周樹輝 宋 坤 陳海平 范嘉堃

中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京 100028

0 前言

LNG槽車具有靈活方便、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),是目前中國(guó)LNG工廠和LNG接收站最主要的陸地液態(tài)銷售、運(yùn)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(dòng)錄入、各流程間相互隔離等問(wèn)題。一般情況下,每個(gè)槽車操作員負(fù)責(zé)兩個(gè)裝車橇、兩臺(tái)槽車的充裝,實(shí)行兩班倒的工作模式,每班工作時(shí)間為12 h,槽車充裝高峰時(shí)期,操作員需連續(xù)10 h以上進(jìn)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(jìn)行信息確認(rèn)、充裝前檢查、裝卸臂對(duì)接、氮?dú)獯祾?、測(cè)漏、泄壓、預(yù)冷、灌裝、吹掃、拆臂等程序。裝卸臂上6個(gè)閥門共需人工轉(zhuǎn)動(dòng)10余次,前后順序容易出錯(cuò)[3]?，F(xiàn)有裝卸臂通常由316 L材料制成,重量超過(guò)500 kg,需操作員和槽車司機(jī)同時(shí)用力推動(dòng)才能與槽車對(duì)接,整個(gè)操作過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力;每輛槽車充裝時(shí)間約60～65 min,頻繁操作時(shí)段為前10 min和后10 min,其他時(shí)間操作員處于守候狀態(tài),造成了勞動(dòng)力的浪費(fèi)。

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(dòng)強(qiáng)度,提高槽車充裝系統(tǒng)自動(dòng)化程度,增強(qiáng)充裝過(guò)程的調(diào)度、管控、統(tǒng)計(jì)等綜合控制能力[4],確保槽車充裝全過(guò)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(jié)構(gòu)以及裝卸臂與槽車的新型對(duì)接裝置,使操作員能夠單獨(dú)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(dòng)操作閥門均改為自動(dòng)閥門,采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(如可編程邏輯控制器,PLC)對(duì)充裝過(guò)程各步驟進(jìn)行邏輯控制;該系統(tǒng)能對(duì)槽車的壓力、液位等信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控,與各安全監(jiān)測(cè)設(shè)備(如可燃?xì)怏w探測(cè)器)進(jìn)行安全聯(lián)動(dòng)等,使整個(gè)充裝過(guò)程自動(dòng)化、智能化。

智能化管理控制系統(tǒng)整合數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù))、預(yù)約系統(tǒng)、查車系統(tǒng)、操作員狀態(tài)識(shí)別等模塊系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)從槽車進(jìn)場(chǎng)、LNG充裝到槽車離場(chǎng)的全過(guò)程管理,降本增效,確保槽車充裝全過(guò)程的安全運(yùn)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(tái)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(zhì),決定了槽車充裝的流程和速度[5]。裝卸臂由立柱、內(nèi)臂、外臂、彈簧缸平衡系統(tǒng)、垂管、吹掃管線和氮?dú)夤芫€組成,見圖1。

圖1 槽車裝卸臂結(jié)構(gòu)圖

2.1 裝卸臂上閥門升級(jí)改造

液相臂上有液相低溫球閥、氮?dú)獯祾唛y和氮?dú)庑狗砰y3個(gè)閥門,氣相臂上有氣相低溫球閥、氮?dú)獯祾唛y和氮?dú)庑狗砰y(有的臂無(wú)該閥門)3個(gè)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?dú)獯祾唛y打開,提示司機(jī)將槽車上相對(duì)應(yīng)的排空閥反復(fù)打開、關(guān)閉,進(jìn)行憋壓吹掃,確保將裝卸臂前端的空氣置換成氮?dú)鈁6],然后關(guān)閉兩相臂氮?dú)獯祾唛y。

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(yù)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(yù)冷程序結(jié)束進(jìn)入自動(dòng)充裝程序,兩相臂低溫球閥保持開啟狀態(tài)。充裝結(jié)束后,將液相臂低溫球閥關(guān)閉。

5)吹掃。打開液相臂氮?dú)獯祾唛y,等待10 s,打開液相臂氮?dú)庑狗砰y保持5 s后關(guān)閉。重復(fù)打開關(guān)閉液相臂氮?dú)庑狗砰y3次以上,直至吹掃干凈。關(guān)閉液相臂氮?dú)獯祾唛y,液相臂吹掃完成。關(guān)閉氣相臂低溫球閥,打開氣相臂氮?dú)獯祾唛y,等待10 s,打開氣相臂氮?dú)庑狗砰y,關(guān)閉氣相臂氮?dú)獯祾唛y和泄放閥,氣相臂吹掃完成。

在此期間,操作員需與槽車司機(jī)相互配合反復(fù)開關(guān)6個(gè)閥門,工作繁瑣。

將裝卸臂上閥門改造升級(jí)為自動(dòng)閥門。通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研完成閥門選型[7],氣動(dòng)閥門重量比電動(dòng)閥門重量輕,更便于操作,故本方案選擇氣動(dòng)閥門。由于自動(dòng)閥門的重量比原手動(dòng)閥門的大,需重新對(duì)臂體進(jìn)行配重計(jì)算和旋轉(zhuǎn)接頭的強(qiáng)度校核[8]。改造后通過(guò)PLC控制閥門開關(guān),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(shí),由槽車司機(jī)手動(dòng)拆卸法蘭盲板,將裝卸臂與槽車連接。由于法蘭由4個(gè)螺栓固定,裝車1次需要拆裝螺栓各2次,手工拆卸費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

改變槽車與裝卸臂的接口方式,引入先進(jìn)的快速接頭。經(jīng)調(diào)研,目前國(guó)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(nèi)部接口封閉后再進(jìn)行外層接口封閉,改造后無(wú)需測(cè)漏,可實(shí)現(xiàn)快速、安全對(duì)接。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)槽車充裝工藝要求不同,國(guó)外槽車充裝沒(méi)有配備氮?dú)獯祾吖芫€,無(wú)法實(shí)現(xiàn)氮?dú)獯祾摺８鶕?jù)國(guó)內(nèi)槽車運(yùn)輸要求,在充裝完畢后,必須對(duì)槽車管道內(nèi)殘留的LNG和NG進(jìn)行吹掃,防止LNG在管道內(nèi)氣化成NG,長(zhǎng)時(shí)間與管道接觸發(fā)生反應(yīng),降低安全性。故對(duì)快速切斷閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造,接入氮?dú)夤芫€并將軟管改為鋼管連接,保障連接省時(shí)省力、安全可靠。卡爪式接頭在安裝時(shí)需將卡爪旋轉(zhuǎn)90°與槽車接口對(duì)齊,反向旋轉(zhuǎn)90°卡住槽車上的法蘭,用專用扳手?jǐn)Q緊鎖緊螺母。由于卡爪旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)改造

由于國(guó)內(nèi)對(duì)LNG充裝有規(guī)定,需用金屬管道,所以裝卸臂重量過(guò)大不宜操作,需從場(chǎng)地空間、可操作性、實(shí)用性和安全性等方面解決此問(wèn)題?？紤]增加外部助力，如在裝卸臂上借助吊車上拉臂轉(zhuǎn)動(dòng),在裝卸臂下面加滾輪小推車推動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng),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(jié)構(gòu),將自動(dòng)閥門的位置移動(dòng)到內(nèi)臂上,減輕外臂的重量,使一人能夠單獨(dú)控制臂的操作[10],此種方法對(duì)外圍環(huán)境影響最小。

閥門移動(dòng)后需計(jì)算裝卸臂配重,主要對(duì)彈簧缸進(jìn)行平衡計(jì)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(zhuǎn)接頭的重力,以及拉斷閥和快速接頭的重力。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,確定閥門對(duì)裝卸臂產(chǎn)生的總力矩是否滿足要求。

新型槽車智能化裝車橇只對(duì)前端裝卸臂進(jìn)行改造,可在傳統(tǒng)裝車橇前端直接替換新型裝卸臂,對(duì)裝車橇內(nèi)無(wú)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(shì)引導(dǎo),車輛信息讀取需人工確認(rèn),司機(jī)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(jìn)行信息確認(rèn),現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。

根據(jù)槽車充裝流程設(shè)計(jì)一套客戶端軟件,從槽車進(jìn)入槽車區(qū)到裝車完畢結(jié)算,實(shí)現(xiàn)智能化管理[11],可通過(guò)PC端實(shí)現(xiàn)槽車充裝遠(yuǎn)程監(jiān)控及運(yùn)營(yíng)管理功能,包括各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shè)一臺(tái)控制箱,通過(guò)總線通訊或者硬接線方式采集現(xiàn)場(chǎng)各種類型數(shù)據(jù),且與手持移動(dòng)控制端進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊,見圖5。

圖5 LNG槽車智能化管理控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖

3.1 車牌識(shí)別系統(tǒng)

現(xiàn)槽車信息需人工確認(rèn),司機(jī)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(jìn)行信息確認(rèn)。將該系統(tǒng)升級(jí)為車牌識(shí)別系統(tǒng),升級(jí)后該系統(tǒng)能夠檢測(cè)到車輛并自動(dòng)提取信息進(jìn)行處理[12]。在槽車充裝工藝中,配套車牌識(shí)別系統(tǒng),通過(guò)攝像機(jī)拍攝車輛圖像,讀取到每輛槽車車牌號(hào)碼,確認(rèn)車輛的業(yè)務(wù)編號(hào)、預(yù)裝量等車輛信息,并由系統(tǒng)分配充裝鶴位,通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),將此信息及車位分配傳輸至移動(dòng)控制端[13],操作員工可提前做好準(zhǔn)備事項(xiàng),節(jié)省了操作員工刷卡及確認(rèn)車輛信息等工作時(shí)間。

3.2 槽車停車位置檢測(cè)

新增停車位置檢測(cè)系統(tǒng)利用激光確定槽車位置。在裝車橇側(cè)面合適位置安裝激光測(cè)距傳感器1和2,配合使用來(lái)測(cè)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(cè)距傳感器3,測(cè)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(shí)際最佳位置可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整。d2超過(guò)2 000 mm時(shí),默認(rèn)為無(wú)效結(jié)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(gè)(紅色,HL1和HL3),前后警示燈1個(gè)(綠色，HR2)。當(dāng)d1過(guò)大或者過(guò)小時(shí),偏左、偏右警示燈會(huì)常亮或者閃爍,司機(jī)根據(jù)警示燈信號(hào)調(diào)整槽車左右位置[15]。槽車緩慢前進(jìn)過(guò)程中,d2會(huì)逐漸減小,當(dāng)接近最佳位置時(shí),前后警示燈會(huì)閃爍提醒,當(dāng)達(dá)到最佳位置時(shí),前后警示燈會(huì)顯示綠色,見圖6。

圖6 槽車停車位置檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

該系統(tǒng)可有效檢測(cè)槽車停車情況,引導(dǎo)司機(jī)調(diào)整槽車停車位置,并不能強(qiáng)制決定槽車停車位置。

3.3 裝卸臂閥門控制升級(jí)

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

a)氣動(dòng)閥門電源接線圖

臂上自動(dòng)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(nèi),實(shí)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(dòng)閥狀態(tài)遠(yuǎn)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(nèi)管道。槽車充裝時(shí),需手動(dòng)關(guān)閉該閥門。如果裝車過(guò)程中忘記關(guān)掉,會(huì)影響裝車效果,造成資源浪費(fèi)及安全隱患。由于環(huán)境原因,此閥門不宜改為電動(dòng)或氣動(dòng)閥門。為方便操作員監(jiān)控此閥門開關(guān)狀態(tài),在閥體上裝設(shè)機(jī)械行程開關(guān),并將此開關(guān)信號(hào)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(dòng)控制端上查看此閥門開關(guān)狀態(tài)。

3.5 裝車橇控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳

裝車橇自帶PLC控制程序,對(duì)槽車充裝過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控,控制流程已比較成熟,故不對(duì)原邏輯控制程序做出改變。將原控制器與新系統(tǒng)對(duì)接,提取數(shù)據(jù)并遠(yuǎn)傳至手持移動(dòng)控制端,方便操作員工遠(yuǎn)程監(jiān)控原電動(dòng)設(shè)備及儀表數(shù)據(jù)。

3.6 手持移動(dòng)控制端遠(yuǎn)程控制

增加移動(dòng)控制端,進(jìn)行軟件開發(fā),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視控制多臺(tái)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(dòng)控制客戶端,見圖8。

圖8 移動(dòng)客戶端設(shè)置圖

系統(tǒng)通過(guò)車牌識(shí)別系統(tǒng)及軟件分析得到車輛信息,遠(yuǎn)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(shè)GPRS模塊[17](通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù),GPRS),通過(guò)協(xié)議將PLC與平板電腦進(jìn)行交互;每個(gè)平板電腦與多套裝車橇控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊,操作員可實(shí)時(shí)掌控各裝車橇的充裝過(guò)程,從而實(shí)現(xiàn)一人控制多個(gè)裝車橇的功能。

4 槽車儀表升級(jí)改造

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

對(duì)槽車本體監(jiān)控儀表進(jìn)行改造,尋找一種經(jīng)濟(jì)實(shí)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(guò)程中能夠被智能化系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控[19]?？沈?yàn)證智能化系統(tǒng)的可操作性,并避免由于儀表失靈造成的槽車過(guò)充起跳引發(fā)安全事故[20]。

經(jīng)調(diào)研,差壓式無(wú)線遠(yuǎn)傳復(fù)合變送器普遍適用于儲(chǔ)罐、罐箱、槽車、迷你罐等舊罐改造安裝,可測(cè)量LNG、液氧、液氮等介質(zhì),采用差壓式液位測(cè)量,可以實(shí)現(xiàn)液位(質(zhì)量)、壓力、溫度、加速度的監(jiān)測(cè),同時(shí)連接線上監(jiān)控平臺(tái),實(shí)現(xiàn)可視化管理。

5 應(yīng)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(píng)估資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行安全性驗(yàn)證,并與原有人工操作系統(tǒng)進(jìn)行安全性對(duì)比。搜集項(xiàng)目上槽車運(yùn)行和生產(chǎn)數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和錄入系統(tǒng),驗(yàn)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(tuán)有限責(zé)任公司內(nèi)部新建LNG項(xiàng)目上進(jìn)行示范應(yīng)用,經(jīng)過(guò)測(cè)試和改進(jìn)，待完善成熟后,可推廣至國(guó)內(nèi)其他LNG接收站,具有廣闊的市場(chǎng)前景。

6 結(jié)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(dòng)控制,僅需一人可以完成整個(gè)裝車流程,每個(gè)操作員可同時(shí)監(jiān)測(cè)5～6臺(tái)裝車橇,提高了LNG接收站槽車充裝設(shè)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(wù)各個(gè)環(huán)節(jié)信息,使工作從線下轉(zhuǎn)到線上,實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化作業(yè),降低工作人員繁瑣重復(fù)的勞動(dòng)強(qiáng)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(tái),快速響應(yīng)處理現(xiàn)場(chǎng)事宜。

3)將信息化生產(chǎn)、自動(dòng)化控制、智能化管理應(yīng)用到槽車充裝全過(guò)程中，有效增強(qiáng)統(tǒng)計(jì)、調(diào)度、管控等綜合控制能力,提高運(yùn)行效率和安全性，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)從傳統(tǒng)管理模式向智能化模式跨越。