罐表系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)探討

陳加鑫 丁杰 韓磊 王亞楠

摘要：天然氣作為清潔能源受到青睞，致使 LNG接收站項目的建設(shè)逐年增多，LNG儲罐作為接收站的核心部分，其安全運行及實時監(jiān)測顯得更加重要。其中罐表系統(tǒng)對于實時監(jiān)測儲罐的液位、溫度和密度等重要參數(shù)起到了重要作用，并為操作人員及時調(diào)整相關(guān)參數(shù)設(shè)置提供依據(jù)。為了能夠獨立自主完成典型罐表設(shè)備的調(diào)試工作，基于01146型一體化測量儀表的說明書、廠家指導手冊，并結(jié)合 LNG儲罐調(diào)試工作，完成對罐表系統(tǒng)的調(diào)試，總結(jié)、精煉出典型罐表設(shè)備的調(diào)試方法。常用罐表主要安裝于 LNG儲罐之上，根據(jù)指令跟蹤液位或到達指定液位，進行數(shù)據(jù)采集分析，可以檢測整個罐溫度、密度分布，為預知分層和翻滾提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。常規(guī)儲罐一般配有3套及以上液位測量系統(tǒng)，可通過選取液位、溫度參數(shù)對儲罐進行相關(guān)邏輯連鎖聯(lián)動，防止儲罐由于液位和溫度的過高過低造成 LNG翻滾風險。

關(guān)鍵詞：罐表;密度;溫度;液位

中圖分類號：TH85文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0320-04

Discussion on Commissioning of Tank Gauge System

Chen Jiaxin ，Ding Jie ，Han Lei ，Wang Yanan

（China Offshore Oil Engineering Corporation， Tianjin 300452， China）

Abstract： Natural gas is favored as a clean energy， resulting in the construction of LNG terminal projects increasing year by year. As the core part of the terminal， the safe operation and real-time monitoring of LNG storage tank are more important. The tank meter system plays an important role in real-time monitoring important parameters such as liquid level， temperature and density of the tank， and provides a basis for operators to adjust relevant parameter settings in time. In order to independently complete the commissioning of typical tank meter equipment， the commissioning of tank meter system was completed based on the manual and manufacturer's instruction manual of 01146 integrated measuring instrument， combined with the commissioning of LNG storage tank， and the commissioning methods of typical tank meter equipment were summarized and refined. The common tank meter is mainly installed on the LNG tank. It can track the liquid level or reach the specified liquid level according to the instruction for data acquisition and analysis. It can detect the temperature and density distribution of the whole tank and provide basic data for predicting stratification and tumbling. Conventional storage tanks are generally equipped with three or more sets of liquid level measurement systems， which can carry out relevant logic interlocking and linkage on the storage tank by selecting liquid level and temperature parameters to prevent LNG rollover risk caused by too high and too low liquid level and temperature.

Key words： tank gauge; density; temperature; liquid level

0 引言

如今環(huán)境保護壓力巨大，清潔能源使用日益廣泛，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)的潔凈燃料，在能源、交通等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，加之天然氣儲量巨大，開發(fā)難度適中，使得天然氣的開發(fā)和利用已成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。以至于天然氣的儲存和應(yīng)用技術(shù)已成為專門技術(shù)領(lǐng)域，受到工程和學術(shù)界等各領(lǐng)域、各界的廣泛關(guān)注。

目前天然氣的儲存技術(shù)國內(nèi)已經(jīng)掌握，作為液化天然氣的接收終端（即 LNG 接收站），其功能是接收來自各個地方的 LNG運輸船舶，停靠之后完成與接收站之間的 LNG輸送。接收站隨后將其儲存和再汽化后分配給不同地區(qū)的用戶。接收站儲存容量巨大，氣化效率高，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。

罐表系統(tǒng)以其獨立性強、穩(wěn)定性高和維修方便的優(yōu)點廣泛應(yīng)用于 LNG儲罐上，在每座 LNG儲罐上安裝的自動、多傳感器探測設(shè)備，儲罐罐頂安裝的電子控制模塊主要用于測量連續(xù)的密度和液位，并對罐體內(nèi)部各個部位，如罐頂、罐壁、罐底的壓力和溫度進行實時監(jiān)測。常規(guī) LNG 儲罐內(nèi)部應(yīng)當裝有3套獨立工作且互不影響的液位系統(tǒng)，可根據(jù)實際情況，液位監(jiān)測儀表的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可以固定在罐底部，對于伺服液位計的傳感器部分可以從罐頂直接進入罐內(nèi)，并可直達罐底，通過儀表內(nèi)部的伺服電機來實現(xiàn)驅(qū)動裝置的自動控制。伺服液位儀表可以根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，控制傳感器在罐內(nèi)進行垂直移動。儲罐內(nèi)部的所有系統(tǒng)元件都可以在檢修與更換時從罐內(nèi)取出，前提需要體檢做好相應(yīng)設(shè)備的隔離與旁通。液位測量儀表在拆卸后，維修人員必須用全通徑球閥使儲罐內(nèi)部與外界進行完全隔離[1]。

本文依托在建 LNG儲罐項目，以往罐表系統(tǒng)調(diào)試工作均由國外廠家承擔，調(diào)試費用高、周期長，設(shè)備調(diào)試方法、調(diào)試關(guān)鍵技術(shù)均被壟斷，為突破這一技術(shù)壁壘，本文圍繞罐表調(diào)試展開工作，本著消化、吸收、總結(jié)的思路開展罐表系統(tǒng)調(diào)試，依據(jù)廠家資料、設(shè)計文件、工作原理，安裝資料、相關(guān)規(guī)范、廠家測試報告等，以及國內(nèi)相關(guān)設(shè)備資料的參考，設(shè)計一套罐表設(shè)備的調(diào)試方法，增加這一領(lǐng)域的調(diào)試經(jīng)驗。

1 功能介紹

01146型智能液位、溫度和密度測量系統(tǒng)（LTD）是一個能夠測量液位、溫度和密度的緊湊單元，可通過浸入在液體內(nèi)部或液體表面的傳感器完成相應(yīng)的參數(shù)的測量。感應(yīng)浮子裝有兩個傳感器：密度傳感器、溫度傳感器[2]。

模擬數(shù)據(jù)通過鋼帶內(nèi)的8根銅線傳輸至表頭部分，鋼帶纏繞在表頭內(nèi)部的滾筒上，這個滾筒由微處理器控制的直流電機進行驅(qū)動，直流電機可以檢測到傳感器的位置。當鋼帶通過鏈輪時，鏈輪通過電子驅(qū)動編碼器。編碼器精度為±1 mm 。來自感應(yīng)浮子的數(shù)據(jù)可以從密度計 LCD顯示屏直接讀取。此外，該密度計可連接到現(xiàn)場控制室的各種接收器上，達到監(jiān)測目的[3]。

（1） 密度測量原理。液體密度的變化由感應(yīng)浮子在固定的周期內(nèi)進行轉(zhuǎn)化編譯，密度的測量由位于表頭內(nèi)部的微處理器進行測量，該密度會定期顯示在 LCD顯示屏上。

（2） 溫度測量原理。測溫原理基于經(jīng)典的 PT100四線制測量，該溫度會定期顯示在 LCD顯示屏上。

（3） 液位測量原理。該01146型密度計使用一個絕對編碼器，準確地記錄鏈輪的旋轉(zhuǎn)，每300 mm為1圈。鏈輪與絕對編碼器之間的耦合是通過磁鐵實現(xiàn)的，3個磁鐵均安裝在鏈輪內(nèi)，此外，當檢測到一個液位值時，編碼器會連續(xù)讀取2個液位數(shù)值，如果2個數(shù)值相同，則數(shù)據(jù)有效，如果不是這樣，則會出現(xiàn)錯誤消息并在液晶屏上顯示[4]。

2 系統(tǒng)組成

浙江 LNG二期工程項目所應(yīng)用的密度計是01146型密度計，密度計經(jīng)設(shè)計可安裝在儲罐頂部，并配有其他輔助設(shè)備，可完成對儲罐的測量及管理工作，01146型密度計的元件布置分別如圖1、2所示。

典型的罐表系統(tǒng)的兩套伺服液位計，主要完成液位、液態(tài) LNG 平均溫度、儲罐罐壁溫度、罐底溫度、泄漏檢測的測量;密度計主要完成液態(tài) LNG 在規(guī)定時間段內(nèi)的密度和溫度取樣的測量。

3 調(diào)試流程

3. 1 上電前檢查

檢查電壓等級，電壓可以為220～240 Vac 或85～140 Vac ，通過選擇保險的大小和跳線的接線方式可以完成不同供電電壓間的切換操作[5]。

3. 2 現(xiàn)場通訊總線連接

1146型密度計配備了兩種冗余式現(xiàn)場總線協(xié)議，分別為0～20 mA 電流信號和 RS485通訊方式。

3. 3 傳輸?shù)刂芬约安ㄌ芈实脑O(shè)置

在 PCB面板上有2列指撥開關(guān)，每列8個，可以撥動開關(guān)完成對現(xiàn)場總線地址、偏移量、波特率設(shè)置進行編程操作，現(xiàn)場總線地址以二進制的格式進行編譯。

3. 4 檢查測量鏈該步驟主要檢查卷帶鼓輪與感應(yīng)浮子之間的接線方式是否正確。

3. 5 密度計現(xiàn)場調(diào)試

（1） 設(shè)備啟動設(shè)置與調(diào)整

設(shè)備安裝接線完成之后，可以對設(shè)備進行上電操作。

（2） 首次液位調(diào)整

①1146型密度計上電。

②確認感應(yīng)浮子出口處球閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

③向上撥動馬達控制面板上的就地驅(qū)動開關(guān)，激活馬達就地控制的上、停、下3個按鈕[6]，按鈕指示如圖3所示。

④按下控制按鈕，控制靜井內(nèi)部的感應(yīng)浮子運動至罐底（如果有外部應(yīng)力限制馬達動作時，馬達將自動停止）。浮子觸碰球閥時，浮子自動停止，馬達控制按鈕如圖4所示。

⑤檢查高低停止限位控制桿。向上/向下推動限位控制桿，檢查繼電器動作方式是否正確（紅色LED 指示燈點亮），限位控制桿如圖5所示。

⑥按下馬達控制按鈕，感應(yīng)浮子動作至高限位位置[6]。

⑦打開出口閥門。

⑧按下按鈕，使靜井內(nèi)的浮子下放至罐底，浮子觸及罐底后自動停止動作;待浮子觸及罐底基準板時，記錄 LTD 顯示屏上顯示的“H0”標志，“H0”位置如圖6所示。

⑨按下馬達操作按鈕，是感應(yīng)浮子動作至密度計高限位（在感應(yīng)浮子未到達球密度計頂部時，嚴禁關(guān)閉球閥，以免造成損壞）;待浮子運動至頂部，記錄液位數(shù)據(jù)“HV”，“HV”位置如圖7所示。記錄實際液位高度： HV-230-H0。

⑩下放感應(yīng)浮子至球閥頂部;此時 LCD顯示液位必須是 H+h;液位標志“H”為當前實際液位高度;液位標志“h”為感應(yīng)浮子液位偏移量;當液位顯示正確時，（LCD必須顯示H 值）提升感應(yīng)浮子。感應(yīng)浮子必須停止在限位臂處;記錄高限位液位 HLL。

?使浮子在球閥與限位臂處重復動作，LCD必須顯示 H+h和HLL ，允許誤差±1 mm;如果結(jié)果正確，液位初始化設(shè)置完成;記錄高液位值： HSL = HLL –20 mm;首次液位調(diào)整完成后，感應(yīng)浮子的磁簧開關(guān)必須移除[7]。

（3） 低限位調(diào)整

當首次液位初始化完成后，確認以下步驟。

①感應(yīng)浮子固定于鋼帶末端。

②球閥處于全開位置。

③按下馬達控制按鈕，下放靜井中的浮子至罐底，記錄低限位液位 LLL ，固定位于限位臂后方的低限位支架[8] （距離罐底1 m處），限位臂如圖8所示。

④下放鋼帶來控制限位臂的動作，鋼帶必須停止在限位臂上（必須取消磁簧開關(guān)控制指令，鋼帶才能下放）[9]。

重復此操作，LCD 必須顯示 LLLL ，誤差允許范圍±1 mm 。如果結(jié)果正確，下液位設(shè)置完成，記錄下液位值：LSL = LLL +50 mm ，馬達高低限位如圖9所示。

（4） 配置

1146密度計必須通過軟件按照以下步驟完成設(shè)置操作：感應(yīng)浮子參數(shù)標定、偏移量參數(shù)設(shè)置、密度計模式設(shè)置（正常模式和液位模式）、密度參數(shù)畫面、傳感器動作參數(shù)、安全限位器、鋼帶補償、文件配置。此項設(shè)置只能在工作站進行，密度計現(xiàn)場總線通過硬線連接至工作站處[10]。密度計現(xiàn)場總線（0～20 mA or RS485）是通過硬線連接至工作站（LNG Manager ， LNG SMS or DCS），接線完成后便可以對軟件進行相關(guān)配置。

（5） LNG管理員權(quán)限配置

LNG管理員畫面顯示實時時間、罐體細節(jié)信息（液位、溫度、密度、趨勢）、相關(guān)報警及總覽，管理員可以從控制室直接對現(xiàn)場儀表相關(guān)參數(shù)進行修改，參數(shù)的修改只能通過軟件進行，密度計相關(guān)元件的補償參數(shù)也可以通過軟件進行設(shè)置，如傳感器、環(huán)境溫度、鋼帶等。每一個01146型密度計都配有一個標定證書，該證書包含每一個傳感器的標定參數(shù)，且每個密度計都不相同，管理員的操作窗口如圖10所示。

（6） DCS系統(tǒng)進行配置

管理員也可以通過 DCS控制系統(tǒng)直接對01146型密度計進行配置，罐表管理系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)可以通過20mA 電流回路以及 RS485進行相互通訊，管理員可以在 DCS系統(tǒng)中進行配置升級以及參數(shù)的修改工作[11-12]。

4 結(jié)束語

本文通過對01146型一體化測量儀表的現(xiàn)場調(diào)試，以廠家作業(yè)指導書、設(shè)備操維手冊為基礎(chǔ)，總結(jié)出一套針對該設(shè)備的具體調(diào)試方法，并對每一步的操作步驟進行了詳細闡述，通過理論計算與現(xiàn)場實際測量，確定相應(yīng)的液位高點與液位低點值，這是此類測量儀表的關(guān)鍵所在，并在儲罐投產(chǎn)進液后進行了實際的觀察，所有設(shè)備功能均已實現(xiàn)并達到要求，積累了一定的理論知識及實踐經(jīng)驗。

參考文獻：

[1]胡壽松. 自動控制原理[M]. 北京：科學出版社，2013.

[2]羅蘭. 電液位置伺服系統(tǒng)運動控制器的研究[D]. 蘭州：蘭州理工大學，2018.

[3]潘峰，劉紅兵. 西門子PLC控制技術(shù)實踐[J]. 電工技術(shù)，2014（7）：52.

[4]劉艷強. 基于雙 CAN總線的數(shù)字伺服通訊協(xié)議研究[D]. 北京：北京航空航天大學，2006.

[5]西門子公司. 西門子840D 簡明調(diào)試手冊[Z]. 2015.

[6]中國機械聯(lián)合會. 低壓配電設(shè)計規(guī)范[M]. 北京：中國計劃出版社，2012.

[7] GB/T 20368-2012. 液化天然氣（LNG）生產(chǎn)、儲存和裝運[S]. [8] GB/T 22724-2008. 液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計[S]. [9]顧安忠. 液化天然氣技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[10]劉浩， 周永春. LNG低溫儲罐壓力安全系統(tǒng)設(shè)計[J]. 化工設(shè)計，2007，17（1）：7-10.

[11]周偉國， 阮應(yīng)君，藤汜穎. 液化天然氣儲罐中的翻滾現(xiàn)象及預防措施[J]. 煤氣與熱力，2002，22（4）：294-296.

[12]曾建輝. LNG儲罐儀表系統(tǒng)[J]. 中國科技博覽，2012（17）：296.

作者簡介：陳加鑫（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，大學本科，工程師，研究領(lǐng)域為海洋石油鉆井平臺建造、平臺設(shè)備、控制系統(tǒng)調(diào)試技術(shù)，已發(fā)表論文4篇。

（編輯：王智圣）