液化工廠LNG儲罐的儀表選型與控制方案設計①

孔祥濤

(中國成達工程有限公司)

液化工廠LNG儲罐的儀表選型與控制方案設計①

孔祥濤

(中國成達工程有限公司)

介紹LNG儲罐結構和工藝流程，探討液化工廠LNG儲罐和接收站LNG儲罐的差異，構建合理的控制系統架構。闡述LNG儲罐的儀表配置和選型要求，介紹LNG儲罐的控制與聯鎖方案。

儀表配置與選型 LNG儲罐 控制方案與聯鎖

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)是原料天然氣經預處理、脫除酸氣、重烴、汞、水后與混合冷劑換熱冷卻至其沸點溫度(-162℃)而成的[1]，主要成分是甲烷，體積約為同量氣態天然氣的1/625。LNG通常存儲在-162℃、25kPa左右的低溫儲罐內。

LNG儲罐容量大，罐中介質溫度低、呈沸騰狀態、汽化率高、易燃易爆，導致在儲存中極易產生分層和翻滾的問題[2]。因此，正確選擇儀表，設計周全的控制聯鎖方案，應用成熟可靠的控制系統，才能確保LNG存儲裝置的穩定運行和人身、環境的安全。

筆者以某液化工廠的LNG儲罐為研究對象，結合儲罐結構及其工藝流程，介紹了LNG儲罐的儀表配置與控制方案設計。

1 LNG儲罐結構與工藝流程

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

LNG儲罐分為內槽與外槽，內槽設計溫度為-196℃，工作溫度為-162℃，設計壓力為25kPa，工作壓力為20kPa；外槽設計溫度為-20℃，設計壓力為1.0kPa，工作壓力為-0.5～0.5kPa。LNG儲罐日蒸發量小于0.06%。內槽與外槽之間填充珠光砂，并充氮氣保護。

該液化工廠的LNG儲罐工藝流程如圖1所示。物料管線主要有上進液管線、下進液管線、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、補氣管線、自增壓管線和放空管線。

2 LNG儲罐控制系統

為了有效監控液化工廠中的LNG生產過程，確保生產運行安全可靠，控制系統采取DCS系統、SIS系統相結合的原則。重要工藝參數的顯示、控制、報警和工藝聯鎖保護控制由DCS系統完成；當生產裝置出現緊急情況時，由SIS系統發出安全聯鎖保護信號，使工藝系統和設備處于安全狀態(停車或放空)。

液化工廠的LNG儲罐與陸上LNG接收站儲罐接收的LNG是有區別的。陸上LNG接收站接收不同船只運來的LNG，每一艘船的LNG可能來自不同的液化工廠，因此LNG成分和密度是有差別的，這就導致LNG在儲罐內易形成分層，引起翻滾[3]。因此，對于陸上LNG接收站儲罐，需配置儲罐管理系統，以密切關注液位分層和預警翻滾。液化工廠的LNG儲罐接收的是同一工藝裝置生產的LNG，組分穩定，輔以BOG回收再液化單元，因此只需優化控制就可以確保LNG儲罐的安全，同時不需配置昂貴的儲罐管理系統，節省了造價。

圖1 LNG儲罐工藝流程

3 儀表設置與選型

甲烷屬于爆炸性危險氣體，LNG儲罐區域劃分為zone 1、2區，根據防爆要求[4]，爆炸危險區的儀表防爆形式選擇本安型，開關量信號選擇隔爆型[5]。為保障儀表檢測過程的正常進行，戶外安裝的現場儀表應選用全天候型，防護等級至少為IP65[6]。

3.1 溫度測量儀表

LNG儲罐內壁設置14個溫度監測點，每個監測點相隔1.5m，用于監測內罐從上到下液體溫度分布情況。由于液化工廠LNG儲罐內LNG來自同一工藝裝置，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，可以通過監測LNG儲罐內罐垂直溫度分布，來獲得罐內LNG密度的分布與差異。

LNG儲罐內罐底板設置3個溫度監測點，用于監測底部LNG的溫度變化情況；外罐底板設置3個溫度監測點，用于監測內筒底部是否泄漏，當監測點溫度急劇下降時，即可得知儲罐LNG溢出或泄漏。

由于溫度測量儀表全部安裝在密閉空間內，防爆區域劃分為zone 0區，選型時需注意只有本安ia型儀表才能用在zone 0區。因此，選擇裝配式雙支鉑熱電阻Pt100，溫度測量范圍-200～50℃，三線制，A級允差，304護套，與設備直接焊接，防爆等級為Ex ia IIC T4。熱電阻通過低溫電纜接至儲罐外壁上的接線箱，然后從接線箱引電纜至DCS機柜，實現集中管理。

3.2 壓力測量儀表

壓力是LNG儲罐監測的重要參數，儲罐內槽罐頂設置一臺壓力變送器PT102，進SIS系統。另設置一臺壓力變送器PT101，進DCS系統。

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

3.3 液位測量儀表

常壓下，LNG在低溫常壓儲罐內處于沸騰狀態，采用單一的液位計進行液位測量極易出現虛假液位指示現象。為了得到準確的液位值，每個LNG儲罐應裝有3套不同測量原理的液位系統(一臺伺服液位計LT-101、一臺雷達液位計LT-102和一臺差壓液位變送器LT-103)，測量信號進SIS系統，做“2oo3”表決后參與安全聯鎖。

伺服液位計由高精度力傳感器、伺服電機系統、測量磁鼓、測量浮子和鋼絲組成[7]，基于阿基米德浮力平衡原理，通過檢測浮子的位移測得液位或界面變化。為了防止進液時液面波動對測量結果產生影響，需要安裝穩液導向管。穩液管的管徑一般為DN150mm，伺服液位計安裝在穩液管之上，與穩液管通過法蘭連接，浮子在穩液管內上下移動。伺服液位計的測量精度可達±1.0mm。

雷達液位計根據雷達波從探頭發射到介質表面再返回到探頭的時間來測量液位值。反射回來的信號強度與介質的相對介電常數成正比，而LNG的介電常數非常低(液態甲烷的介電常數只有1.676 1)[8]，因此反射回來的信號較小。如果采用非接觸式雷達液位計，雷達波經LNG分界面反射后，由于信號的發散，導致最終接收的信號強度非常弱，測量效果不佳。為了減少信號損失，選用導波雷達液位計，使雷達波沿導波桿傳播，提高接收信號的強度和穩定性。導波雷達液位計的測量精度可達±3.0mm。

從LNG儲罐底部和頂部分別引出導壓管，測量兩導壓管的壓力差，即可得到儲罐內液柱產生的靜壓力，從而確定儲槽內的液柱高度。通過差壓液位變送器將信號傳送到控制機柜，實現集中管理。

值得注意的是，儲罐底部是LNG，差壓液位變送器的高壓側不能直接接觸-162℃的液體，所以在儲罐底部引出的導壓管需要延長，使LNG吸收環境的熱量后汽化，溫度升高至變送器膜片可以承受的溫度。因導壓管與儲罐底部是連通的，導壓管內LNG汽化后的壓力最終會與儲罐底部的壓力達到平衡，這時差壓液位變送器高壓側的壓力真實地反映了儲罐底部的實際壓力。

3.4 控制閥

進出LNG儲罐管線上的閥門都要承受-162℃左右的低溫，因此，閥體與閥內件材料選擇耐低溫的不銹鋼，同時低溫閥門設有長頸閥蓋以保證填料函底部溫度在0℃以上[9]。填料函結構選擇柔性石墨填料，不宜采用PTFE，以避免冷流現象。LNG閥門應做防靜電設計。采用對焊式連接以減少泄漏點。

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

去BOG壓縮機管線設置一臺切斷閥XV103，自增壓管線設置一臺切斷閥XV104，補氣管線設置一臺切斷閥XV105，均選用球閥，閥桿密封采用柔性石墨填料，閥體密封采用增強聚四氟乙烯RPTFE軟密封面加金屬閥座支撐，泄漏等級為V級。所有球閥應遵循API607防火規范。所有切斷閥設閥位開關，進DCS系統做顯示。

放空管線上設置一臺PV101調節閥，采用單座globe閥，帶IP定位器和電磁閥，由DCS系統控制，為FO閥，即儀表氣源故障時，PV101為全開狀態，讓儲罐處于放空狀態，以保障儲罐安全。放空管線上并聯一臺呼出安全閥，設定壓力為24kPa，選用先導式安全閥；設置一臺真空泄放閥(吸入安全閥)，設定壓力為-0.5kPa，選用配重式真空安全閥。

4 控制方案和聯鎖

4.1 壓力控制和聯鎖

由于儲罐內LNG蒸發將產生BOG，隨著BOG的增加，儲罐內壓力會隨之增加，如果不及時處理BOG，將造成儲罐超壓，所以需要對儲罐壓力實施控制。為確保儲罐壓力控制在15kPa左右，調控聯鎖方案如下：

a. 當內槽壓力升高到15kPa時，開關閥XV103開啟對BOG進行加熱回收；

b. 若壓力繼續升高到20kPa，放空調節閥PV101開啟進行放空降壓；

c. 若壓力仍繼續升高到24kPa，呼出安全閥起跳進行放空。

當LNG儲槽存有大量排液時，內槽壓力將降低，為避免內槽出現負壓狀況，需要對內槽進行增壓。負壓安全設置4道關卡：

a. 當內槽壓力低于7kPa時，自增壓控制閥XV104打開，由自增壓器進行自增壓；

b. 如果壓力繼續降低至5kPa，補氣控制閥XV105打開，通過補氣裝置進行補氣增壓；

c. 如果壓力仍繼續降低至2kPa，關閉出液緊急切斷閥XV102；

d. 如果安全控制系統全部失靈，壓力繼續降低至-0.5kPa，吸入安全閥開啟，吸入空氣，從而保護內槽安全。

4.2 液位控制和聯鎖

當LNG儲罐液位達到罐容的90%時，觸發液位高高聯鎖，關閉進液閥XV101，聯鎖觸發冷劑壓縮機機組停車，冷箱液化單元停止制冷液化。

當LNG儲罐液位達到罐容的10%時，觸發液位低低聯鎖，關閉出液閥XV102，防止液位繼續降低造成罐內無液。

5 結束語

在開展工程設計工作前，應對LNG的物理性質和LNG儲罐的特點做深入了解。依據LNG的理化性質和化工自控專業相關規范，進行儀表選型和安裝設計。結合LNG儲罐的工藝流程，確定合適的控制方案與聯鎖，對LNG存儲裝置的安全穩定運行具有重大意義。

[1] 顧安忠,魯雪生.液化天然氣技術手冊[M].北京:機械工業出版社,2010.

[2] 范琳.液化天然氣儲罐儀表設計探討[J].石油化工自動化,2013,49(3):14～17.

[3] 王良軍,劉揚.大型儲罐內LNG翻滾機理和預防措施[J].天然氣工業,2008,28(5):97～99.

[4] GB 50058-2014,爆炸危險環境電力裝置設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[5] GB 3836.1-2010,爆炸性環境第1部分:設備通用要求[S].北京:中國標準出版社,2010.

[6] 陸德民,張振基,黃步余.石油化工自動控制設計手冊[M].北京:化學工業出版社,2011.

[7] 崔英超,李軍.Enraf伺服液位計在球罐上的應用[J].科技資訊,2013,(17):71.

[8] David R L.CRC Handbook of Chemistry and Physics[M].Boca Raton:Taylor Francis Inc,2005:6～155.

[9] GB/T 24925-2010,低溫閥門技術條件[S].北京:中國標準出版社,2010.

孔祥濤(1982-)，工程師，從事化工自動化設計工作，kxt222@126.com。

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1000-3932(2017)03-0312-04

2016-10-08，

2017-01-16)