淺談LNG項目中低溫儀表的選用

呂高晟，趙國敏，吳佳，于凱澤

（中石化中原石油工程設計有限公司，河南濮陽457001）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的新型能源，越來越受到企業的青睞。隨著LNG貿易在能源市場的逐步深入，LNG接收站、液化站在國內迅速興起，低溫儀表的選擇和應用也成為自動化行業新的挑戰。

常壓下氣態天然氣冷卻至－162℃即凝結成LNG，其主要組分是甲烷，通常情況下多儲存在112 K（－161.15℃）、壓力為0.1 MPa左右的低溫儲罐內，其密度為標準狀態下甲烷的600多倍。筆者結合在德陽6×105m3/d液化天然氣工程中的實際工作經驗，遵循技術先進、安全可靠、維修方便和經濟合理的儀表選用原則，分析了LNG低溫場合儀表的選用及安裝。

1 溫度儀表

電阻式溫度傳感器被廣泛應用于低溫介質的溫度測量，低溫可測至－200℃。它是利用導體或半導體的電阻率隨溫度變化而變化的原理而工作的。LNG工程中多用鉑熱電阻。鉑熱電阻測量范圍寬、精度高、性能穩定、重復性好，長時間穩定的復現性可達10－4K，其阻值與溫度之間幾乎成線性變化。

精度要求不高、就地指示溫度即可滿足要求的場合可用壓力式溫度計，其依據封閉系統內部工作物質的體積或壓力隨溫度變化而變化的原理工作。

2 壓力儀表

在LNG工程中，壓力變送器仍是最為經濟、適用的檢測壓力儀表。正常情況下，壓力變送器允許的介質溫度一般在－40℃以上，不能直接接觸液態LNG。如果壓力變送器的膜片直接承受如此低的溫度沖擊，會使膜片脆裂，存在發生泄漏的危險。

目前LNG壓力測量都是通過測量氣相壓力來實現其液相的壓力測量。其原理是通過延長導壓管，使介質吸收環境的熱量氣化，溫度升高，達到變送器可以測量的溫度。由于導壓管是聯通的，介質的氣相壓力和管線的壓力幾乎相等，即可通過測量介質的氣相壓力來測量管線的壓力。氣化后產生的氣體不但可以隔離低溫液體和變送器膜片，保護變送器，還可以在一定程度上起到阻尼器的作用，有利于變送器的測量值穩定。

此處需要特別注意的是材料的選擇、導壓管和壓力變送器的安裝。首先，取壓的根部閥必須是低溫閥，閥門、導壓管的材質必須是耐低溫材質。導壓管應做保冷，其作用是達到人身防護作用和使LNG緩慢地氣化。LNG快速氣化時，其體積比為1∶600，會瞬間產生巨大的壓力，因而應使導壓管內氣液的界面遠離取壓口，避免對儀表造成不可預估的損壞。其次，導壓管的安裝應根據低溫介質的特點稍作變通。通常情況下，導壓管的走向：液態介質向下引壓，氣態介質向上引壓，但對于LNG則不能完全按照液態介質來引壓。在管道或設備上取壓時，建議采用水平向上5°～10°取壓，導壓管水平管段的長度應保證讓液態的LNG充分氣化，并將氣化后的氣體封住在水平導壓管內，不冒進主管線或設備中，減少冷量的損失，同時又避免因為液柱高度變化造成測量結果偏移，影響測量準確性。最后，壓力變送器的安裝位置應高于根部取壓閥，避免液相LNG流向儀表，造成儀表的損壞。

3 液位儀表

低溫液體液位測量的方法多種多樣，實際設計和應用時應結合項目特點和設備實際情況，合理選擇經濟、適合的方法。本文結合德陽6×105m3/d液化天然氣工程，提出幾種適合中小型LNG儲槽及低溫壓力容器的液位測量方法。

差壓法是目前最常用的測量中小型LNG儲槽內低溫液體液位的方法。該方法通過從儲槽底部和頂部分別引出導壓管，測量兩導壓管的壓力差值（即儲槽內液柱產生的靜壓力），從而確定儲槽內的液柱高度，可現場顯示，也可通過差壓變送器將信號傳送到中控室進行顯示和報警，參與儲槽或系統的控制聯鎖。差壓法原理簡單、使用方便，能連續指示液位。

小型低溫壓力容器的液位測量也可采用低溫型帶真空夾套的磁浮子液位計，其在原有的磁浮子液位計結構基礎上，在測量筒和平衡連通管外增加了真空保溫層。因此，平衡管和測量筒中的液體雖為低溫，但其外面的真空保溫層隔阻了內部的低溫液體與外界空氣的溫度影響，不至于造成液位計的冷凝，有效地消除了普通磁浮子液位計用于低溫場所下結冰的現象。磁浮子液位計用于現場液位檢測，具有結構簡單、觀察清晰明了的特點，帶真空夾套的磁浮子液位計保障了低溫場合下儀表應有的功能，在很多低溫項目中已經得到了實際應用。

4 流量儀表

結合德陽6×105m3/d液化天然氣工程的流程特點和工藝要求，測量低溫介質流量時，若用于監測控制，精度要求不高，選用節流式流量計或渦輪流量計；若用于交接計量，精度要求高，選用低溫質量流量計。

使用節流裝置測量LNG流量時，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，但當壓力降到飽和蒸汽壓以下時，LNG會發生閃蒸，因而應在避免閃蒸發生的前提下選取差壓。根據LNG工程經驗并結合工程的實際工況進行計算，采用孔板既滿足技術要求又經濟實用。孔板無可動部件，無須考慮潤滑與摩擦問題，采用耐低溫材質即可在低溫條件下使用。需要注意的是孔板的量程范圍較窄，僅為1∶3，且孔板適合的最小管徑為DN 50。

相對孔板，渦輪流量計可用于測量量程范圍寬的低溫介質流量，且其壓降低，但缺點是內部有高速運轉部件，不耐氣蝕，壽命較短。渦輪流量計中裝有轉子和軸承等以高速轉動的可動部分、摩擦部分。轉子、軸承是渦輪流量計的最重要部分，決定其特性、耐久性，選擇儀表時要十分注意其材質。用渦輪流量計測量LNG時，最容易發生的故障是因儀表的壓力損失而引起的急劇蒸發。儀表中形成急劇蒸發后，轉子將以比通常轉速快數十倍的速度旋轉，軸承會在很短的時間內就被徹底磨壞，因而防止蒸發的最好方法是適當加大儀表的尺寸。渦輪流量計的壓力損失與流量的平方成正比，如能將被測最大流量限制在儀表容量的0.5倍時，壓力損失可下降到額定電壓的0.25倍。

LNG為深冷低溫介質，對環境溫度極其敏感，極易氣化和蒸發，其動態計量一直是貿易計量的難點，企業多采用稱重方式進行計量。近幾年科里奧利質量流量計在LNG計量中逐漸被推廣應用。LNG液化后的計量與油品相似，以質量為交接單位。而科里奧利質量流量計正是利用流體在振動管中流動時，將產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理進行測量的，可直接測得LNG的交接質量。其他類型流量計測得的是體積流量，必須再測得溫度、壓力和密度等參數，才能換算成交接質量。其中密度測量如果采用在線密度計，其價格與質量流量計相近，如果采用離線分析，由于高壓、低溫，采樣的代表性不好，同時由于LNG飽和蒸汽壓高，在常壓下無法檢測密度，只能用色譜分析法檢測，不僅檢測成本高，操作復雜，而且檢測準確度難以保證。且質量流量計量程比寬，準確度高，其腔內無可動部件，也無阻礙流體流動的部件，不需要前后直管段，具有方便維護、穩定性好和可靠性高等特點，是LNG交接計量的理想流量計。

5 分析儀表

LNG成品的組分分析是衡量LNG產品合格性的重要指標，由于LNG是超低溫的液體混合物，要想獲取其真實組分，需避免組分的分流氣化，保證其氣化的均勻性。目前，針對LNG產品的連續取樣主要有兩種方式，分別是采用電加熱氣化減壓閥和專用的LNG深冷氣化器進行管輸LNG的取樣和氣化。方式一結構簡單、價位低；方式二采集LNG液體試樣經專用氣化器氣化后送至儲氣筒/緩沖罐，均勻混合后減壓保溫送至色譜分析儀。

根據GB/T 20603—2006《冷凍輕烴流體液化天然氣的取樣連續法》，要求LNG取樣時應避免取樣管線中介質的部分氣化，采取特別措施盡量使收集到的氣體試樣具有代表性。故推薦采用方式二，極大地保證了取樣試樣質量。采用專用LNG深冷氣化器可使取出的全部LNG試樣氣化，使產品中的重組分不至于殘留，且氣化后的儲氣筒/緩沖罐使各組分得以充分、均勻混合，保證了分析組分的穩定性。

6 結束語

儀表自動化的類型十分廣泛，其技術發展也是與時俱進的。筆者結合自身的工作經驗，總結了LNG項目中低溫場合下各類儀表的選型、安裝及注意事項，期望能給相關項目提供參考。

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