葉靖

摘 要：近年來(lái)，隨著液化天然氣（LNG）在世界能源消費(fèi)中的比例逐年快速增長(zhǎng)，LNG 低溫儲(chǔ)罐的建設(shè)施工不斷增加，且發(fā)展勢(shì)頭迅猛。本文以大型LNG 低溫儲(chǔ)罐為例，探討了運(yùn)用伺服式液位計(jì)進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐容量測(cè)量的方法。

關(guān)鍵詞：LNG 儲(chǔ)罐;伺服式液位計(jì);液位測(cè)量

天然氣是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，是各種替代燃料中最早廣泛使用的一種，它主要存在于油田、氣田，燃燒后不會(huì)產(chǎn)生廢氣，廢水，且熱值高、經(jīng)濟(jì)、便利。LNG是液態(tài)的天然氣，具有易儲(chǔ)存的特性，LNG儲(chǔ)罐一般容量較大，細(xì)微的液位測(cè)量誤差都將帶來(lái)很大的容量誤差，因此液位測(cè)量及控制在儲(chǔ)罐中非常重要，本文以大型 LNG 低溫儲(chǔ)罐為例，探討一種基于伺服式液位計(jì)的液位測(cè)量技術(shù)。

一、關(guān)于伺服式液位計(jì)測(cè)量原理

伺服式液位計(jì)是多功能儀表，既可測(cè)量液位，也可測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)LNG界面、密度和罐底等參數(shù)，常用于儲(chǔ)罐液位的高精度測(cè)量。其基于浮力平衡的原理，由微伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，使其精確地進(jìn)行液位或界面測(cè)量，其基本工作過(guò)程是：浮子用測(cè)量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測(cè)量鋼絲纏繞在精密加工過(guò)的外輪鼓上，外磁鐵被固定在外輪鼓內(nèi)，并與固定在內(nèi)輪鼓內(nèi)磁鐵耦合在一起。當(dāng)工作時(shí)，浮子作用于細(xì)鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，引起磁通量的變化。輪鼓組件之間的磁通量變化導(dǎo)致內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器（霍爾元件）的輸出電壓信號(hào)變化，其值與貯存于CPU 中的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)浮子的位置平衡時(shí)，其差值為零。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位變化時(shí)，使得浮子位置發(fā)生改變，其結(jié)果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栐妮敵鲭妷寒a(chǎn)生變化，該電壓值與 CPU中的參考電壓的差值驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)浮子上下移動(dòng)，直到重新達(dá)到平衡點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋回路，其精確度可達(dá)0.5mm。通過(guò)精確的測(cè)量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液位，可以通過(guò)伺服液位計(jì)準(zhǔn)備計(jì)算出儲(chǔ)罐內(nèi)LNG容量。

二、伺服式液位計(jì)的安裝

伺服式液位計(jì)的安裝方式同非接觸式液位計(jì)。安裝在罐體上時(shí)，與介質(zhì)相通的腔室與電氣腔室完全隔離，以避免物料泄露。由于 LNG 儲(chǔ)罐通常是底部進(jìn)料，在剛開(kāi)始進(jìn)料時(shí)，由于液位較低，LNG 會(huì)對(duì)浮子產(chǎn)生沖擊，使浮子發(fā)生飄移，從而影響讀數(shù)的精確性。因此，需采用導(dǎo)波管安裝方式。 在使用中，伺服液位計(jì)安裝時(shí)有以下注意事項(xiàng)：

（1）安裝導(dǎo)波管的位置應(yīng)偏離儲(chǔ)罐進(jìn)料口，以防止由于輸入液體的波動(dòng)或湍流而引起的浮子的劇烈擺動(dòng)。

（2）安裝導(dǎo)波管的位置應(yīng)該離開(kāi)罐壁至少500mm，以確保測(cè)量不受環(huán)境溫度的影響。

（3）徹底處理好導(dǎo)波管進(jìn)液小孔的毛刺，以防毛刺掛住浮子。

（4）保證伺服式液位計(jì)導(dǎo)波管的垂直度，以避免浮子碰到導(dǎo)波管的內(nèi)壁造成液位測(cè)量失靈。

三、伺服式液位計(jì)的作用

伺服液位計(jì)系統(tǒng)一般由主伺服、從伺服、雷達(dá)液位計(jì)組成，三臺(tái)液位計(jì)的信號(hào)送至ESD系統(tǒng)組成三選二邏輯，用于停止進(jìn)料或停止罐內(nèi)低壓泵，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的高低液位保護(hù)達(dá)到安全要求，LNG儲(chǔ)罐使用液位-密度-溫度（LTD）連續(xù)測(cè)量設(shè)備和伺服式液位計(jì)相配合來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)罐的液和各個(gè)液面的密度、溫度。LTD 由數(shù)字邏輯單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，可在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)垂直移動(dòng)、測(cè)量，并顯示與各種液面相對(duì)應(yīng)的液體密度和溫度。

伺服式液位計(jì)除了可測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)LNG液位外，還可用于監(jiān)控LNG儲(chǔ)罐分層，預(yù)防翻滾。儲(chǔ)罐內(nèi)液化天然氣由于外界熱量的傳入而發(fā)生氣化，由于各組分的蒸發(fā)量不同，導(dǎo)致LNG的組分和密度發(fā)生變化，這一過(guò)程稱為老化;LNG產(chǎn)品注入儲(chǔ)罐時(shí)，由于新舊 LNG 的溫度及密度不同，會(huì)出現(xiàn)充注分層;一般罐內(nèi)液體垂直方向上溫差大于 0.2℃、密度大于 0.5kg/m 時(shí)，即認(rèn)為罐內(nèi)液體發(fā)生了分層。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG產(chǎn)生分層后， 隨著外部熱量的導(dǎo)入， 底層 LNG 溫度升高，密度變小;頂層 LNG 由于 BOG 的揮發(fā)而變重。下部 LNG 上升到上部，壓力減小，成為過(guò)飽和液體， 積蓄的能量迅速釋放， 產(chǎn)生大量的 BOG，即產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。

因此，LNG儲(chǔ)罐需要對(duì)翻滾進(jìn)行監(jiān)控，而分層是翻滾的前提，檢測(cè)分層就要監(jiān)控溫度、密度、BOG 等，這些 LTD 都可以進(jìn)行監(jiān)控。儲(chǔ)罐內(nèi)各界面溫度、壓力變送器和罐旁指示儀都通過(guò)HART 協(xié)議與伺服液位計(jì)進(jìn)行通信，溫度計(jì)的溫度信號(hào)與壓力變送器的壓力信號(hào)都首先送到伺服液位計(jì)，由伺服液位計(jì)將二者連同液位信號(hào)統(tǒng)一輸出至控制室，實(shí)現(xiàn)與DCS的通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液位的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

四、結(jié)語(yǔ)

伺服式液位計(jì)以其卓越的測(cè)量性能和安全性，越來(lái)越多的在各類工程中得到應(yīng)用。同時(shí)，基于伺服式液位計(jì)的液位測(cè)量方法也將在 LNG 儲(chǔ)罐建造中擁有更為廣闊的使用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]LNG儲(chǔ)罐控制方案探討[C].第六屆 全國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)儀表及自動(dòng)化技術(shù) 〕2016，25（11）：13-15.

[2]孫國(guó)鋒.國(guó)產(chǎn)高準(zhǔn)確度伺服液位計(jì)的測(cè)量原理及應(yīng)用[J].石油庫(kù)與加油站.2018，17（4）：28-32. 〕

[3]鄒華生，黃春來(lái).液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象分析關(guān)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn).2016，25（11）：13-15.