淺談LNG項(xiàng)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(shè)計(jì)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(yè)的青睞。隨著LNG貿(mào)易在能源市場的逐步深入，LNG接收站、液化站在國內(nèi)迅速興起，低溫儀表的選擇和應(yīng)用也成為自動(dòng)化行業(yè)新的挑戰(zhàn)。

常壓下氣態(tài)天然氣冷卻至－162℃即凝結(jié)成LNG，其主要組分是甲烷，通常情況下多儲(chǔ)存在112 K（－161.15℃）、壓力為0.1 MPa左右的低溫儲(chǔ)罐內(nèi)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍。筆者結(jié)合在德陽6×105m3/d液化天然氣工程中的實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，遵循技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、維修方便和經(jīng)濟(jì)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(yīng)用于低溫介質(zhì)的溫度測量，低溫可測至－200℃。它是利用導(dǎo)體或半導(dǎo)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(wěn)定、重復(fù)性好，長時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)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(jì)，其依據(jù)封閉系統(tǒng)內(nèi)部工作物質(zhì)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(jīng)濟(jì)、適用的檢測壓力儀表。正常情況下，壓力變送器允許的介質(zhì)溫度一般在－40℃以上，不能直接接觸液態(tài)LNG。如果壓力變送器的膜片直接承受如此低的溫度沖擊，會(huì)使膜片脆裂，存在發(fā)生泄漏的危險(xiǎn)。

目前LNG壓力測量都是通過測量氣相壓力來實(shí)現(xiàn)其液相的壓力測量。其原理是通過延長導(dǎo)壓管，使介質(zhì)吸收環(huán)境的熱量氣化，溫度升高，達(dá)到變送器可以測量的溫度。由于導(dǎo)壓管是聯(lián)通的，介質(zhì)的氣相壓力和管線的壓力幾乎相等，即可通過測量介質(zhì)的氣相壓力來測量管線的壓力。氣化后產(chǎn)生的氣體不但可以隔離低溫液體和變送器膜片，保護(hù)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(wěn)定。

此處需要特別注意的是材料的選擇、導(dǎo)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(dǎo)壓管的材質(zhì)必須是耐低溫材質(zhì)。導(dǎo)壓管應(yīng)做保冷，其作用是達(dá)到人身防護(hù)作用和使LNG緩慢地氣化。LNG快速氣化時(shí)，其體積比為1∶600，會(huì)瞬間產(chǎn)生巨大的壓力，因而應(yīng)使導(dǎo)壓管內(nèi)氣液的界面遠(yuǎn)離取壓口，避免對儀表造成不可預(yù)估的損壞。其次，導(dǎo)壓管的安裝應(yīng)根據(jù)低溫介質(zhì)的特點(diǎn)稍作變通。通常情況下，導(dǎo)壓管的走向：液態(tài)介質(zhì)向下引壓，氣態(tài)介質(zhì)向上引壓，但對于LNG則不能完全按照液態(tài)介質(zhì)來引壓。在管道或設(shè)備上取壓時(shí)，建議采用水平向上5°～10°取壓，導(dǎo)壓管水平管段的長度應(yīng)保證讓液態(tài)的LNG充分氣化，并將氣化后的氣體封住在水平導(dǎo)壓管內(nèi)，不冒進(jìn)主管線或設(shè)備中，減少冷量的損失，同時(shí)又避免因?yàn)橐褐叨茸兓斐蓽y量結(jié)果偏移，影響測量準(zhǔn)確性。最后，壓力變送器的安裝位置應(yīng)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(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)和設(shè)備實(shí)際情況，合理選擇經(jīng)濟(jì)、適合的方法。本文結(jié)合德陽6×105m3/d液化天然氣工程，提出幾種適合中小型LNG儲(chǔ)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(chǔ)槽內(nèi)低溫液體液位的方法。該方法通過從儲(chǔ)槽底部和頂部分別引出導(dǎo)壓管，測量兩導(dǎo)壓管的壓力差值（即儲(chǔ)槽內(nèi)液柱產(chǎn)生的靜壓力），從而確定儲(chǔ)槽內(nèi)的液柱高度，可現(xiàn)場顯示，也可通過差壓變送器將信號(hào)傳送到中控室進(jìn)行顯示和報(bào)警，參與儲(chǔ)槽或系統(tǒng)的控制聯(lián)鎖。差壓法原理簡單、使用方便，能連續(xù)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(jì)，其在原有的磁浮子液位計(jì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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(nèi)部的低溫液體與外界空氣的溫度影響，不至于造成液位計(jì)的冷凝，有效地消除了普通磁浮子液位計(jì)用于低溫場所下結(jié)冰的現(xiàn)象。磁浮子液位計(jì)用于現(xiàn)場液位檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、觀察清晰明了的特點(diǎn)，帶真空夾套的磁浮子液位計(jì)保障了低溫場合下儀表應(yīng)有的功能，在很多低溫項(xiàng)目中已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。

4 流量儀表

結(jié)合德陽6×105m3/d液化天然氣工程的流程特點(diǎn)和工藝要求，測量低溫介質(zhì)流量時(shí)，若用于監(jiān)測控制，精度要求不高，選用節(jié)流式流量計(jì)或渦輪流量計(jì)；若用于交接計(jì)量，精度要求高，選用低溫質(zhì)量流量計(jì)。

使用節(jié)流裝置測量LNG流量時(shí)，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，但當(dāng)壓力降到飽和蒸汽壓以下時(shí)，LNG會(huì)發(fā)生閃蒸，因而應(yīng)在避免閃蒸發(fā)生的前提下選取差壓。根據(jù)LNG工程經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程的實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算，采用孔板既滿足技術(shù)要求又經(jīng)濟(jì)實(shí)用?？装鍩o可動(dòng)部件，無須考慮潤滑與摩擦問題，采用耐低溫材質(zhì)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(jì)可用于測量量程范圍寬的低溫介質(zhì)流量，且其壓降低，但缺點(diǎn)是內(nèi)部有高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件，不耐氣蝕，壽命較短。渦輪流量計(jì)中裝有轉(zhuǎn)子和軸承等以高速轉(zhuǎn)動(dòng)的可動(dòng)部分、摩擦部分。轉(zhuǎn)子、軸承是渦輪流量計(jì)的最重要部分，決定其特性、耐久性，選擇儀表時(shí)要十分注意其材質(zhì)。用渦輪流量計(jì)測量LNG時(shí)，最容易發(fā)生的故障是因儀表的壓力損失而引起的急劇蒸發(fā)。儀表中形成急劇蒸發(fā)后，轉(zhuǎn)子將以比通常轉(zhuǎn)速快數(shù)十倍的速度旋轉(zhuǎn)，軸承會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)就被徹底磨壞，因而防止蒸發(fā)的最好方法是適當(dāng)加大儀表的尺寸。渦輪流量計(jì)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(shí)，壓力損失可下降到額定電壓的0.25倍。

LNG為深冷低溫介質(zhì)，對環(huán)境溫度極其敏感，極易氣化和蒸發(fā)，其動(dòng)態(tài)計(jì)量一直是貿(mào)易計(jì)量的難點(diǎn)，企業(yè)多采用稱重方式進(jìn)行計(jì)量。近幾年科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在LNG計(jì)量中逐漸被推廣應(yīng)用。LNG液化后的計(jì)量與油品相似，以質(zhì)量為交接單位。而科里奧利質(zhì)量流量計(jì)正是利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理進(jìn)行測量的，可直接測得LNG的交接質(zhì)量。其他類型流量計(jì)測得的是體積流量，必須再測得溫度、壓力和密度等參數(shù)，才能換算成交接質(zhì)量。其中密度測量如果采用在線密度計(jì)，其價(jià)格與質(zhì)量流量計(jì)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(shí)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(fù)雜，而且檢測準(zhǔn)確度難以保證。且質(zhì)量流量計(jì)量程比寬，準(zhǔn)確度高，其腔內(nèi)無可動(dòng)部件，也無阻礙流體流動(dòng)的部件，不需要前后直管段，具有方便維護(hù)、穩(wěn)定性好和可靠性高等特點(diǎn)，是LNG交接計(jì)量的理想流量計(jì)。

5 分析儀表

LNG成品的組分分析是衡量LNG產(chǎn)品合格性的重要指標(biāo)，由于LNG是超低溫的液體混合物，要想獲取其真實(shí)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(chǎn)品的連續(xù)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(jìn)行管輸LNG的取樣和氣化。方式一結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)位低；方式二采集LNG液體試樣經(jīng)專用氣化器氣化后送至儲(chǔ)氣筒/緩沖罐，均勻混合后減壓保溫送至色譜分析儀。

根據(jù)GB/T 20603—2006《冷凍輕烴流體液化天然氣的取樣連續(xù)法》，要求LNG取樣時(shí)應(yīng)避免取樣管線中介質(zhì)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(zhì)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(chǎn)品中的重組分不至于殘留，且氣化后的儲(chǔ)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(wěn)定性。

6 結(jié)束語

儀表自動(dòng)化的類型十分廣泛，其技術(shù)發(fā)展也是與時(shí)俱進(jìn)的。筆者結(jié)合自身的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了LNG項(xiàng)目中低溫場合下各類儀表的選型、安裝及注意事項(xiàng)，期望能給相關(guān)項(xiàng)目提供參考。

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