LNG儲罐罐表系統選型設計問題研究

王乃民，張喜強，馬國印，尹學東，陳 健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)接收站是儲存LNG并外輸的轉運站。站內主要包括卸料碼頭、LNG儲罐、工藝裝置及公用工程等設施。其中，LNG儲罐是接收站的核心裝置，主要用于儲存從各地運來的LNG。LNG儲罐在運行過程中主要存在以下潛在風險。

①卸料時，LNG進入儲罐過程中存在較高氣化率，形成大量蒸發氣(boil of gas,BOG)。

②由于物料特性差別，LNG進入儲罐過程中發生分層，長時間靜置容易產生翻滾[1-2]。

為控制好儲罐LNG的液位、溫度、密度等參數，以免發生因LNG快速而大量的氣化導致的儲罐超壓和爆炸等危險，以及由于翻滾導致的冒頂事故，LNG儲罐必須具備一套測量準確、性能穩定的罐表系統。系統實時監測儲罐內介質的各項工藝參數，以確保LNG儲罐的穩定運行和站場內的人身設備安全。

一直以來，在罐表系統選型設計過程中，由于受不同標準規范要求的影響，以及國內各設計院理念的不同，在罐表系統選型設計過程中會遇到一些疑難問題。本文結合現行國家標準規范要求和工程實踐經驗，針對疑難問題進行具體分析研究，并給出相應的解決措施和設計標準，以便指導罐表系統選型設計工作。

1 系統組成和功能

罐表系統由液位計、罐旁表、液位溫度密度計(level temperature density,LTD)、多點溫度計、數據接口單元、操作站、打印機組成。為提高系統的安全性和可靠性，一般操作站和數據接口單元采用冗余配置[3-4]。罐表系統結構如圖1所示。

圖1 罐表系統結構

罐表系統實時監測儲罐的液位、溫度及密度，用于實現儲罐的庫存管理和翻滾預測。其主要功能要求如下。

①庫存管理：監控儲罐的液位、溫度、密度以及報警信息；實時監測每個儲罐液化天然氣的儲存量；定時操作液位溫度密度計執行梯度指令；生成并打印相應的庫存報表、系統配置信息、歷史趨勢。

②翻滾預測：分層預測，并計算分層的演化過程；顯示儲罐每一層的高度、平均密度和溫度；提供儲罐出現翻滾現象的預報警；提供30天內的翻滾預測。

2 問題分析研究

2.1 液位計配置

在LNG儲罐上使用的液位計主要有伺服液位計和雷達液位計2種。根據規范GB 51156的要求，液化天然儲罐設置的2套獨立的液位計宜采用伺服液位計，用于高液位監測的液位計宜采用雷達液位計或伺服液位計[5]。而規范GB 17681則要求，液體儲罐必須配置液位檢測儀表，同一儲罐至少配備2種不同類別的液位檢測儀表[6]。

LTD雖然可以測量液位，但不是連續測量，而是主要測量密度監測分層，以防止儲罐內LNG發生翻滾。

LTD與伺服液位計測量原理相同。因此，若按照GB 17681的要求，則LTD不能作為與伺服液位計不同類別的液位計使用。若同時滿足以上2個標準要求，罐表系統應配置2臺伺服液位計和1臺雷達液位計。

液位計配置除了符合相關標準規范的要求，還應該從項目實際需求出發，考慮不同液位計的性能。伺服液位計和雷達液位計參數比較如表1所示[7]。

表1 伺服液位計和雷達液位計參數比較

從表1可以看出：雷達液位計在測量儲罐低液位時存在液位測量盲區，測量精度低、誤差大，不能作為液位低低聯鎖信號；高液位測量則可以作為報警聯鎖信號。

在以往項目安全完整性等級(safety integrity level,SIL)分析中，由于使用的風險矩陣不同，低液位安全儀表回路為SIL1或SIL2。對于安全完整性等級為SIL2的情況，采用2伺服1雷達的1oo2表決可以滿足GB/T 50770的要求[8]。但3伺服的2oo3表決方式提高了系統的可用性和可靠性。此外，在LNG接收站標準規范GB 51156中，明確了高液位監測可以采用伺服液位計。因此，考慮SIL分析結果的液位計配置如表2所示。

表2 液位計配置

另外，雷達液位計價格要高于伺服液位計，因此從安全可靠性和性價比這2個方面綜合考慮，應首選3臺伺服液位計的配置方案。

2.2 多點溫度計測溫點數確定

從儲罐內罐底部到頂部設置多點均勻分布溫度傳感器，用于指示LNG在儲罐中的溫度分布。多點溫度計與LTD系統配合，為操作員提供充足的儲罐內溫度數據，并為計算罐容奠定基礎。

在以往項目中，由于不同罐容的儲罐內罐高度不同，平均溫度計測溫點數設計也有所不同。按照GB 51156的要求，LNG內罐應設置多點溫度計，相鄰2個測溫點之間的垂直距離不超過2 m。為滿足標準要求，通常每座LNG儲罐都是錯位安裝2套多點溫度計，分別接入主、從伺服液位計。表3是以往項目不同罐容儲罐設置的平均溫度計測溫點數，以及按照標準規范要求實際滿足的測溫點數。

表3 罐容與測溫點數對照表

從表3可以看出，LNG儲罐通常采用比標準要求更多的測溫點數。

在LNG儲罐的庫存管理過程中，需要不斷計算罐內的LNG總量。一方面，計算結果要保證供需平衡，在LNG量降到一定值時啟動外部輸入(LNG運輸船或槽車)進行補充。另一方面，罐內LNG總量會影響防翻滾軟件對儲罐LNG翻滾的判斷計算。

在計算罐內總質量的過程中，可視密度和罐壁修正體積需要，對罐內LNG溫度進行多次修正[9]。罐內LNG溫度是多點溫度計測得的多個測溫點的溫度平均值。

(1)

式中：T為罐內LNG的平均溫度；N為罐內LNG中測溫點數；tn為罐內LNG中第n個測溫點溫度。

由式(1)可知，測溫點越多，平均溫度越精確，罐內總質量計算也越精確。如果不考慮變送器的處理能力和費用，則測溫點越多越好。

例如，對于一座16萬立方米的LNG儲罐，其內罐高度為35 m左右，每套多點溫度計選擇10個測溫點，同一多點溫度計上相鄰兩點間距3.8 m，通過錯位安裝實現測溫間距1.9 m，即滿足標準要求。如果選擇16點的多點溫度計，相鄰2個測量點間距2.4 m，2套多點溫度計錯位安裝，實現2個測溫點間距為1.2 m，提高了平均溫度計的計算準確度。

罐內LNG總質量計算流程如圖2所示。

圖2 罐內LNG總質量計算流程

因此，對于LNG儲罐，除了不考慮單個平均溫度計變送模塊的處理能力，應盡量選擇更多點的平均溫度計。

2.3 夾管閥設計

LTD采用多傳感器組合探頭，將液位、溫度和密度傳感器集成于一體。罐頂機械單元采用防爆步進電機驅動齒輪帶螺旋鋼纜或穿孔的傳動帶，進而帶動一體化的傳感器提升或下降[10]。

一般情況下，變送器通過管法蘭直接與工藝隔離球閥連接。在液位溫度密度計檢修時，把集成傳感器收到變送器的管腔內(位置B)，然后關閉導向管頂端工藝隔離球閥，即可拆卸變送器進行維修。但近年來，隨著LNG儲罐運行項目越來越多，在一些項目中遇到以下2種情況。①由于鋼帶復合纜直徑較大，出現鋼帶復合纜在變送器輪轂腔室卡滯。②由于導向管在冷態環境中的收縮，造成集成傳感器被導向管卡住不能上下移動。

LTD安裝結構如圖3所示。

圖3 LTD安裝結構

當以上情況發生時，由于集成傳感器停留在位置A，工藝隔離球閥無法關閉，導向管內LNG會形成BOG不斷進入變送器輪轂腔室，導致無法打開變送器進行檢修。如果在檢修時隔離導向管內的BOG，就需要在工藝隔離球閥和變送器之間加裝夾管閥。夾管閥關閉時，通過耐低溫聚四氟乙烯夾緊鋼帶復合纜實現對導向管的隔離。因此，在工藝隔離球閥和變送器間設置夾管閥是非常必要的，可為變送器檢維護提供便利。

集成傳感器損傷如圖4所示。

圖4 集成傳感器損傷示意圖

在某LNG儲罐LTD調試過程中，當集成傳感器從儲罐底部上升0.5 m的位置時，上限液位開關動作，LTD停止運行。首先，通過關閉夾管閥隔離LTD輪轂腔和導向管，拆除LTD的電源和通信線，用轱轆提升集成傳感器5 mm；然后，拆除夾管閥上部螺絲，轉動LTD設備180°后再次安裝；最后，解決集成傳感器卡滯的問題。

2.4 防翻滾預測

在LNG的存儲過程中，由于注入的LNG和儲罐內原有LNG的密度、溫度不同，可能出現分層現象。分層形成后，底部BOG無法正常揮發造成底部LNG過熱“老化”，密度逐漸變輕；上層LNG由于輕質的BOG可以正常揮發，密度逐漸增大。在某些條件下，2層或多層LNG的密度趨于相同時，層間將發生迅速混合，從而導致發生翻滾現象。翻滾對儲罐上的設備存在很大的危險性，會造成重大的經濟損失和環境危害[11-12]。為防止LNG儲罐發生翻滾，需要罐表系統具有防翻滾預測功能，從而根據防翻滾預測系統的報警信息采取相應的措施。

目前，LNG防翻滾軟件的數學模型主要有2種。

(1)基于Janet Heestand及J.W Meader教授在1983聯合出版的《A Predictive Model for Rollover in Stratified LNG Tanks》的文獻。該文獻提出了LNG熱值交換、BOG蒸發率等計算方程。開發者根據這些方程進行計算機模型開發，對模型進行測試優化并驗證。它是基于真實現場數據優化驗證的模型，由MHT Technology Ltd.開發，簡稱MHT Rollover。MHT Rollover具有以下特征。

①由英國謝菲爾德大學開發，基于Mathworks/Microsoft C#語言編寫，可預測31天的翻滾。

②翻滾軟件嵌入在LNG庫存管理軟件中，無需另外配置操作站，只要提前輸入LNG組分即可計算BOG和儲罐壓力。

③基于真實現場數據優化驗證。優化測試數據來自有公開記錄的翻滾數據，保證了數據的真實、可靠。在美國田納西州Chattanooga LNG現場的5萬立方米LNG儲罐上進行了實際驗證。

(2)基于法國燃氣實驗數據庫專門數學模型和部分公開數學模型。這些公開的數學模型包括用于BOG蒸發量計算的Hashemi & Wesson模型[13]、用于計算LNG分層界面熱量和質量傳導的J.S.Turner 模型[14]和Y.Zellouf模型[15]等。開發者根據這些模型進行先進建模。LNG Expert具有以下特征。

①LNG Expert由Engie全球技術研發中心與LCEC咨詢公司聯合開發，基于Microsoft C#語言編寫，可預測30天的翻滾。

②翻滾軟件獨立安裝于1臺操作站上，并根據LTD完成Profile后的數據自動計算BOG和儲罐壓力，以及罐內組分演化情況。

③基于部分公開模型和法國燃氣(Gaz de France Suez)專有的數據庫模型。模型經過反復驗證。這些驗證包括：Gaz de France位于法國南特的實驗基地進行的驗證；法國多個大型LNG接收站進行的數據驗證；公開記錄的翻滾數據進行的實驗驗證。

2種翻滾軟件在翻滾預測方面各具優勢。MHT Rollver基于理論模型，利用少量的真實發生的數據。LNG Expert則利用大量的模擬試驗數據、真實翻滾數據和現場驗證。兩者從翻滾基理上都可以實現翻滾預測。目前，國內已運行和在建的LNG儲罐中，2種翻滾軟件的應用都很廣泛，應用效果也都能滿足翻滾預測的要求。

3 結論

罐表系統負責監測LNG儲罐的運行狀態，參照現行標準規范對罐表系統的要求，以及結合以往項目中遇到的實際問題，通過對選型設計問題進行分析研究，提出了相應的解決措施。該研究提高了設計人員在這些問題上的認識：液位計配置應優先選用3臺伺服液位計；平均溫度計測溫點數應最大化設計；夾管閥必須設置以滿足LTD檢修要求；防翻滾預測軟件應滿足預測功能的要求。通過對罐表系統選型設計問題的分析研究，提高了設計工作效率，保證了LNG儲罐的運行安全。該研究對同類LNG儲罐項目設計具有重要參考意義。