淺談大型LNG接收站儲罐罐表監(jiān)測系統(tǒng)

時陽

摘 要：當前，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，天然氣等清潔能源需求劇增，導致其配套的LNG接收站的建設項目逐漸增多，LNG儲罐是接收站的核心，它的安全平穩(wěn)運行尤為重要，而其中罐表監(jiān)測系統(tǒng)作為儲罐的安全衛(wèi)士，實時監(jiān)測儲罐液位、溫度和密度等重要參數(shù)，提示操作人員及時調整相關設置，為LNG儲罐的安穩(wěn)運行保駕護航，在儲罐的正常運行中起著至關重要的作用。

關鍵詞：罐表;測量;溫度;液位;壓力;密度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.087

1 大型LNG儲罐的建設背景

近年來煤炭等傳統(tǒng)資源迅猛發(fā)展，但在環(huán)境保護的巨大壓力下，國家能源政策和能源結構的調整，天然氣作為一種優(yōu)質的潔凈燃料，在能源、交通等領域具有十分廣闊的應用前景，加之大量天然氣氣源的探明，使得天然氣的開發(fā)和利用已成為不可逆轉的大趨勢。以至于天然氣的儲存和應用技術已成為專門技術領域，受到工程和學術界等各領域、各界的廣泛關注。

天然氣的儲存技術是利用天然氣的關鍵技術之一，特別是液化天然氣的接收終端（即LNG接收站），它主要接收海運LNG船從基本符合型天然氣液化工廠運來的液化天然氣。將其儲存和再汽化后分配給下游用戶。接收站的在汽化能力強大，儲存容量巨大，其主要由專用碼頭、卸料臂、LNG輸送管道、LNG儲罐、BOG壓縮機、再冷凝器、高壓泵、汽化器以及計量外輸裝置及管道等組成。

接收站最核心的部分是LNG儲罐，它主要接收海運LNG船輸送的LNG，其存儲能力主要有80，000m3、160，000m3、200，000m3和220000m3的LNG儲罐，特別是國際上技術非常成熟的160，000m3的LNG儲罐在國內(nèi)各個LNG接收站項目如雨后春筍般拔地而起，如大鵬LNG接收站、浙江LNG接收站、福建LNG接收站和海南LNG接收站等均已建成進入正常生產(chǎn)階段。

2 罐表系統(tǒng)的作用、設計原則和重要意義

儲罐罐表系統(tǒng)相當于儲罐的眼睛和耳朵，通過壓力、溫度、液位及密度等測量，實時感知儲罐內(nèi)LNG的動態(tài)變化，將準確的測量信息反饋給工藝操作人員，對超出正常范圍將產(chǎn)生報警提示工藝操作人員，對出現(xiàn)緊急工況能夠及時有效觸發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)動作切斷相關閥門及設備以此來保證儲罐的安全。同時通過相應的測量數(shù)據(jù)也可作為儲罐自身結構維護及維修的重要參考依據(jù)。

從安全角度出發(fā)，儲罐所有的管道、儀表等接口均設在儲罐頂部，罐壁和罐底無開孔。同時標準規(guī)范中對檢測儀表的總體要求是安裝儀表以保證儲罐試運行、操作或維護，以及停運時的安全和可靠性。應給予足夠的在線備用;在儲罐正常運行期間，保證可以對檢測儀表進行正常維護。檢測數(shù)據(jù)可以傳輸給控制室/操作人員。所有進DCS系統(tǒng)的測量控制儀表與進SIS系統(tǒng)的聯(lián)鎖的儀表分別獨立設置。

罐內(nèi)溫度檢測的設置原則為在儲罐恰當位置安裝溫度測量儀器，監(jiān)控以下溫度：測量液體不同深度的溫度。相鄰兩個傳感器間的垂直距離不應超過2m;蒸汽層溫度（如果有懸頂，應區(qū)分在懸頂?shù)南路交蛏戏剑?主容器殼及底部（冷卻/加溫控制）。儲罐內(nèi)罐底部及內(nèi)罐體設有多個表面溫度計，用于監(jiān)測儲罐試車預冷和正常操作時的罐內(nèi)溫度。在試車預冷過程中，通過監(jiān)測溫度變化情況可適時地調整LNG進料流量，滿足預冷時罐壁溫降速率要求。罐外也設有多個測溫點，可監(jiān)測LNG可能的泄漏。

儲罐上應安裝探測壓力過高或過低的儀器。該系統(tǒng)應獨立操作，與正常壓力測量系統(tǒng)相分離。儲罐頂部設有多個壓力測量，能夠實時檢測儲罐內(nèi)部壓力（探測超高壓和低壓真空等工況），對于低于設定值能夠相應停止蒸發(fā)汽壓縮機和罐內(nèi)泵，如果必要時自動控制注入氣體解除真空等操作;對于超壓將提示操作人員開啟BOG壓縮機等相關設備或者進行放火炬等操作。

儲罐應安裝至少兩個高精度、獨立的液位計來防止儲罐發(fā)生溢流。每個儀表系統(tǒng)都應設有高位報警器，超高位報警器及停機裝置。卸船時，LNG通過卸船總管從儲罐頂部進入。

每座儲罐內(nèi)均設有液位計及液位-溫度-密度（LTD）連續(xù)監(jiān)測儀表，實時監(jiān)測儲罐的液位及工作狀況。罐內(nèi)設置的高低液位報警可自動或手動切斷儲罐進料或關停罐內(nèi)低壓泵，保護儲罐安全。為避免卸船時引起儲罐內(nèi)LNG分層而導致“翻滾”的風險，可根據(jù)儲罐內(nèi)LNG的密度和運輸船LNG密度選擇卸船時LNG從上部進料管進料，或通過底部進料管下部進料。一般情況下，較重的LNG從上部進料，較輕的LNG從下部進料。進料方式的選擇可根據(jù)卸船前提交的LNG貨單中的密度、卸料總管上取樣分析裝置實測的密度結果，與儲罐內(nèi)LNG密度對比后確定，其具體工作原理和工作步驟下文介紹。

3 典型項目罐表系統(tǒng)設計、選型及應用情況

國內(nèi)某大型LNG接收站建設三座160，000m3儲罐，總儲存能力為480，000m3; 儲罐設計最高正壓為30kPa（G），最低負壓 -0.6kPa（G），設計溫度為-165℃～+ 60℃，日蒸發(fā)率為0.05%（wt）。LNG儲罐內(nèi)罐直徑為80m，內(nèi)罐高度為35m，外罐高度為45 m。儲罐采用安全度最高的混凝土全容罐，內(nèi)罐材料為9%Ni鋼，外罐為預應力混凝土，罐頂為加強混凝土。罐底、內(nèi)外罐之間的環(huán)形空間及內(nèi)罐吊頂均采用絕熱材料（泡沫玻璃、膨脹珍珠巖和玻璃棉）進行保冷。

3.1 罐表系統(tǒng)設計

該項目設計LNG 罐表系統(tǒng)（TGS）一套，單臺LNG儲罐儀表設計主要如下：

（1）2臺伺服液位計;

（2）1臺雷達液位計;

（3）一臺LTD（液位+溫度+密度）;

（4）2套多點測溫熱電阻;

（5）6臺壓力變送器;

（6）一套LNG儲罐防翻滾軟件。

在LNG接收站項目儲罐中，溫度檢測的設計主要是用于LNG儲罐多點溫度計，設置在LNG儲罐內(nèi)的溫度儀表不僅僅用于溫度測量，同時通過溫度的變化測量來檢測是否存在LNG泄漏，并且在儲罐預冷的過程中對溫度進行實時監(jiān)測，控制預冷工藝的全過程，使得LNG儲罐內(nèi)溫度平穩(wěn)變化，有效的保護內(nèi)罐鋼板等材料。其中熱電阻監(jiān)測點（單臺罐42個點）具體布置如下：

（1）外罐內(nèi)側熱角保護（TCP）部分豎向均勻設置8個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測內(nèi)罐是否泄漏溢出到外罐的情況;

（2）內(nèi)罐與外罐之間的環(huán)形空間東南西北四個方向罐底部，每個方位設置兩個溫度監(jiān)測點，共8個監(jiān)測點，主要作用是測量環(huán)形空間底部溫度情況;

（3）內(nèi)罐壁板上豎向均勻設置12個溫度監(jiān)測點，主要作用是測量內(nèi)罐LNG的各層溫度分布情況;

（4）內(nèi)罐底板外圈均勻設置6個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測內(nèi)罐底板外側的溫度情況;

（5）內(nèi)罐底板中心區(qū)域部分均勻設置4個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測內(nèi)罐底板中心區(qū)域溫度情況;

（6）鋁吊頂?shù)捻敳靠臻g設置4個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測吊頂空間的溫度情況。

3.2 選型

本項目每個罐液位變送器設置3臺，其中一臺雷達液位計，兩臺伺服液位計;一臺LTD;一套多點溫度監(jiān)測;6臺壓力變送器。

（1）伺服液位計選用honeywellenraf的Series 854 ATG;

（2）雷達液位計選用honeywellenraf的SmartRadar FlexLine990;

（3）LTD選用SCIENTIFIC INSTRUMENTS， INC. MODEL6290 Level Temperature Density Gauge;

（4）多點溫度選用honeywellenraf的VITO 762/764 Temperature Probe;

（5）壓力變送器選用SIEMENS的SITRANS P DS III。

3.3 應用情況

本項目三座LNG儲罐設置一套TGS罐表系統(tǒng)，具體控制描述如下：

（1）多點溫度檢測信號直接進罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過Modbus TCP/IP與DCS系統(tǒng)通訊，測量精度為Class A。

（2）6臺壓力變送器中有三臺進DCS控制系統(tǒng)監(jiān)控，其余三臺進SIS控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，壓力變送器的測量精度為0.075。

（3）兩臺伺服液位計和一臺雷達液位計的模擬量信號直接進罐表系統(tǒng)監(jiān)控，同時三臺液位計輸出三個觸點信號硬接線進入SIS控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，測量精度為1mm。

（4）LTD（液位、溫度和密度）信號直接進入罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過Modbus TCP/IP與DCS系統(tǒng)通訊。

（5）所有通訊線路冗余設置。

（6）供電方面：除了伺服液位計和雷達液位計為交流220VAC供電外其余均為24VDC。

在系統(tǒng)上電調試過程中遇到主要問題及處理情況如下：

（a）部分罐表上電后無反應，經(jīng)查為現(xiàn)場接線箱內(nèi)接線松動，接觸不良所致，經(jīng)過排查具體接點后解決;

（b）三臺儲罐罐表上電后分別作供電線路檢查，發(fā)現(xiàn)一號儲罐和三號儲罐供電不對應，一號儲罐罐表空氣開關控制三號儲罐罐表供電，經(jīng)查由控制室到儲罐的供電線路為多芯電纜，到現(xiàn)場側電纜分配出現(xiàn)交叉錯誤，經(jīng)調整控制室內(nèi)UPS電源接線端后回復正常;

（c）儲罐罐表系統(tǒng)的軟件在調試過程中部分功能無法啟動出現(xiàn)失靈，經(jīng)廠家重新安裝系統(tǒng)軟件后回復正常;

（d）在測試與集散型控制系統(tǒng)DCS通訊時，DCS作為主站，罐表系統(tǒng)作為從站，但仍有部分點出現(xiàn)通訊錯誤的現(xiàn)象，經(jīng)過罐表廠家和DCS服務工程師反復排查為通訊地址碼存在重復和超范圍的情況，糾正后回復正常;

（e）其他說明：罐表系統(tǒng)內(nèi)軟件的部分參數(shù)如密度設定等，需要首船進液時拿到船方相關數(shù)據(jù)時才能進行設置，為調試期間遺留項，在首船進液后解決。

具體TGS罐表系統(tǒng)圖如圖1。

3.4 LNG Expert分層和翻滾預測軟件

LNG Expert 是LNG儲罐分層和翻滾預測軟件，其解決方案使用基于網(wǎng)絡的人機界面操作員顯示，通過連接字段數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)， 可以無縫地集成在DCS 網(wǎng)絡配置，以及相關安全設備的狀態(tài)，通過OPC 或Modbus 通信一座罐內(nèi)儲存不同成分及密度的產(chǎn)品（例如LNG 和LPG）時會發(fā)生翻騰現(xiàn)象。所有罐內(nèi)條件，特別是分層，可以模擬和/或實時監(jiān)控，和之前的LNG 預期行為相比，使操作人員有足夠的時間和手段，從安全以及經(jīng)濟的角度創(chuàng)造最優(yōu)設置。罐包含各種LNG 等級， 該特性允許真正的實現(xiàn)分層管理策略。翻騰預防措施：（1）使用密度測量系統(tǒng)監(jiān)控全部液體高度中的密度。當超過一定的設定值時該系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。在此時，可采取措施阻止翻騰（例如混合）。密度測量系統(tǒng)與液位計系統(tǒng)應相互獨立。（2）設儲罐底部和頂部之間臨時的或連續(xù)的循環(huán)系統(tǒng)。注2 由于此要求，不需要對儲罐考慮防翻騰設計。自動和連續(xù)計算翻滾機會。每4 小時典型的計算頻率。一旦“LNG Expert” （固定配置特點和通信裝置DCS）產(chǎn)品運行無需操作員干預。對于預測展望，“LNG Expert”將通過標準工業(yè)通信工具報警現(xiàn)有的現(xiàn)場DCS。上LNG Expert 系統(tǒng)使用LTD 儀表的密度組份分布和其他的DCS 數(shù)據(jù)，計算以進行翻滾預測。翻滾可以觸發(fā)警報，會在DCS 操作員屏幕上彈出。

3.5 防翻滾工作步驟

（1）第一步是分析來自LTD 的組份分布數(shù)據(jù)。當新組份分布的所有數(shù)據(jù)有效時，一個新的平均密度和高度計算啟動組份分布數(shù)據(jù)。預配置最大密度差異決定是否在罐內(nèi)分層。

（2）分層檢測底層和頂層密度，高度和溫度的計算結果。中間層高度是可計算的。如果沒有分層，只有底層的密度，高度和溫度可以計算。

（3）使用從第一步計算值和最初進入的LNG 成分，可以計算目前的LNG 組成。

（4）分層檢測，所有以前的計算結果是有效的，允許新翻滾計算開始。

（5）成功完成翻滾計算，翻滾狀態(tài)相應地更新。

需要特別說明的是在LNG儲罐首船進液調試階段，需根據(jù)LNG具體的組分組成情況對防翻滾軟件系統(tǒng)進行校正，以保證后續(xù)的接卸LNG的過程中，軟件計算分析及識別，為接收站工藝人員的合理操作上進液還是下進液提供參考依據(jù)。

4 結束語

經(jīng)過項目建成后一年多的運行，儲罐罐表系統(tǒng)整體運行正常，這得益于合理的設計儲罐罐表系統(tǒng)前期的設計、設備的選型、現(xiàn)場施工及調試工作的順利開展和完成，罐表系統(tǒng)正常投用為工藝操作人員提供了及時有效的操作提示，為大型LNG儲罐的安全生產(chǎn)工作起到關鍵性的作用。

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