摘要：低温LNG装卸过程中存在着诸多问题，如机动性差、转运效率低、装卸压力不稳定、易结霜、易泄漏、智能化程度低等。为此，将生产效率提升需求与生产要素实际现状相结合，以智能、高效、实用为目标，通过突破自动定位对中装卸臂、变频式自增压防结霜智能汽化、防泄漏、智能转运平台与云管控等关键技术，集成创新研究基于智慧管控的低温LNG移动装卸技术与装备。研发出低温LNG移动装卸全程信息智慧管控平台，实现了低温LNG装卸环节的配套装备技术升级，提升了低温LNG智能装卸装备的技术水平，为新兴清洁能源LNG市场的开拓打下了技术基础。

　　关键词：低温LNG装卸；自动定位；防泄漏；智慧管控

　　0引言

　　伴随我国LNG工厂的陆续投产和沿海地区液化天然气LNG接收的终端建设，国内的LNG工业已经进入快速发展的时期。国内大量LNG卫星站和LNG加气站建成投运，LNG液态销量不断增加，在LNG从接收站和液化厂到达LNG卫星站、加气站等中小型用户的环节中，LNG

　　槽车运输是应用最广泛的方式，是一种高效、清洁、方便、安全的能源储运技术,因此需要建设大量可以在槽车与储罐之间相互转运的LNG槽车装卸车设施。目前国内LNG槽车装卸车设施以固定式装卸平台为主，移动式为辅，解决了陆用低温装卸设备存在的设备系统分散、占用空间大、操作复杂、施工周期长等缺点，但受到装备制造业整体水平的制约，目前LNG装卸主要采用人机配合作业模式，存在机动性差、转运效率低、装卸压力不稳定、易结霜、易泄漏、智能化程度低等一系列问题，严重制约LNG储运产业的发展。

　　目前低温LNG装卸采用人机配合作业模式，针对-163℃超低温易燃易爆复杂作业环境，存在装卸效率低、安全性低、操作繁琐、容易出现操作失误等问题。在汽化方面，低温LNG汽化系统易出现结霜、压力下降等现象，导致气化效率降低，影响到装卸效率，而非变频增压技术存在装卸压力不稳定、精度控制差、设备运行能耗高、环境适应性差、噪声高等问题，需要提高汽化效率与稳定性。在防泄漏方面，低温LNG装卸装置的旋转接头在-163℃超低温工作环境下易收缩和磨损，不锈钢卡补偿装置在超低温液体里弹性将大打折扣，而使其补偿性达不到理想状态，造成旋转接头密封性能降低,另外装卸臂与运输车辆槽口自动锁紧不到位也会造成LNG泄漏，缺乏智能化监测与主动防控技术，均会直接影响到低温LNG装卸的安全性。在转运方面，目前常规固定式低温LNG装卸撬，存在不利于运输和移动、机动性差、转运效率差的问题，需要提高转运效率、机动性与安全性。在管控方面，低温LNG智能装卸撬作业决策不智慧、服务不精准，使得装卸撬工作效率低，造成移动装卸撬缺乏综合有效精准服务。

　　针对低温LNG装卸气化方面容易出现结霜和压力下降等问题，导致的气化效率、装卸效率低以及非变频增压技术也存在的一系列问题，迫切需要提升汽化效率与稳定性；防泄漏方面，温LNG装卸装置的旋转接头易受到超低温环境的影响而产生缩合和磨损，同时不锈钢补偿装置的弹性也会受到较大影响，影响了密封性能。装卸臂与运输车辆槽口未能完全锁紧可能导致LNG泄漏，同时缺乏智能化监测与主动防控技术也会危及低温LNG装卸的安全性。以及当前常规固定式低温LNG装卸设备存在运输和移动不便、机动性差、转运效率低等问题，亟需提升其机动性、转运效率和安全性；管控方面，低温LNG智能装卸决策水平有待提高，服务精准度也有待加强，以提高装卸工作的效率，同时也为移动装卸提供更为全面、有效的精准服务等问题，本文提出通过智能、高效、实用的方法，全面提升低温LNG装卸的机动性、转运效率、装卸压力稳定性、防结霜能力、防泄漏能力以及智能化程度的解决方法。通过突破自动定位对中装卸臂、变频式自增压防结霜智能汽化、防泄漏、智能转运平台与云管控等关键技术，集成创新研究基于智慧管控的低温LNG移动装卸技术与装备，研发低温LNG移动装卸全程信息智慧管控平台，解决了长期以来困扰低温LNG装卸环节的技术瓶颈问题。

　　1低温LNG自动定位

　　目前低温LNG装卸采用人机配合作业模式，针对-163℃超低温易燃易爆复杂作业环境，存在装卸效率低、安全性低、操作繁琐、容易出现操作失误等问题，采用三维可视化分层视觉与多激光扫描的多源感知技术，研究LNG装卸臂与运输车对接口环境特征自动构建和增量式自动更新、实时定位与导航、动态目标高精度检测与自主适应等技术，兼顾考虑系统实时性、精确性和可靠性要求，集成运动状态惯性测量单元模块，研究融合多源信息的路径自动规划方法，建立不同约束条件下路径优化策略，研发LNG装卸臂精准定位通用控制器，提高自动定位效率与精度，实现定位精度优于±0.5 mm,姿态校准精度优于±0.1°;根据精准定位系统，采用多自由度四杆并联支撑运动技术，分析装卸臂运动轨迹与运输车对接口位置、姿态的映射关系以及并联装卸臂与工作台协同运动规划方法，研究装卸臂的多自由度柔性运动机构、驱动和智能控制技术，建立智能装卸臂运动控制模型，研制低温LNG多自由智能装卸臂，实现装卸臂与运输车罐口的高效、安全、智能、精准对接。

　　装卸臂自动对位槽罐车接口法兰识别过程如图1所示。

　　2低温LNG自增压防结霜智能汽化

　　针对低温LNG汽化系统易结霜导致换热效率下降问题，采用空温式纳米流体换热技术，研究纳米流体中的纳米介质配比、纳米流体的流速与流量对霜层去除效果的影响规律，研制基于纳米流体强化传热除霜的双层套管式LNG空温式汽化器，实现汽化器高效传热传质，强化空气对流和减少霜层结冰，使霜层快速脱落，提高汽化效率与稳定性；针对低温LNG加注罐在装卸过程中易出现压力下降而影响到装卸效率的现象，常规非变频增压技术存在装卸压力不稳定、精度控制差、设备运行能耗高、环境适应性差、噪声高等问题[12],采用变频式自增压技术与多传感器融合监测技术，分析储罐内压力与外界温度变化对汽化效率与稳定性的影响规律，研究变频式自增压系统与汽化系统协同运行的匹配性，在保证汽化效率与稳定性的基础上建立变频式自增压汽化节能模型，设计智能化变频式节能自增压系统，达到运行状态精确可控目标，研制具有变频式增压系统、汽化器快速除霜功能的LNG自增压卸料装置，实现LNG装卸效率提高30%以上，能耗降低20%以上。增压系统工艺如图2所示。

　　研究了NG气体流速、换热器冷箱内LNG液位、调节阀开口度、压力阀调节压力与汽车槽罐内压力之间规律，建立了换热器中流体介质Navier-Stokes控制模型。

　　连续方程：

　　动量方程：

　　能量方程：

　　湍流模型采用k-ωSST模型，确定了各方程封闭常数，采用Couple算法隐式耦合求解与一阶迎风离散格式，以提高计算的稳定性与计算效率。仿真运行后建立基于多传感器融合的低温增压系统最终控制策略，实现了槽罐内压力稳定在正常卸车所需压力值0.6 MPa,解决了常温汽化增压过程中由管道结霜引起汽化气体压力不稳、卸车速度慢的问题。实验测试稳定工况时温度变化（图3)。对常规LNG储罐（容积为52.36 m3槽罐，约20~21 t的LNG),卸车速度在80 m3/h左右，比美国公司产品增加约20 m3/h。

　　3低温LNG移动装卸智能防泄漏研究

　　针对低温LNG装卸装置的旋转接头在-163℃超低温工作环境下易收缩和磨损造成旋转接头密封性能降低问题,采用补偿式弹性榫槽密封结构，并结合在旋转接头内外圈间隙设计惰性气体吹扫密封技术，使蝶形弹簧不再浸没在超低温的介质里，确保密封件在超低温收缩或磨损后得到及时的补偿，研究榫槽结构、不锈钢蝶形弹簧材质、低温下弹簧形变量等对旋转接头磨损或低温收缩后密封性的影响规律，以及惰性气体通道布置结构与尺寸、吹扫速率对旋转接头密封性能的影响规律，研制可弹性补偿的惰性气体循环密封旋转接头装置，实现补偿式弹性榫槽密封与惰性气体密封的双重保险效果，满足在-0.06 MPa的真空状态下液化天然气泄漏率在16 cc/min以下；针对装卸臂与运输车辆罐口自动锁紧不到位造成LNG泄漏问题，采用螺纹形式卡爪锁紧密封锁紧技术，并结合自动定位技术，伺服电机推动行程、管内压力以及密封圈结构对密封性能的影响规律，研制装卸臂与运输车辆罐口强封锁自动锁紧装置（图4),提高罐口密封性能，控制泄漏气体积分数浓度大于或等于0.05%V;针对LNG装卸过程中发生泄漏缺乏智能化监测与主动防控技术问题，采用多传感监测技术，

　　设计低温LNG装卸智能防泄漏监测系统，采用电液驱动紧急脱离技术，研制可自动和手动相互转换的装卸臂与运输车辆罐口快速截断脱离装置，实现监测精度大于或等于95%,可在2s内快速截断脱离。

　　4低温LNG装卸撬智能转运平台

　　针对目前常规固定式低温LNG装卸撬，存在不利于运输和移动、机动性差、转运效率差的问题，采用轻量一体化集约设计技术，研究装卸臂、自增压系统、汽化系统、换热器、输送管路、储罐、控制系统等集约化空间布置结构，优化低温LNG移动装卸平台空间结构；采用基于超声波、激光、雷达、机器视觉等多源感知的自动引导技术与电动驱动控制技术，研究多传感器组合定位、姿态测量以及转运环境特征识别提取方法，对转运环境特征参数进行实时精准判定，研究低温LNG装卸撬转运作业平台路径规划和智能控制方法，进行转运连续。

　　作业和折返－续接作业的平台位置记忆与最优路径规划，构建自动引导LNG移动装卸平台典型动力特征自学习模型，研究适应不同工况的动力系统工作模式及工作模式智能切换控制策略，提高电动移动平台绝对定位与姿态量的精确度以及环境适应性与可靠性，实现行驶速度大于或等于150 m/min,定位精度±10 mm,爬坡能力大于或等于10°;为解决移动装卸平台转弯半径过大的问题，采用全工况半径电动助力转向技术，研究横摆加计前回转半径可控的转向系统，提高LNG移动装卸平台机动灵活性和装卸设备的利用率，实现转弯半径小于或等于2 m。全向移动装卸撬结构如图5所示，下位机低温LNG移动装卸撬云管控技术与系统装置。

　　为提高除低温LNG移动装卸撬作业效率与可靠性，分析装卸臂、自增压系统、汽化系统、换热器、输送管路、储罐与控制系统之间的影响规律，研究具有快速处理、提升空间大的高集成主动控制系统，建立影响低温LNG移动装卸的多因素复杂关联关系，研究基于多元参数控制的精益优化控制策略，开发低温LNG移动装卸撬智能控制系统，实现对低温LNG移动装卸平台运行的自适应调整、过程控制的自动优化及故障自动诊断，设计效率优化调控策略，实现各系统之间效率协同优化；针对低温LNG智能装卸撬作业决策不智慧、服务不精准，使得装卸撬工作效率低，造成移动装卸撬缺乏综合有效精准服务的问题，分析装卸臂、自增压系统、汽化系统、换热器、输送管路、储罐与控制系统数据采集格式,研究基于互联网＋、物联网及云服务等技术的无线数据传输、远程监测控制，与国家数据交换的规范化格式相适应，制定基于大数据语义层次融合的平台数据交互标准与接口规范，融合传感器、BDS、物联网技术的移动装卸撬数据智能采集处理技术，研究数据资源存储、管理、交换和服务技术，研发具备查询、分析、统计、搜索、预测的低温LNG移动装卸撬云管控平台，实现移动装卸撬装卸作业管理、转运路径规划、位置定位、远程监控等功能，为低温LNG移动装卸撬的规范化装卸作业提供全方位服务。

　　5实践应用与效果分析

　　LNG移动装卸技术是自主研发的核心技术，获得“中国好技术”、省级高新技术产品、省首台（套）重大装备产品、“国际先进”科学技术成果评价证书等多项荣誉。随着研究产品成功进入市场并在多家LNG转运场站得到广泛使用，用户一致认为，该产品具备极其稳定的性能，在使用过程中，操作极为便捷，完美满足了装卸车的使用需求，给客户企业带来诸多实际利益。用户的反馈成为了公司努力的动力和成果的见证。通过与国外同类产品在运行方式、对接方式、增压方式、泄漏率等方面进行详细比较（表1),表明该项目产品在多个关键指标上均领先于国际主流公司的同类产品。

　　首先，该产品运行方式与国外同类产品存在显著的差异。该产品采用的是自主移动方式，而国外其他公司同类产品多采用传统的牵引方式。自主移动方式使得该LNG移动装卸平台能够实现科学转运和全过程精细化管理，从而提高了转运效率、机动性与安全性。其次，在对接方式方面，该产品采用了自动对接方式，而国外其他公司同类产品多采用手动对接方式。自动对接方式使得装卸设备与运输车罐口之间能够实现高效、安全、智能、精准的对接。这不仅省时省力，减少了操作劳动强度，还大大缩短了对接时间，提高了工作效率。在增压方式、压力和卸车流量方面，该产品采用低温增压，且压力小于国外其他公司同类产品。卸车流量为80~100 m3/h,明显优于国外同类产品。这意味着该产品在卸车速度和增压方式上更为出色，为用户提供了更为高效、可靠的服务。最后，在泄漏率方面，该产品在相同压力状态下，泄漏量在10 cc/min以下，远小于国外其他公司同类产品。

　　总体而言，通过对比分析，该产品在运行方式、对接方式、增压方式、泄漏率等关键指标上都表现优越，与国际主流公司同类产品相比具备更高的性能水平。

　　6结束语

　　通过本文的研究，为低温LNG提供一种智能、高效、实用的移动装卸技术与装备，有效解决低温LNG装卸过程中存在的机动性差、转运效率低、装卸压力不稳定、易结霜、易泄漏、智能化程度低等问题[18-20],突破长期制约低温LNG装卸环节配套装备技术升级的重要技术瓶颈，促进低温LNG装卸方式转变，实现装卸作业的智慧化。本文研究成果可大幅提升装卸效率，降低劳动强度，节省运行成本，提升我国低温LNG智能装卸装备的自主技术水平，技术性能指标达到国际先进或国内领先水平，大大缩小与国外先进产品的差距，具有显著的社会效益。在生态效益方面，本文的智能防泄漏技术与紧急安全保护技术，大大降低了低温LNG在装卸过程中的泄漏损耗，提高设备运行的安全性，既保护环境又节约资源。预计全球LNG需求到2030年会增长2倍，从现在占全球能源消费20%增长到25%,随着LNG液化运输技术的进步，产业规模会进一步迅速扩大，保守估计年需低温LNG移动装卸装备1000台套以上，按每套100万的销售价格，每年可为LNG装备企业带来数十亿元的产值。同时，还将原材料、机械加工和相关配套产业发展，促进就业，具有显著的经济效益。

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