液化天然氣儲罐儀表設(shè)計探討

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(shè)計探討

范琳

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 430223)

結(jié)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(shè)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(yù)測；提出了罐表系統(tǒng)的基本組成和技術(shù)要求。

液化天然氣 儲罐 儀表設(shè)計 罐表系統(tǒng)

液化天然氣(LNG)是天然氣(NG)經(jīng)過凈化處理(脫水、脫重?zé)N、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(zhì)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(zhì)極低溫、氣化率高、易燃易爆，在儲存中易產(chǎn)生分層和翻滾問題，低溫工藝流程復(fù)雜，設(shè)備昂貴。正確選擇儀表，應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)急狀態(tài)或調(diào)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(shè)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(nèi)罐外壁、內(nèi)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(dāng)測點溫度急劇下降時，可知儲罐LNG溢出或泄漏。

2) 內(nèi)罐底上表面、內(nèi)罐內(nèi)壁溫度，由多點溫度計檢測，用于儲罐接收LNG前預(yù)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(shè)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(shè)路徑選取，最長達 64m。 鎧裝材質(zhì)選用耐低溫性能良好的奧氏體不銹鋼。測量罐內(nèi)LNG溫度的16點溫度計設(shè)有保護管，保護管材質(zhì)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(yīng)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(jié)冰、結(jié)霜或凍傷維護人員。

2.2液位測量儀表

LNG儲罐設(shè)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(shù)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(zhì)為304。

LTD變送器由機械驅(qū)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(nèi)設(shè)信號導(dǎo)線，探頭向下移動時，探頭底部的罐底參考開關(guān)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(dāng)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(shè)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(zhì)量增加，振動頻率會降低，反之亦然。經(jīng)適當(dāng)校準(zhǔn)，諧振頻率與管內(nèi)液體密度之間有確定的關(guān)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(shè)有鉑熱電阻。

LTD變送器最低應(yīng)滿足的技術(shù)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(zhì)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(shù)成熟可靠，有可供執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB/T 2624，ISO 5167。

2) LNG介質(zhì)潔凈，無腐蝕性，滿足孔板應(yīng)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(mào)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(jīng)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(zhǔn)確度、縮短上游側(cè)必要的直管段長度[6]，但當(dāng)壓力降到飽和蒸氣壓以下時，LNG會發(fā)生閃蒸[2]，因而應(yīng)在避免閃蒸發(fā)生的前提下選取差壓。此外,當(dāng)管道中插入物體等阻流件時，也會導(dǎo)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(yīng)避開流量計上游側(cè)[5]，例如溫度計。并且還應(yīng)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(shè)表壓變送器3臺，冗余配置。內(nèi)罐吊頂下方區(qū)域設(shè)絕壓變送器、表壓變送器各1臺。大氣壓力降低時，儲罐內(nèi)LNG蒸發(fā)會加大，導(dǎo)致儲罐壓力升高，因而監(jiān)測儲罐內(nèi)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(dǎo)壓管內(nèi)氣液分層面應(yīng)遠離取壓口，導(dǎo)壓管應(yīng)足夠長，確保變送器工作于常溫下，導(dǎo)壓管須設(shè)有消除冷縮應(yīng)力的彎折。

2.5調(diào)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(yīng)采取泄壓措施防止閥腔異常升壓。LNG低溫閥門設(shè)長頸閥蓋保證填料函底部溫度在0以上[7]，LNG閥門應(yīng)做防靜電設(shè)計。

調(diào)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(zhì)A351 CF8，采用對焊方式以減少泄漏點；閥內(nèi)件材質(zhì)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(chǎn)生冷流變形[7]，泄漏等級Ⅴ級(雙向)；閥體材質(zhì)為A351 CF8，對焊連接方式；閥內(nèi)件材質(zhì)為304L。所有切斷閥遵守API 607防火規(guī)范，設(shè)閥位開關(guān),部分重要管線設(shè)雙電磁閥。

3 控制和安全儀表系統(tǒng)

該項目設(shè)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(zé)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(shè)計壓力-1.5～25.0kPa(G)。

影響LNG儲罐內(nèi)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(dǎo)致LNG蒸發(fā)。

影響LNG儲罐內(nèi)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(diào)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(dāng)儲罐壓力升高達到儲罐設(shè)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(guān)LNG外輸控制閥FV01，停LNG罐內(nèi)泵和BOG壓縮機。壓力低于3kPa(G)，補壓閥PV02開啟調(diào)節(jié)，通過補充外輸天然氣總管上經(jīng)膨脹后的氣體維持儲罐壓力。壓力降低到儲罐設(shè)計值，儲罐真空閥打開。

3.2LNG罐內(nèi)泵出口流量控制

LNG罐內(nèi)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(shè)備。LNG罐內(nèi)泵出口流量應(yīng)不小于29m3/h，通過分程調(diào)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(guān)閉，外輸控制閥FV01開啟調(diào)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(diào)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(nèi)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(nèi)泵,關(guān)閉LNG外輸調(diào)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(nèi)迅速上下翻動混合,瞬間產(chǎn)生大量氣化氣的現(xiàn)象[2]，翻滾使容器受到超壓，易導(dǎo)致嚴(yán)重事故。有研究指出LNG分層是產(chǎn)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?jǐn)_產(chǎn)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(yīng)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(nèi)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(zhì)量，監(jiān)測分層并預(yù)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(shè)備共同組成。

TGS應(yīng)滿足的主要技術(shù)要求：

1) 設(shè)置和修正現(xiàn)場儀表，如設(shè)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(zhì)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(yù)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(jié)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(zhì)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(shè)計工作前，應(yīng)對LNG及LNG儲罐的特點做深入了解。通過探討和總結(jié)LNG儲存項目的儀表設(shè)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(shè)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(xué)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(shè)計工作，任工程師。

TQ056

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1007-7324(2013)03-0014-04