LNG儲罐儀表監測系統和調試問題分析探討

王繼光,楊春慧,毛 偉

(中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266000)

LNG儲罐儀表監測系統和調試問題分析探討

王繼光,楊春慧,毛 偉

(中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266000)

液化天然氣(LNG)儲罐儀表監測系統是確保接收站重大危險源處于可控狀態和合理安排生產計劃的重要系統，它的順利調試和投用是確保接收站順利投產和運行的重要保障。在國內E+H儲罐管理系統的LNG接收站中配置WHESSOR液位溫度密度計(LTD)。首先詳細介紹了液位天然氣儲罐儀表監測系統的網絡拓撲結構及系統組件，并對伺服液位計、LTD的測量和工作原理進行闡述；然后總結系統調試過程中現場儀表和管理系統中存在的問題，重點對設備安裝的同心度、儀表與系統兼容性、系統通信不穩定、LTD輪轂卡死等問題進行分析和測試；最后根據問題提出切實可行的解決方法和改造方案。經過實際生產和應用，該系統運行穩定、可靠。在系統調試過程中，對相關調試問題的分析、研究和采用的解決方案等，對國內具有相同配置儀表系統的調試和投用具有重要的指導意義。

石油化工; 安全; LNG監測系統; 數據采集; 液位計; 溫度

0 引言

儲罐儀表監測系統是接收站安全管理和生產操作的重要組成部分，是確保接收站正常運行和生產的重要保障。在安全管理方面，儲罐儀表監測系統能夠實時監測儲罐內壁、外壁內部、熱角保護空間、儲罐底部等關鍵位置的介質泄漏，確保儲罐結構處于全方位、全天候的監測[1]；儲罐儀表監測系統能夠實時監控儲罐內部氣相空間、液相空間以及液相空間中不同位置、維度的介質溫度、密度，確保接收站儲罐重大危險源處于可控狀態，避免分層、翻滾等危險工況的產生[2-3]。在生產操作和管理方面，儲罐儀表監測系統能夠提供精確數據，從而指導生產管理部門制定科學合理的卸船方案。液位聯鎖保護能確保低壓泵的運行并使儲罐液位處于正常狀態，從而避免在卸船過程中發生異常工況[4]；儲罐儀表系統能夠提供準確的罐容數據，從而指導生產管理部門根據庫存制定科學、合理的接船計劃和外輸計劃，實現接收站收益最大化。

本文在介紹某液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)接收站儲罐儀表系統的網絡拓撲結構和現場儀表組成的基礎上，詳細闡述了儲罐儀表監測系統調試過程中存在的問題及解決方案，最后根據調試中存在的問題進行總結，以便指導相關系統的調試工作。

1 LNG儲罐儀表監測系統介紹

在液化天然氣接收站實際生產和運行過程中，儲罐儀表監測系統能確保儲罐結構本身、儲罐存儲介質處于安全可控狀態，指導工藝進行卸料操作，從而避免分層、翻滾等異常工況的產生，為接收站LNG物料的倉儲管理和外輸接船計劃的制定提供可靠的數據依據。LNG儲罐儀表監測系統主要由現場監測儀表、數據采集單元和儲罐計量監測系統組成[5]。某LNG接收站儲罐儀表監測系統采用恩德斯豪斯(E+H)儲罐監測管理系統，儲罐計量監測系統采用E+H的Tankvision-LMS儲罐監控管理軟件和Tankvision Rollover Module防翻滾軟件，數據采集單元均采用E+H的Tankvision Multiscan-Mini Receiver，伺服液位計采用E+H的NMS 53x系列，平均溫度計采用E+H的Prothermo NMT 539智能HART信號轉換器，多點溫度轉換器采用E+H的TM188系列采集器[6]。基于節約投資成本的考慮，液位溫度密度計(level temperature dersity,LTD)選用了WHESSOE- 01146液位-溫度-密度檢測儀表。

1.1 儲罐儀表監測系統網絡拓撲結構

LNG儲罐儀表監測系統網絡主要由設備層、控制層和管理層三層組成，其網絡拓撲結構具體如圖1所示。

圖1 儲罐儀表系統網絡拓撲結構圖

設備層采用冗余形式的RS-485 Modbus通信方式傳輸現場溫度、密度和液位數據。主伺服液位計、溫度采集器和LTD主通信接口掛接在設備層主通信回路上，備伺服液位計、溫度采集器和LTD備通信接口掛接在設備層備通信回路上，智能平均溫度信號轉換器采用HART通信方式傳輸給伺服液位計。管理層采用冗余RS-485 Modbus通信方式實現兩臺數據采集器的冗余，并將儲罐監測系統的數據傳輸給DCS系統[7-8]。控制層采用冗余的TCP/IP網絡協議，實現儲罐管理系統對現場數據的采集和現場儀表的控制操作。

1.2 儲罐儀表系統主要設備

LNG儲罐儀表監測系統主要由現場監測儀表、數據采集單元和儲罐計量監測系統組成。

1.2.1 現場監測儀表

現場監測儀表主要用于監測儲罐內外壁、底部溫度，采集儲罐內部氣液相溫度、介質液位、不同高度維度上的溫度和密度，以實現對儲罐結構性泄漏的監測和介質分層的預防[9]。現場監測儀表由溫度采集單元、平均溫度計、伺服液位計和LTD組成。伺服液位計和LTD的主要工作原理和組成如下。

①伺服液位計。

伺服液位計由測量浮子、鋼絲、輪轂、步進電機、控制主板和通信主板等主要部件組成。其工作原理基于阿基米德浮力定律，根據液位浮子的浮力變化對浮子質量進行測量。測量公式為：

F輪轂=G浮子-F浮子

(1)

式中：F輪轂為測量輪轂所受力；G浮子為液位測量浮子重力；F浮子為浮子浸入LNG中所受浮力。

伺服液位計的測量原理為：當液位發生變化時，懸掛浮子的鋼絲所受張力發生變化，從而帶動測量輪轂轉動使霍爾傳感器的磁感應電流發生相應變化；磁感應電流變化映射質量信號變化；控制主板根據輪轂平衡力Fbalance(常數)與F輪轂的關系并利用步進電機調整浮子位置，直至F輪轂=Fbalance。

當浮子處于下降且浮子未接觸液面時，Fbalance

當浮子處于液面以下時，Fbalance>F輪轂，步進電機驅動浮子繼續上升直至F輪轂=Fbalance。

②平均溫度計。

平均溫度計主要用于測量儲罐垂直維度上的固定點的氣液相平均溫度，每個儲罐由2組平均溫度計組成，分別通過HART協議與伺服液位計進行通信。每組平均溫度計由12個測溫點組成，每個測溫點間隔3 m，監測不同液位上的溫度。

儲罐內氣液相溫度由伺服液位計根據平均溫度計測量點的單點溫度和伺服液位計測量的液位計算得到。當平均溫度計的溫度測量點出現故障時，在平均溫度的計算過程中會自動去除該故障點，以免影響平均溫度的計算。

③LTD。

LTD在實時監測儲罐內LNG的動態變化和預防儲罐發生危險工況等方面有舉足輕重的作用。LTD的硬件結構主要包括產品室和電路室兩部分，其附件主要有隔離球閥、穩液管和觀察窗。LTD的產品室主要由傳感器探頭、帶涂層的打孔鋼帶、鏈輪、鋼帶輪轂和高低限位開關組成。其中，傳感器探頭是LTD產品室的主要組成部分，它主要由溫度探頭、密度探頭、保護罩和鋼帶連接接頭組成，而密度探頭由振蕩管、激勵線圈和檢測線圈組成。電路室是LTD數據處理和通信的核心部分，它主要由轉換接頭、儀表電路板、液位編碼和就地LCD顯示組成。

LTD的測溫原理是基于熱電阻的阻值隨溫度的變化而變化。電阻值與測量溫度之間的關系可以表示為：

Rt=Rt0×[1+α×(t-t0)]

(2)

式中：Rt為溫度為t時的電阻值；Rt0為溫度為t0時的對應電阻值；α為溫度系數。

密度的測量首先通過激勵線圈，利用振蕩管將振蕩管和其內液體的固有頻率傳輸給測量線圈;然后利用固有頻率與振蕩管及其內液體質量的關系，得到振蕩管及其內液體的質量；由于振蕩管的質量和其內體積是一個常量，最終可以得到振蕩管內液體的密度。介質密度與震蕩周期、溫度之間的關系式為：

(3)

(4)

式中：t0為傳感器的標準參考溫度，℃;t為傳感器的實際溫度，℃;Nθ為傳感器的溫度漂移常數，μs/℃；T0為周期校準常數，μs；D0為密度校準常數，kg/m3；T為浸沒在介質中傳感器的振蕩周期，μs；D為介質的密度，kg/m3；K為校準常數。

1.2.2 數據采集系統

Tankvison Multiscan/Mini Receiver-ATG數據采集系統不僅具備對現場溫度、液位和密度等數據的掃描功能，而且還具備庫存管理計算功能，可依據內置的API/ASTM等國際標準進行復雜的罐區計量計算。ATG數據采集系統具有7個可編程的輸入輸出串口，均定義為Modbus RS-485通信協議。其中:COM1、COM2用于主備ATG數據采集系統的冗余，COM3、COM4用于1#儲罐現場數據的掃描，COM5、COM6用于2#、3#儲罐現場數據的掃描，COM7用于將系統數據傳輸給DCS系統[10]。

1.2.3 儲罐計量監測系統

儲罐計量監測系統主要用于實現庫存管理、現場儀表測量參數的顯示、翻滾預測、熱泄漏檢測和罐表操作等功能，主要包括Tankvision-LMS儲罐監控管理軟件、Tankvision-LMS Rollover Module防側翻滾軟件。

①Tankvision-LMS儲罐監控管理軟件。該軟件可實現庫存管理、密度溫度計測量顯示、罐內多點溫度/平均溫度顯示、罐表面溫度顯示、翻滾預測、化學組分顯示、熱泄漏監測等多項功能。

②Tankvision-LMS Rollover Module防側翻滾軟件。該軟件配備了復雜的LNG翻滾預測計算模型，通過采集LNG儲罐內的多項數據，結合LNG產品的特性，能夠計算出當前LNG儲罐內出現翻滾的概率、發生時間以及發生翻滾時可能產生的BOG量和壓力等，因此該軟件可以有效降低LNG儲罐的運行風險和成本。

2 儲罐儀表監測系統調試問題

儲罐儀表監測系統的調試過程主要包括現場儀表安裝檢查和確認、傳輸線路檢查、系統上電、現場儀表設置調試、RS-485通信檢查確認、Multi參數設置調試、上位機系統調試、與第三方系統調試、系統聯調和測試等。現對系統調試過程中存在的實際問題進行總結和分析，以便指導相關、類似系統的調試過程。

2.1 伺服液位計穩液管安裝同心度差

伺服液位計在參數配置完成投用前進行單機測試。測試過程出現液位浮子卡住現象，且浮子多次下降后再上升，均在同一位置卡住。

由于在伺服液位計調試時，儲罐已完成預冷，故不能在截斷球閥處于開狀態時松動連接法蘭調整安裝位置；最后通過調整儀表伺服電機的輸出力矩，依靠伺服電機的外力將浮子提升，待浮子上升至罐頂后，取出液位浮子發現浮子上有新的劃痕。

由于在儀表調試過程中，在某一固定位置反復出現卡頓的現象，故可以確定其原因為伺服液位計穩液管安裝的同心度差，穩液管焊接處焊縫打磨不夠光滑或者穩液管開孔處毛刺欠打磨。通過將液位浮子上升至罐頂，關掉截斷球閥后將伺服液位計的安裝位置調整90°。調整完成后，測試過程中浮子無卡頓現象。

在安裝檢查階段對穩液管的同心度和內壁平滑度進行仔細檢查，避免調試過程中出現浮子卡頓現象；同時建議儀表安裝在儲罐投產前內罐清潔度檢查完成后就進行調試，以便在調試中發現穩液管安裝有問題時可以檢查確認。調試完成后務必確保浮子上升至罐頂且截斷球閥關閉[11]。

2.2 數據采集器與LTD間通信狀態不穩定

在現場儀表與數據采集器進行通信測試階段，發現伺服液位計、溫度采集器均能將數據穩定地傳輸給數據采集單元，但是在LTD數據采集方面存在通信建立時間長、主備采集器切換和LTD重啟后時常發生通信失敗現象。

利用串口測試工具Modscan在采集器數據串口和現場LTD通信輸出口處進行數據掃描。數據掃描結果表明：在現場儀表重啟和模擬數據采集器切換時，LTD數據通信正常且穩定；但是LTD建立通信時間較長，平均需要丟包30個才能建立正常的通信。

測試表明，現場儀表和數據采集器通信接口均沒有問題，但是數據采集器在數據掃描策略中，存在現場儀表通信故障問題；而LTD建立通信之前都要主動發送多個校驗數據包，進行多次通信確認后才發送儀表數據，故導致LTD通信狀態不穩定，其原因為數據采集器和LTD基于RS-485 Modbus協議的數據掃描策略不兼容。最后，通過對數據采集器進行升級，確保LTD在多次發送校驗包后能夠與數據采集器建立正常穩定的通信。

在儀表和數據采集系統選型時，不僅要確認通信協議和接口類型一致，也要確保數據掃描策略不發生沖突，要盡量采用經過兼容性測試的產品，以免不同廠家產品存在通信不兼容問題。

2.3 儲罐計量監測系統與LTD存在兼容性問題

采用E+H的上位機系統和WHESSOE的LTD，在測試過程中存在以下問題。①LTD不能自動執行用戶定義的profile文件；②上位機發出執行profile命令后會將LTD 的本地profile數據更改為標準profile的數據，致使系統不能自動按照用戶定義的profile進行數據收集；③由于系統兼容性存在問題，致使上位機軟件不能按照用戶設置的profile文件和測量周期自動進行數據采集。根據現場調試問題，對E+H數據采集系統進行系統升級，以確保系統功能的完整。

2.4 LTD投用中存在輪轂卡死現象

在LNG儲罐投產過程中，當儲罐液位達到0.5 m后，打開LTD的截斷球閥使儀表投用，但是在投用過程中出現由于鋼帶在輪轂上纏繞混亂致使卡死輪轂的現象。

LTD輪轂卡死后，對LTD作上升和下降的操作均無效；同時由于儲罐內存在介質，故不能直接打開輪轂側的腔室將輪轂取出，只能將電子腔打開并利用專用工具靠外力將浮子上升至罐頂，關閉截斷球閥后再打開進行處理。

LTD投用過程中出現輪轂卡死的現象主要是由于在儀表調試完成后，未將LTD切換至就地操作模式或者將LTD斷電，從而使儀表在截斷球閥關閉狀態下進行下降操作。當LTD 在截斷球閥關閉狀態下下降時，其低停止位杠桿不起作用，故不能停止儀表的下降操作，同時LTD輪轂會不停轉動致使鋼帶松動且在輪轂上打卷，直至輪轂不能轉動為止。因此，當投用現場儀表時會出現鋼帶打卷混亂致使輪轂卡死。

現場儀表調試完成后，將儀表斷電和設置為就地操作模式；當儀表正式投用時才送電和設置為自動模式。此外，在投用時要通過視窗觀察輪轂上鋼帶的纏繞狀況，避免輪轂卡死。

3 結束語

儲罐儀表監測系統是LNG接收站生產中重要的監測控制系統，且系統投用后維護和檢查難度較大，因此在系統調試和投用過程中要針對出現的問題進行處理，以免造成安全隱患[12]。在系統調試過程中，要在深入研究系統網絡拓撲結構和系統構成的基礎上，對系統內數據通信穩定性和可靠性進行測試，確保系統內數據傳輸穩定、系統工作可靠。針對LTD和伺服液位計的安裝、調試和投用，要避免出現穩液管同心度差、鋼帶(絲)打卷、輪轂卡頓等問題。在儀表和系統選型過程中，要確保選用產品完全兼容、工作穩定可靠等。

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Analysis and Investigation of the Instrument and Monitoring System of LNG Storage Tank and Related Issues of Its Commissioning

WANG Jiguang,YANG Chunhui,MAO Wei

(Sinopec Qingdao LNG Co.,Ltd.,Qingdao 266000,China)

The instrument monitoring system of LNG storage tank is an important system to ensure that the major hazard source of the receiving station is in the controllable state and the reasonable arrangement of the production plan，so commissioning and putting into operation of the system are the important guarantee to ensure the operation and production of receiving station are running smoothly.WHESSOR LTD gauge is configured in domestic E+H storage management system,the network topology and the system structure of the LNG tank instrument monitoring system are introduced in detail,and the measurement and working principle of servo level meter and LTD are presented,then the problems of the existing field instrument and management system in the process of system commissioning are summarized,the concentricity of the equipment installation,compatibility of the instrument and system,the instability of system,stuck of communication hub of LTD and other issues are analyzed and tested,and the solutions and feasible schemes of retrofit are put forward.The actual production and application show that the system is stable and reliable,and the analysis and research,as well as solutions in commissioning process are worth to be referenced for similar instrument and system with the same configuration.

Petrochemical industry; Safety; LNG monitoring system; Data acquisition; Level gauge; Temperature

王繼光(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事接收站儀表的維護工作。E-mail:287463981@qq.com。

TH81;TP30

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705023

修改稿收到日期：2017-01-08