浅谈LNG项目中低温仪表的选用

2015-04-04吕高晟赵国敏吴佳于凯泽

石油化工自动化 2015年4期

吕高晟，赵国敏，吴佳，于凯泽

（中石化中原石油工程设计有限公司，河南濮阳457001）

液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的新型能源，越来越受到企业的青睐。随着LNG贸易在能源市场的逐步深入，LNG接收站、液化站在国内迅速兴起，低温仪表的选择和应用也成为自动化行业新的挑战。

常压下气态天然气冷却至－162℃即凝结成LNG，其主要组分是甲烷，通常情况下多储存在112 K（－161.15℃）、压力为0.1 MPa左右的低温储罐内，其密度为标准状态下甲烷的600多倍。笔者结合在德阳6×105m3/d液化天然气工程中的实际工作经验，遵循技术先进、安全可靠、维修方便和经济合理的仪表选用原则，分析了LNG低温场合仪表的选用及安装。

1 温度仪表

电阻式温度传感器被广泛应用于低温介质的温度测量，低温可测至－200℃。它是利用导体或半导体的电阻率随温度变化而变化的原理而工作的。LNG工程中多用铂热电阻。铂热电阻测量范围宽、精度高、性能稳定、重复性好，长时间稳定的复现性可达10－4K，其阻值与温度之间几乎成线性变化。

精度要求不高、就地指示温度即可满足要求的场合可用压力式温度计，其依据封闭系统内部工作物质的体积或压力随温度变化而变化的原理工作。

2 压力仪表

在LNG工程中，压力变送器仍是最为经济、适用的检测压力仪表。正常情况下，压力变送器允许的介质温度一般在－40℃以上，不能直接接触液态LNG。如果压力变送器的膜片直接承受如此低的温度冲击，会使膜片脆裂，存在发生泄漏的危险。

目前LNG压力测量都是通过测量气相压力来实现其液相的压力测量。其原理是通过延长导压管，使介质吸收环境的热量气化，温度升高，达到变送器可以测量的温度。由于导压管是联通的，介质的气相压力和管线的压力几乎相等，即可通过测量介质的气相压力来测量管线的压力。气化后产生的气体不但可以隔离低温液体和变送器膜片，保护变送器，还可以在一定程度上起到阻尼器的作用，有利于变送器的测量值稳定。

此处需要特别注意的是材料的选择、导压管和压力变送器的安装。首先，取压的根部阀必须是低温阀，阀门、导压管的材质必须是耐低温材质。导压管应做保冷，其作用是达到人身防护作用和使LNG缓慢地气化。LNG快速气化时，其体积比为1∶600，会瞬间产生巨大的压力，因而应使导压管内气液的界面远离取压口，避免对仪表造成不可预估的损坏。其次，导压管的安装应根据低温介质的特点稍作变通。通常情况下，导压管的走向：液态介质向下引压，气态介质向上引压，但对于LNG则不能完全按照液态介质来引压。在管道或设备上取压时，建议采用水平向上5°～10°取压，导压管水平管段的长度应保证让液态的LNG充分气化，并将气化后的气体封住在水平导压管内，不冒进主管线或设备中，减少冷量的损失，同时又避免因为液柱高度变化造成测量结果偏移，影响测量准确性。最后，压力变送器的安装位置应高于根部取压阀，避免液相LNG流向仪表，造成仪表的损坏。

3 液位仪表

低温液体液位测量的方法多种多样，实际设计和应用时应结合项目特点和设备实际情况，合理选择经济、适合的方法。本文结合德阳6×105m3/d液化天然气工程，提出几种适合中小型LNG储槽及低温压力容器的液位测量方法。

差压法是目前最常用的测量中小型LNG储槽内低温液体液位的方法。该方法通过从储槽底部和顶部分别引出导压管，测量两导压管的压力差值（即储槽内液柱产生的静压力），从而确定储槽内的液柱高度，可现场显示，也可通过差压变送器将信号传送到中控室进行显示和报警，参与储槽或系统的控制联锁。差压法原理简单、使用方便，能连续指示液位。

小型低温压力容器的液位测量也可采用低温型带真空夹套的磁浮子液位计，其在原有的磁浮子液位计结构基础上，在测量筒和平衡连通管外增加了真空保温层。因此，平衡管和测量筒中的液体虽为低温，但其外面的真空保温层隔阻了内部的低温液体与外界空气的温度影响，不至于造成液位计的冷凝，有效地消除了普通磁浮子液位计用于低温场所下结冰的现象。磁浮子液位计用于现场液位检测，具有结构简单、观察清晰明了的特点，带真空夹套的磁浮子液位计保障了低温场合下仪表应有的功能，在很多低温项目中已经得到了实际应用。

4 流量仪表

结合德阳6×105m3/d液化天然气工程的流程特点和工艺要求，测量低温介质流量时，若用于监测控制，精度要求不高，选用节流式流量计或涡轮流量计；若用于交接计量，精度要求高，选用低温质量流量计。

使用节流装置测量LNG流量时，选取较高压差有利于提高测量准确度、缩短上游侧必要的直管段长度，但当压力降到饱和蒸汽压以下时，LNG会发生闪蒸，因而应在避免闪蒸发生的前提下选取差压。根据LNG工程经验并结合工程的实际工况进行计算，采用孔板既满足技术要求又经济实用。孔板无可动部件，无须考虑润滑与摩擦问题，采用耐低温材质即可在低温条件下使用。需要注意的是孔板的量程范围较窄，仅为1∶3，且孔板适合的最小管径为DN 50。

相对孔板，涡轮流量计可用于测量量程范围宽的低温介质流量，且其压降低，但缺点是内部有高速运转部件，不耐气蚀，寿命较短。涡轮流量计中装有转子和轴承等以高速转动的可动部分、摩擦部分。转子、轴承是涡轮流量计的最重要部分，决定其特性、耐久性，选择仪表时要十分注意其材质。用涡轮流量计测量LNG时，最容易发生的故障是因仪表的压力损失而引起的急剧蒸发。仪表中形成急剧蒸发后，转子将以比通常转速快数十倍的速度旋转，轴承会在很短的时间内就被彻底磨坏，因而防止蒸发的最好方法是适当加大仪表的尺寸。涡轮流量计的压力损失与流量的平方成正比，如能将被测最大流量限制在仪表容量的0.5倍时，压力损失可下降到额定电压的0.25倍。

LNG为深冷低温介质，对环境温度极其敏感，极易气化和蒸发，其动态计量一直是贸易计量的难点，企业多采用称重方式进行计量。近几年科里奥利质量流量计在LNG计量中逐渐被推广应用。LNG液化后的计量与油品相似，以质量为交接单位。而科里奥利质量流量计正是利用流体在振动管中流动时，将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理进行测量的，可直接测得LNG的交接质量。其他类型流量计测得的是体积流量，必须再测得温度、压力和密度等参数，才能换算成交接质量。其中密度测量如果采用在线密度计，其价格与质量流量计相近，如果采用离线分析，由于高压、低温，采样的代表性不好，同时由于LNG饱和蒸汽压高，在常压下无法检测密度，只能用色谱分析法检测，不仅检测成本高，操作复杂，而且检测准确度难以保证。且质量流量计量程比宽，准确度高，其腔内无可动部件，也无阻碍流体流动的部件，不需要前后直管段，具有方便维护、稳定性好和可靠性高等特点，是LNG交接计量的理想流量计。

5 分析仪表

LNG成品的组分分析是衡量LNG产品合格性的重要指标，由于LNG是超低温的液体混合物，要想获取其真实组分，需避免组分的分流气化，保证其气化的均匀性。目前，针对LNG产品的连续取样主要有两种方式，分别是采用电加热气化减压阀和专用的LNG深冷气化器进行管输LNG的取样和气化。方式一结构简单、价位低；方式二采集LNG液体试样经专用气化器气化后送至储气筒/缓冲罐，均匀混合后减压保温送至色谱分析仪。

根据GB/T 20603—2006《冷冻轻烃流体液化天然气的取样连续法》，要求LNG取样时应避免取样管线中介质的部分气化，采取特别措施尽量使收集到的气体试样具有代表性。故推荐采用方式二，极大地保证了取样试样质量。采用专用LNG深冷气化器可使取出的全部LNG试样气化，使产品中的重组分不至于残留，且气化后的储气筒/缓冲罐使各组分得以充分、均匀混合，保证了分析组分的稳定性。