LNG船液貨裝卸系統分析軟件平臺研究

嚴利民黃津津孟成施凱忻建華

（1.中國船舶工業集團公司第七○八研究所 上海 200011；2.上海交通大學 上海 200240）

LNG船液貨裝卸系統分析軟件平臺研究

嚴利民1黃津津1孟成2施凱2忻建華2

（1.中國船舶工業集團公司第七○八研究所 上海 200011；2.上海交通大學 上海 200240）

裝卸系統；組態化模型設計；仿真計算；數據庫

提出了一種基于VC++平臺和數據庫技術的LNG船液貨裝卸系統設計及分析的軟件平臺系統，詳細介紹了其內容、結構和實現方法。該系統配有與管路阻力計算相關的管道、閥件、液貨艙、附件等的數據庫，能夠按目標船的裝卸要求，直接組態設計液貨裝卸系統管網系統。設計人員可以在每一個模型設計完成后直接進行優化并確定液貨泵的排量、壓頭、液貨管路的管徑、長度等設計信息，仿真計算裝卸過程中各時間段上的的流量、節點壓力、剩余艙內液體容積等各項參數。不僅簡化了液貨裝卸系統的設計過程和計算校核的時間，而且更加方便靈活。

0 引言

近年來，我國從改變能源結構和改善環境狀況角度出發，正積極發展液化天然氣（LNG）技術。LNG船是在-163℃低溫下運輸液化天然氣的專用船舶，船上液貨裝卸系統是控制LNG裝卸流程的重要設備。設計合理的LNG船液貨裝卸系統對保證LNG船在規定的時間內安全順利地完成液貨裝卸起著至關重要的作用［1］。目前國內尚無一套專門的液貨裝卸系統仿真軟件能夠建立LNG裝卸系統模型、仿真液貨裝卸過程、分析裝卸過程的合理性，因此設計一套具有自主知識產權的集設計、優化計算、仿真裝卸過程的圖形化平臺等功能于一體的應用軟件是很有必要的。

本文介紹的LNG船液貨裝卸系統分析軟件是基于Windows平臺、采用MSSQL Server作為后臺數據庫服務器，以Visual C++作為開發工具的。該軟件配有詳盡的LNG船液貨裝卸系統部件數據庫，能夠方便的組態化建立裝卸系統管網模型。它能夠仿真液貨裝卸流程，顯示和記錄裝卸過程中液貨系統的相關參數；通過生成完整的設計信息實現設計計算仿真集成，為“設計、制造、管理一體化”奠定基礎。該軟件具有較強的人機交互界面，適合開發設計人員設計LNG船液貨裝卸系統時使用。

1 液貨裝卸系統部件構成

LNG船液貨裝卸系統部件由液貨艙、卸貨泵、管道、壓縮機、加熱器、控制系統以及各種閥門構成，這些設備均應滿足相應的規范要求。

·液貨艙

LNG船的儲罐即液貨艙是獨立于船體的特殊構造。在LNG船的設計中，考慮的主要因素是能適應低溫介質的材料和對易揮發或易燃物的處理。

·液貨泵

一般采用深井泵和浸沒式泵。根據英國勞氏船級社（LR）以及國際海事組織（IMO）規則的要求，每個液貨艙必須配備兩臺泵作為液貨泵。

·管道

低溫液體的輸送管道一般使用絕熱管絕熱。根據OCMF規范要求，LNG船液貨裝卸系統由四根跨接輸液管和一根貨物回氣管組成，以便與岸上輸液系統相一致。

·閥門

主要有截止閥、液貨艙安全閥、緊急切斷閥。

·蒸發氣壓縮機

LNG船上有兩種壓縮機，一種是低容量壓縮機，用于航行時將蒸發氣供給鍋爐作燃料或將蒸發氣排至再液化裝置再液化，一般要求配備兩臺；另一種是高容量壓縮機，用于卸貨時將蒸發氣排至回氣管，到岸上再液化。

·加熱器

航行時，當蒸發氣用作燃料時，需將低容量壓縮機排出的氣體用加熱器加熱至常溫。

·控制系統

可遠距離控制各種閥門操作，控制輸液流量以及關閉所有設備。該系統負責調控LNG的裝卸時間，保證裝卸過程合理、準時、安全的進行。

2 液貨裝卸系統分析軟件框架結構設計

一般的管網設計分析是先將管網在CAD等圖形界面上設計完成，然后將設計結果信息輸入到管道阻力計算程序進行管網阻力計算或經過人工進行管道阻力計算，即設計和計算分開實現。本文介紹的系統引入數據庫技術和組態理念，將設計所需的標準設備做成控件放入服務器上的數據庫中，而客戶端就不用再安裝標準設備控件數據庫,使用瀏覽器即可查看并選用所要的設備,完成裝卸系統模型設計后，可以直接將模型保存在服務器數據庫，便于集中管理和同類項目借鑒使用。

系統是一個典型的三層應用程序，包括數據層、邏輯層和表示層。其中的數據層利用SQLServer數據庫來實現，主要有標準部件數據庫、標準液貨艙數據庫、歷史項目模型和計算結果數據庫等；邏輯層是一個計算仿真程序，它從項目模型數據庫中取得數據，進行管路系統的阻力計算和卸貨過程仿真模擬計算，同時核算單艙、多艙的裝卸時間等，并將計算結果保存到數據庫中；表示層即為組態平臺，是將要設計的管網模型中的管道、附件、液貨艙、液貨泵等部件用標準數據庫中的控件添加在所建立的系統模型列表中，構成系統管網，完成整個裝卸系統模型的搭建。同時，表示層還擁有建立標準數據庫和輸出設計結果報告等的直觀界面。系統整體結構如圖1所示。

進入軟件后，由用戶在客戶端表示層上創建完整的項目信息文件，在模型開發界面建立裝卸系統模型。模型數據全部來自數據庫服務器，軟件自動完成將模型信息保存入模型數據庫中；運用邏輯層的計算仿真模塊模擬裝卸過程，將計算得到的結果數據存入結果數據庫中，根據設計人員的需求控制輸出設計分析報告。

圖1 軟件整體結構圖

3 液貨裝卸系統分析軟件設計關鍵技術分析

液貨裝卸系統設計分析軟件一般應具備以下基本功能：

（1）具有不同幾何形狀和型號的液貨艙數據庫，其尺寸可以自行定義，并能計算其任一高度下的艙容，或計算在任意艙容下的高度百分比；

（2）配有標準液貨泵性能曲線的數據庫，并允許用戶進行自定義；

（3）配有與管路阻力計算相關的管道、閥件、附件等的數據庫，供設計時選型使用；

（4）具有人性化的輸入界面以及圖形化的操作界面，建模過程各設備的選取以及參數的輸入做到簡捷有效；

（5）能直接將組態設計的管路模型進行管路系統的阻力計算和卸貨過程仿真模擬計算，同時核算單艙、多艙的裝卸時間；

（6）生成完整的設計信息數據庫，為“設計、制造、管理一體化”奠定基礎；

（7）輸送介質主選為LNG，其他介質作為備選項，使得該軟件可對油船以及其他化學品船的裝卸貨過程進行設計計算；

（8）實現以數據表和圖形曲線等方式生成相應的設計計算報告。

根據以上要求，可以設定軟件的主要功能模塊，如圖2所示。

圖2 模塊功能圖

對于LNG船裝卸系統而言，由于其特殊復雜的管網系統，給其穩態管道阻力計算軟件的開發增添了難度。例如軟件設計中該如何將建模時用戶組態的每一根單元管路的節點順序以及編號和管道、附件等信息與計算模型聯系并建立計算求解方程組，如何確定艙液位高度對裝卸時間的影響等。現對此軟件開發的關鍵技術處理作如下分析。

3.1 項目管理模塊

項目管理模塊負責管理裝卸系統設計項目的所有信息，在開始模型設計之前，通過該模塊在數據庫中建立相應的數據表，包括模型數據和仿真計算數據。模型設計完畢后，模型信息存入模型數據庫，仿真計算結束后，計算結果信息存入仿真計算數據庫。項目管理模塊主要功能就是通過界面顯示層完整的將模型信息保存在模型數據庫中，將計算結果保存在結果數據庫中，使顯示層、計算層和數據層合理的聯系起來。項目管理界面如圖3所示。

3.2 圖形界面模塊

圖形界面模塊負責系統模型的搭建，由四個子模塊組成，分別為界面模塊、邊界設定模塊、控件模塊和模型信息模塊。

圖3 項目管理界面

界面模塊即為模型搭建的平臺；邊界設定模塊負責管理模型邊界條件，如出口背壓、節點標高等；裝卸系統的各類部件，如管路、附件、液貨泵和液貨艙等被抽象設為不同的控件，再由控件模塊進行管理；每個控件在顯示層有專用界面將其標準信息保存在數據庫中并配有完整的型號信息，建模時只需點擊對應的控件，在彈出框列表中選擇所需型號，就能很方便地在系統模型中添加部件，并且部件信息會完整的記錄在模型信息列表中，通過項目管理模塊保存在模型數據庫中。圖形設計界面如圖4所示。

圖4 圖形設計界面

3.3 數據庫模塊

數據庫模塊是整個軟件的重要組成部分，軟件的數據庫采用SQL Server版本，采用ODBC接口作為VC訪問的橋梁，可以方便地對數據庫中的數據進行輸入、存儲、查詢和輸出等。根據建模仿真的要求，將數據庫模塊分為設備信息數據庫和項目信息數據庫。

3.3.1 設備信息數據庫

設備信息數據庫保存了裝卸系統需要的所有部件的型號參數信息，包括標準設備數據庫和各類型號液貨艙數據庫。在建模過程中，點擊目標控件，就會自動連接該控件在設備信息數據庫中對應的部件信息表，選擇所需型號，在模型中加入部件信息。如果庫中沒有需要的型號，還能在顯示層的專用界面中添加部件信息。

3.3.2 項目信息數據庫

對于設計成功的裝卸系統模型，或者典型案例模型的信息，將存入項目信息數據庫（包括歷史項目模型數據庫和歷史項目計算結果數據庫），供再次調用查看，同時也能便于項目保密。

3.4 仿真計算模塊

仿真計算模塊是整個軟件的核心部分，由管網計算和過程模擬兩部分組成。管網計算保證了仿真結果的準確性，過程離散則保證了仿真流程的合理性。仿真計算界面如圖5所示。

圖5 仿真計算界面

3.4.1 管網計算

實際液貨裝卸管網比較復雜，具有多回路多支路的特點，同時鑒于程序實現難易和運行效率高低，傳統管網計算采用的環路流量法和節點壓力法不能很好解決裝卸系統管網計算問題。本模塊采用有限元法［2］，將管網中的每一管路（包含附著在該管路上的附件），當作一管網單元，通過對單元平衡方程的變形，建立管路流量和進出口節點壓頭的非線性關系，采用高斯賽德爾迭代法和節點壓頭逼近方法求解非線性方程組，獲得完整的管網信息，同時設定合理的迭代收斂條件和逼近條件，提高求解速度。

3.4.2 過程離散

裝卸過程中，隨著裝卸液貨量的增大，液貨艙內液貨高度也會相應增減，從而影響裝卸管網的阻力情況，導致液貨泵工作點的變化。過程離散通過手動設定時間步長，將連續裝卸過程離散成各個時間斷點的穩定裝卸狀態；每個時間點結合液貨艙艙容狀態進行管網計算，累加時間步長，得到各艙裝卸時間；并將各時間點的管網情況與液貨艙情況對應。

3.5 分析報告模塊

分析報告模塊能夠將設計的模型信息數據結合仿真計算結果數據，以液貨艙內液貨高度變化圖曲線和液貨泵工作點變化圖曲線和相應的信息表等方式，給出設計計算分析報告，以PDF格式輸出。

4 結語

LNG船液貨裝卸系統分析軟件針對LNG船設計過程液貨裝卸復雜管網阻力計算的要求，對設計組態后的復雜管網自動進行阻力計算，并核算多艙LNG輸送所需的時間。通過實際裝卸系統建模仿真驗證，軟件能夠很好滿足設計的需求，具有顯著的實際應用價值。由于目前國內還沒有專門用于LNG船管路阻力計算及液貨裝卸仿真的軟件，故該軟件的完成彌補了國內液貨裝卸系統設計以及裝卸仿真分析方面的空白，對我國自主設計LNG船液貨裝卸系統具有參考價值。同時，該軟件也可應用于其他液貨船裝卸系統的裝卸仿真分析，具有一定的通用性。

［1］李品友，崔益嵩.LNG船液貨裝卸系統的研究［J］.上海海運學院學報.2001，4（22）:53-56.

［2］黎冰，張烈輝.基于有限單元法的管網穩態分析［J］.油氣田地面工程.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

工業和信息化部高技術船舶科研項目（編號2007K24161）。

嚴利民（1968-），男，漢族，高級工程師，研究方向：船舶輪機設計研究工作。

黃津津（1983-），男，漢族，工程師，研究方向：船舶輪機設計研究工作。

孟成（1984-），男，漢族，碩士研究生，研究方向：動力機械及工程。

施凱（1986-），男，漢族，博士研究生，研究方向：動力機械及工程。

忻建華（1957-），男，漢族，副教授，研究方向：能源系統信息處理及自動控制。