1萬方LNG儲罐的現場儀表選型及其基本測量原理

行毅鵬

北京石油化工工程有限公司西安分公司 陜西 西安 710100

天然氣的主要成分是甲烷，來源于油田、氣田、煤層等地方。天然氣在常壓下冷卻至-162℃時，可凝結成液體。天然氣的氣態與液態的體積比約為625：1，故將其液化后可大量減小儲運空間。同時天然氣是一種清潔（燃燒后的產物是CO2和H2O）、高效的能源（熱值約38.46MJ/Nm3）。

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然氣的縮寫。

延長石油志丹LNG二期項目，該項目建設內容包括20萬噸/年天然氣液化裝置、配套1萬方LNG儲罐。項目2018年7月開工建設，2019年12月試車成功，產出LNG產品。

本文對項目中的1萬方LNG儲罐現場儀表的選型、及儀表的基本測量原理進行了簡要論述。

1 LNG 儲罐概述

液化天然氣（LNG）在常壓下的沸點約為-161℃。工業實踐中，通常將天然氣的溫度降到沸點以下，并使儲罐的操作壓力稍高于常壓，使天然氣保持液態，來實現其儲存。

LNG儲罐具有良好的保冷性能，以使儲罐內介質的溫度保持在-162℃。

本項目的LNG儲罐有兩層，即內罐和外罐。當內罐發生泄漏時，外罐可起到封攔作用，增加了儲存安全。

本文的主題為1萬方LNG儲罐的現場儀表選型，及其基本測量原理。1萬方LNG儲罐屬于大型LNG儲罐（容量在10000～40000m3之間的儲罐）。

2 現場儀表的選型及基本測量原理

2.1 總則

儲罐的現場監測儀表（遠傳型）基本上都選用了電子式、智能型的儀表。

對于信號的傳輸，模擬量采用了4～20mA DC標準信號疊加HART通訊協議的方式，數字量采用了Namur信號或者干接點的傳送方式。

現場安裝的電子式儀表均滿足IEC60529和GB4208標準規定的IP65的防護等級；安裝于罐頂的電子式儀表配置電涌防護器。其他非電子式現場儀表均滿足IP55的防護等級。[1]

現場測量儀表的材質，均依據工藝介質的要求選擇，并不低于316SS不銹鋼。

現場安裝的電子式儀表根據危險區域的等級劃分，均選用本安型（Exia）或隔爆型儀表（Exd），符合IEC60079標準或GB3836標準，具有防爆合格證。

儲罐本體儀表的設置方案如圖1所示：

圖1 儲罐本體儀表設置方案圖

2.2 儲罐液位的測量

儲罐的液位測量，設置有2臺伺服液位計，1臺雷達液位計。同時設置有16點的平均溫度計，平均溫度計的測量信號送入伺服液位計，來對液位的測量進行溫度補償。

伺服液位計是一種浮力式液位計，它的浮子隨液體表面上下浮動。微處理器通過分析伺服機構的平衡狀態，來判斷浮子的位置，進而實現液位的測量。[2]

雷達液位計是一種非接觸式測量儀表（導波雷達除外），可以細分為脈沖雷達和調頻連續波雷達。脈沖雷達是通過天線向下發射微波脈沖，脈沖在到達介質表面時，部分能量發生反射，并被天線接收。將發射與接收反射脈沖的時間間隔轉換為距離，來實現液位測量。調頻連續波雷達是通過天線向下發射頻率連續變化的電磁波，電磁波在到達介質表面時，同樣會發生部分反射，并被天線接收。通過分析接收到電磁波的頻率、以及發射頻率隨時間變化的函數，進而得出液位參數。本次設計還為雷達液位計設置了導波管，以實現更穩定的測量。其測量原理如圖2所示。

圖2 雷達液位計測量原理圖

2.3 儲罐溫度的測量

儲罐設置3臺多點溫度計，共33個測溫點（見圖1），分別將儲罐的內罐底溫度、內罐吊頂溫度、內罐壁溫度和夾層的溫度經深冷電纜送至3套多路溫度采集器，之后送至DCS系統。內外罐之間夾層的溫度應遠高于內罐內表面溫度，如果兩者溫度趨于接近，說明儲罐有泄漏。

溫度計的測量元件選用了Pt100熱電阻。由于鉑的電阻值與所處環境溫度呈一定的函數關系，所以常被用來做熱電阻的感溫元件。鉑電阻的測溫范圍可以涵蓋-200～650℃，所以適用于LNG儲罐這種低溫工況的測量。熱電阻一般由熱電阻絲、骨架、引線等部件組成。[3]45

2.4 儲罐壓力的測量

儲罐設置4臺壓力變送器，測量儲罐的壓力。

壓力變送器的測量，采用了諧振式原理的測量傳感元件。它利用諧振元件在壓力作用下固有振動頻率發生改變的特性，將壓力信號轉變為頻率信號。其傳感器測量原理如圖3所示。

圖3 諧振式傳感器的測量原理圖

儲罐設置有2臺就地壓力表，測量儲罐頂部的壓力。就地壓力表選用膜盒壓力表，膜盒壓力表的測量元件為圓形膜盒，用來測量不結晶、不凝固，對測量元件材質無腐蝕作用的氣體介質的微壓。

膜盒是由兩塊波紋膜片對扣在一起而形成的測量腔室，感壓面積較大，可以測量很小的壓力。

2.5 可燃氣體報警器的設置

在可燃氣體可能泄漏的地方如儲罐頂部、底部以及管廊平臺閥組附近均設置了可燃氣體檢測報警器（檢測介質為甲烷，檢測原理為催化燃燒式）。

催化燃燒式的檢測原理為，用檢測電阻元件（鉑絲上涂催化劑鈀）與補償電阻元件（鉑絲上涂金）組成惠斯通電橋；當可燃性氣體經過檢測元件時，涂有催化劑的鉑絲產生無焰燃燒，溫度升高引起檢測元件的阻值升高；補償元件表面涂有金，不會產生無焰燃燒，阻值不變。惠斯通電橋不平衡，輸出的ΔU與可燃氣體濃度成正比。[3]209

其檢測器原理如圖4所示。

圖4 催化燃燒式檢測器原理圖

3 改進和展望

立足于本工程的設計，展望其它類似工程的LNG儲罐儀表設計方案，以尋求參考和借鑒。

在同行業有的工程實踐中，LNG儲罐除本文所述儀表之外，還配置有液位-溫度-密度（LTD）測量裝置。該裝置可對儲罐內LNG的液位、溫度、密度進行監測。LTD儀表含有多個感應探測器，每個探測器安裝有液位、溫度、密度測量傳感器。操作員可以通過向LTD的電機驅動裝置發送指令，帶動探測器在LNG液體內上下垂直運動。操作員可以根據監測的數據，來判斷儲罐內有無LNG分層、翻滾等現象，并采取相應處理措施。

目前國內沿海地區建設的LNG接收站，常見的單罐容積為16萬立方米，其中儲存的LNG總能量巨大。此類工程一般設計有地震監視預警系統（由強震記錄儀、加速度計、數據中心服務器、通信及供電系統、數據采集分析軟件構成），該系統可以實現地震預警，為采取適當措施及快速響應爭取時間，以減少地震造成的損失。

對于LNG儲罐泄露的檢測，有些工程采用了分布式光纖測溫系統。這是一種實時測量空間溫度場分布的技術，可以應用于大范圍多點測量的場合。該系統基于光纖對溫度變化的敏感性，可以快速（＜10s）、準確（1m范圍內）地確定泄漏位置。

4 結束語

放眼LNG行業的發展趨勢，隨著社會經濟的發展、工業技術的改進，單個LNG儲罐的容積在逐漸增加。例如近期，中石化單罐27萬立方米容積的LNG儲罐已在山東青島建成投運、中海油單罐27萬立方米容積的LNG儲罐（該項目同時建設5座儲罐及配套設施）正在粵港澳大灣區建設。對于儀表、自控專業的工程師們來說，更為大型的工藝設施，帶來的是責任、技術方面的更大挑戰。

我們作為石油化工行業、自控專業的工程設計人員，要如何應對這種挑戰？我想，是要在學習前人書籍、圖紙等資料的基礎上，在工作實踐中思考其基本道理、留心其具體細節，以積累經驗。這樣才能做好本職工作，為工程建設的安全進行，后期裝置的穩定運行貢獻力量，做好保障。