LNG儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉璐

(中海油石化工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

目前世界三大化石能源分別是天然氣、煤炭和石油,其中天然氣是最清潔的一種能源,主要成分是甲烷,對比三種能源的燃燒效率,天然氣的單位發(fā)熱量略低于石油,遠(yuǎn)高于煤炭;在環(huán)保方面,天然氣燃燒生成的燃燒產(chǎn)物中二氧化碳量明顯小于石油和煤炭,并且有害氣體也相對較少。因此,天然氣具有明顯的優(yōu)勢。近幾年我國天然氣工業(yè)蓬勃發(fā)展,江蘇、浙江、珠海等地先后建立了LNG接收站[1],存儲(chǔ)和運(yùn)輸是液化天然氣工業(yè)中的兩個(gè)主要環(huán)節(jié),其中存儲(chǔ)主要依靠LNG儲(chǔ)罐,由于天然氣屬于易燃易爆品,且LNG沸點(diǎn)很低,因此LNG儲(chǔ)罐需要很好的保溫措施,通常儲(chǔ)罐為雙層金屬罐,外層罐是碳鋼材質(zhì),內(nèi)層罐因需要直接和LNG接觸,所以材質(zhì)是含9%Ni的低溫鋼,兩罐之間作為絕熱層填充膨脹珍珠巖保溫,罐底通過泡沫玻璃保溫。運(yùn)輸一般通過海運(yùn),運(yùn)輸工具是利用特殊建造的LNG船,并通過卸料臂和卸船管線進(jìn)入接收站LNG儲(chǔ)罐,接收站儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG主要通過兩種方式外輸:(1)LNG經(jīng)過儲(chǔ)罐內(nèi)的低壓泵加壓后進(jìn)入高壓泵再次加壓(約10 MPa),然后通過汽化器(一般是SCV、ORV、IFV)加熱汽化,汽化后的氣態(tài)天然氣進(jìn)入外輸管網(wǎng)外輸;(2)LNG經(jīng)過儲(chǔ)罐內(nèi)的低壓泵加壓(約1.2 MPa壓力)后,通過槽車的裝車臂進(jìn)入槽車,然后運(yùn)輸?shù)较掠螢橛脩籼峁┓?wù)。

在液化天然氣工廠中,LNG儲(chǔ)罐是核心設(shè)備,LNG儲(chǔ)罐的安全與穩(wěn)定運(yùn)行是工廠安全的重中之重,儲(chǔ)罐中的LNG由于產(chǎn)地不同、批次不同,所以LNG的密度也不同,其在儲(chǔ)罐中混合后會(huì)產(chǎn)生分層,若分層時(shí)間較長,則容易產(chǎn)生翻滾問題,翻滾是影響儲(chǔ)罐安全的重要因素,因此需要設(shè)置罐表系統(tǒng)監(jiān)測LNG儲(chǔ)罐的溫度、壓力、液位等各項(xiàng)指標(biāo),防止儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾,并設(shè)置泄漏報(bào)警系統(tǒng)、消防滅火系統(tǒng)、可燃有毒探測器報(bào)警系統(tǒng),保障儲(chǔ)罐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本篇論文主要介紹LNG罐表系統(tǒng)及儲(chǔ)罐翻滾問題。

1 LNG罐表系統(tǒng)

天然氣通常是以液體的形態(tài)進(jìn)行儲(chǔ)存、運(yùn)輸,因此通過壓縮和冷卻至其沸點(diǎn)(-162 ℃)溫度后變成液體,并儲(chǔ)存在-162 ℃[3]、0.1 MPa左右的低溫儲(chǔ)存罐內(nèi)。因此需要對儲(chǔ)罐進(jìn)行檢測與控制,LNG罐表系統(tǒng)(Tank Gauging System, TGS)包括液位、壓力、溫度、密度等工藝參數(shù)的檢測與控制,其中液位是LNG工業(yè)中主要檢測與控制參數(shù),LNG的注入與輸出都會(huì)引起儲(chǔ)罐液位變化,由于儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度升高會(huì)產(chǎn)生閃蒸氣(Boil Off Gas,BOG),BOG通過BOG壓縮機(jī)壓縮回收,進(jìn)而平衡罐內(nèi)壓力,因此儲(chǔ)罐內(nèi)壓力、溫度也是重要的工藝參數(shù),除去液位、壓力、溫度,密度也是需要檢測的重要工藝參數(shù),密度主要來檢測罐內(nèi)LNG是否分層,不同密度的LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后會(huì)發(fā)生分層,長時(shí)間的分層容易發(fā)生“翻滾”[2]。

如圖1TGS中的現(xiàn)場測量儀表包括液位溫度密度計(jì)(LTD)、伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)、多點(diǎn)平均溫度計(jì)、罐旁顯示儀、附件(如接線箱等)。

圖1 LNG罐表系統(tǒng)示意圖

1.1 液位檢測系統(tǒng)

在LNG儲(chǔ)罐中,液位檢測主要依靠伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)[8],依據(jù)規(guī)范GB 20368—2012:液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和裝運(yùn)中規(guī)定,一般每個(gè)LNG儲(chǔ)罐上設(shè)計(jì)三套伺服液位計(jì)[4]和一套雷達(dá)液位計(jì),三套伺服液位計(jì)互相冗余,帶有微處理器,具有自診斷功能,并能有效屏蔽干擾信息,提高測量精度。伺服液位計(jì)安裝在儲(chǔ)罐罐頂,三套伺服液位計(jì)中有兩套可以接入多點(diǎn)溫度計(jì),傳輸測量的溫度數(shù)據(jù)到伺服液位計(jì),伺服液位計(jì)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥诠迏^(qū)儀表間的數(shù)據(jù)采集接口,數(shù)據(jù)采集接口通過串行通訊將數(shù)據(jù)發(fā)送給接收站中心控制室中的罐表管理系統(tǒng)(Tank Management System, TMS),這兩臺伺服液位計(jì)主要用于液位測量、獨(dú)立的高高或者低低報(bào)警和罐旁指示,并將液位、多點(diǎn)溫度等上傳至罐表管理系統(tǒng),另一套伺服液位計(jì)主要用于液位高高和低低報(bào)警。

雷達(dá)液位計(jì)主要用于高液位報(bào)警,連續(xù)精確的測量儲(chǔ)存介質(zhì)的液位,當(dāng)液位達(dá)到或超過報(bào)警值時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信息,由于LNG的介電常數(shù)比較低[5],為了提高測量精度,一般選用導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì),測量精度可達(dá)±3.0 mm。雷達(dá)液位計(jì)通過通信總線將液位等信息傳送到TMS系統(tǒng),同時(shí)在罐底的罐旁表進(jìn)行顯示。

1.2 溫度檢測系統(tǒng)

每座儲(chǔ)罐設(shè)置兩套多點(diǎn)平均溫度計(jì)(16點(diǎn)),在垂直方向上能夠檢測16個(gè)不同高度處的天然氣的液相或氣相的溫度,自上而下均衡分布,并與兩臺伺服液位計(jì)對應(yīng),將溫度檢測信號接入到伺服液位計(jì)處理單元。多點(diǎn)平均溫度計(jì)具有測量范圍廣、精確度高的特點(diǎn),該溫度計(jì)可以準(zhǔn)確及時(shí)的進(jìn)行溫度信息采集,并且在信號傳輸過程中,通過信號轉(zhuǎn)化模塊對輸出信號轉(zhuǎn)化,提高測量精度。

多點(diǎn)平均溫度計(jì)是一體化、集成化結(jié)構(gòu),每點(diǎn)都是相互獨(dú)立的溫度傳感器,每組的多點(diǎn)溫度傳感器接入一個(gè)專用變送器,變送器能夠讀取每個(gè)溫度傳感器的溫度值,計(jì)算出氣相和液相空間內(nèi)所有點(diǎn)的溫度值以及平均值。每個(gè)溫度計(jì)傳感器配備溫度計(jì)套管,由于天然氣的液相或氣相屬于低溫介質(zhì),因此需要耐低溫的溫度計(jì)套管及電纜。

此外,隨著LNG儲(chǔ)罐投入使用的年數(shù)增加,儲(chǔ)罐內(nèi)環(huán)形空間填充的珍珠巖將隨著時(shí)間逐漸下降,如果沒有及時(shí)補(bǔ)充珍珠巖,儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的溫度將迅速傳遞到外罐,對外罐的結(jié)構(gòu)安全造成損壞,因此通過設(shè)置分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS)檢測外罐的內(nèi)壁溫度變化來監(jiān)測珍珠巖的沉降非常重要,分布式光纖測溫系統(tǒng)由光纖測溫主機(jī)和感溫光纖組成,其中光纖既是傳感器也是傳輸媒體,分布式光纖測溫系統(tǒng)利用激光在光纖中傳輸可以產(chǎn)生背向散射,若在光纖中輸入激光脈沖,則激光在光纖中會(huì)產(chǎn)生斯托克斯線和反斯托克斯線,其中在溫度的影響下反斯托克斯線背向散射的強(qiáng)度會(huì)有所改變,根據(jù)此原理即可制成拉曼型分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS)。目前分布式光纖測溫系統(tǒng)并不屬于罐表系統(tǒng),但是它在保護(hù)儲(chǔ)罐安全生產(chǎn)方面起到至關(guān)重要的作用。

1.3 壓力檢測系統(tǒng)

雖然LNG儲(chǔ)罐可以進(jìn)行良好的絕熱,但隨著時(shí)間推移,罐內(nèi)必不可免要產(chǎn)生氣態(tài)天然氣,即通常所說的BOG,如果BOG在罐內(nèi)積累過多,容易造成罐內(nèi)壓力過高,為維持儲(chǔ)罐內(nèi)壓力在正常范圍內(nèi),需要把BOG壓縮冷凝成液體或者壓縮后輸出。但如果BOG壓縮機(jī)抽氣量過大則會(huì)造成罐內(nèi)壓力過低,對儲(chǔ)罐安全造成威脅[7]。因此為更好地平衡罐內(nèi)壓力,通過BOG壓縮機(jī)抽氣來維持罐內(nèi)壓力,并設(shè)計(jì)安全閥、破真空閥和自動(dòng)放空閥等保護(hù)措施,應(yīng)對火災(zāi)或翻滾等極端情況引起的罐內(nèi)壓力劇烈變化[9]。

一般LNG儲(chǔ)罐上設(shè)計(jì)三臺壓力變送器,通過導(dǎo)壓管安裝,檢測儲(chǔ)罐內(nèi)壓力變化情況,當(dāng)檢測到罐內(nèi)壓力高時(shí),可利用BOG壓縮機(jī)抽取罐內(nèi)氣體調(diào)節(jié)LNG儲(chǔ)罐壓力,當(dāng)罐內(nèi)壓力高出一定范圍超出BOG壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)能力,即當(dāng)三臺壓力變送器三取二,壓力高高觸發(fā)安全儀表系統(tǒng)(SIS)中的連鎖,則罐頂泄壓閥自動(dòng)打開,罐內(nèi)BOG進(jìn)入火炬系統(tǒng),如果罐內(nèi)壓力持續(xù)升高,則罐頂?shù)陌踩y將自動(dòng)打開,BOG直接排放到大氣。若檢測到儲(chǔ)罐內(nèi)壓力過低,則關(guān)閉BOG壓縮機(jī)并補(bǔ)充天然氣。當(dāng)罐內(nèi)壓力低出一定范圍即當(dāng)三臺壓力變送器三取二,壓力低使觸發(fā)安全儀表系統(tǒng)(SIS)連鎖打開補(bǔ)氣切斷閥,同時(shí)打開補(bǔ)氣調(diào)節(jié)閥補(bǔ)充天然氣,如果罐內(nèi)壓力持續(xù)下降,則罐頂?shù)钠普婵臻y將自動(dòng)打開,罐內(nèi)進(jìn)入空氣,維持罐內(nèi)壓力平衡。

1.4 液位溫度密度檢測系統(tǒng)

液位溫度密度(Level, Temperature and Density,LTD)檢測系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)測量罐內(nèi)LNG的液位、溫度、密度[6],帶有伺服機(jī)構(gòu)、微處理器、機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件、多傳感器組合的探測器等現(xiàn)場處理單元,當(dāng)LTD工作時(shí),通過微處理器發(fā)出相應(yīng)指令,控制電機(jī)帶動(dòng)懸浮于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的探測器,使其在儲(chǔ)罐底部和最高液位之間垂直運(yùn)動(dòng),探測器可以自動(dòng)控制也可以手動(dòng)控制。

LTD帶有微處理器,具有自診斷功能,液位、溫度和密度數(shù)值可通過DCS顯示,也可在罐旁指示,LNG儲(chǔ)罐翻滾預(yù)判則是利用翻滾預(yù)測軟件通過對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,進(jìn)而得出預(yù)測結(jié)果,工作人員也可根據(jù)測量數(shù)據(jù)判斷LNG是否發(fā)生分層,并提前采取措施防止發(fā)生“翻滾”。

1.5 罐旁顯示儀

罐旁顯示儀主要功能是將罐表數(shù)據(jù)顯示出來,通過LCD液晶顯示器,可隨時(shí)掌握儲(chǔ)罐內(nèi)的情況,實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的可視化操作。伺服液位計(jì)、雷達(dá)液位計(jì)和LTD儀表通過電纜或通信接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸給顯示儀,通信接口選用現(xiàn)場總線通信接口或RS-485串行通信接口,通信協(xié)議選用現(xiàn)場總線通信協(xié)議或MODBUS通信協(xié)議。罐旁顯示儀可以實(shí)時(shí)監(jiān)控儲(chǔ)罐狀態(tài),極大的提高了儲(chǔ)罐監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性,有效預(yù)防各種突發(fā)事件。

1.6 儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)

前面部分主要介紹了罐表系統(tǒng)的硬件組成,罐表系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)主要是指儲(chǔ)罐管理系統(tǒng),儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)是主要為LNG庫存監(jiān)控管理設(shè)置的,可實(shí)現(xiàn)庫存管理并計(jì)算儲(chǔ)罐LNG流速、體積、質(zhì)量,可實(shí)現(xiàn)對LTD、伺服液位計(jì)、多點(diǎn)平均溫度計(jì)的顯示等多項(xiàng)功能。LNG庫存管理軟件與DCS之間采用RS485串行通信接口、 Modbus通信協(xié)議方式通訊,所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括報(bào)警值、設(shè)定值、伺服液位計(jì)檢測的液位參數(shù)及探頭位置、LTD檢測的溫度、液位、密度及探頭位置、儲(chǔ)罐庫存量、分層狀態(tài)以及儲(chǔ)罐的質(zhì)量輸出量。

儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)中另一項(xiàng)重要功能是儲(chǔ)罐翻滾預(yù)測軟件,翻滾預(yù)測軟件可根據(jù)系統(tǒng)廠家預(yù)置的翻滾模型根據(jù)儲(chǔ)罐現(xiàn)場檢測儀表的測量數(shù)據(jù)、進(jìn)出物料情況,并結(jié)合罐內(nèi)分層LNG的組成成分、儲(chǔ)罐的熱泄漏率等物理特性對特定的操作時(shí)段進(jìn)行翻滾預(yù)測,可仿真出各層LNG的密度、儲(chǔ)罐溫度變化情況及翻滾發(fā)生時(shí)間,可幫助接收站管理人員選擇合適的操作流程。

LNG接收站中儲(chǔ)罐安全檢測系統(tǒng)除去罐表系統(tǒng),還需設(shè)置可燃?xì)怏w泄漏檢測系統(tǒng)、火焰探測報(bào)警系統(tǒng)及火災(zāi)消防滅火系統(tǒng)[10]〗,當(dāng)檢測到可燃?xì)怏w泄漏或者發(fā)生火災(zāi)時(shí),現(xiàn)場及中央控制室需報(bào)警并連鎖打開火災(zāi)消防滅火系統(tǒng),現(xiàn)場操作人員可及時(shí)采取相應(yīng)措施。

2 儲(chǔ)罐翻滾現(xiàn)象

翻滾現(xiàn)象是LNG工廠運(yùn)營過程中危害較大的一種事故,主要是LNG的密度不同引起的,由于密度不同導(dǎo)致LNG出現(xiàn)分層,當(dāng)有外界熱量(熱量輸入或冷量輸入)進(jìn)入打亂罐內(nèi)分層時(shí),層與層之間的動(dòng)態(tài)平衡將會(huì)被打破,并出現(xiàn)相互融合,罐內(nèi)LNG會(huì)瞬間大量氣化,從而壓力急劇上升,并且有可能超過儲(chǔ)罐安全壓力,此時(shí)如果沒有采取安全預(yù)防措施,將導(dǎo)致儲(chǔ)罐損壞,大量BOG被放空處理,造成極大的經(jīng)濟(jì)損失,并且污染環(huán)境,嚴(yán)重的還有可能造成人員傷亡。翻滾產(chǎn)生原因很多,儲(chǔ)罐溫度變化、LNG中輕組分較多、新舊LNG組分不同及進(jìn)液方式不當(dāng)?shù)?都有可能造成翻滾。

國內(nèi)外LNG工廠運(yùn)營歷史中發(fā)生過多起翻滾事故,1971年8月,意大利La Spezia,SNAM的LNG接收站,在儲(chǔ)罐接液18 h后,LNG儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾,儲(chǔ)罐內(nèi)壓力迅速升高,安全閥打開并持續(xù)開啟了一個(gè)多小時(shí),造成大量天然氣排放到大氣中,但未發(fā)生火災(zāi)及人員傷亡。事故主要原因是罐內(nèi)新進(jìn)LNG密度比儲(chǔ)罐內(nèi)原有液密度大,并且新進(jìn)LNG溫度較高,帶入較多熱量,使罐內(nèi)動(dòng)態(tài)分層被打破,新進(jìn)LNG量比較大,促進(jìn)了分層之間的混合加快,從而引發(fā)事故。因此不僅要通過逐漸完善的罐表系統(tǒng)監(jiān)測儲(chǔ)罐各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo),在儲(chǔ)罐進(jìn)料等關(guān)鍵工藝操作流程中要嚴(yán)格按照操作規(guī)范,從各個(gè)環(huán)節(jié)降低危險(xiǎn)發(fā)生。

3 總結(jié)

儲(chǔ)罐安全是LNG接收站安全的重中之重,罐表系統(tǒng)是保障儲(chǔ)罐安全的重要設(shè)計(jì)措施,并為現(xiàn)場工作人員提供操作參考,主要介紹了目前在LNG接收站運(yùn)用比較多的罐表系統(tǒng),主要從硬件和軟件兩方面進(jìn)行了介紹,現(xiàn)場儀表可以檢測儲(chǔ)罐的壓力、液位、溫度及密度等參數(shù),通過儲(chǔ)罐管理系統(tǒng)進(jìn)行顯示和控制。有效保證LNG接受站安全平穩(wěn)運(yùn)行。