LNG接收站溫度測量儀表的設(shè)計選型

康鵬飛

關(guān)鍵詞：LNG接收站;溫度測量;儀表選型

隨著國內(nèi)液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）需求量的快速增長，LNG接收站項目呈現(xiàn)飛速發(fā)展趨勢。中國已成為全球第二大LNG進(jìn)口國，建成了深圳大鵬、福建、大連、天津、江蘇等20余處LNG接收站，且有更多的接收站項目正在建設(shè)或籌備。LNG接收站的工藝介質(zhì)較多，例如LNG、蒸發(fā)氣（Boil-off Gas，BOG）、NG、氮氣、儀表風(fēng)、海水等，溫度測量范圍較廣（-180～80℃）。工程人員在進(jìn)行溫度測量儀表選型時，既要考慮儀表測量范圍，又要考慮價格、精度、響應(yīng)時間、可維護(hù)性甚至LNG行業(yè)傳統(tǒng)習(xí)慣等因素，選擇安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的溫度測量儀表。

1就地溫度測量儀表選型

常用的就地溫度測量儀表有雙金屬溫度計和壓力式溫度計，這兩種就地儀表結(jié)構(gòu)簡單、價格低、維護(hù)方便，但精度較低（精度等級：1.0、1.5）、響應(yīng)時間較長。如果對精度要求不高，可優(yōu)先考慮這兩種溫度測量儀表。

在滿足測量范圍（﹣80℃以上）、精度要求不高的前提下，雙金屬溫度計是第一選擇。

壓力式溫度計按照溫包中所充工作介質(zhì)可以分為蒸氣壓力式溫度計、氣體壓力式溫度計和液體壓力式溫度計3種。氣體壓力式溫度計多采用H2或N2為工作介質(zhì)，可以測量﹣80℃以下的工藝介質(zhì)。其他兩種壓力式溫度計因所充介質(zhì)無法測量﹣80℃以下的工藝介質(zhì)。

操作溫度在-80℃以上時，選用雙金屬溫度計;操作溫度在-80℃以下時，選用氣體壓力式溫度計。

2遠(yuǎn)傳溫度測量儀表選型

2.1檢測元件選型

遠(yuǎn)傳溫度測量儀表按照檢測元件的不同分為熱電偶和熱電阻兩種[1]。熱電偶測溫范圍大、精度較高、價格也比熱電阻低，但測量溫度較低時，熱電偶產(chǎn)生的熱電勢較小，測量精度比熱電阻低。因此，LNG接收站工程采用熱電阻進(jìn)行測量。

根據(jù)不同的材料，熱電阻分為金屬熱電阻和半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）兩類。半導(dǎo)體熱電阻因為復(fù)現(xiàn)性差、穩(wěn)定性差、非線性嚴(yán)重，LNG接收站工程一般不予考慮。鉑（Pt）和銅（Cu）是金屬熱電阻最常用的材料。鉑熱電阻具有精度高、性能穩(wěn)定、抗氧化性好、復(fù)現(xiàn)性好等優(yōu)點;缺點是價格比銅熱電阻高、電阻溫度系數(shù)小、電阻與溫度呈非線性關(guān)系。因此，LNG接收站工程優(yōu)先選用鉑熱電阻。鉑熱電阻宜選用分度號為Pt100的標(biāo)準(zhǔn)化熱電阻[2]。

由于普通熱電阻體積較大、測量不便，工程中通常選用鎧裝熱電阻[1]。鎧裝熱電阻將絕緣材料包在熱電阻和導(dǎo)線外，再穿入金屬保護(hù)套管內(nèi)，經(jīng)整體復(fù)合拉伸加工為纜狀。這種形式能將熱電阻外徑加工得很小，具有很好的撓性，可根據(jù)工程實際情況自由彎曲，并且力學(xué)性能良好，高振動場所也適用。LNG接收站內(nèi)儲罐壁、設(shè)備壁、管壁、收集池等各種復(fù)雜場所均能使用鎧裝熱電阻測量溫度。

根據(jù)熱電阻的引出線數(shù)量，可分為兩線制、三線制和四線制。兩線制熱電阻沒有考慮引出導(dǎo)線的電阻，誤差較大、精度差，不適合LNG接收站工程。為了消除熱電阻引出導(dǎo)線對測量結(jié)果的影響，可采用三線制或四線制。三線制通常可以滿足工程的大部分需求，如果對精度有更高要求（比如用于外輸天然氣貿(mào)易交接補償計算的熱電阻），應(yīng)選用四線制。

2.2遠(yuǎn)傳裝置選型

熱電阻溫度計的測量信號可通過溫度變送器轉(zhuǎn)化為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號，也可通過多路溫度采集系統(tǒng)（多路溫度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或多路溫度變送器）轉(zhuǎn)為串口或總線信號。

溫度變送器有多種形式，本研究將分析一體化溫度變送器和分體式變送器這兩種形式。測量氮氣、儀表風(fēng)等常溫介質(zhì)時，選用一體化溫度變送器;測量LNG、BOG等低溫介質(zhì)時，選用分體式變送器。分體式變送器是將熱電阻溫度計和溫度變送器分開安裝，避免熱電阻溫度計將低溫直接傳導(dǎo)至溫度變送器，對其造成影響。

LNG接收站碼頭棧橋如果過長，就會布置大量監(jiān)測LNG管道預(yù)冷的熱電阻溫度計，例如中石油昆侖能源江蘇LNG接收站碼頭工程的棧橋布置104個熱電阻溫度計。如果使用常規(guī)的分體式變送器將信號接入分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）模塊，會產(chǎn)生大量電纜、占用大量AI模塊和機柜空間。因此，可采用多路溫度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過串口將溫度測量信號接入DCS。多路溫度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)如圖1所示，主要包括現(xiàn)場變送單元、隔離器和接收單元?，F(xiàn)場變送單元設(shè)置在現(xiàn)場防爆接線箱內(nèi)，隔離器和接收單元設(shè)置在控制室機柜內(nèi)。

這種溫度采集模式的優(yōu)點是電纜數(shù)量少，節(jié)省DCS中AI模塊的通道數(shù)量;缺點是通信速率低、實時性不好，適用于不參與工藝控制和聯(lián)鎖的溫度信號。同時，現(xiàn)場變送單元與控制室內(nèi)接收單元之間通信線的最大通信距離不能超過1500m。

3外保護(hù)套管材質(zhì)選擇

除了測量管道或設(shè)備表面溫度的表面溫度計，其他溫度計都應(yīng)配外保護(hù)套管。外保護(hù)套管應(yīng)適應(yīng)流體流動產(chǎn)生的應(yīng)力，振動頻率不應(yīng)高于套管固有頻率的40%，工程中通常要求供貨商依據(jù)ASMEPTC19.3—2016提供套管的振動頻率分析報告。

外保護(hù)套管材質(zhì)一般選用316SS不銹鋼，直接接觸海水的套管應(yīng)選用哈氏合金或蒙乃爾合金等耐海水腐蝕的材料。

4設(shè)置場所及注意事項

除工藝流程控制、聯(lián)鎖需要設(shè)置的溫度計外，LNG接收站工程重點關(guān)注以下5個方面。

4.1LNG儲罐

（1）內(nèi)罐外壁、內(nèi)外罐之間的環(huán)形區(qū)域、熱角保護(hù)板設(shè)置鉑熱電阻表面溫度計，測量點溫度急劇下降代表內(nèi)罐LNG溢出或泄漏，溫度下降到設(shè)定的報警值時報警。

（2）內(nèi)罐底上表面、內(nèi)罐內(nèi)壁、吊頂板設(shè)置鉑熱電阻表面溫度計，用于儲罐接受LNG前預(yù)冷溫度監(jiān)控。

（3）內(nèi)罐LNG液相溫度測量采用多點溫度計，相鄰兩個溫度測量點之間的垂直距離不大于2m，且均勻分布。

（4）吊頂和穹頂之間以及吊頂和罐內(nèi)液位表面之間的氣相空間設(shè)置鉑熱電阻溫度計，監(jiān)控儲罐內(nèi)BOG溫度。

4.2LNG管道

在LNG管道預(yù)冷過程中，管道斷面的底部和頂部可能會有溫度差，預(yù)冷工藝不同，溫度差不同，為防止差值過大造成管道熱拱，通常要求差值不大于50℃。公稱直徑不小于8寸（約26.67cm）的LNG管道，如果長度大于100m，應(yīng)在管道的水平段設(shè)置鉑熱電阻表面溫度計，用于監(jiān)測預(yù)冷過程。在管道同一截面的底部和頂部各設(shè)置1個表面溫度計。

4.3海水

LNG接收站如果設(shè)置以海水為熱源的氣化器（開架式氣化器、中間介質(zhì)氣化器），換熱后的升溫海水將直接排入大海，會對附近的海洋生物產(chǎn)生影響。目前，規(guī)范要求海水溫降不大于5℃時[2]，在海水出入口均應(yīng)設(shè)置測量海水溫度的熱電阻溫度計。

4.4泄漏檢測

由于LNG的低溫特性，當(dāng)LNG發(fā)生泄漏時，會對周圍的人員造成傷害，并且在LNG吸熱擴(kuò)散的過程中，增加周圍環(huán)境的危險性，因此，應(yīng)對可能產(chǎn)生LNG泄漏的地方進(jìn)行實時監(jiān)測。導(dǎo)液溝、收集槽、收集池內(nèi)設(shè)置熱電阻，一旦出現(xiàn)LNG泄漏，通過測量溫度可以及時了解泄漏情況[3]。溫度測量信號將送入火災(zāi)報警系統(tǒng)進(jìn)行報警。

4.5注意事項

儲罐內(nèi)安裝的表面溫度計在儲罐投運后無法取出維護(hù)，因此，選用雙支型熱電阻。

在低溫介質(zhì)上安裝時，熱電阻接線盒延長段要足夠長，以避免低溫及保冷層影響接線。

5新技術(shù)的應(yīng)用

隨著溫度檢測手段的提高、檢測技術(shù)的發(fā)展，新的溫度檢測方式不斷涌現(xiàn)，例如光纖溫度傳感器、PN（Positive-Positive）結(jié)溫度傳感器（PN結(jié)正向壓降隨溫度變化）、石英晶體溫度傳感器（石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化）、聲表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）溫度傳感器（將溫度轉(zhuǎn)換為頻率）、核四極共振（Nuclear Quadrupole Resonance，NQR）溫度計（共振吸收頻率隨著溫度的上升而下降）等新型溫度傳感器[4]。其中，PN結(jié)溫度傳感器和石英晶體溫度傳感器的最低測量溫度為﹣50℃，不能覆蓋LNG的低溫;SAW溫度傳感器和NQR溫度計造價高，目前沒有在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用。

本研究重點介紹光纖溫度傳感器中的一種類型—分布式光纖測溫。目前，國內(nèi)已有數(shù)座接收站使用分布式光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測珍珠巖沉降。分布式光纖測溫系統(tǒng)采用測溫光纜作為線型傳感器，內(nèi)含若干根光纖。激光源向測量通道發(fā)射一個光脈沖信號，傳播時在光纖的各個點發(fā)生拉曼散射。外部溫度的變化將對光纖的拉曼散射產(chǎn)生影響，從而計算出光纖敷設(shè)路徑上的溫度。

在工程實踐中，測溫光纜敷設(shè)在LNG儲罐的外罐碳鋼襯板上。當(dāng)環(huán)隙空間內(nèi)的膨脹珍珠巖發(fā)生沉降時，內(nèi)罐的低溫將傳遞至碳鋼襯板，通過測溫光纜將外罐碳鋼襯板上的溫度測量信號傳輸?shù)绞覂?nèi)測溫主機上，測溫主機通過解調(diào)光纖信號得出準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出珍珠巖發(fā)生沉降的位置。接收站控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)可以通過通信接口從測溫主機獲取該溫度數(shù)據(jù)和沉降位置信息。

6結(jié)語

溫度儀表在LNG接收站開車前預(yù)冷、日常運行監(jiān)控等操作中發(fā)揮著重要作用。從就地溫度儀表選型、遠(yuǎn)傳溫度儀表選型、外保護(hù)套管、主要設(shè)置場所、分布式光纖測溫的新技術(shù)應(yīng)用等方面進(jìn)行分析，給出溫度測量儀表選型建議，用于LNG接收站工程的儀表設(shè)計。