液化工厂LNG储罐的仪表选型与控制方案设计①

2017-11-01孔祥涛

化工自动化及仪表 2017年3期

关键词：液位计变送器液位

孔祥涛

(中国成达工程有限公司)

液化工厂LNG储罐的仪表选型与控制方案设计①

孔祥涛

(中国成达工程有限公司)

介绍LNG储罐结构和工艺流程，探讨液化工厂LNG储罐和接收站LNG储罐的差异，构建合理的控制系统架构。阐述LNG储罐的仪表配置和选型要求，介绍LNG储罐的控制与联锁方案。

仪表配置与选型 LNG储罐控制方案与联锁

液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)是原料天然气经预处理、脱除酸气、重烃、汞、水后与混合冷剂换热冷却至其沸点温度(-162℃)而成的[1]，主要成分是甲烷，体积约为同量气态天然气的1/625。LNG通常存储在-162℃、25kPa左右的低温储罐内。

LNG储罐容量大，罐中介质温度低、呈沸腾状态、汽化率高、易燃易爆，导致在储存中极易产生分层和翻滚的问题[2]。因此，正确选择仪表，设计周全的控制联锁方案，应用成熟可靠的控制系统，才能确保LNG存储装置的稳定运行和人身、环境的安全。

笔者以某液化工厂的LNG储罐为研究对象，结合储罐结构及其工艺流程，介绍了LNG储罐的仪表配置与控制方案设计。

1 LNG储罐结构与工艺流程

某LNG储罐有效容积为8 000m3，外罐直径约25m，筒体高约27m，属于大型储罐，用于接收冷箱液化分离后的LNG。LNG储罐为单容罐，储罐结构形式是平底拱盖、立式双圆筒壁结构。储罐基础为架空式，整个储罐坐落在高架的混凝土平台上。混凝土平台与地坪之间有1.6～1.8m高的空间，空气自由流通，以防地坪冻土。

LNG储罐分为内槽与外槽，内槽设计温度为-196℃，工作温度为-162℃，设计压力为25kPa，工作压力为20kPa；外槽设计温度为-20℃，设计压力为1.0kPa，工作压力为-0.5～0.5kPa。LNG储罐日蒸发量小于0.06%。内槽与外槽之间填充珠光砂，并充氮气保护。

该液化工厂的LNG储罐工艺流程如图1所示。物料管线主要有上进液管线、下进液管线、出液管线、BOG(闪蒸汽)管线(用于BOG回收再液化)、充车泵后LNG回流管线、补气管线、自增压管线和放空管线。

2 LNG储罐控制系统

为了有效监控液化工厂中的LNG生产过程，确保生产运行安全可靠，控制系统采取DCS系统、SIS系统相结合的原则。重要工艺参数的显示、控制、报警和工艺联锁保护控制由DCS系统完成；当生产装置出现紧急情况时，由SIS系统发出安全联锁保护信号，使工艺系统和设备处于安全状态(停车或放空)。

液化工厂的LNG储罐与陆上LNG接收站储罐接收的LNG是有区别的。陆上LNG接收站接收不同船只运来的LNG，每一艘船的LNG可能来自不同的液化工厂，因此LNG成分和密度是有差别的，这就导致LNG在储罐内易形成分层，引起翻滚[3]。因此，对于陆上LNG接收站储罐，需配置储罐管理系统，以密切关注液位分层和预警翻滚。液化工厂的LNG储罐接收的是同一工艺装置生产的LNG，组分稳定，辅以BOG回收再液化单元，因此只需优化控制就可以确保LNG储罐的安全，同时不需配置昂贵的储罐管理系统，节省了造价。

图1 LNG储罐工艺流程

3 仪表设置与选型

甲烷属于爆炸性危险气体，LNG储罐区域划分为zone 1、2区，根据防爆要求[4]，爆炸危险区的仪表防爆形式选择本安型，开关量信号选择隔爆型[5]。为保障仪表检测过程的正常进行，户外安装的现场仪表应选用全天候型，防护等级至少为IP65[6]。

3.1 温度测量仪表

LNG储罐内壁设置14个温度监测点，每个监测点相隔1.5m，用于监测内罐从上到下液体温度分布情况。由于液化工厂LNG储罐内LNG来自同一工艺装置，所以LNG组分基本一致，密度的不同主要是由温度不同引起的。因此，可以通过监测LNG储罐内罐垂直温度分布，来获得罐内LNG密度的分布与差异。

LNG储罐内罐底板设置3个温度监测点，用于监测底部LNG的温度变化情况；外罐底板设置3个温度监测点，用于监测内筒底部是否泄漏，当监测点温度急剧下降时，即可得知储罐LNG溢出或泄漏。

由于温度测量仪表全部安装在密闭空间内，防爆区域划分为zone 0区，选型时需注意只有本安ia型仪表才能用在zone 0区。因此，选择装配式双支铂热电阻Pt100，温度测量范围-200～50℃，三线制，A级允差，304护套，与设备直接焊接，防爆等级为Ex ia IIC T4。热电阻通过低温电缆接至储罐外壁上的接线箱，然后从接线箱引电缆至DCS机柜，实现集中管理。

3.2 压力测量仪表

压力是LNG储罐监测的重要参数，储罐内槽罐顶设置一台压力变送器PT102，进SIS系统。另设置一台压力变送器PT101，进DCS系统。

选用智能普通压力变送器，导压管引压，膜片材料为316L，4～20mA输出，防爆等级为Ex ia IIC T4。

3.3 液位测量仪表

常压下，LNG在低温常压储罐内处于沸腾状态，采用单一的液位计进行液位测量极易出现虚假液位指示现象。为了得到准确的液位值，每个LNG储罐应装有3套不同测量原理的液位系统(一台伺服液位计LT-101、一台雷达液位计LT-102和一台差压液位变送器LT-103)，测量信号进SIS系统，做“2oo3”表决后参与安全联锁。

伺服液位计由高精度力传感器、伺服电机系统、测量磁鼓、测量浮子和钢丝组成[7]，基于阿基米德浮力平衡原理，通过检测浮子的位移测得液位或界面变化。为了防止进液时液面波动对测量结果产生影响，需要安装稳液导向管。稳液管的管径一般为DN150mm，伺服液位计安装在稳液管之上，与稳液管通过法兰连接，浮子在稳液管内上下移动。伺服液位计的测量精度可达±1.0mm。

雷达液位计根据雷达波从探头发射到介质表面再返回到探头的时间来测量液位值。反射回来的信号强度与介质的相对介电常数成正比，而LNG的介电常数非常低(液态甲烷的介电常数只有1.676 1)[8]，因此反射回来的信号较小。如果采用非接触式雷达液位计，雷达波经LNG分界面反射后，由于信号的发散，导致最终接收的信号强度非常弱，测量效果不佳。为了减少信号损失，选用导波雷达液位计，使雷达波沿导波杆传播，提高接收信号的强度和稳定性。导波雷达液位计的测量精度可达±3.0mm。

从LNG储罐底部和顶部分别引出导压管，测量两导压管的压力差，即可得到储罐内液柱产生的静压力，从而确定储槽内的液柱高度。通过差压液位变送器将信号传送到控制机柜，实现集中管理。

值得注意的是，储罐底部是LNG，差压液位变送器的高压侧不能直接接触-162℃的液体，所以在储罐底部引出的导压管需要延长，使LNG吸收环境的热量后汽化，温度升高至变送器膜片可以承受的温度。因导压管与储罐底部是连通的，导压管内LNG汽化后的压力最终会与储罐底部的压力达到平衡，这时差压液位变送器高压侧的压力真实地反映了储罐底部的实际压力。

3.4 控制阀

进出LNG储罐管线上的阀门都要承受-162℃左右的低温，因此，阀体与阀内件材料选择耐低温的不锈钢，同时低温阀门设有长颈阀盖以保证填料函底部温度在0℃以上[9]。填料函结构选择柔性石墨填料，不宜采用PTFE，以避免冷流现象。LNG阀门应做防静电设计。采用对焊式连接以减少泄漏点。

由于进液阀XV101和出液阀XV102所在管线的管径(DN200mm)较大，若选择球阀，造价会很高，故选取蝶阀。又因是紧急切断阀，泄漏等级要求达到VI级，故最终选为三偏心蝶阀，硬密封。

去BOG压缩机管线设置一台切断阀XV103，自增压管线设置一台切断阀XV104，补气管线设置一台切断阀XV105，均选用球阀，阀杆密封采用柔性石墨填料，阀体密封采用增强聚四氟乙烯RPTFE软密封面加金属阀座支撑，泄漏等级为V级。所有球阀应遵循API607防火规范。所有切断阀设阀位开关，进DCS系统做显示。

放空管线上设置一台PV101调节阀，采用单座globe阀，带IP定位器和电磁阀，由DCS系统控制，为FO阀，即仪表气源故障时，PV101为全开状态，让储罐处于放空状态，以保障储罐安全。放空管线上并联一台呼出安全阀，设定压力为24kPa，选用先导式安全阀；设置一台真空泄放阀(吸入安全阀)，设定压力为-0.5kPa，选用配重式真空安全阀。