性,并避免由于儀表失靈造成的槽車過充起跳引發(fā)安全事故[20]。

經(jīng)調研,差壓式無線遠傳復合變送器普遍適用于儲罐、罐箱、槽車、迷你罐等舊罐改造安裝,可測量LNG、液氧、液氮等介質,采用差壓式液位測量,可以實現(xiàn)液位(質量)、壓力、溫度、加速度的監(jiān)測,同時連接線上監(jiān)控平臺,實現(xiàn)可視化管理。

5 應用前景

為確保LNG槽車智能化充裝系統(tǒng)的安全性,委托具有安全評估資質的第三方機構對系統(tǒng)進行安全性驗證,并與原有人工操作系統(tǒng)進行安全性對比。搜集項目上槽車運行和生產數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進行提取和錄入系統(tǒng),驗證系統(tǒng)的可操作性和安全性。

LNG槽車智能化充裝系統(tǒng)將有效提高LNG槽車充裝的工作效率和安全性,大量節(jié)省人工成本。前期可在中海石油氣電集團有限責任公司內部新建LNG項目上進行示范應用,經(jīng)過測試和改進，待完善成熟后,可推廣至國內其他LNG接收站,具有廣闊的市場前景。

6 結論

1)首次開發(fā)新型槽車智能化裝車橇,裝卸臂臂上閥門均為自動控制,僅需一人可以完成整個裝車流程,每個操作員可同時監(jiān)測5～6臺裝車橇,提高了LNG接收站槽車充裝設備的數(shù)字化、智能化水平。

2)槽車車輛管理流程控制系統(tǒng)整合裝車業(yè)務各個環(huán)節(jié)信息,使工作從線下轉到線上,實現(xiàn)無紙化作業(yè),降低工作人員繁瑣重復的勞動強度,節(jié)省大量人工成本,建立了信息、人、物統(tǒng)一管理系統(tǒng)平臺,快速響應處理現(xiàn)場事宜。

3)將信息化生產、自動化控制、智能化管理應用到槽車充裝全過程中，有效增強統(tǒng)計、調度、管控等綜合控制能力,提高運行效率和安全性，實現(xiàn)生產運營從傳統(tǒng)管理模式向智能化模式跨越。