孔祥濤

(中國(guó)成達(dá)工程有限公司)

液化工廠LNG儲(chǔ)罐的儀表選型與控制方案設(shè)計(jì)①

孔祥濤

(中國(guó)成達(dá)工程有限公司)

介紹LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和工藝流程，探討液化工廠LNG儲(chǔ)罐和接收站LNG儲(chǔ)罐的差異，構(gòu)建合理的控制系統(tǒng)架構(gòu)。闡述LNG儲(chǔ)罐的儀表配置和選型要求，介紹LNG儲(chǔ)罐的控制與聯(lián)鎖方案。

儀表配置與選型 LNG儲(chǔ)罐 控制方案與聯(lián)鎖

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)是原料天然氣經(jīng)預(yù)處理、脫除酸氣、重?zé)N、汞、水后與混合冷劑換熱冷卻至其沸點(diǎn)溫度(-162℃)而成的[1]，主要成分是甲烷，體積約為同量氣態(tài)天然氣的1/625。LNG通常存儲(chǔ)在-162℃、25kPa左右的低溫儲(chǔ)罐內(nèi)。

LNG儲(chǔ)罐容量大，罐中介質(zhì)溫度低、呈沸騰狀態(tài)、汽化率高、易燃易爆，導(dǎo)致在儲(chǔ)存中極易產(chǎn)生分層和翻滾的問(wèn)題[2]。因此，正確選擇儀表，設(shè)計(jì)周全的控制聯(lián)鎖方案，應(yīng)用成熟可靠的控制系統(tǒng)，才能確保LNG存儲(chǔ)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行和人身、環(huán)境的安全。

筆者以某液化工廠的LNG儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，結(jié)合儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)及其工藝流程，介紹了LNG儲(chǔ)罐的儀表配置與控制方案設(shè)計(jì)。

1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)與工藝流程

某LNG儲(chǔ)罐有效容積為8 000m3，外罐直徑約25m，筒體高約27m，屬于大型儲(chǔ)罐，用于接收冷箱液化分離后的LNG。LNG儲(chǔ)罐為單容罐，儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)形式是平底拱蓋、立式雙圓筒壁結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)為架空式，整個(gè)儲(chǔ)罐坐落在高架的混凝土平臺(tái)上。混凝土平臺(tái)與地坪之間有1.6～1.8m高的空間，空氣自由流通，以防地坪凍土。

LNG儲(chǔ)罐分為內(nèi)槽與外槽，內(nèi)槽設(shè)計(jì)溫度為-196℃，工作溫度為-162℃，設(shè)計(jì)壓力為25kPa，工作壓力為20kPa；外槽設(shè)計(jì)溫度為-20℃，設(shè)計(jì)壓力為1.0kPa，工作壓力為-0.5～0.5kPa。LNG儲(chǔ)罐日蒸發(fā)量小于0.06%。內(nèi)槽與外槽之間填充珠光砂，并充氮?dú)獗Ｗo(hù)。

該液化工廠的LNG儲(chǔ)罐工藝流程如圖1所示。物料管線主要有上進(jìn)液管線、下進(jìn)液管線、出液管線、BOG(閃蒸汽)管線(用于BOG回收再液化)、充車泵后LNG回流管線、補(bǔ)氣管線、自增壓管線和放空管線。

2 LNG儲(chǔ)罐控制系統(tǒng)

為了有效監(jiān)控液化工廠中的LNG生產(chǎn)過(guò)程，確保生產(chǎn)運(yùn)行安全可靠，控制系統(tǒng)采取DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)相結(jié)合的原則。重要工藝參數(shù)的顯示、控制、報(bào)警和工藝聯(lián)鎖保護(hù)控制由DCS系統(tǒng)完成；當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，由SIS系統(tǒng)發(fā)出安全聯(lián)鎖保護(hù)信號(hào)，使工藝系統(tǒng)和設(shè)備處于安全狀態(tài)(停車或放空)。

液化工廠的LNG儲(chǔ)罐與陸上LNG接收站儲(chǔ)罐接收的LNG是有區(qū)別的。陸上LNG接收站接收不同船只運(yùn)來(lái)的LNG，每一艘船的LNG可能來(lái)自不同的液化工廠，因此LNG成分和密度是有差別的，這就導(dǎo)致LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)易形成分層，引起翻滾[3]。因此，對(duì)于陸上LNG接收站儲(chǔ)罐，需配置儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)，以密切關(guān)注液位分層和預(yù)警翻滾。液化工廠的LNG儲(chǔ)罐接收的是同一工藝裝置生產(chǎn)的LNG，組分穩(wěn)定，輔以BOG回收再液化單元，因此只需優(yōu)化控制就可以確保LNG儲(chǔ)罐的安全，同時(shí)不需配置昂貴的儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)，節(jié)省了造價(jià)。

圖1 LNG儲(chǔ)罐工藝流程

3 儀表設(shè)置與選型

甲烷屬于爆炸性危險(xiǎn)氣體，LNG儲(chǔ)罐區(qū)域劃分為zone 1、2區(qū)，根據(jù)防爆要求[4]，爆炸危險(xiǎn)區(qū)的儀表防爆形式選擇本安型，開(kāi)關(guān)量信號(hào)選擇隔爆型[5]。為保障儀表檢測(cè)過(guò)程的正常進(jìn)行，戶外安裝的現(xiàn)場(chǎng)儀表應(yīng)選用全天候型，防護(hù)等級(jí)至少為IP65[6]。

3.1 溫度測(cè)量?jī)x表

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁設(shè)置14個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)相隔1.5m，用于監(jiān)測(cè)內(nèi)罐從上到下液體溫度分布情況。由于液化工廠LNG儲(chǔ)罐內(nèi)LNG來(lái)自同一工藝裝置，所以LNG組分基本一致，密度的不同主要是由溫度不同引起的。因此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐垂直溫度分布，來(lái)獲得罐內(nèi)LNG密度的分布與差異。

LNG儲(chǔ)罐內(nèi)罐底板設(shè)置3個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)底部LNG的溫度變化情況；外罐底板設(shè)置3個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)內(nèi)筒底部是否泄漏，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度急劇下降時(shí)，即可得知儲(chǔ)罐LNG溢出或泄漏。

由于溫度測(cè)量?jī)x表全部安裝在密閉空間內(nèi)，防爆區(qū)域劃分為zone 0區(qū)，選型時(shí)需注意只有本安ia型儀表才能用在zone 0區(qū)。因此，選擇裝配式雙支鉑熱電阻Pt100，溫度測(cè)量范圍-200～50℃，三線制，A級(jí)允差，304護(hù)套，與設(shè)備直接焊接，防爆等級(jí)為Ex ia IIC T4。熱電阻通過(guò)低溫電纜接至儲(chǔ)罐外壁上的接線箱，然后從接線箱引電纜至DCS機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)集中管理。

3.2 壓力測(cè)量?jī)x表

壓力是LNG儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)的重要參數(shù)，儲(chǔ)罐內(nèi)槽罐頂設(shè)置一臺(tái)壓力變送器PT102，進(jìn)SIS系統(tǒng)。另設(shè)置一臺(tái)壓力變送器PT101，進(jìn)DCS系統(tǒng)。

選用智能普通壓力變送器，導(dǎo)壓管引壓，膜片材料為316L，4～20mA輸出，防爆等級(jí)為Ex ia IIC T4。

3.3 液位測(cè)量?jī)x表

常壓下，LNG在低溫常壓儲(chǔ)罐內(nèi)處于沸騰狀態(tài)，采用單一的液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量極易出現(xiàn)虛假液位指示現(xiàn)象。為了得到準(zhǔn)確的液位值，每個(gè)LNG儲(chǔ)罐應(yīng)裝有3套不同測(cè)量原理的液位系統(tǒng)(一臺(tái)伺服液位計(jì)LT-101、一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)LT-102和一臺(tái)差壓液位變送器LT-103)，測(cè)量信號(hào)進(jìn)SIS系統(tǒng)，做“2oo3”表決后參與安全聯(lián)鎖。

伺服液位計(jì)由高精度力傳感器、伺服電機(jī)系統(tǒng)、測(cè)量磁鼓、測(cè)量浮子和鋼絲組成[7]，基于阿基米德浮力平衡原理，通過(guò)檢測(cè)浮子的位移測(cè)得液位或界面變化。為了防止進(jìn)液時(shí)液面波動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，需要安裝穩(wěn)液導(dǎo)向管。穩(wěn)液管的管徑一般為DN150mm，伺服液位計(jì)安裝在穩(wěn)液管之上，與穩(wěn)液管通過(guò)法蘭連接，浮子在穩(wěn)液管內(nèi)上下移動(dòng)。伺服液位計(jì)的測(cè)量精度可達(dá)±1.0mm。

雷達(dá)液位計(jì)根據(jù)雷達(dá)波從探頭發(fā)射到介質(zhì)表面再返回到探頭的時(shí)間來(lái)測(cè)量液位值。反射回來(lái)的信號(hào)強(qiáng)度與介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)成正比，而LNG的介電常數(shù)非常低(液態(tài)甲烷的介電常數(shù)只有1.676 1)[8]，因此反射回來(lái)的信號(hào)較小。如果采用非接觸式雷達(dá)液位計(jì)，雷達(dá)波經(jīng)LNG分界面反射后，由于信號(hào)的發(fā)散，導(dǎo)致最終接收的信號(hào)強(qiáng)度非常弱，測(cè)量效果不佳。為了減少信號(hào)損失，選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)，使雷達(dá)波沿導(dǎo)波桿傳播，提高接收信號(hào)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)的測(cè)量精度可達(dá)±3.0mm。

從LNG儲(chǔ)罐底部和頂部分別引出導(dǎo)壓管，測(cè)量?jī)蓪?dǎo)壓管的壓力差，即可得到儲(chǔ)罐內(nèi)液柱產(chǎn)生的靜壓力，從而確定儲(chǔ)槽內(nèi)的液柱高度。通過(guò)差壓液位變送器將信號(hào)傳送到控制機(jī)柜，實(shí)現(xiàn)集中管理。

值得注意的是，儲(chǔ)罐底部是LNG，差壓液位變送器的高壓側(cè)不能直接接觸-162℃的液體，所以在儲(chǔ)罐底部引出的導(dǎo)壓管需要延長(zhǎng)，使LNG吸收環(huán)境的熱量后汽化，溫度升高至變送器膜片可以承受的溫度。因?qū)汗芘c儲(chǔ)罐底部是連通的，導(dǎo)壓管內(nèi)LNG汽化后的壓力最終會(huì)與儲(chǔ)罐底部的壓力達(dá)到平衡，這時(shí)差壓液位變送器高壓側(cè)的壓力真實(shí)地反映了儲(chǔ)罐底部的實(shí)際壓力。

3.4 控制閥

進(jìn)出LNG儲(chǔ)罐管線上的閥門都要承受-162℃左右的低溫，因此，閥體與閥內(nèi)件材料選擇耐低溫的不銹鋼，同時(shí)低溫閥門設(shè)有長(zhǎng)頸閥蓋以保證填料函底部溫度在0℃以上[9]。填料函結(jié)構(gòu)選擇柔性石墨填料，不宜采用PTFE，以避免冷流現(xiàn)象。LNG閥門應(yīng)做防靜電設(shè)計(jì)。采用對(duì)焊式連接以減少泄漏點(diǎn)。

由于進(jìn)液閥XV101和出液閥XV102所在管線的管徑(DN200mm)較大，若選擇球閥，造價(jià)會(huì)很高，故選取蝶閥。又因是緊急切斷閥，泄漏等級(jí)要求達(dá)到VI級(jí)，故最終選為三偏心蝶閥，硬密封。

去BOG壓縮機(jī)管線設(shè)置一臺(tái)切斷閥XV103，自增壓管線設(shè)置一臺(tái)切斷閥XV104，補(bǔ)氣管線設(shè)置一臺(tái)切斷閥XV105，均選用球閥，閥桿密封采用柔性石墨填料，閥體密封采用增強(qiáng)聚四氟乙烯RPTFE軟密封面加金屬閥座支撐，泄漏等級(jí)為V級(jí)。所有球閥應(yīng)遵循API607防火規(guī)范。所有切斷閥設(shè)閥位開(kāi)關(guān)，進(jìn)DCS系統(tǒng)做顯示。

放空管線上設(shè)置一臺(tái)PV101調(diào)節(jié)閥，采用單座globe閥，帶IP定位器和電磁閥，由DCS系統(tǒng)控制，為FO閥，即儀表氣源故障時(shí)，PV101為全開(kāi)狀態(tài)，讓儲(chǔ)罐處于放空狀態(tài)，以保障儲(chǔ)罐安全。放空管線上并聯(lián)一臺(tái)呼出安全閥，設(shè)定壓力為24kPa，選用先導(dǎo)式安全閥；設(shè)置一臺(tái)真空泄放閥(吸入安全閥)，設(shè)定壓力為-0.5kPa，選用配重式真空安全閥。

4 控制方案和聯(lián)鎖

4.1 壓力控制和聯(lián)鎖

由于儲(chǔ)罐內(nèi)LNG蒸發(fā)將產(chǎn)生BOG，隨著B(niǎo)OG的增加，儲(chǔ)罐內(nèi)壓力會(huì)隨之增加，如果不及時(shí)處理BOG，將造成儲(chǔ)罐超壓，所以需要對(duì)儲(chǔ)罐壓力實(shí)施控制。為確保儲(chǔ)罐壓力控制在15kPa左右，調(diào)控聯(lián)鎖方案如下：

a. 當(dāng)內(nèi)槽壓力升高到15kPa時(shí)，開(kāi)關(guān)閥XV103開(kāi)啟對(duì)BOG進(jìn)行加熱回收；

b. 若壓力繼續(xù)升高到20kPa，放空調(diào)節(jié)閥PV101開(kāi)啟進(jìn)行放空降壓；

c. 若壓力仍繼續(xù)升高到24kPa，呼出安全閥起跳進(jìn)行放空。

當(dāng)LNG儲(chǔ)槽存有大量排液時(shí)，內(nèi)槽壓力將降低，為避免內(nèi)槽出現(xiàn)負(fù)壓狀況，需要對(duì)內(nèi)槽進(jìn)行增壓。負(fù)壓安全設(shè)置4道關(guān)卡：

a. 當(dāng)內(nèi)槽壓力低于7kPa時(shí)，自增壓控制閥XV104打開(kāi)，由自增壓器進(jìn)行自增壓；

b. 如果壓力繼續(xù)降低至5kPa，補(bǔ)氣控制閥XV105打開(kāi)，通過(guò)補(bǔ)氣裝置進(jìn)行補(bǔ)氣增壓；

c. 如果壓力仍繼續(xù)降低至2kPa，關(guān)閉出液緊急切斷閥XV102；

d. 如果安全控制系統(tǒng)全部失靈，壓力繼續(xù)降低至-0.5kPa，吸入安全閥開(kāi)啟，吸入空氣，從而保護(hù)內(nèi)槽安全。

4.2 液位控制和聯(lián)鎖

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐液位達(dá)到罐容的90%時(shí)，觸發(fā)液位高高聯(lián)鎖，關(guān)閉進(jìn)液閥XV101，聯(lián)鎖觸發(fā)冷劑壓縮機(jī)機(jī)組停車，冷箱液化單元停止制冷液化。

當(dāng)LNG儲(chǔ)罐液位達(dá)到罐容的10%時(shí)，觸發(fā)液位低低聯(lián)鎖，關(guān)閉出液閥XV102，防止液位繼續(xù)降低造成罐內(nèi)無(wú)液。

5 結(jié)束語(yǔ)

在開(kāi)展工程設(shè)計(jì)工作前，應(yīng)對(duì)LNG的物理性質(zhì)和LNG儲(chǔ)罐的特點(diǎn)做深入了解。依據(jù)LNG的理化性質(zhì)和化工自控專業(yè)相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行儀表選型和安裝設(shè)計(jì)。結(jié)合LNG儲(chǔ)罐的工藝流程，確定合適的控制方案與聯(lián)鎖，對(duì)LNG存儲(chǔ)裝置的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。

[1] 顧安忠,魯雪生.液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

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[3] 王良軍,劉揚(yáng).大型儲(chǔ)罐內(nèi)LNG翻滾機(jī)理和預(yù)防措施[J].天然氣工業(yè),2008,28(5):97～99.

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[5] GB 3836.1-2010,爆炸性環(huán)境第1部分:設(shè)備通用要求[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2010.

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孔祥濤(1982-)，工程師，從事化工自動(dòng)化設(shè)計(jì)工作，kxt222@126.com。

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