淺談浮式裝置LNG儲(chǔ)罐的儀表選型

李華萍

（惠生工程（中國）有限公司，上海 201203）

液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的能源，越來越受到很多國家的青睞，天然氣在能源供應(yīng)中迅速增加。

本文以某浮式儲(chǔ)存及再氣化裝置FSRU（Floating Storage Regasification Unit）的LNG儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，結(jié)合儲(chǔ)罐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工藝流程，介紹了船用LNG儲(chǔ)罐的儀表配置及選型。

1 LNG儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)及工藝流程

本文所述FSRU項(xiàng)目中LNG儲(chǔ)罐為IHI type B菱形罐，用于儲(chǔ)存需氣化并外輸?shù)腖NG介質(zhì)。單個(gè)LNG儲(chǔ)罐的有效容積為13160m3，儲(chǔ)罐的直徑約33.7m，儲(chǔ)罐高約16.4m，罐體材質(zhì)為Aluminum alloy A5083-O。因此，所有在罐內(nèi)安裝固定的儀表支架均為鋁材質(zhì)。

LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度為-163℃，操作溫度為-161.5℃；設(shè)計(jì)壓力為-7kPa.G/70kPa.G，操作壓力為6kPa.G～14kPa.G。

LNG即液化天然氣，主要成分是甲烷，在上述操作壓力和溫度下，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625。LNG是通過在常壓下氣態(tài)的天然氣冷卻至-162℃，使之凝結(jié)成液體。

根據(jù)IGC規(guī)范[1]，要求對(duì)每個(gè)儲(chǔ)罐都應(yīng)設(shè)有顯示貨物的液位儀表、壓力儀表、溫度儀表等，儲(chǔ)罐檢測(cè)儀表示意圖如圖1所示。

2 儀表設(shè)置及選型

甲烷屬于爆炸性危險(xiǎn)氣體，儲(chǔ)罐罐頂平臺(tái)依據(jù)防爆區(qū)域劃分相關(guān)規(guī)范定義為Zone 1、Zone 2區(qū)[2]，本項(xiàng)目?jī)x表防爆形式選擇本安型。為了保障儀表檢測(cè)過程的正常進(jìn)行，考慮到海洋環(huán)境因素，儀表應(yīng)選用全天候型，防護(hù)等級(jí)至少為NEMA 4X或IEC 60529 IP66。本項(xiàng)目為浮式船，所有儀表應(yīng)根據(jù)本項(xiàng)目所取證船級(jí)社的相關(guān)規(guī)范，取得型式認(rèn)可證書或產(chǎn)品認(rèn)可證書。

2.1 溫度測(cè)量?jī)x表

圖1 儲(chǔ)罐檢測(cè)儀表示意圖Fig.1 Diagram of tank detection instrument

鉑熱電阻Pt-100溫度元件低溫可測(cè)至-200℃，且精度高、性能穩(wěn)定、重復(fù)性好。因此，測(cè)量低溫介質(zhì)通常選用熱電阻Pt-100溫度元件。LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁測(cè)溫采用表面溫度元件——雙支熱電阻Pt-100，三線制，精度：BS EN60751 class A（-50℃～450℃）and class B（-196℃～ -50℃）[3]。

在LNG儲(chǔ)罐的內(nèi)壁、底部和罐頂都設(shè)有溫度測(cè)量點(diǎn)TE-001～007，對(duì)LNG預(yù)冷罐的過程和操作全過程進(jìn)行溫度監(jiān)控，罐內(nèi)壁表面溫度元件布置如圖2所示。表面熱電阻的末端使用鋁制集熱塊來固定在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)壁[4]；沿罐內(nèi)預(yù)制好的橋架向上敷設(shè)，每隔幾米做一處膨脹彎（最小彎曲半徑根據(jù)廠家建議），所有表面熱電阻自帶的低溫電纜通過多孔法蘭接至罐頂外的接線箱內(nèi)；通過接線箱內(nèi)溫度變送器，以4mA～20mA信號(hào)遠(yuǎn)傳至DCS系統(tǒng)。

2.2 壓力測(cè)量?jī)x表

壓力監(jiān)測(cè)是LNG儲(chǔ)罐重要的監(jiān)測(cè)手段之一。正常情況下，壓力變送器不能直接接觸低溫介質(zhì)，允許的介質(zhì)溫度在-40℃以上。目前LNG壓力測(cè)量方法之一是采用延長(zhǎng)導(dǎo)壓管，使介質(zhì)吸收環(huán)境的熱量，溫度升高，達(dá)到變送器可以測(cè)量的溫度；變送器測(cè)量氣化后介質(zhì)的壓力。

本項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐罐頂設(shè)置3臺(tái)壓力變送器PT-001～003，進(jìn)入SIS系統(tǒng)，當(dāng)壓力高高或低低的時(shí)候，三取二聯(lián)鎖停LNG外輸泵及關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)出口隔離閥，聯(lián)鎖保護(hù)儲(chǔ)罐安全；另設(shè)置一臺(tái)壓力變送器PT-004，進(jìn)入DCS系統(tǒng)用于監(jiān)控LNG儲(chǔ)罐壓力。

2.3 液位測(cè)量

本項(xiàng)目，LNG儲(chǔ)罐的液位測(cè)量系統(tǒng)由一臺(tái)伺服液位計(jì)LIT-003，一套儲(chǔ)罐監(jiān)控系統(tǒng)，兩臺(tái)用于儲(chǔ)罐液位聯(lián)鎖保護(hù)的雷達(dá)液位計(jì)LIT-001和LIT-002組成。

2.3.1 伺服液位計(jì)

伺服液位計(jì)由高精度力傳感器、步進(jìn)電機(jī)、測(cè)量磁鼓，測(cè)量浮子和鋼絲等部分組成，其工作原理基于阿基米德浮力平衡定律：通過檢測(cè)浮子的位移測(cè)量得到液位的變化。

圖2 儲(chǔ)罐內(nèi)壁表面溫度元件布置示意圖Fig.2 Diagram of the layout of the surface temperature element of the inner wall of the tank

本項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐的伺服液位計(jì)選用某公司的FTLG 807液位計(jì)及AMTG遠(yuǎn)傳數(shù)字液位顯示儀。伺服液位計(jì)的測(cè)量精度ΔL=±（2.0+0.15L）mm（其中L為測(cè)量液位高度），重復(fù)性為±2mm，防爆等級(jí)為Exia IIBT4。伺服液位計(jì)與遠(yuǎn)傳數(shù)字液位顯示儀通過本安型八芯鎧裝電纜連接，數(shù)字液位顯示儀通過RS-485 Modbus通信方式將儲(chǔ)罐液位數(shù)值實(shí)時(shí)傳輸給DCS系統(tǒng)。為了防止液面波對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，需要在儲(chǔ)罐內(nèi)預(yù)制穩(wěn)液導(dǎo)向管[2]，管徑為DN200mm。伺服液位計(jì)應(yīng)配有隔離用低溫球閥，確保液位計(jì)在不清罐的情況下能檢維修。

2.3.2 雷達(dá)液位計(jì)

根據(jù)SIL分析報(bào)告，LNG儲(chǔ)罐95%高高液位時(shí)需聯(lián)鎖關(guān)閉LNG儲(chǔ)罐進(jìn)料管線的開關(guān)閥及停止卸料系統(tǒng)；LNG儲(chǔ)罐98%溢出液位時(shí)需聯(lián)鎖停車，并且要求測(cè)量高高液位和溢出液位的液位儀表需分別設(shè)置。本項(xiàng)目配置了兩套桿式雷達(dá)液位計(jì)LIT-001和LIT-002，分別測(cè)量?jī)?chǔ)罐的高高液位及溢出液位，信號(hào)接入SIS系統(tǒng)。雷達(dá)液位計(jì)帶SIL證書，能測(cè)量-196℃的低溫LNG介質(zhì)，桿長(zhǎng)約為6m，兩線制本安型儀表。

2.3.3 儲(chǔ)罐監(jiān)控系統(tǒng)

本項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐配有獨(dú)立的儲(chǔ)罐監(jiān)控系統(tǒng)，可用于貿(mào)易計(jì)量?jī)?chǔ)罐的容積并打印報(bào)表。儲(chǔ)罐監(jiān)控系統(tǒng)（即CTSCustody Transfer System）包括測(cè)量?jī)x表、過程處理單元、上位計(jì)算機(jī)、打印機(jī)，設(shè)計(jì)滿足GIIGNL（International Group of Liquefied Natural Gas Importers）- LNG Custody Transfer Handbook規(guī)范，其系統(tǒng)框架如圖3所示。

測(cè)量?jī)x表包括雷達(dá)液位計(jì)LIT-101、多點(diǎn)溫度元件TT-101A～E、壓力變送器PIT-101、傾斜儀。雷達(dá)液位計(jì)選用導(dǎo)波雷達(dá)測(cè)量，可測(cè)范圍為0m～50m，其系統(tǒng)精度為±2mm。多點(diǎn)溫度元件選用Pt-100鉑熱電阻，其系統(tǒng)精度：±0.2℃（-165℃～-145℃），±0.3℃（-145℃～-80℃），±1.5℃（-80℃～50℃）。壓力變送器選用絕壓變送器，系統(tǒng)精度為±1.0%FS（滿量程）。傾斜儀選用雙軸測(cè)量傳感器，測(cè)量list & trim兩個(gè)垂直軸向的傾斜角度。

圖3 CTS系統(tǒng)構(gòu)架示意圖Fig.3 CTS System architecture diagram

雷達(dá)液位計(jì)、多點(diǎn)溫度元件及壓力取樣點(diǎn)集成在一個(gè)12寸的法蘭上用于液位測(cè)量，傾斜儀安裝在船艙內(nèi)中軸線上。由于LNG介質(zhì)為低介電常數(shù)，對(duì)于儲(chǔ)罐液位測(cè)量時(shí)，需要在導(dǎo)波管內(nèi)安裝反射片用于增強(qiáng)雷達(dá)傳播信號(hào)。每臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)配有一套5點(diǎn)溫度測(cè)量元件，作為溫度補(bǔ)償用，并提供LNG儲(chǔ)罐的平均溫度及溫度分布信息。

過程處理單元負(fù)責(zé)采集各測(cè)量參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并在上位機(jī)畫面顯示：儲(chǔ)罐內(nèi)液相容積及氣相容積、儲(chǔ)罐瞬時(shí)液位及修正液位、儲(chǔ)罐壓力、儲(chǔ)罐內(nèi)各測(cè)量點(diǎn)溫度及平均溫度，如圖4所示。所有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可通過Modbus RS485通訊至DCS系統(tǒng)。

3 火災(zāi)和可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

火災(zāi)和可燃?xì)怏w檢測(cè)系統(tǒng)（F&GS）能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地探測(cè)和報(bào)告可燃?xì)怏w的泄露或火災(zāi)，以便快速響應(yīng)并及時(shí)采取對(duì)應(yīng)的措施，保護(hù)生產(chǎn)設(shè)施和人員安全。儲(chǔ)罐區(qū)域F&GS系統(tǒng)是整個(gè)裝置F&GS系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。

圖4 CTS系統(tǒng)人機(jī)界面Fig.4 CTS System man-machine interface

在LNG儲(chǔ)罐區(qū)域設(shè)有可燃?xì)怏w探測(cè)器、火焰探測(cè)器、易熔塞用于區(qū)域安全監(jiān)測(cè)，手報(bào)按鈕用于人員巡檢報(bào)警；聯(lián)動(dòng)輸出單元包括聲光報(bào)警器、水噴淋、全船廣播PA/GA系統(tǒng)等。

4 結(jié)束語

在開展設(shè)計(jì)過程中，對(duì)LNG的物理特性和儲(chǔ)罐的特點(diǎn)進(jìn)行深入了解，根據(jù)LNG物理特性和自控專業(yè)的相關(guān)規(guī)范，進(jìn)行各類儀表設(shè)計(jì)選型、安裝等，期望能給相關(guān)項(xiàng)目提供參考。