CN113339695B - 基于高效通信的lng储罐自动化预冷系统及预冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统及预冷方法，利用CFD数值模拟模块进行预冷过程模拟仿真，为预冷过程提供初始流量参数；储罐上采用模块化方式安装监测点位，利用5G技术实现预冷系统中各个传感器与一体化操作平台的信号传输；本发明基于一体化操作平台进行温降速率、热应力、相邻两点温差、内罐压力等参数限值的设定，将监测结果与限值对比分析，进而对电动调节阀模块、变频泵模块进行自动调节，实现对预冷介质输送流量的调节，保证预冷过程稳定、安全地进行。利用本发明能够实现预冷过程的自动化、一体化、集成化控制，无需在监测点长期安排监测人员，避免安全隐患，节省人力物力，预冷控制更加精确，预冷效率高。

Description

基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统及预冷方法

技术领域

本发明属于LNG储罐预冷技术领域，尤其涉及一种基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统及预冷方法。

背景技术

LNG储罐指的是专门用来存储液化天然气的储罐，液化天然气简称LNG。对于LNG储罐，当低温液体突然流入常温管道时，管道会迅速收缩，管道底部与低温的LNG直接接触，而顶部温度较高，会导致管道产生“香蕉效应”，因此需要对LNG储罐进行预冷。

目前的预冷工艺中，预冷初始参数通常采用经验数据，对于不同类型储罐的适应性较差，针对不同储罐类型无法确定合理的参数，导致初始阶段预冷操作存在盲目性；而且传统的预冷工艺多采用布线式监测方法，在储罐便于观测的位置安装温度及应力传感器，传感器安装位置受限，对于可能存在的应力集中处难以布线，监测困难，对于大型储罐布线尤为困难，且布线过程存在安全风险；另外，复杂空间处的仪表参数读取也较为困难，导致难以实时掌握预冷参数。

传统的预冷方法中，由工作人员根据温度变化情况手动计算温度变化率、相邻两点温差数据，并据此手动调节阀门，导致调节过程存在延迟、精度差、时效性低等问题。 LNG储罐预冷过程持续时间较长，因此采用传统的预冷方法时，需要安排专人对监测点的数据进行定期巡查，这会浪费大量的人力物力，且难以做到实时掌握预冷过程的温度变化和应力变化情况；同时，预冷过程中还存在冷剂泄露的风险，不能做到对人员安全的完全保障。因此，针对上述问题，亟需在传统预冷方式基础上进行创新。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统及预冷方法，通过CFD数值模拟获取初始流量参数，采用5G传输技术实现对储罐温度、应力的远程实时监测，并据此远程控制电动调节阀、变频泵来实现对预冷介质流量的调节，预冷过程更加智能高效，有效节省人力物力，保障人员安全。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，包括LNG储罐、温度采集模块、应力采集模块、电动调节阀模块、变频泵模块、一体化操作平台、CFD数值模拟模块以及输送管道；温度采集模块、应力采集模块交错布置在LNG储罐内罐上；温度采集模块、应力采集模块、电动调节阀模块、变频泵模块均通过5G信号传输部件与一体化操作平台连接，一体化操作平台与 CFD数值模拟模块连接；电动调节阀模块包括第一电动调节阀和第二电动调节阀，变频泵模块包括变频泵；

输送管道一端与盛放有预冷介质的槽罐连接，另一端与LNG储罐连接；靠近LNG储罐的输送管道横管上依次安装有软接头、第一电磁阀、止回阀、变频泵、第一电动调节阀、压力表、第一压力传感器、温度计、第二温度传感器、流量计、流量传感器、泄压阀、第一安全阀；输送管道的立管顶部安装有自动排气阀；

LNG储罐外罐两侧的外罐排气管上分别安装有第二电磁阀和第三电磁阀，LNG储罐的内罐排气管上依次安装有第二压力传感器、第二电动调节阀、第二安全阀、气体成分分析仪；

第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一压力传感器、第二温度传感器、流量传感器、第二压力传感器、气体成分分析仪均通过5G信号传输部件与一体化操作平台连接；一体化操作平台包括PLC、显示模块、参数设置模块、调节模式选择模块。

进一步地，所述温度采集模块包括布置在内罐底板以及罐壁上的多个第一温度传感器，应力采集模块包括布置在内罐底板以及罐壁上的多个应力传感器；

内罐底板上沿圆周及径向平均布置多个第一温度传感器和应力传感器，内罐罐壁沿纵向平均布置多个第一温度传感器和应力传感器。

进一步地，所述温度采集模块和应力采集模块的布置数量如下：

容量小于等于70000m³的内罐，其底板上至少布置8个应力传感器和8个第一温度传感器；容量在70000m³～220000m³范围内的内罐，其底板上至少布置10个应力传感器和10个第一温度传感器；容量大于等于220000m³的内罐，其底板上按照2m的间距均匀布置多个应力传感器和第一温度传感器。

容量小于等于70000m³的内罐，其罐壁上的应力传感器（22）和第一温度传感器的布置数量均为6～7个；容量在70000m³～220000m³范围内的内罐，其罐壁上的应力传感器（22）和第一温度传感器的布置数量均至少为8个；容量大于等于220000m³的内罐，其罐壁上按照2m的间距均匀布置多个应力传感器和第一温度传感器。

进一步地，所述显示模块显示的数据包括温度采集模块监测点位实时温度数据、温降速率、温降速率最大值、应力采集模块监测点位实时应力数据、应力数据最大值、输送管道压力数据、预冷介质流量数据、内罐压力数据、变频泵模块运行频率数据、内罐排放气体成分数据、第一电动调节阀阀门开度数据、累计预冷时间。

进一步地，所述参数设置模块设置的控制限值包括：温降速率给定值、热应力给定值、相邻两点温差给定值、内罐压力给定值；一体化操作平台上还设置有第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀调节按钮。

进一步地，所述调节模式选择模块包括手动模式和自动模式两种调节模式；自动模式下包括三种调节方式：阀门优先模式、水泵优先模式、耦合调节模式。

利用上述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统的预冷方法，包括两个阶段，具体步骤如下：

第一阶段：LNG储罐预冷；

S1：预冷开始前，基于实物，在PC端采用CFD软件建立预冷系统1:1仿真模型，进行预冷介质在不同流量下LNG储罐温降速率及热应力模拟，基于模拟结果选择流量，在满足温降速率及热应力的同时，增大流量以缩短预冷时间，提高预冷效率；将最终获得的流量推荐值传输至一体化操作平台，作为预冷过程的初始流量值；

S2：在一体化操作平台选择调节模式、设置控制限值，设定变频泵初始频率，基于S1中的初始流量值，结合PLC运算自动计算并调节电动调节阀模块的阀门开度；

S3：打开止回阀，此时泄压阀、第一安全阀、第二安全阀、第二电磁阀、第三电磁阀处于关闭状态；

S4：预冷开始，在一体化操作平台上通过按钮控制第一电磁阀打开，根据S2的计算结果将第一电动调节阀自动调节至指定阀门开度，第二电动调节阀阀门保持全开状态；接着开启变频泵，变频泵按照S2中指定的初始频率运行，实现预冷介质的输送，预冷开始并进行计时；

S5：预冷介质从槽罐经低温管线送至LNG储罐灌顶中心位置的进液管线，进入LNG储罐中；初始阶段，预冷介质以CFD模拟的流量值进液，通过布置在内罐底板、内罐罐壁上的多个温度监测点位和应力监测点位实时监测预冷过程中LNG储罐的温度、应力数据，并通过5G信号传输部件传输至网关，基于网关传输至5G基站，进而传输至云服务器，由云服务器将数据传输至一体化操作平台、用户端APP；

一体化操作平台通过运算获得温降速率、热应力值、相邻两点温差、内罐压力参数值，并分别与预设的温降速率给定值、热应力给定值、相邻两点温差给定值、内罐压力给定值进行对比分析；当运算获得的任一参数值大于对应的给定值时，选择手动模式或自动模式来对电动调节阀模块、变频泵模块进行调节，进而实现对预冷介质流量的调节；自动模式下能够采用阀门优先模式、水泵优先模式、耦合调节模式三种方式灵活调节预冷介质流量；

当内罐上的各个温度监测点位检测到的温度均达到预期温度时，第一阶段预冷过程完成，一体化操作平台控制预冷系统停止输送预冷介质，进入第二阶段；

第二阶段：LNG储罐内气体置换；

将盛放有预冷介质的槽罐更换为盛放有LNG的槽罐，按照第一阶段的方法，通过一体化操作平台控制LNG从槽罐经低温管线送至LNG储罐灌顶中心位置的进液管线，进入LNG罐内，进行气体置换；

初始阶段，通过内罐排气管排放的气体为天然气和氮气的混合气体，气体成分分析仪实时检测排放气体成分，并将检测结果输送至一体化操作平台，用于判断置换是否完成；当内罐内LNG置换完成后，停止从槽罐输送LNG，同时关闭第二电动调节阀，开启内罐与外罐之间的阀门，使得内罐中的天然气停止向外排放而进入内罐与外罐之间的夹层中，通过一体化操作平台上的按钮打开第二电磁阀、第三电磁阀，天然气经由外罐排气管排出至火炬燃烧。

进一步地，所述S5中，采用阀门优先模式时，变频泵定频运行，变频泵特性曲线固定，一体化操作平台基于预期流量需求下电动调节阀模块相应阀门的阀权度

，确定阀门相对开度-相对流量特性曲线图，阀权度

计算公式如下：

其中，

表示阀门全开时阀门的压降，

表示阀门全开时预冷系统总压差；

接着对阀门相对开度-相对流量特性曲线进行数学建模，建立相对开度与相对流量之间的函数关系式，通过方差确定函数的合理性，并嵌入PLC；基于预期流量需求计算阀门相对流量，进而以相对流量为因变量确定阀门相对开度，基于PLC发出阀门开度调节信号至电动调节阀模块，对其中的第一电动调节阀、第二电动调节阀的阀门开度进行相应的调整，进而实现流量调整和内罐压力调节。

进一步地，所述S5中，采用水泵优先模式时，建立变频泵-管网特性曲线图，基于变频泵、管网的工作特性曲线，建立不同频率下变频泵流量与扬程的数学函数关系式，通过方差确定函数的合理性，并嵌入PLC；再基于预期流量需求和管网工作特性曲线确定唯一运行状态点，基于运行状态点确定变频泵对应的流量和扬程，将流量和扬程带入不同频率下变频泵泵体的数学函数关系，确定最为合适的变频泵频率，实现流量的调节。

进一步地，所述S5中，耦合调节模式是将第一电动调节阀阀门开度调节与变频泵频率调节相结合；耦合调节模式包括两种调节方式：

第一种是变频调节优先的耦合调节方式：首先进行变频泵频率调节，将变频泵频率调节到0～50Hz以内的某一数值，此时变频泵的流量-扬程特性曲线确定，然后基于变频泵的特性曲线，根据预期流量确定运行状态点，进而确定管网应达到的特性曲线目标值，通过调节第一电动调节阀阀门开度，令管网特性曲线达到目标值，实现预冷介质流量达到预定值；

第二种是阀门开度调节优先的耦合调节方式：首先将第一电动调节阀阀门开度调节至0～1.0以内，此时管网的特性曲线确定，然后基于预期流量确定运行状态点，进而确定变频泵应在的频率特性曲线以及变频泵频率，进而进行变频泵频率调节，令预冷介质流量达到预定值。

本发明具有如下有益效果：

（1）相较于现有的仅凭经验确定预冷初始参数的方式，本发明利用CFD数值模拟模块进行预冷过程模拟仿真，为预冷过程提供初始参数，解决了传统方式导致的初始阶段预冷操作存在盲目性的问题，能够有效提高预冷效果；本发明能够针对不同类型、不同形状和尺寸的储罐进行预冷过程模拟，因而本发明所述预冷方法的适用范围更广，具有更广泛的应用前景。

（2）本发明利用5G传输部件实现各传感器与一体化操作平台之间的高效信息传输，避免了因信号延迟带来的预冷调控不准确问题，保证预冷调节的可靠性和有效性，且不受空间距离限制，提高了一体化操作平台与储罐的安全距离。

（3）本发明中的温度采集模块、应力采集模块均采用模块化安装方式，无需布线，避免了因布线带来的安装难度大及安全性问题，便于组装和拆卸，重复利用率高；而且各个传感器监测点位布置位置更加灵活，不受距离条件限制，便于加大预冷系统与储罐的安全距离，保证施工安全性。

（4）本发明中的一体化操作平台集成了各个功能模块，实现信息传输、存储、反馈控制、参数设定及显示功能，实现了预冷过程的自动化、一体化、集成化操作，更加便捷，无需在监测点长期安排监测人员进行监测，保证预冷过程中的人员安全，且节省了大量人力物力，经济效益好。一体化操作平台配备有显示模块，保证操作人员能够实时观察到相关参数数据，实时了解预冷过程的相关情况，提高了预冷过程的可视化和透明化程度。一体化操作平台集成了自动模式和手动模式两种调节方式，可根据现场具体情况进行调节切换，提高了现场处理问题的灵活性。

（5）本发明基于一体化操作平台，可以实现预冷过程中温降速率、热应力、相邻两点温差、内罐压力等参数限值的设定，可根据不同场景进行个性化设置，提高了预冷系统的适用性、灵活性；本发明将预冷过程中的关键控制要素进行了综合考虑，提高了预冷过程的安全性及可靠性。

（6）本发明基于PLC进行运算及反馈控制，采用PLC代替手动计算，结合控制需求进行个性化编程，并基于设备及管道特性曲线建立数学关系模型，通过反馈控制建立预冷自动控制系统，实现自动化、智能化预冷工艺，保证预冷过程中储罐温降、应力及内罐压力满足规范标准及安全性要求；还能够有效提高预冷参数的控制精确性，提高预冷效率，缩短预冷时间，解决了传统预冷方式中仅通过人工调节导致的调节精度差、预冷调节存在延迟等问题。另外，现场巡检人员还可以通过用户端APP与云平台进行信息交互，实时查看预冷过程中的各项参数。

在“减煤增气”政策推动下，LNG储罐项目逐渐增多，传统预冷方式耗时费力，且预冷效率低，安全性不高，相较之下，本发明所提供的预冷系统及预冷方法具有广泛的市场应用前景。

附图说明

图1为本发明所述预冷系统示意图；

图2为本发明所述一体化操作平台界面示意图；

图3为本发明所述PLC硬件组成示意图；

图4为本发明所述预冷系统信号传递示意图；

图5为本发明所述预冷过程流程图；

图6为本发明所述相对开度-相对流量特性曲线图；

图7为本发明所述变频泵-管网特性曲线图。

图中：1-输送管道；2-软接头；3-第一电磁阀；4-第二电磁阀；5-第三电磁阀；6-止回阀；7-变频泵；8-第一电动调节阀；9-第二电动调节阀；10-压力表；11-第一压力传感器；12-第二压力传感器；13-温度计；14-第一温度传感器；15-第二温度传感器；16-流量计；17-流量传感器；18-泄压阀；19-第一安全阀；20-第二安全阀；21-自动排气阀；22-应力传感器；23-气体成分分析仪；24-外罐排气管；25-内罐排气管。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”等的使用仅是为了便于描述本发明，而不能理解为对本发明的限制；术语“安装”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接，可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通；对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统包括LNG储罐、温度采集模块、应力采集模块、电动调节阀模块、变频泵模块、一体化操作平台、CFD数值模拟模块以及输送管道1。

如图1所示，温度采集模块包括布置在LNG储罐上的多个第一温度传感器14，第一温度传感器14上安装有5G信号传输部件，第一温度传感器14通过5G信号传输部件与一体化操作平台信号连接，传递LNG储罐温度数据，作为一体化操作平台控制预冷过程的参考数据之一。

如图1所示，应力采集模块包括布置在LNG储罐上的多个应力传感器22，应力传感器22上安装有5G信号传输部件，应力传感器22通过5G信号传输部件与一体化操作平台信号连接，传递LNG储罐应力数据，作为一体化操作平台控制预冷过程的参考数据之一。

电动调节阀模块包括安装在输送管道1上的第一电动调节阀8、安装在内罐排气管25上的第二电动调节阀9；第一电动调节阀8、第二电动调节阀9上均安装有5G信号传输部件，用于将阀门开度等参数数据传输至一体化操作平台，同时接收一体化操作平台传递过来的调节信号，实现阀门开度的调节；一体化操作平台对第一电动调节阀8、第二电动调节阀9的阀门开度调节原理相同。

变频泵模块包括安装在输送管道1上的变频泵7，变频泵7上安装有5G信号传输部件，变频泵7通过5G信号传输部件将变频泵7的频率等运行参数传输至一体化操作平台，同时接收一体化操作平台传递过来的调节信号，实现对变频泵7的变频控制。

CFD数值模拟模块在PC端实现其功能，采用CFD技术，建立LNG储罐1:1仿真模型，能够针对不同类型和尺寸的LNG储罐进行预冷过程模拟仿真；一体化操作平台预留模拟结果输入窗口，CFD数值模拟模块与一体化操作平台接驳，将模拟结果传输至一体化操作平台，作为预冷初始控制参数。

如图1所示，盛放有预冷介质的槽罐与LNG储罐之间通过输送管道1连接，实现预冷介质的输送，其中，槽罐与预冷系统的接口处采用法兰连接。靠近LNG储罐的输送管道1横管上依次安装有软接头2、第一电磁阀3、止回阀6、变频泵7、第一电动调节阀8、压力表10、第一压力传感器11、温度计13、第二温度传感器15、流量计16、流量传感器17、泄压阀18、第一安全阀19。

预冷介质出槽罐后温度会发生较大的变化，利用软接头2能够对因温度变化引起的管线热胀冷缩起到补偿作用，同时，软接头2还能够将变频泵7产生的振动与槽罐隔开。第一电磁阀3安装在预冷介质进入预冷系统的入口端，第一电磁阀3上安装有5G信号传输部件，用于与一体化操作平台信号连接，平时处于关闭状态，预冷过程中，一体化操作平台通过5G信号传输部件远程控制第一电磁阀3打开，保证预冷介质通过。止回阀6用于控制预冷介质的流向，防止回流现象产生。压力表10便于现场操作人员实时观察输送管道1内预冷介质压力信息，同时还能够避免输送管道1上的温度计量元件因流体压力扰动导致的测量准确率降低的问题。第一压力传感器11上安装有5G信号传输部件，用于将检测到的压力参数传输至一体化操作平台，便于集控人员及时了解输送管道1压力信息。温度计13便于现场操作人员实时观察预冷介质的温度信息。第二温度传感器15上安装有5G信号传输部件，用于将温度数据传输至一体化操作平台，便于集控人员及时了解预冷介质温度信息。流量计16便于现场巡检人员实时观察预冷介质流量信息。流量传感器17上安装有5G信号传输部件，用于将检测到的流量数据传输至一体化操作平台，便于集控人员及时了解预冷介质流量信息。泄压阀18用于预冷过程结束后泄压。第一安全阀19在输送管道1内预冷介质流体压力达到规定限值时启动，进行压力泄放操作，保证预冷过程的安全性。由于预冷介质蒸发后的气体密度小于空气，因而在输送管道1的立管顶部安装有自动排气阀21，用于预冷过程结束后蒸发气体的排放。

如图1所示，LNG储罐外罐两侧的外罐排气管24上分别安装有第二电磁阀4和第三电磁阀5，第二电磁阀4和第三电磁阀5上均安装有5G信号传输部件，当LNG储罐内罐气体置换完成并且将气体排放至外罐后，一体化操作平台通过5G信号传输部件发出控制信号，控制第二电磁阀4和第三电磁阀5打开，将外罐的气体排出。

如图1所示，LNG储罐的内罐排气管25上依次安装有第二压力传感器12、第二电动调节阀9、第二安全阀20、气体成分分析仪23。第二压力传感器12用于检测内罐的气体压力，第二压力传感器12上安装有5G信号传输部件，用于将检测到的压力参数数据传输至一体化操作平台，便于一体化操作平台基于罐内压力信息自动控制其他部件工作，同时便于集控人员及时了解内罐的压力情况。当内罐的压力超过限值时，一体化操作平台基通过5G信号传输部件向第二电动调节阀9发送控制信号，调节第二电动调节阀9阀门开度，增大排气力度，保证内罐内的压力维持在稳定范围内。第二安全阀20在内罐中的压力发生剧烈波动并达到限值时启动，进行压力泄放操作。气体成分分析仪23上安装有5G信号传输部件，用于分析内罐排放的气体的成分，并通过5G信号传输部件传输至一体化操作平台，分析结果作为评判LNG储罐内介质置换完成的指标。

如图1所示，LNG储罐内罐底板以及罐壁上均交错布置有若干应力传感器22和第一温度传感器14，其中，内罐底板上沿圆周及径向平均布置若干应力传感器22和第一温度传感器14，内罐罐壁沿纵向平均布置若干应力传感器22和第一温度传感器14。

传感器的布置数量与内罐的容量相关，具体的布置要求如下：

容量小于等于70000m³的内罐，其底板上至少布置8个应力传感器22和8个第一温度传感器14；容量在70000m³～220000m³范围内的内罐，其底板上至少布置10个应力传感器22和10个第一温度传感器14；容量大于等于220000m³的内罐，在其底板上按照2m的间距均匀布置若干应力传感器22和第一温度传感器14。

容量小于等于70000m³的内罐，其罐壁上的应力传感器22和第一温度传感器14的布置数量均为6～7个；容量在70000m³～220000m³范围内的内罐，其罐壁上的应力传感器22和第一温度传感器14的布置数量均至少为8个；容量大于等于220000m³的内罐，在其罐壁上按照2m的间距均匀布置若干应力传感器22和第一温度传感器14。

一体化操作平台包括可编程逻辑控制器（PLC）、显示模块、参数设置模块、调节模式选择模块；基于一体化操作平台可以实现个性化调节程序编写、调节模式选择、预冷参数设置、预冷过程参数监控等功能。

如图3所示，PLC用于实现对预冷过程的整体控制，包括信号传输模块、存储装置、内存、主板、中央处理器；信号传输模块包括信号输入模块和信号输出模块，中央处理器中包括控制器和运算器。用户基于控制需求对PLC进行个性化编程，并将程序存储在存储装置中；运行状态下，PLC通过信号传输模块接收各传感器采集的数据，并将数据临时存储在存储装置中，中央处理器通过控制器进行数据的调用并临时存储在内存中，通过运算器进行数据计算分析，并将运算结果及调节参数输出至存储器以及显示模块，通过信号传输模块传输至预冷系统的执行机构，实现对预冷系统中各部件的控制。

如图2所示，显示模块用于显示内罐上布置的N（N为正整数）个第一温度传感器14监测点位实时温度数据、温降速率

、温降速率最大值

、N个应力传感器22监测点位实时应力数据

、应力数据最大值

、输送管道1压力数据、预冷介质流量数据、内罐压力数据

、变频泵7运行频率数据、内罐排放气体成分数据、第一电动调节阀8阀门开度数据、累计预冷时间等数据；在上述相关参数数据超过规定限值时，显示模块上的警示灯会发出警告信号。

如图2所示，参数设置模块用于对温降速率、相邻两点温差、热应力、内罐压力进行控制限值设置，即给定值设置，包括温降速率给定值

、热应力给定值

、相邻两点温差给定值

、内罐压力给定值

，本实施例中，

优选设置为10kPa；同时还可通过电机按钮来控制预冷系统中第一电磁阀3（即图2中的电磁阀3-1）、第二电磁阀4（即图2中的电磁阀3-2）、第三电磁阀5（即图2中的电磁阀3-3）的开启和关闭。

如图2所示，调节模式选择模块用于实现手动模式和自动模式的灵活选择，手动模式下，能够实现手动增加或减小第一电动调节阀8阀门开度、变频泵7频率；自动模式下包括三种调节方式：阀门优先模式、水泵优先模式、耦合调节模式，能够满足用户在不同情景下的预冷控制需求。

利用上述预冷系统进行预冷的方法分为两个阶段，并包括如下步骤：

第一阶段：LNG储罐预冷，预冷过程如图5所示；

S1：预冷开始前，基于实物，在PC端采用CFD软件建立预冷系统1:1仿真模型，基于环境参数、预冷介质物性参数等进行模型边界参数设置；然后进行预冷介质在不同流量下LNG储罐温降速率及热应力模拟，基于模拟结果选择合理流量，在满足温降速率及热应力的同时，尽量增大流量，以缩短预冷时间，提高预冷效率；将最终获得的流量推荐值传输至一体化操作平台，作为预冷过程的初始流量值。

S2：在一体化操作平台进行初始化操作，包括选择调节模式、在参数设置模块设置控制限值，在一体化操作平台设定变频泵7初始频率，本实施例中优选设置为50Hz，同时基于初始流量值，结合PLC运算自动计算并调节电动调节阀模块的阀门开度。

S3：打开止回阀6，此时泄压阀18、第一安全阀19、第二安全阀20、第二电磁阀4、第三电磁阀5处于关闭状态；

S4：预冷开始，在一体化操作平台上通过按钮控制第一电磁阀3打开，根据S2的计算结果将第一电动调节阀8自动调节至指定阀门开度，第二电动调节阀9阀门保持全开状态；接着开启变频泵7，变频泵7按照S2中指定的初始频率运行，实现预冷介质的输送，预冷开始并进行计时；

S5：预冷介质（液氮）从槽罐经低温管线送至LNG储罐灌顶中心位置的进液管线，进入LNG储罐中，如图4所示，初始阶段，预冷介质以CFD模拟的流量值进液，通过布置在内罐底板、内罐罐壁上的多个温度监测点位和应力监测点位，实时监测预冷过程中LNG储罐的温度、应力数据，并通过5G信号传输部件传输至网关，基于网关传输至5G基站，进而传输至云服务器，由云服务器将数据分别传输至一体化操作平台、用户端APP；

一体化操作平台基于PLC进行数据信号的接收并存储在存储装置中，中央处理器中的控制器将存储装置中的数据调用至内存，通过中央处理器中的运算器进行输入参数处理，通过运算获得温降速率

、热应力值

、相邻两点温差

，并与预设的给定值进行对比分析；如果计算得到的相应参数最大值小于等于预设控制限值，则一体化操作平台通过手动或自动模式对电动调节阀模块、变频泵模块进行微调，保证检测参数最大值接近预设控制限值运行；否则需进行预冷介质流量调节，一体化操作平台通过手动或自动模式对电动调节阀模块、变频泵模块进行大调，保证检测参数小于等于给定值；

针对第二压力传感器12检测到的内罐压力参数

，

时，一体化操作平台不发出控制指令，

时，一体化操作平台发出阀门开度调节信号，对第二电动调节阀9阀门开度进行调整，从而增大排气力度，保证内罐压力始终小于等于10kPa。

随着预冷的进行，LNG储罐温度逐渐下降，当出现进入LNG储罐的液态预冷介质来不及气化而与罐底、罐壁直接接触的现象，导致罐底温度骤降时，此时的温降速率会超过预设控制限值，就需要按照上述方式对预冷介质流量进行调整；当布置在内罐上的温度监测点位检测到的温度在-120～-100℃范围内时，一体化操作平台控制变频泵7、第一电磁阀3关闭，停止输送冷却介质，防止损坏LNG储罐。

上述过程中，一体化操作平台通过自动模式对电动调节阀模块、变频泵模块进行调节时，有三种调节方式，具体如下：

阀门优先模式（模式1）：该模式下，变频泵7定频运行，变频泵7特性曲线固定，一体化操作平台基于预期流量需求下电动调节阀模块相应阀门的阀权度，确定如图6所示的阀门相对开度-相对流量特性曲线图；图中横坐标表示阀门相对开度，以字母

来表示，其中，横坐标上的数值0表示阀门关闭，横坐标上的数值1.0表示阀门全开；图中纵坐标表示阀门相对流量，以字母

来表示；

其中，纵坐标上的0表示阀门流量为0，纵坐标上的1.0表示阀门额定流量；

表示阀权度，计算公式如下：

其中，

表示阀门全开时阀门的压降，

表示阀门全开时预冷系统总压差；

接着对阀门相对开度-相对流量特性曲线进行数学建模，建立相对开度与相对流量之间的函数关系式，通过方差确定函数的合理性，并嵌入PLC；基于预期流量需求计算阀门相对流量，进而以相对流量为因变量确定阀门相对开度，基于PLC发出阀门开度调节信号至电动调节阀模块，对其中的第一电动调节阀8、第二电动调节阀9的阀门开度进行相应的调整，进而实现流量调整和内罐压力调节。

水泵优先模式（模式2）：该模式下管网特性曲线固定，建立如图7所示的变频泵-管网特性曲线图，图中横坐标表示流量，以字母

来表示，纵坐标表示杨程，以字母

来表示；图中曲线①、④均为变频泵7工作特性曲线，当变频泵7的频率上升时，其特性曲线由④变为①；图中曲线②、③均为管网工作特性曲线，当电动调节阀模块阀门开度减小时，管网工作特性曲线由②变为③；图中字母A、B、C三点为变频泵7工作特性曲线与管网工作特性曲线的交点，即为预冷系统的运行状态点；

基于变频泵7、管网的工作特性曲线，建立不同频率下变频泵7流量与扬程的数学函数关系式，通过方差确定函数的合理性，并嵌入PLC；再基于预期流量需求和管网工作特性曲线确定唯一运行状态点，基于运行状态点确定变频泵7对应的流量和扬程，将流量和扬程带入不同频率下变频泵7泵体的数学函数关系，确定最为合适的变频泵7频率，实现流量的调节。

耦合调节模式（模式3）：该模式是将第一电动调节阀8阀门开度调节与变频泵7频率调节相结合，该模式下包括两种调节方式。

第一种是变频调节优先的耦合调节方式：首先进行变频泵7频率调节，将变频泵7频率调节到0～50Hz以内的某一数值，此时变频泵7的流量-扬程特性曲线确定，然后基于变频泵7的特性曲线，根据预期流量确定运行状态点，进而确定管网应达到的特性曲线目标值，通过调节第一电动调节阀8阀门开度，令管网特性曲线达到目标值，实现预冷介质流量达到预定值；

第二种是阀门开度调节优先的耦合调节方式：首先将第一电动调节阀8阀门开度调节至0～1.0以内，此时管网的特性曲线确定，然后基于预期流量确定运行状态点，进而确定变频泵7应在的频率特性曲线以及变频泵7频率，进而进行变频泵7频率调节，令预冷介质流量达到预定值。

经过一段时间的预冷过程后，当内罐上的各个温度监测点位检测到的温度均达到预期温度时，表示第一阶段预冷过程完成，一体化操作平台控制预冷系统停止输送预冷介质，准备进入第二阶段；本实施例中，预期温度优选设置为-180～-160℃。

第二阶段：LNG储罐内气体置换；

内罐预冷过程完成后，进行LNG置换并冷却至目标温度。将盛放有预冷介质的槽罐更换为盛放有LNG的槽罐，按照同样的方法，通过一体化操作平台控制LNG从槽罐经低温管线送至LNG储罐灌顶中心位置的进液管线，进入LNG罐内，进行气体置换；初始阶段，通过内罐排气管25排放的气体主要为天然气和氮气的混合气体，内罐排气管25上的气体成分分析仪23实时检测排放气体成分，并将检测结果输送至一体化操作平台，用于判断置换是否完成。当内罐内LNG置换完成后，停止从槽罐输送LNG，同时关闭第二电动调节阀9，开启内罐与外罐之间的阀门，使得内罐中的天然气停止向外排放而进入内罐与外罐之间的夹层中，通过一体化操作平台上的按钮打开第二电磁阀4、第三电磁阀5，天然气经由外罐排气管24排出至火炬燃烧。

置换过程中，通过一体化操作平台控制内罐上各温度监测点位的温降速率在3K/h～5K/h范围内（不包含3K/h和5K/h），内罐罐底及罐壁上任意两个相邻测温点之间的温差不大于30K，内罐压力小于等于10kPa。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，其特征在于，包括LNG储罐、温度采集模块、应力采集模块、电动调节阀模块、变频泵模块、一体化操作平台、CFD数值模拟模块以及输送管道（1）；温度采集模块、应力采集模块交错布置在LNG储罐内罐上；温度采集模块、应力采集模块、电动调节阀模块、变频泵模块均通过5G信号传输部件与一体化操作平台连接，一体化操作平台与 CFD数值模拟模块连接；电动调节阀模块包括第一电动调节阀（8）和第二电动调节阀（9），变频泵模块包括变频泵（7）；

输送管道（1）一端与盛放有预冷介质的槽罐连接，另一端与LNG储罐连接；靠近LNG储罐的输送管道（1）横管上依次安装有软接头（2）、第一电磁阀（3）、止回阀（6）、变频泵（7）、第一电动调节阀（8）、压力表（10）、第一压力传感器（11）、温度计（13）、第二温度传感器（15）、流量计（16）、流量传感器（17）、泄压阀（18）、第一安全阀（19）；输送管道（1）的立管顶部安装有自动排气阀（21）；

LNG储罐外罐两侧的外罐排气管（24）上分别安装有第二电磁阀（4）和第三电磁阀（5），LNG储罐的内罐排气管（25）上依次安装有第二压力传感器（12）、第二电动调节阀（9）、第二安全阀（20）、气体成分分析仪（23）；

第一电磁阀（3）、第二电磁阀（4）、第三电磁阀（5）、第一压力传感器（11）、第二温度传感器（15）、流量传感器（17）、第二压力传感器（12）、气体成分分析仪（23）均通过5G信号传输部件与一体化操作平台连接；一体化操作平台包括PLC、显示模块、参数设置模块、调节模式选择模块。

2.根据权利要求1所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，其特征在于，所述温度采集模块包括布置在内罐底板以及罐壁上的多个第一温度传感器（14），应力采集模块包括布置在内罐底板以及罐壁上的多个应力传感器（22）；

内罐底板上沿圆周及径向平均布置多个第一温度传感器（14）和应力传感器（22），内罐罐壁沿纵向平均布置多个第一温度传感器（14）和应力传感器（22）。

3.根据权利要求2所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，其特征在于，所述温度采集模块和应力采集模块的布置数量如下：

容量小于等于70000m³的内罐，其底板上至少布置8个应力传感器（22）和8个第一温度传感器（14）；容量在70000m³～220000m³范围内的内罐，其底板上至少布置10个应力传感器（22）和10个第一温度传感器（14）；容量大于等于220000m³的内罐，其底板上按照2m的间距均匀布置多个应力传感器（22）和第一温度传感器（14）；

容量小于等于70000m³的内罐，其罐壁上的应力传感器（22）和第一温度传感器（14）的布置数量均为6～7个；容量在70000m³～220000m³范围内的内罐，其罐壁上的应力传感器（22）和第一温度传感器（14）的布置数量均至少为8个；容量大于等于220000m³的内罐，其罐壁上按照2m的间距均匀布置多个应力传感器（22）和第一温度传感器（14）。

4.根据权利要求1所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，其特征在于，所述显示模块显示的数据包括温度采集模块监测点位实时温度数据、温降速率、温降速率最大值、应力采集模块监测点位实时应力数据、应力数据最大值、输送管道（1）压力数据、预冷介质流量数据、内罐压力数据、变频泵模块运行频率数据、内罐排放气体成分数据、第一电动调节阀（8）阀门开度数据、累计预冷时间。

5.根据权利要求1所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，其特征在于，所述参数设置模块设置的控制限值包括：温降速率给定值、热应力给定值、相邻两点温差给定值、内罐压力给定值；一体化操作平台上还设置有第一电磁阀（3）、第二电磁阀（4）、第三电磁阀（5）调节按钮。

6.根据权利要求1所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统，其特征在于，所述调节模式选择模块包括手动模式和自动模式两种调节模式；自动模式下包括三种调节方式：阀门优先模式、水泵优先模式、耦合调节模式。

7.利用权利要求1至6中任一项所述的基于高效通信的LNG储罐自动化预冷系统的预冷方法，其特征在于，包括两个阶段，具体步骤如下：

第一阶段：LNG储罐预冷；

S1：预冷开始前，基于实物，在PC端采用CFD软件建立预冷系统1:1仿真模型，进行预冷介质在不同流量下LNG储罐温降速率及热应力模拟，基于模拟结果选择流量，在满足温降速率及热应力的同时，增大流量以缩短预冷时间，提高预冷效率；将最终获得的流量推荐值传输至一体化操作平台，作为预冷过程的初始流量值；

S2：在一体化操作平台选择调节模式、设置控制限值，设定变频泵（7）初始频率，基于S1中的初始流量值，结合PLC运算自动计算并调节电动调节阀模块的阀门开度；

S3：打开止回阀（6），此时泄压阀（18）、第一安全阀（19）、第二安全阀（20）、第二电磁阀（4）、第三电磁阀（5）处于关闭状态；

S4：预冷开始，在一体化操作平台上通过按钮控制第一电磁阀（3）打开，根据S2的计算结果将第一电动调节阀（8）自动调节至指定阀门开度，第二电动调节阀（9）阀门保持全开状态；接着开启变频泵（7），变频泵（7）按照S2中指定的初始频率运行，实现预冷介质的输送，预冷开始并进行计时；

S5：预冷介质从槽罐经低温管线送至LNG储罐灌顶中心位置的进液管线，进入LNG储罐中；初始阶段，预冷介质以CFD模拟的流量值进液，通过布置在内罐底板、内罐罐壁上的多个温度监测点位和应力监测点位实时监测预冷过程中LNG储罐的温度、应力数据，并通过5G信号传输部件传输至网关，基于网关传输至5G基站，进而传输至云服务器，由云服务器将数据传输至一体化操作平台、用户端APP；

一体化操作平台通过运算获得温降速率、热应力值、相邻两点温差、内罐压力参数值，并分别与预设的温降速率给定值、热应力给定值、相邻两点温差给定值、内罐压力给定值进行对比分析；当运算获得的任一参数值大于对应的给定值时，选择手动模式或自动模式来对电动调节阀模块、变频泵模块进行调节，进而实现对预冷介质流量的调节；自动模式下能够采用阀门优先模式、水泵优先模式、耦合调节模式三种方式灵活调节预冷介质流量；

当内罐上的各个温度监测点位检测到的温度均达到预期温度时，第一阶段预冷过程完成，一体化操作平台控制预冷系统停止输送预冷介质，进入第二阶段；

第二阶段：LNG储罐内气体置换；

将盛放有预冷介质的槽罐更换为盛放有LNG的槽罐，按照第一阶段的方法，通过一体化操作平台控制LNG从槽罐经低温管线送至LNG储罐灌顶中心位置的进液管线，进入LNG储罐内，进行气体置换；

初始阶段，通过内罐排气管（25）排放的气体为天然气和氮气的混合气体，气体成分分析仪（23）实时检测排放气体成分，并将检测结果输送至一体化操作平台，用于判断置换是否完成；当内罐内LNG置换完成后，停止从槽罐输送LNG，同时关闭第二电动调节阀（9），开启内罐与外罐之间的阀门，使得内罐中的天然气停止向外排放而进入内罐与外罐之间的夹层中，通过一体化操作平台上的按钮打开第二电磁阀（4）、第三电磁阀（5），天然气经由外罐排气管（24）排出至火炬燃烧。

8.根据权利要求7所述的预冷方法，其特征在于，所述S5中，采用阀门优先模式时，变频泵（7）定频运行，变频泵（7）特性曲线固定，一体化操作平台基于预期流量需求下电动调节阀模块相应阀门的阀权度

，确定阀门相对开度-相对流量特性曲线图，阀权度计算公式如下：

其中，

表示阀门全开时阀门的压降，

表示阀门全开时预冷系统总压差；

接着对阀门相对开度-相对流量特性曲线进行数学建模，建立相对开度与相对流量之间的函数关系式，通过方差确定函数的合理性，并嵌入PLC；基于预期流量需求计算阀门相对流量，进而以相对流量为因变量确定阀门相对开度，基于PLC发出阀门开度调节信号至电动调节阀模块，对其中的第一电动调节阀（8）、第二电动调节阀（9）的阀门开度进行相应的调整，进而实现流量调整和内罐压力调节。

9.根据权利要求7所述的预冷方法，其特征在于，所述S5中，采用水泵优先模式时，建立变频泵-管网特性曲线图，基于变频泵（7）、管网的工作特性曲线，建立不同频率下变频泵（7）流量与扬程的数学函数关系式，通过方差确定函数的合理性，并嵌入PLC；再基于预期流量需求和管网工作特性曲线确定唯一运行状态点，基于运行状态点确定变频泵（7）对应的流量和扬程，将流量和扬程带入不同频率下变频泵（7）泵体的数学函数关系，确定最为合适的变频泵（7）频率，实现流量的调节。

10.根据权利要求7所述的预冷方法，其特征在于，所述S5中，耦合调节模式是将第一电动调节阀（8）阀门开度调节与变频泵（7）频率调节相结合；耦合调节模式包括两种调节方式：

第一种是变频调节优先的耦合调节方式：首先进行变频泵（7）频率调节，将变频泵（7）频率调节到0～50Hz以内的某一数值，此时变频泵（7）的流量-扬程特性曲线确定，然后基于变频泵（7）的特性曲线，根据预期流量确定运行状态点，进而确定管网应达到的特性曲线目标值，通过调节第一电动调节阀（8）阀门开度，令管网特性曲线达到目标值，实现预冷介质流量达到预定值；

第二种是阀门开度调节优先的耦合调节方式：首先将第一电动调节阀（8）阀门开度调节至0～1.0以内，此时管网的特性曲线确定，然后基于预期流量确定运行状态点，进而确定变频泵（7）应在的频率特性曲线以及变频泵（7）频率，进而进行变频泵（7）频率调节，令预冷介质流量达到预定值。

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