范琳

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

液化天然氣儲罐儀表設計探討

范琳

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

結合液化天然氣(LNG)儲罐的特點，敘述了LNG儲罐儀表的選型和安裝；重點闡述了溫度儀表和液位儀表的設置，指出了溫度、壓力和流量儀表安裝的注意事項；簡要描述了儲罐液位儀表的基本原理；討論了用于保護LNG儲罐安全的主要控制方案和聯(lián)鎖方案。該項目采用罐表系統(tǒng)(TGS)實現(xiàn)了LNG儲量監(jiān)測和翻滾預測；提出了罐表系統(tǒng)的基本組成和技術要求。

液化天然氣 儲罐 儀表設計 罐表系統(tǒng)

液化天然氣(LNG)是天然氣(NG)經過凈化處理(脫水、脫重烴、脫酸性氣體)，采用制冷工藝形成的液體[1]。LNG 以甲烷為主，通常含有少量乙烷、丙烷、氮等其他組分，無色、無味、無毒[2]，是優(yōu)質的清潔能源。LNG體積小，密度僅為水的45%，便于遠距離大規(guī)模運輸和儲存，可以通過槽船、槽車運至世界各地的大型LNG接收站、衛(wèi)星接收站，運輸成本約為管道運輸?shù)?5%[3]。

LNG儲罐容量大、介質極低溫、氣化率高、易燃易爆，在儲存中易產生分層和翻滾問題，低溫工藝流程復雜，設備昂貴。正確選擇儀表，應用成熟可靠的控制系統(tǒng)和控制方案，才能確保LNG存儲裝置的穩(wěn)定運行和人身設備安全。

1 項目概況

某LNG儲存基地項目，毗鄰城市天然氣高壓外環(huán)線。工藝流程如圖1所示，主要包括1座2×104m3常壓低溫LNG儲罐和工藝區(qū)(裝卸站、蒸發(fā)氣BOG(Boil-off Gas)壓縮、氣化、計量外輸)及配套設施。裝卸站可同時為4臺45m3LNG槽車接收或充裝LNG；氣化系統(tǒng)在應急狀態(tài)或調峰狀態(tài)啟動，氣化速率為3.5×104m3/h，外輸壓力為3.5MPa。

圖1 LNG儲存工藝流程示意

2 儀表設置及選型

2.1溫度測量儀表

LNG儲罐采用的溫度計，按用途劃分為以下幾種：

1) 內罐外壁、內外罐之間環(huán)形區(qū)域、儲罐拱頂區(qū)域溫度，由單點、多點溫度計檢測，當測點溫度急劇下降時，可知儲罐LNG溢出或泄漏。

2) 內罐底上表面、內罐內壁溫度，由多點溫度計檢測，用于儲罐接收LNG前預冷程度監(jiān)控。

3) 儲罐LNG，BOG溫度，由單點溫度計、多點平均溫度計、LTD(Level Temperature and Density)變送器檢測。

儲罐的溫度計采用Pt100鎧裝熱電阻，接口設于罐頂，法蘭連接，測量范圍-200～100℃，插入長度根據(jù)鎧絲實際敷設路徑選取，最長達 64m。 鎧裝材質選用耐低溫性能良好的奧氏體不銹鋼。測量罐內LNG溫度的16點溫度計設有保護管，保護管材質為304。

工藝區(qū)遠傳溫度測量采用Pt100鎧裝熱電阻，溫度計保護管與管道焊接，以減少泄漏點。就地溫度計采用壓力式溫度計，抱箍式安裝。溫度計長度應足夠長，確保溫度計不被管道絕熱層掩蓋，并保證接線盒工作于常溫下，以免結冰、結霜或凍傷維護人員。

2.2液位測量儀表

LNG儲罐設置3臺伺服液位計、1臺LTD變送器。其中2臺伺服液位計輸出液位、密度值信號和報警干接點，另1臺輸出液位高高報警干接點；LTD變送器輸出液位、溫度、密度值信號。

伺服液位計由伺服電機、控制器、計數(shù)器、力傳感器、測量磁鼓、鋼絲和測量浮子組成，通過檢測浮子的位移測得液位或界面變化，根據(jù)阿基米德原理測得液體密度。主要技術要求： 液位測量范圍0～2×104mm，精度等級0～±2.0mm；密度測量范圍400～500kg/m3，精度等級： ±1kg/m3；鋼絲和浮子材質為304。

LTD變送器由機械驅動組件、電子控制模塊、中空探頭電纜、探頭組成。中空探頭電纜內設信號導線，探頭向下移動時，探頭底部的罐底參考開關組件可以在觸碰罐底時做記錄，然后向上運動，探頭頂部有兩個固體液位傳感器，位置一個偏上，一個偏下，當偏上的固態(tài)液位傳感器露出液面，偏下的還未露出液面時，傳感器探測到這種差別，記錄此時探頭移動的距離，再加上探頭自身長度，即為液面高度。探頭中部設有振動管式密度傳感器，振動管維持在諧振狀態(tài)，被測液體進入振動管，振動管共振頻率即發(fā)生變化，液體密度增加，振動管和液體的總質量增加，振動頻率會降低，反之亦然。經適當校準，諧振頻率與管內液體密度之間有確定的關系，通過測量振動管的共振頻率，即可求出待測液體的密度[4]，探頭上部設有鉑熱電阻。

LTD變送器最低應滿足的技術要求： 液位測量范圍5×102～2×104mm，精度等級±2.0mm；溫度測量范圍-200～100℃，精度等級±0.1℃；密度測量范圍： 400～500kg/m3，精度等級： ±0.5kg/m3； 探頭材質為304。

2.3流量測量儀表

該項目采用孔板測量LNG流量，主要有以下優(yōu)點：

1) 技術成熟可靠，有可供執(zhí)行的標準規(guī)范GB/T 2624，ISO 5167。

2) LNG介質潔凈，無腐蝕性，滿足孔板應用要求。

3) 孔板無可動部件，無須考慮潤滑與摩擦問題，適合低溫條件下使用。

據(jù)文獻[5]可知，孔板用于LNG計量核算也是合適的。該項目LNG和NG的貿易計量由計量撬完成。計量撬廠商選用超聲波流量計測量LNG流量，配流量計算機；選用渦輪流量計測量NG流量，配體積修正儀做溫壓補償。

裝卸站為裝車卸車兩用，分時段使用同一根管道，流向相反。采用多孔孔板測量雙向流，不用于經濟核算。

使用節(jié)流裝置測量LNG流量，選取較高壓差有利于提高測量準確度、縮短上游側必要的直管段長度[6]，但當壓力降到飽和蒸氣壓以下時，LNG會發(fā)生閃蒸[2]，因而應在避免閃蒸發(fā)生的前提下選取差壓。此外,當管道中插入物體等阻流件時，也會導致壓力降低，可能出現(xiàn)閃蒸，因而多余的插入物體和阻流件也應避開流量計上游側[5]，例如溫度計。并且還應考慮操作溫度下孔板尺寸的變化對孔板參數(shù)的影響。

2.4壓力(差壓)測量儀表

LNG儲罐拱頂區(qū)域設表壓變送器3臺，冗余配置。內罐吊頂下方區(qū)域設絕壓變送器、表壓變送器各1臺。大氣壓力降低時，儲罐內LNG蒸發(fā)會加大，導致儲罐壓力升高，因而監(jiān)測儲罐內的絕壓是必須的。

LNG受熱氣化，體積膨脹約600倍，對壓力(差壓)測量有很大干擾，因而管道需要充分的保冷，導壓管內氣液分層面應遠離取壓口，導壓管應足夠長，確保變送器工作于常溫下，導壓管須設有消除冷縮應力的彎折。

2.5調節(jié)閥和切斷閥

LNG在無孔容器中可能隨著溫度的提高使壓力增大，甚至容器遭到破壞[2]，因而對可能形成密閉閥腔的LNG閥門應采取泄壓措施防止閥腔異常升壓。LNG低溫閥門設長頸閥蓋保證填料函底部溫度在0以上[7]，LNG閥門應做防靜電設計。

調節(jié)閥采用單座柱塞閥，柔性石墨填料，金屬密封，泄漏等級IV級；閥體材質A351 CF8，采用對焊方式以減少泄漏點；閥內件材質為304L。

切斷閥采用全通徑固定球閥，柔性石墨填料，閥體密封采用PTFE軟密封面加金屬閥座支承，避免軟密封閥座產生冷流變形[7]，泄漏等級Ⅴ級(雙向)；閥體材質為A351 CF8，對焊連接方式；閥內件材質為304L。所有切斷閥遵守API 607防火規(guī)范，設閥位開關,部分重要管線設雙電磁閥。

3 控制和安全儀表系統(tǒng)

該項目設DCS監(jiān)控裝置運行,安全儀表系統(tǒng)(SIS)實現(xiàn)安全聯(lián)鎖，罐表系統(tǒng)TGS(Tank Gauging System)負責監(jiān)測儲罐狀態(tài)。

3.1儲罐壓力的監(jiān)控和聯(lián)鎖

LNG儲罐操作壓力5～20kPa(G)，設計壓力-1.5～25.0kPa(G)。

影響LNG儲罐內壓力上升的因素包括[8]： 接受LNG進入儲罐；大氣壓下降；從環(huán)境吸入熱量導致LNG蒸發(fā)。

影響LNG儲罐內壓力下降的因素包括[8]： LNG泵對外輸送；無LNG進料時BOG壓縮機空吸；大氣壓上升。

正常操作條件下，通過BOG壓縮機壓縮蒸發(fā)氣控制儲罐的壓力。壓力達到19kPa(G)，放空閥PV01開啟調節(jié)，超壓氣體排入放空系統(tǒng)送火炬。壓力達到21kPa(G)，做“2oo3”表決，切斷儲罐入口LNG切斷閥XV01。當儲罐壓力升高達到儲罐設計壓力，儲罐安全閥打開，超壓氣體直接排入大氣。

壓力低于5kPa(G)，做“2oo3”表決，全關LNG外輸控制閥FV01，停LNG罐內泵和BOG壓縮機。壓力低于3kPa(G)，補壓閥PV02開啟調節(jié)，通過補充外輸天然氣總管上經膨脹后的氣體維持儲罐壓力。壓力降低到儲罐設計值，儲罐真空閥打開。

3.2LNG罐內泵出口流量控制

LNG罐內泵為LNG外輸和回流提供動力，工作溫度低于-162℃，是儲罐上最重要的動設備。LNG罐內泵出口流量應不小于29m3/h，通過分程調節(jié)和聯(lián)鎖來保證。

外輸LNG流量大于35m3/h時，回流控制閥FV02關閉，外輸控制閥FV01開啟調節(jié)；FV01開到最大，若流量還小于35m3/h，則回流控制閥FV02開啟調節(jié)，保證泵出口流量滿足要求。出口流量達29m3/h時，聯(lián)鎖停泵，保證罐內泵的安全。

3.3儲罐液位的監(jiān)控和聯(lián)鎖

LNG液位是儲罐最重要的參數(shù)之一，TGS監(jiān)控LNG液位，并通信至DCS。3臺伺服液位計高高高報警干接點，做“2oo3”表決，聯(lián)鎖切斷儲罐入口LNG切斷閥XV01。2臺伺服液位計低低低報警干接點信號，聯(lián)鎖停罐內泵,關閉LNG外輸調節(jié)閥FV01。

3.4儲罐LNG分層和翻滾監(jiān)控

翻滾是指兩層不同密度的LNG在儲罐內迅速上下翻動混合,瞬間產生大量氣化氣的現(xiàn)象[2]，翻滾使容器受到超壓，易導致嚴重事故。有研究指出LNG分層是產生翻滾的根本原因[10]。LNG分層的原因[11]： 老化的LNG密度隨著甲烷的蒸發(fā)而增大；向已有的LNG儲罐中充注密度不同的新LNG液體；受到外部熱源的侵擾產生熱分層。

通過良好的儲罐管理，翻滾可以防止，措施包括： 加強液體循環(huán)以促進混合；盡可能將不同來源、不同組分的LNG分罐儲存；保持LNG含氮量低于1%，并密切監(jiān)測氣化速率[2]。實際操作中應密切監(jiān)測儲罐不同液位下LNG的密度及溫度的變化(LNG密度是其溫度的函數(shù))，適時使用罐內泵對LNG打回流，使分層的LNG混合均勻。該項目采用TGS監(jiān)測LNG儲罐的液位、溫度和密度分布，計算LNG的體積、質量，監(jiān)測分層并預測翻滾。

TGS主要由伺服液位計、LTD、多點溫度計、操作站、配置有數(shù)據(jù)處理軟件和數(shù)據(jù)通信模塊的系統(tǒng)柜等設備共同組成。

TGS應滿足的主要技術要求：

1) 設置和修正現(xiàn)場儀表，如設置LTD自動或手動模式，修正液位計、密度計的誤差。

2) 接收現(xiàn)場儀表(伺服液位計、LTD、多點溫度計)數(shù)據(jù)并顯示，包括LNG液位、密度、溫度實時值，每臺儀表的狀態(tài)信息。

3) 根據(jù)單位高度儲量表和LNG液位值計算LNG體積。

4) 根據(jù)LNG體積和實時平均密度計算LNG質量，可以手動輸入密度值。

5) 根據(jù)LNG密度、溫度分布實時數(shù)據(jù)預測翻滾。

6) 具有完善的自診斷功能，能發(fā)出并記錄故障報警。

4 結束語

LNG儲存項目中儀表的選型和安裝緊密圍繞LNG的理化性質展開，儀表和控制系統(tǒng)的配置充分考慮了LNG儲罐液位落差大、易超壓、易分層和翻滾的危險因素。在開展設計工作前，應對LNG及LNG儲罐的特點做深入了解。通過探討和總結LNG儲存項目的儀表設計，對存儲基地的安全穩(wěn)定運行十分必要，對同類LNG項目儀表設計具有重要參考意義。

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DiscussiononInstrumentationDesignforLNGStorageTank

Fan Lin

(Wuhuan Engineering Co. Ltd.， Wuhan， 430223， China)

Combining with the characteristics of liquid natural gas(LNG) storage tank, the selection and installation of LNG storage tank instrument is described in general. The settings of temperature instrument and level instrument are emphatically expatiated. The installation instruction for thermometer, pressure gauge and flow meter are illustrated. The principle of level instrument on LNG storage tank is introduced briefly. The control strategy and interlock system for LNG storage tank safety are discussed. The monitoring of total LNG reserves in the tank and forecasting of LNG rollover are realized with adopting tank gauge system (TGS) in this project. The basic technical requirement and configuration of TGS are put forward.

LNG； storage tank； instrumentation design； TGS

稿件收到日期： 2012-12-03，修改稿收到日期2013-02-20。

范琳(1986—)，男，2007年畢業(yè)于北京化工大學自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于中國五環(huán)工程有限公司電控室，從事自控工程設計工作，任工程師。

TQ056

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1007-7324(2013)03-0014-04