1萬方LNG儲(chǔ)罐的現(xiàn)場儀表選型及其基本測量原理

行毅鵬

北京石油化工工程有限公司西安分公司 陜西 西安 710100

天然氣的主要成分是甲烷，來源于油田、氣田、煤層等地方。天然氣在常壓下冷卻至-162℃時(shí)，可凝結(jié)成液體。天然氣的氣態(tài)與液態(tài)的體積比約為625：1，故將其液化后可大量減小儲(chǔ)運(yùn)空間。同時(shí)天然氣是一種清潔（燃燒后的產(chǎn)物是CO2和H2O）、高效的能源（熱值約38.46MJ/Nm3）。

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣的縮寫。

延長石油志丹LNG二期項(xiàng)目，該項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括20萬噸/年天然氣液化裝置、配套1萬方LNG儲(chǔ)罐。項(xiàng)目2018年7月開工建設(shè)，2019年12月試車成功，產(chǎn)出LNG產(chǎn)品。

本文對項(xiàng)目中的1萬方LNG儲(chǔ)罐現(xiàn)場儀表的選型、及儀表的基本測量原理進(jìn)行了簡要論述。

1 LNG 儲(chǔ)罐概述

液化天然氣（LNG）在常壓下的沸點(diǎn)約為-161℃。工業(yè)實(shí)踐中，通常將天然氣的溫度降到沸點(diǎn)以下，并使儲(chǔ)罐的操作壓力稍高于常壓，使天然氣保持液態(tài)，來實(shí)現(xiàn)其儲(chǔ)存。

LNG儲(chǔ)罐具有良好的保冷性能，以使儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的溫度保持在-162℃。

本項(xiàng)目的LNG儲(chǔ)罐有兩層，即內(nèi)罐和外罐。當(dāng)內(nèi)罐發(fā)生泄漏時(shí)，外罐可起到封攔作用，增加了儲(chǔ)存安全。

本文的主題為1萬方LNG儲(chǔ)罐的現(xiàn)場儀表選型，及其基本測量原理。1萬方LNG儲(chǔ)罐屬于大型LNG儲(chǔ)罐（容量在10000～40000m3之間的儲(chǔ)罐）。

2 現(xiàn)場儀表的選型及基本測量原理

2.1 總則

儲(chǔ)罐的現(xiàn)場監(jiān)測儀表（遠(yuǎn)傳型）基本上都選用了電子式、智能型的儀表。

對于信號的傳輸，模擬量采用了4～20mA DC標(biāo)準(zhǔn)信號疊加HART通訊協(xié)議的方式，數(shù)字量采用了Namur信號或者干接點(diǎn)的傳送方式。

現(xiàn)場安裝的電子式儀表均滿足IEC60529和GB4208標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的IP65的防護(hù)等級；安裝于罐頂?shù)碾娮邮絻x表配置電涌防護(hù)器。其他非電子式現(xiàn)場儀表均滿足IP55的防護(hù)等級。[1]

現(xiàn)場測量儀表的材質(zhì)，均依據(jù)工藝介質(zhì)的要求選擇，并不低于316SS不銹鋼。

現(xiàn)場安裝的電子式儀表根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域的等級劃分，均選用本安型（Exia）或隔爆型儀表（Exd），符合IEC60079標(biāo)準(zhǔn)或GB3836標(biāo)準(zhǔn)，具有防爆合格證。

儲(chǔ)罐本體儀表的設(shè)置方案如圖1所示：

圖1 儲(chǔ)罐本體儀表設(shè)置方案圖

2.2 儲(chǔ)罐液位的測量

儲(chǔ)罐的液位測量，設(shè)置有2臺(tái)伺服液位計(jì)，1臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)。同時(shí)設(shè)置有16點(diǎn)的平均溫度計(jì)，平均溫度計(jì)的測量信號送入伺服液位計(jì)，來對液位的測量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

伺服液位計(jì)是一種浮力式液位計(jì)，它的浮子隨液體表面上下浮動(dòng)。微處理器通過分析伺服機(jī)構(gòu)的平衡狀態(tài)，來判斷浮子的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)液位的測量。[2]

雷達(dá)液位計(jì)是一種非接觸式測量儀表（導(dǎo)波雷達(dá)除外），可以細(xì)分為脈沖雷達(dá)和調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。脈沖雷達(dá)是通過天線向下發(fā)射微波脈沖，脈沖在到達(dá)介質(zhì)表面時(shí)，部分能量發(fā)生反射，并被天線接收。將發(fā)射與接收反射脈沖的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換為距離，來實(shí)現(xiàn)液位測量。調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)是通過天線向下發(fā)射頻率連續(xù)變化的電磁波，電磁波在到達(dá)介質(zhì)表面時(shí)，同樣會(huì)發(fā)生部分反射，并被天線接收。通過分析接收到電磁波的頻率、以及發(fā)射頻率隨時(shí)間變化的函數(shù)，進(jìn)而得出液位參數(shù)。本次設(shè)計(jì)還為雷達(dá)液位計(jì)設(shè)置了導(dǎo)波管，以實(shí)現(xiàn)更穩(wěn)定的測量。其測量原理如圖2所示。

圖2 雷達(dá)液位計(jì)測量原理圖

2.3 儲(chǔ)罐溫度的測量

儲(chǔ)罐設(shè)置3臺(tái)多點(diǎn)溫度計(jì)，共33個(gè)測溫點(diǎn)（見圖1），分別將儲(chǔ)罐的內(nèi)罐底溫度、內(nèi)罐吊頂溫度、內(nèi)罐壁溫度和夾層的溫度經(jīng)深冷電纜送至3套多路溫度采集器，之后送至DCS系統(tǒng)。內(nèi)外罐之間夾層的溫度應(yīng)遠(yuǎn)高于內(nèi)罐內(nèi)表面溫度，如果兩者溫度趨于接近，說明儲(chǔ)罐有泄漏。

溫度計(jì)的測量元件選用了Pt100熱電阻。由于鉑的電阻值與所處環(huán)境溫度呈一定的函數(shù)關(guān)系，所以常被用來做熱電阻的感溫元件。鉑電阻的測溫范圍可以涵蓋-200～650℃，所以適用于LNG儲(chǔ)罐這種低溫工況的測量。熱電阻一般由熱電阻絲、骨架、引線等部件組成。[3]45

2.4 儲(chǔ)罐壓力的測量

儲(chǔ)罐設(shè)置4臺(tái)壓力變送器，測量儲(chǔ)罐的壓力。

壓力變送器的測量，采用了諧振式原理的測量傳感元件。它利用諧振元件在壓力作用下固有振動(dòng)頻率發(fā)生改變的特性，將壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號。其傳感器測量原理如圖3所示。

圖3 諧振式傳感器的測量原理圖

儲(chǔ)罐設(shè)置有2臺(tái)就地壓力表，測量儲(chǔ)罐頂部的壓力。就地壓力表選用膜盒壓力表，膜盒壓力表的測量元件為圓形膜盒，用來測量不結(jié)晶、不凝固，對測量元件材質(zhì)無腐蝕作用的氣體介質(zhì)的微壓。

膜盒是由兩塊波紋膜片對扣在一起而形成的測量腔室，感壓面積較大，可以測量很小的壓力。

2.5 可燃?xì)怏w報(bào)警器的設(shè)置

在可燃?xì)怏w可能泄漏的地方如儲(chǔ)罐頂部、底部以及管廊平臺(tái)閥組附近均設(shè)置了可燃?xì)怏w檢測報(bào)警器（檢測介質(zhì)為甲烷，檢測原理為催化燃燒式）。

催化燃燒式的檢測原理為，用檢測電阻元件（鉑絲上涂催化劑鈀）與補(bǔ)償電阻元件（鉑絲上涂金）組成惠斯通電橋；當(dāng)可燃性氣體經(jīng)過檢測元件時(shí)，涂有催化劑的鉑絲產(chǎn)生無焰燃燒，溫度升高引起檢測元件的阻值升高；補(bǔ)償元件表面涂有金，不會(huì)產(chǎn)生無焰燃燒，阻值不變。惠斯通電橋不平衡，輸出的ΔU與可燃?xì)怏w濃度成正比。[3]209

其檢測器原理如圖4所示。

圖4 催化燃燒式檢測器原理圖

3 改進(jìn)和展望

立足于本工程的設(shè)計(jì)，展望其它類似工程的LNG儲(chǔ)罐儀表設(shè)計(jì)方案，以尋求參考和借鑒。

在同行業(yè)有的工程實(shí)踐中，LNG儲(chǔ)罐除本文所述儀表之外，還配置有液位-溫度-密度（LTD）測量裝置。該裝置可對儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的液位、溫度、密度進(jìn)行監(jiān)測。LTD儀表含有多個(gè)感應(yīng)探測器，每個(gè)探測器安裝有液位、溫度、密度測量傳感器。操作員可以通過向LTD的電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)送指令，帶動(dòng)探測器在LNG液體內(nèi)上下垂直運(yùn)動(dòng)。操作員可以根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)，來判斷儲(chǔ)罐內(nèi)有無LNG分層、翻滾等現(xiàn)象，并采取相應(yīng)處理措施。

目前國內(nèi)沿海地區(qū)建設(shè)的LNG接收站，常見的單罐容積為16萬立方米，其中儲(chǔ)存的LNG總能量巨大。此類工程一般設(shè)計(jì)有地震監(jiān)視預(yù)警系統(tǒng)（由強(qiáng)震記錄儀、加速度計(jì)、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、通信及供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集分析軟件構(gòu)成），該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警，為采取適當(dāng)措施及快速響應(yīng)爭取時(shí)間，以減少地震造成的損失。

對于LNG儲(chǔ)罐泄露的檢測，有些工程采用了分布式光纖測溫系統(tǒng)。這是一種實(shí)時(shí)測量空間溫度場分布的技術(shù)，可以應(yīng)用于大范圍多點(diǎn)測量的場合。該系統(tǒng)基于光纖對溫度變化的敏感性，可以快速（＜10s）、準(zhǔn)確（1m范圍內(nèi)）地確定泄漏位置。

4 結(jié)束語

放眼LNG行業(yè)的發(fā)展趨勢，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、工業(yè)技術(shù)的改進(jìn)，單個(gè)LNG儲(chǔ)罐的容積在逐漸增加。例如近期，中石化單罐27萬立方米容積的LNG儲(chǔ)罐已在山東青島建成投運(yùn)、中海油單罐27萬立方米容積的LNG儲(chǔ)罐（該項(xiàng)目同時(shí)建設(shè)5座儲(chǔ)罐及配套設(shè)施）正在粵港澳大灣區(qū)建設(shè)。對于儀表、自控專業(yè)的工程師們來說，更為大型的工藝設(shè)施，帶來的是責(zé)任、技術(shù)方面的更大挑戰(zhàn)。

我們作為石油化工行業(yè)、自控專業(yè)的工程設(shè)計(jì)人員，要如何應(yīng)對這種挑戰(zhàn)？我想，是要在學(xué)習(xí)前人書籍、圖紙等資料的基礎(chǔ)上，在工作實(shí)踐中思考其基本道理、留心其具體細(xì)節(jié)，以積累經(jīng)驗(yàn)。這樣才能做好本職工作，為工程建設(shè)的安全進(jìn)行，后期裝置的穩(wěn)定運(yùn)行貢獻(xiàn)力量，做好保障。