水上LNG加氣站安全監控系統的設計

羅鵬舉, 呂植勇, 魯盈利

(1.武漢理工大學 自動化學院，武漢 430070; 2.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

水上LNG加氣站安全監控系統的設計

羅鵬舉1, 呂植勇2, 魯盈利2

(1.武漢理工大學 自動化學院，武漢 430070; 2.國家水運安全工程技術研究中心，武漢 430063)

水上液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)加氣站在線監控系統是保障內河航運安全、綠色的一個重要系統，而現有的安全監控系統存在設計過于簡單、監控內容不全面等問題，且水上LNG加氣站的相關技術及規章制度都不成熟、不完善。針對這些問題，設計一種采用光纖傳感器采集數據的在線安全監控系統，論述該系統的總體框架和軟硬件實現。該系統可實現對甲烷的濃度和溫度及周圍環境溫度的實時監測，能體現該系統的高性能、高效率、強實時性和可推廣性等特點。

水路運輸；液化天然氣；光纖傳感；安全監控；數據采集

近年來，隨著全球能源需求不斷增長，液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)[1]以其價廉、環保、運輸效率高和使用方便等優勢，成為全球發展最迅猛的能源之一，其發展已成為新能源界的熱點。但是,LNG在內河加氣站上的應用條件與在陸地上的應用條件存在較大差別，主要體現在:加氣站本身在營運過程中存在一定的風險[2-3];LNG的主要成分甲烷是一種可壓縮、易燃的氣體，可能引發燃燒、爆炸、凍傷及窒息等事故[4-5]。因此，有必要建立一套完善的技術標準和管理規范，保障內河LNG水上加氣站的營運安全。[6-7]

1 LNG水上加氣站在線監控系統框架

1.1系統組成框架

基于內河LNG水上加氣站風險識別和評估的結果[8]，結合LNG本身的理化性質和可能導致的事故類型[9-11]，綜合考慮作業方式等，選用匹配傳感器研制可對主要風險要素進行監控的硬件平臺;同時,采用無線通信方式實現生產管理相關部門對水上LNG加氣站的安全監控。

LNG水上加氣站安全在線監控系統主要包括數據采集部分、數據匯聚傳輸部分及信息監管與決策部分，其總體框架見圖1。

圖1 LNG水上加氣站在線監控系統總體框架

1) 數據采集部分為基于多傳感器的加氣站環境檢測系統，配有船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)的船舶入侵檢測系統，以及船舶和人員入侵視頻圖像檢測系統。

2) 數據匯聚傳輸部分由開發的軟件平臺對采集到的各種加氣站信息進行匯聚，并通過TCP/IP通信方式將信息傳送給船舶海事遠端監管系統。

3) 信息監管與決策部分為水上LNG加氣站監控軟件平臺系統。

整個系統采用兩級警告方式，對加氣站多傳感器采集到的環境信息進行檢測和判斷,實現船端本地安全警告。同時，這些信息可通過遠程通信的方式發送給海事監控軟件平臺，實現遠端監控與警告。

1.2系統軟件總體功能

在對系統信息獲取、信息傳輸與處理和信息存儲與警告決策等數據流過程進行分析的基礎上，依據模塊化的軟件設計思想，對監控系統軟件的功能進行細致規劃。系統軟件整體功能架構見圖2。

圖2 系統軟件整體功能架構

加氣站監控軟件功能模塊包括遠程監控平臺主控模塊、監控平臺數據交互模塊、數據接收模塊、數據解析與存儲模塊、數據統計檢索模塊和遠程警告決策模塊,其中:主控模塊主要負責其他各模塊的功能啟動及調度管理，在整個軟件實現中具有主導地位，代表程序的主線程;數據交互模塊提供各自的數據庫接口并實現其他各模塊之間的數據共享和傳遞;數據接收模塊接收各傳感器采集的數據、AIS平臺信息數據和船舶/人員入侵視頻監控報警數據,并將其整合到主控平臺上顯示;數據解析與存儲模塊主要用于處理接收到的各監測系統數據，并將其存儲到相應的數據庫中;數據統計與檢索模塊負責查詢與回放歷史數據;遠程警告決策模塊用于對數據進行決策處理。

該系統融合AIS終端、視頻監控系統和多傳感器監測系統,并在現有設備的基礎上加以擴展開發，通過傳感器、AIS通信設備和軟件監控平臺，既能實現現有設備的既定功能，又能對LNG加氣站可燃性氣體的濃度和溫度、船舶地理位置信息及危險區域入侵數據等指標進行實時監控，提高航運參與各方對LNG燃料動力船的風險感知能力，對其異常情況進行警告，并提供給管理機構,以實現有效監管。

1.3系統的工作流程

該系統能對LNG 加氣站的環境信息進行實時監測和警告。首先由多傳感信息采集子系統對動力船的關鍵位置進行環境信息采集，將采集到的溫度、可燃氣體濃度等數據通過船內數據通信總線發送給船載控制中心，由控制中心PC 機上的軟件平臺進行數據匯聚和檢測決策并產生船舶本地報警。同時，控制中心PC 機利用遠程通信功能將檢測信息發送給海事監控軟件平臺,實現遠程安全監控。系統基本工作流程見圖3。

圖3 系統基本工作流程

整個系統的子系統包括：溫度光纖監控系統、甲烷泄漏光纖監控系統、船舶入侵AIS監控系統、船舶入侵圖像監控系統和LNG區域入侵圖像監控系統。

該系統的基本原理與船舶入侵圖像監控系統相同，主要對作業區域進行入侵監控，對加氣工作時間禁止任何人員到關鍵區域(或對有無關人員進入LNG儲罐區域)進行提示。

2 在線傳感器選型及數據采集系統

2.1LNG水上加氣站環境監測傳感器選型

在對檢測儀器進行選型之前，需明確水上LNG加氣站的特殊工況對儀器的技術要求。經分析，可確定船上采用的傳感器應盡量滿足以下要求：

1) 功耗較小，抗干擾能力強，性能穩定。

2) 反應快，測量精度高。

3) 適合在露天、高溫、振動及嘈雜的環境下工作。

4) 使用經濟性好，便于安裝維護。

5) 具有工作狀態監控、故障自動報警及系統自查功能，同時必須具有良好的密封和保護措施。

根據這些要求對系統所要應用的甲烷濃度傳感器進行選型更為合理和可靠。因此，該系統采用的光纖甲烷傳感器主要基于TDLAS技術，利用甲烷氣體對特定波長光波的吸收特性來確定甲烷氣體的濃度，從而檢測環境中的甲烷濃度，通過下位機控制芯片解析成濃度值，通過RS485標準協議數據包上傳至上位機軟件平臺。

光纖溫度傳感器的傳感系統結構可分為感知層、監測層和應用層；光纖光柵是利用光纖材料自然的光敏特性沿纖芯軸向形成的一種折射率周期性分布的結構，每個光纖光柵都只擁有一個特定的波長，可將不同波長的光纖光柵以陣列的形式組網，實現多點、多參量同時監測。

2.2LNG水上加氣站AIS監控

AIS用于船對船模式的避碰，滿足船舶避碰通信過程中對船舶識別的需要。目前船舶避碰過程中使用的無線電通信設備主要是甚高頻(Very High Frequency,VHF)電臺，由于信息存在延時性和人工操作錯誤，難以及時達成避碰協議，會給安全航行帶來隱患；其作為一種船舶交通管理系統(Vessel Traffic Services,VTS)工具，能較好地解決VTS中存在的船舶識別難題。AIS能自動與目標船舶/岸臺建立通信，并保證通信的可靠性，幫助船舶有效導航，保證船舶安全航行，加強對覆蓋區域船舶的識別和監控,為船舶航行提供新的觀測手段。AIS利用無線電波可繞過島嶼的性能，克服相關不利因素，為船舶提供目標船的靜態信息和動態信息，將海上通信帶入到計算機數字通信的網絡時代。

2.3LNG水上加氣站視頻檢測終端選型

LNG水上加氣站的船舶入侵視頻檢測有以下監控需求：

1) 加氣船舶和穿行船舶在港區、航道及商船錨地等水域設置網具或其他障礙物，或進行任何方式的捕撈作業和錨泊。

2) 加氣船舶和穿行船舶在穿越航道、錨地時，不避讓在該水域正常航行、作業或錨泊的大型船舶,擅自進入港池或接靠碼頭、水上設施和船舶，夜間沒有按規定懸掛有關號燈。

3) 加氣船舶和穿行船舶在航道附近航行時沒注意防沙堤部分，發生觸碰事故。

4) 加氣船舶和穿行船舶系泊在浮標上，導致觸碰浮標的事故發生。

5) 由于水上LNG加氣站屬于水上危險源(特別是LNG儲罐區域)，因此需對該區域進行重點監控，需通過視頻監控對進入該區域的人員進行監視，并通過觸發報警和計數加以警示，做出相應處理。

6) 智能視覺分析器實現智能視覺分析和圖片抓拍功能，并保存圖片和記錄日志;監控中心對分控點進行全方位的管理。

根據需求，系統選用智能檢測儀，對水上LNG加氣站的前方水面區域進行監控，將來往船舶進入該視頻虛擬線圈后的報警、報警觸發信號通過RS485協議傳送給主機監控平臺供工作人員處理。船舶視頻監控系統簡易示意見圖4。

圖4 船舶視頻監控系統簡易示意

人員入侵視頻監控檢測設備選用的智能值守器是一款采用高性能DSP處理平臺的嵌入式設備，利用先進的視覺分析和模式識別算法，對視頻圖像進行分析和理解，實現周界防范檢測、物品盜移/滯留檢測及行為異常分析等多種智能分析功能，能對LNG儲罐區域進行全天候的視頻檢測，通過虛擬線圈和虛擬界限對進入該區域的人員進行報警和計數，并通過RS485串口將其發送到主機平臺上顯示和報警，提醒工作人員做出相應處理。

2.4監測傳感器及數據采集系統布設

LNG加注船上涉及到的傳感器及輸出設備包括LNG濃度(0～10%體積分數)探測、光纖溫度監控探頭(用于檢測溫度異常)、AIS船臺設備、GPS/VHF天線(用于定位和接收數據)和視頻攝像頭(監視江面和加氣站各危險區域)。這些傳感器是根據前期的LNG泄漏擴散模型仿真分析及傳感器的特點和周圍環境影響及罐區的覆蓋情況布局的。

1) 甲烷濃度探測儀和視頻檢測設備下位機通過RS485總線發送數據，通過RS485轉RS232轉接頭和RS232轉USB中繼站，最終連接到上位PC機。

2) AIS船臺數據通過RS422總線傳輸數據，通過RS422轉RS232轉接頭和RS232轉USB中繼站，最終連接到上位PC機。

3) AIS船臺布置在中控室，配套的GPS天線和VHF天線需布置在船體最高層并固定好，保證不被遮擋。

4) 光纖溫度傳感器通過光纜布置在船體各處，重點布置在罐體、管道閥門和潛液泵等處，密切監控船體的溫度；溫度傳感器通過光纖傳輸到光纖解調儀，通過網線將解析的溫度數據傳送給上位PC機。

5) 適應LNG船的具體工作環境，傳感器和數據采集設備電氣及線路的布設規劃嚴格按照需求進行。

3 水上LNG加氣站監控平臺軟件設計

LNG加氣站控軟件平臺應能動態顯示加氣站環境溫度、氣體濃度、AIS海圖信息和視頻監控數據的報警等信息，同時具有顯示各設備的工作狀態信號及故障報警信號、回放查詢歷史數據和打印報表等功能，得到面向對象的人性化人機交互界面。

根據對水上LNG加氣站在線監測系統的介紹，可確定水上LNG加氣站監控軟件平臺要實現的功能。監控軟件平臺的軟件模塊見圖5。

圖5 監控軟件平臺的軟件模塊

4 LNG泄漏擴散監測

該系統采用光纖技術對現場(1號、2號和3號區)的溫度和濃度進行監控，根據檢測的溫度大小和變化率分析是否發生火災，根據布控的點分析發生火災的位置，根據振動傳感器判別是否發生爆炸。根據濃度傳感器的數值大小判斷是否發生泄漏，并根據布控的點分析發生泄漏的大致方位，方便安排人員采取相應的應急措施。溫度和光纖傳感器分布點見圖6。

圖6 溫度和光纖傳感器分布點

由C#語言開發的監控界面的監控內容包括總體監控、AIS信息、視頻監控、報警信息、歷史數據及報表打印等，其中：甲烷濃度數據采集的是罐區4個區域的數據，在監控時4個區域的濃度傳感器全部打開；溫度數據來自于罐區3個區域(包括報警系統)，一旦發生泄漏，傳感器檢測到異常，報警系統會立即發出報警信號。當發生泄漏事故時，整個監控中心報警示意見圖7。

a) 監控原始畫面

b) 事故后的監控界面圖7 甲烷氣體監控原始與事故報警示意

由圖7可知，當發生泄漏事故時，濃度傳感器檢測到濃度值超過閾值，系統報警器會立即發出警告信號。當罐區周圍有人員進入視頻監控區域或躉船周圍有過往船舶進入視頻監控區域時，報警器會在第一時間發出警報，提醒監控中心可能會有危險，此時主監控中心的視頻監控界面見圖8。當過往船舶進入AIS紅色預警區域時，監控中心的視頻監控界面見圖9。

a) 人員監控報警界面

b) 船監控報警界面圖8 罐區周圍人員和躉船周圍船舶監控畫面

a)AIS海圖監控區域b)AIS報警監控界面

圖9 過往船舶進入AIS紅色預警區域報警畫面

由圖9可知，當周圍過往船舶進入AIS紅色預警區域時，主監控中心的監控界面就會報警，語音播報預警信息，從而使監控中心的人員作出相應回應。

5 結束語

在風險分析和應急處置的基礎上，搭建LNG水上加氣站在線監控系統和數據采集系統，分別對加氣站周邊水域的情況、躉船周圍的過往船舶和站內關鍵區域情況、溫度和甲烷濃度及罐區的人員情況等參數進行監控，最終整合到加氣站監控平臺軟件商，并對整個系統進行應用和改善。

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DesignofFloatingLNGFuelingStationSafetyMonitoringSystem

LUOPengju1，LYUZhiyong2，LUYingli2

(1.School of Automation,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China；2.National Engineering Research Center for Water Transport Safety，Wuhan 430063,China)

While the online monitoring system is very important for floating LNG(Liquefied Natural Gas) fueling stations in protecting the inland navigation safety and the environment,the existing safety monitoring system are still rather primitive.The fact that the operation technologies and the regulations for the LNG fueling stations are not sophisticated yet makes a high performance monitoring system in great request.In view of the existing situation,an online safety monitoring system is proposed based on fiber optic sensors.The general framework of the system and the implementation of the hardware and software are described.The system is able to achieve the real-time monitoring of CH4concentration and its temperature as well as the ambient temperature.The system features high performance,high efficiency,real-time and flexibility.

waterway transportation; LNG；fiber optic sensor；safety monitoring；data collect

U698

A

2017-01-11

交通運輸部建設科技項目(2013328811530)

羅鵬舉(1990—),男，湖北武漢人，碩士,研究方向為?；钒踩O控及運輸。E-mail：locgrady@163.com

1000-4653(2017)02-0093-05