淺談大型LNG接收站儲罐罐表監測系統

時陽

摘 要：當前，隨著國民經濟的快速發展，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，它的安全平穩運行尤為重要，而其中罐表監測系統作為儲罐的安全衛士，實時監測儲罐液位、溫度和密度等重要參數，提示操作人員及時調整相關設置，為LNG儲罐的安穩運行保駕護航，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

近年來煤炭等傳統資源迅猛發展，但在環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階段。

2 罐表系統的作用、設計原則和重要意義

儲罐罐表系統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LNG的動態變化，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生報警提示工藝操作人員，對出現緊急工況能夠及時有效觸發聯鎖系統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據也可作為儲罐自身結構維護及維修的重要參考依據。

從安全角度出發，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。檢測數據可以傳輸給控制室/操作人員。所有進DCS系統的測量控制儀表與進SIS系統的聯鎖的儀表分別獨立設置。

罐內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，應區分在懸頂的下方或上方）;主容器殼及底部（冷卻/加溫控制）。儲罐內罐底部及內罐體設有多個表面溫度計，用于監測儲罐試車預冷和正常操作時的罐內溫度。在試車預冷過程中，通過監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。該系統應獨立操作，與正常壓力測量系統相分離。儲罐頂部設有多個壓力測量，能夠實時檢測儲罐內部壓力（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汽壓縮機和罐內泵，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生溢流。每個儀表系統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。

每座儲罐內均設有液位計及液位-溫度-密度（LTD）連續監測儀表，實時監測儲罐的液位及工作狀況。罐內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低壓泵，保護儲罐安全。為避免卸船時引起儲罐內LNG分層而導致“翻滾”的風險，可根據儲罐內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 典型項目罐表系統設計、選型及應用情況

國內某大型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℃，日蒸發率為0.05%（wt）。LNG儲罐內罐直徑為80m，內罐高度為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、內外罐之間的環形空間及內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 罐表系統設計

該項目設計LNG 罐表系統（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測，控制預冷工藝的全過程，使得LNG儲罐內溫度平穩變化，有效的保護內罐鋼板等材料。其中熱電阻監測點（單臺罐42個點）具體布置如下：

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

（2）內罐與外罐之間的環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測點，共8個監測點，主要作用是測量環形空間底部溫度情況;

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

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

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

（6）鋁吊頂的頂部空間設置4個溫度監測點，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，具體控制描述如下：

（1）多點溫度檢測信號直接進罐表系統監控，經過Modbus TCP/IP與DCS系統通訊，測量精度為Class A。

（2）6臺壓力變送器中有三臺進DCS控制系統監控，其余三臺進SIS控制系統參與聯鎖控制，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監控，同時三臺液位計輸出三個觸點信號硬接線進入SIS控制系統參與聯鎖控制，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監控，經過Modbus TCP/IP與DCS系統通訊。

（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，經查為現場接線箱內接線松動，接觸不良所致，經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，發現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，經查由控制室到儲罐的供電線路為多芯電纜，到現場側電纜分配出現交叉錯誤，經調整控制室內UPS電源接線端后回復正常;

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

（d）在測試與集散型控制系統DCS通訊時，DCS作為主站，罐表系統作為從站，但仍有部分點出現通訊錯誤的現象，經過罐表廠家和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：罐表系統內軟件的部分參數如密度設定等，需要首船進液時拿到船方相關數據時才能進行設置，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絡的人機界面操作員顯示，通過連接字段數據和過程數據， 可以無縫地集成在DCS 網絡配置，以及相關安全設備的狀態，通過OPC 或Modbus 通信一座罐內儲存不同成分及密度的產品（例如LNG 和LPG）時會發生翻騰現象。所有罐內條件，特別是分層，可以模擬和/或實時監控，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，從安全以及經濟的角度創造最優設置。罐包含各種LNG 等級， 該特性允許真正的實現分層管理策略。翻騰預防措施：（1）使用密度測量系統監控全部液體高度中的密度。當超過一定的設定值時該系統會發出報警信號。在此時，可采取措施阻止翻騰（例如混合）。密度測量系統與液位計系統應相互獨立。（2）設儲罐底部和頂部之間臨時的或連續的循環系統。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”將通過標準工業通信工具報警現有的現場DCS。上LNG Expert 系統使用LTD 儀表的密度組份分布和其他的DCS 數據，計算以進行翻滾預測。翻滾可以觸發警報，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 的組份分布數據。當新組份分布的所有數據有效時，一個新的平均密度和高度計算啟動組份分布數據。預配置最大密度差異決定是否在罐內分層。

（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LNG具體的組分組成情況對防翻滾軟件系統進行校正，以保證后續的接卸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。

4 結束語

經過項目建成后一年多的運行，儲罐罐表系統整體運行正常，這得益于合理的設計儲罐罐表系統前期的設計、設備的選型、現場施工及調試工作的順利開展和完成，罐表系統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儲罐的安全生產工作起到關鍵性的作用。

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