LNG儲罐液位測量方法

楊 帆

（北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司，天津 300201）

天然氣是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，是各種替代燃料中最早廣泛使用的一種。它主要存在于油田、氣田，燃燒后不會產(chǎn)生廢氣，廢水，且熱值高、經(jīng)濟、便利。近年來，隨著液化天然氣（LNG）在世界能源消費中的比例逐年快速增長，LNG低溫儲罐的建設(shè)施工不斷增加，且發(fā)展勢頭迅猛。LNG儲罐一般容量較大，細微的液位測量誤差都將帶來很大的容量誤差，因此液位測量及控制在儲罐中非常重要。本文以某大型LNG低溫儲罐為例，探討一種基于伺服式液位計的液位測量技術(shù)。

1 LNG儲罐簡介

LNG生產(chǎn)工廠和接受終端都設(shè)有相應的LNG儲罐，這些LNG儲罐一般都是容量在1×104m3以上的大型儲罐。LNG儲罐按照設(shè)置方式可以分為地下罐和地上罐，而按其結(jié)構(gòu)形式又可分為單包容罐、雙包容罐、全包容罐及膜式罐。全包容罐相較其他形式有較高的安全性，如今儲罐多以大容積為主，因此選用全包容罐更加必要。

全包容罐有混凝土灌頂與金屬頂。混凝土頂罐的最大操作壓力可以設(shè)計得更高，由于這個壓力比LNG船艙壓力高，在卸船操作時，BOG可通過罐內(nèi)蒸發(fā)氣自身壓力在不使用增壓機的情況下直接返回到LNG運輸船上，減少了操作費用和設(shè)備費用。因此，國內(nèi)很多接收站都選擇了全容式混凝土頂儲罐。全容式混凝土頂儲罐設(shè)計包含內(nèi)罐和外罐，內(nèi)罐壁板材采用含鎳（9%Ni）的合金鋼板，外罐用預應力鋼筋混凝土制成，墻體豎環(huán)向采用VSL預應力后張束，豎向兩端錨固于混凝土墻頂部，底部，環(huán)向分別錨固于布置成90°的4根扶壁柱上。外罐厚度1m，內(nèi)外罐之間填充保溫材料[1]。

在LNG儲罐上設(shè)有足夠的報警和停車設(shè)施以保證LNG儲罐最大的安全。同時，在LNG儲罐上設(shè)有液位、溫度、密度連續(xù)檢測儀表，確保正常安全生產(chǎn)。

2 伺服式液位計

2.1 伺服式液位計測量原理

伺服式液位計是多功能儀表，既可測量液位，也可測量界面、密度和罐底等參數(shù)，常用于儲罐液位的高精確度測量。其基于力平衡的原理，由微伺服電動機驅(qū)動體積較小的浮子，使其精確地進行液位或界面測量，其基本工作過程是：浮子用測量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測量鋼絲纏繞在精密加工過的外輪鼓上，外磁鐵被固定在外輪鼓內(nèi)，并與固定在內(nèi)輪鼓內(nèi)磁鐵耦合在一起。當工作時，浮子作用于細鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，引起磁通量的變化。輪鼓組件之間的磁通量變化導致內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器（霍爾元件）的輸出電壓信號變化，其值與貯存于CPU中的參考電壓進行比較。當浮子的位置平衡時，其差值為零。當被測介質(zhì)液位變化時，使得浮子位置發(fā)生改變。其結(jié)果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補償?shù)幕魻栐妮敵鲭妷寒a(chǎn)生變化。該電壓值與CPU中的參考電壓的差值驅(qū)動伺服電動機轉(zhuǎn)動，帶動浮子上下移動，直到重新達到平衡點。整個系統(tǒng)構(gòu)成了一個閉環(huán)反饋回路，其精確度可達±0.7mm，同時，其自帶的掛料補償功能，能夠補償由于鋼絲或浮子上附著被測介質(zhì)導致的鋼絲張力的改變。伺服式液位計根據(jù)不同的工況，可選擇不同外殼材質(zhì)和耐壓等級。一般適用于常壓至2.5MPa壓力的應用場合。

2.2 伺服式液位計的安裝

伺服式液位計的安裝方式同非接觸式液位計。安裝在罐體上時，與介質(zhì)相通的腔室與電氣腔室完全隔離，以避免物料泄露。由于LNG儲罐通常是底部進料，在剛開始進料時，由于液位較低，LNG會對浮子產(chǎn)生沖擊，使浮子發(fā)生飄移，從而影響讀數(shù)的精確性。因此，需采用導波管安裝方式。

在使用中，伺服液位計安裝時有以下注意事項：(1)安裝導波管的位置應偏離儲罐進料口，以防止由于輸入液體的波動或湍流而引起的浮子的劇烈擺動。(2)安裝導波管的位置應該離開罐壁至少500mm，以確保測量不受環(huán)境溫度的影響。(3)徹底處理好導波管進液小孔的毛刺，以防毛刺掛住浮子。(4)保證伺服式液位計連接法蘭的垂直度，以避免浮子碰到導波管的內(nèi)壁造成液位測量失靈。

3 LNG儲罐液位測量

LNG儲罐使用液位-密度-溫度（LTD）連續(xù)測量設(shè)備和伺服式液位計相配合來測量儲罐的液位和各個液面的密度、溫度。LTD由數(shù)字邏輯單元和電機驅(qū)動單元組成，可在LNG儲罐內(nèi)垂直移動、測量，并顯示與各種液面相對應的液體密度和溫度。

LNG 在－160～－155℃存儲時，LNG 是多組分混合物，因溫度和組分的變化，液體密度的差異使儲罐內(nèi)的LNG可能發(fā)生分層。一般罐內(nèi)液體垂直方向上溫差大于0.2、密度大于0.5kg/m3時，即認為罐內(nèi)液體發(fā)生了分層。儲罐內(nèi)液化天然氣由于外界熱量的傳入而發(fā)生氣化，由于各組分的蒸發(fā)量不同，導致LNG的組分和密度發(fā)生變化，這一過程稱為老化。當有新的LNG產(chǎn)品注入儲罐時，由于新、舊LNG的溫度及密度不同，出現(xiàn)充注分層。當儲罐內(nèi)LNG產(chǎn)生分層后,隨著外部熱量的導入,底層LNG溫度升高,密度變小;頂層LNG由于BOG的揮發(fā)而變重。經(jīng)過傳質(zhì),下部LNG上升到上部,壓力減小,成為過飽和液體,積蓄的能量迅速釋放,產(chǎn)生大量的BOG,即產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。（即兩層不同密度的LNG在儲罐內(nèi)迅速上下翻動混合,瞬間產(chǎn)生大量氣化氣的現(xiàn)象。）此時罐內(nèi)LNG的氣化量為平時自然蒸發(fā)量的10～50倍,將導致儲罐內(nèi)的氣壓迅速上升并超過設(shè)定的安全壓力,使儲罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。當儲罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象時，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量無法使下層的LNG及時蒸發(fā)，造成下層LNG處于過飽和狀態(tài)。當儲罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時，下層LNG突然上升，導致迅速蒸發(fā)[3]。如果不及時通過安全閥排放,就可能造成貯槽的機械損傷,帶來經(jīng)濟上的損失及環(huán)境污染。因此，需要對翻滾進行監(jiān)控，而分層是翻滾的前提，檢測分層就要監(jiān)控溫度，密度，BOG等。這些LTD都可以進行監(jiān)控。

該測量系統(tǒng)包括伺服式液位計、平均溫度計、壓力變送器和罐旁指示儀。其中，平均溫度計、壓力變送器和罐旁指示儀都通過HART協(xié)議與伺服液位計進行通信。利用罐旁指示儀，操作人員可以在罐下觀察液位，對罐頂伺服液位計進行操作。平均溫度計的溫度信號與壓力變送器的壓力信號都首先送到伺服液位計，由伺服液位計將二者連同液位信號統(tǒng)一通過Rackbus RS-485輸出至控制室。在控制室，通過專用接口、網(wǎng)關(guān)可以轉(zhuǎn)換成標準的通信協(xié) 議 ， 如 Modbus RS-232、RS-485、ControlNet、Profibus-DP等，實現(xiàn)與PLC或DCS的通信。

LNG儲罐設(shè)置2臺伺服液位計，其信號送至PLC或DCS系統(tǒng)，實現(xiàn)對儲罐內(nèi)液位的實時檢測。如其中一臺發(fā)生故障或進行維修，另外一臺可以作為備用，實現(xiàn)儲罐液位信號的正常檢測。同時，另設(shè)置一臺高低液位開關(guān)。三臺液位計的信號送至ESD系統(tǒng)組成三選二邏輯，用于停止進料或停止罐內(nèi)低壓泵，實現(xiàn)儲罐的高低液位保護，達到安全儀表等級SIL3。

4 結(jié)語

伺服式液位計以其卓越的性能，越來越多的在各類工程中得到應用。同時，基于伺服式液位計的液位測量方法也將在LNG儲罐建造中擁有更為廣闊的使用前景。

［1］趙紅強,董傳紅,呂志榕.大型LNG儲罐控制方案探討[C].第六屆全國石油和化學工業(yè)儀表及自動化技術(shù)交流研討會.重慶.2007:154-161.

［2］孫國鋒.國產(chǎn)高準確度伺服液位計的測量原理及應用[J].石油庫與加油站.2008，17(4):28-32.

［3］鄒華生，黃春來.液化天然氣儲運中的翻滾現(xiàn)象分析關(guān)[J].油氣儲運.2006，25(11):13-15.