浅谈大型LNG接收站储罐罐表监测系统

2019-10-14时阳

山东工业技术 2019年4期

时阳

摘要：当前，随着国民经济的快速发展，天然气等清洁能源需求剧增，导致其配套的LNG接收站的建设项目逐渐增多，LNG储罐是接收站的核心，它的安全平稳运行尤为重要，而其中罐表监测系统作为储罐的安全卫士，实时监测储罐液位、温度和密度等重要参数，提示操作人员及时调整相关设置，为LNG储罐的安稳运行保驾护航，在储罐的正常运行中起着至关重要的作用。

关键词：罐表;测量;温度;液位;压力;密度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.087

1 大型LNG储罐的建设背景

近年来煤炭等传统资源迅猛发展，但在环境保护的巨大压力下，国家能源政策和能源结构的调整，天然气作为一种优质的洁净燃料，在能源、交通等领域具有十分广阔的应用前景，加之大量天然气气源的探明，使得天然气的开发和利用已成为不可逆转的大趋势。以至于天然气的储存和应用技术已成为专门技术领域，受到工程和学术界等各领域、各界的广泛关注。

天然气的储存技术是利用天然气的关键技术之一，特别是液化天然气的接收终端（即LNG接收站），它主要接收海运LNG船从基本符合型天然气液化工厂运来的液化天然气。将其储存和再汽化后分配给下游用户。接收站的在汽化能力强大，储存容量巨大，其主要由专用码头、卸料臂、LNG输送管道、LNG储罐、BOG压缩机、再冷凝器、高压泵、汽化器以及计量外输装置及管道等组成。

接收站最核心的部分是LNG储罐，它主要接收海运LNG船输送的LNG，其存储能力主要有80，000m3、160，000m3、200，000m3和220000m3的LNG储罐，特别是国际上技术非常成熟的160，000m3的LNG储罐在国内各个LNG接收站项目如雨后春笋般拔地而起，如大鹏LNG接收站、浙江LNG接收站、福建LNG接收站和海南LNG接收站等均已建成进入正常生产阶段。

2 罐表系统的作用、设计原则和重要意义

储罐罐表系统相当于储罐的眼睛和耳朵，通过压力、温度、液位及密度等测量，实时感知储罐内LNG的动态变化，将准确的测量信息反馈给工艺操作人员，对超出正常范围将产生报警提示工艺操作人员，对出现紧急工况能够及时有效触发联锁系统动作切断相关阀门及设备以此来保证储罐的安全。同时通过相应的测量数据也可作为储罐自身结构维护及维修的重要参考依据。

从安全角度出发，储罐所有的管道、仪表等接口均设在储罐顶部，罐壁和罐底无开孔。同时标准规范中对检测仪表的总体要求是安装仪表以保证储罐试运行、操作或维护，以及停运时的安全和可靠性。应给予足够的在线备用;在储罐正常运行期间，保证可以对检测仪表进行正常维护。检测数据可以传输给控制室/操作人员。所有进DCS系统的测量控制仪表与进SIS系统的联锁的仪表分别独立设置。

罐内温度检测的设置原则为在储罐恰当位置安装温度测量仪器，监控以下温度：测量液体不同深度的温度。相邻两个传感器间的垂直距离不应超过2m;蒸汽层温度（如果有悬顶，应区分在悬顶的下方或上方）;主容器壳及底部（冷却/加温控制）。储罐内罐底部及内罐体设有多个表面温度计，用于监测储罐试车预冷和正常操作时的罐内温度。在试车预冷过程中，通过监测温度变化情况可适时地调整LNG进料流量，满足预冷时罐壁温降速率要求。罐外也设有多个测温点，可监测LNG可能的泄漏。

储罐上应安装探测压力过高或过低的仪器。该系统应独立操作，与正常压力测量系统相分离。储罐顶部设有多个压力测量，能够实时检测储罐内部压力（探测超高压和低压真空等工况），对于低于设定值能够相应停止蒸发汽压缩机和罐内泵，如果必要时自动控制注入气体解除真空等操作;对于超压将提示操作人员开启BOG压缩机等相关设备或者进行放火炬等操作。

储罐应安装至少两个高精度、独立的液位计来防止储罐发生溢流。每个仪表系统都应设有高位报警器，超高位报警器及停机装置。卸船时，LNG通过卸船总管从储罐顶部进入。

每座储罐内均设有液位计及液位-温度-密度（LTD）连续监测仪表，实时监测储罐的液位及工作状况。罐内设置的高低液位报警可自动或手动切断储罐进料或关停罐内低压泵，保护储罐安全。为避免卸船时引起储罐内LNG分层而导致“翻滚”的风险，可根据储罐内LNG的密度和运输船LNG密度选择卸船时LNG从上部进料管进料，或通过底部进料管下部进料。一般情况下，较重的LNG从上部进料，较轻的LNG从下部进料。进料方式的选择可根据卸船前提交的LNG货单中的密度、卸料总管上取样分析装置实测的密度结果，与储罐内LNG密度对比后确定，其具体工作原理和工作步骤下文介绍。

3 典型项目罐表系统设计、选型及应用情况

国内某大型LNG接收站建设三座160，000m3储罐，总储存能力为480，000m3; 储罐设计最高正压为30kPa（G），最低负压 -0.6kPa（G），设计温度为-165℃～+ 60℃，日蒸發率为0.05%（wt）。LNG储罐内罐直径为80m，内罐高度为35m，外罐高度为45 m。储罐采用安全度最高的混凝土全容罐，内罐材料为9%Ni钢，外罐为预应力混凝土，罐顶为加强混凝土。罐底、内外罐之间的环形空间及内罐吊顶均采用绝热材料（泡沫玻璃、膨胀珍珠岩和玻璃棉）进行保冷。

3.1 罐表系统设计

该项目设计LNG 罐表系统（TGS）一套，单台LNG储罐仪表设计主要如下：

（1）2台伺服液位计;

（2）1台雷达液位计;

（3）一台LTD（液位+温度+密度）;

（4）2套多点测温热电阻;

（5）6台压力变送器;

（6）一套LNG储罐防翻滚软件。

在LNG接收站项目储罐中，温度检测的设计主要是用于LNG储罐多点温度计，设置在LNG储罐内的温度仪表不仅仅用于温度测量，同时通过温度的变化测量来检测是否存在LNG泄漏，并且在储罐预冷的过程中对温度进行实时监测，控制预冷工艺的全过程，使得LNG储罐内温度平稳变化，有效的保护内罐钢板等材料。其中热电阻监测点（单台罐42个点）具体布置如下：

（1）外罐内侧热角保护（TCP）部分竖向均匀设置8个温度监测点，主要作用是检测内罐是否泄漏溢出到外罐的情况;

（2）内罐与外罐之间的环形空间东南西北四个方向罐底部，每个方位设置两个温度监测点，共8个监测点，主要作用是测量环形空间底部温度情况;

（3）内罐壁板上竖向均匀设置12个温度监测点，主要作用是测量内罐LNG的各层温度分布情况;

（4）内罐底板外圈均匀设置6个温度监测点，主要作用是检测内罐底板外侧的温度情况;

（5）内罐底板中心区域部分均匀设置4个温度监测点，主要作用是检测内罐底板中心区域温度情况;

（6）铝吊顶的顶部空间设置4个温度监测点，主要作用是检测吊顶空间的温度情况。

3.2 选型

本项目每个罐液位变送器设置3台，其中一台雷达液位计，两台伺服液位计;一台LTD;一套多点温度监测;6台压力变送器。

（1）伺服液位计选用honeywellenraf的Series 854 ATG;

（2）雷达液位计选用honeywellenraf的SmartRadar FlexLine990;

（3）LTD选用SCIENTIFIC INSTRUMENTS， INC. MODEL6290 Level Temperature Density Gauge;

（4）多点温度选用honeywellenraf的VITO 762/764 Temperature Probe;

（5）压力变送器选用SIEMENS的SITRANS P DS III。

3.3 应用情况

本项目三座LNG储罐设置一套TGS罐表系统，具体控制描述如下：

（1）多点温度检测信号直接进罐表系统监控，经过Modbus TCP/IP与DCS系统通讯，测量精度为Class A。

（2）6台压力变送器中有三台进DCS控制系统监控，其余三台进SIS控制系统参与联锁控制，压力变送器的测量精度为0.075。

（3）两台伺服液位计和一台雷达液位计的模拟量信号直接进罐表系统监控，同时三台液位计输出三个触点信号硬接线进入SIS控制系统参与联锁控制，测量精度为1mm。

（4）LTD（液位、温度和密度）信号直接进入罐表系统监控，经过Modbus TCP/IP与DCS系统通讯。

（5）所有通讯线路冗余设置。

（6）供电方面：除了伺服液位计和雷达液位计为交流220VAC供电外其余均为24VDC。

在系统上电调试过程中遇到主要问题及处理情况如下：

（a）部分罐表上电后无反应，经查为现场接线箱内接线松动，接触不良所致，经过排查具体接点后解决;

（b）三台储罐罐表上电后分别作供电线路检查，发现一号储罐和三号储罐供电不对应，一号储罐罐表空气开关控制三号储罐罐表供电，经查由控制室到储罐的供电线路为多芯电缆，到现场侧电缆分配出现交叉错误，经调整控制室内UPS电源接线端后回复正常;

（c）储罐罐表系统的软件在调试过程中部分功能无法启动出现失灵，经厂家重新安装系统软件后回复正常;

（d）在测试与集散型控制系统DCS通讯时，DCS作为主站，罐表系统作为从站，但仍有部分点出现通讯错误的现象，经过罐表厂家和DCS服务工程师反复排查为通讯地址码存在重复和超范围的情况，纠正后回复正常;

（e）其他说明：罐表系统内软件的部分参数如密度设定等，需要首船进液时拿到船方相关数据时才能进行设置，为调试期间遗留项，在首船进液后解决。

具体TGS罐表系统图如图1。

3.4 LNG Expert分层和翻滚预测软件

LNG Expert 是LNG储罐分层和翻滚预测软件，其解决方案使用基于网络的人机界面操作员显示，通过连接字段数据和过程数据，可以无缝地集成在DCS 网络配置，以及相关安全设备的状态，通过OPC 或Modbus 通信一座罐内储存不同成分及密度的产品（例如LNG 和LPG）时会发生翻腾现象。所有罐内条件，特别是分层，可以模拟和/或实时监控，和之前的LNG 预期行为相比，使操作人员有足够的时间和手段，从安全以及经济的角度创造最优设置。罐包含各种LNG 等级，该特性允许真正的实现分层管理策略。翻腾预防措施：（1）使用密度测量系统监控全部液体高度中的密度。当超过一定的设定值时该系统会发出报警信号。在此时，可采取措施阻止翻腾（例如混合）。密度测量系统与液位计系统应相互独立。（2）设储罐底部和顶部之间临时的或连续的循环系统。注2 由于此要求，不需要对储罐考虑防翻腾设计。自动和连续计算翻滚机会。每4 小时典型的计算频率。一旦“LNG Expert” （固定配置特点和通信装置DCS）产品运行无需操作员干预。对于预测展望，“LNG Expert”将通过标准工业通信工具报警现有的现场DCS。上LNG Expert 系统使用LTD 仪表的密度组份分布和其他的DCS 数据，计算以进行翻滚预测。翻滚可以触发警报，会在DCS 操作员屏幕上弹出。

3.5 防翻滚工作步骤

（1）第一步是分析来自LTD 的组份分布数据。当新组份分布的所有数据有效时，一个新的平均密度和高度计算启动组份分布数据。预配置最大密度差异决定是否在罐内分层。

（2）分层检测底层和顶层密度，高度和温度的计算结果。中间层高度是可计算的。如果没有分层，只有底层的密度，高度和温度可以计算。

（3）使用从第一步计算值和最初进入的LNG 成分，可以计算目前的LNG 组成。

（4）分层检测，所有以前的计算结果是有效的，允许新翻滚计算开始。

（5）成功完成翻滚计算，翻滚状态相应地更新。

需要特别说明的是在LNG储罐首船进液调试阶段，需根据LNG具体的组分组成情况对防翻滚软件系统进行校正，以保证后续的接卸LNG的过程中，软件计算分析及识别，为接收站工艺人员的合理操作上进液还是下进液提供参考依据。

4 结束语

经过项目建成后一年多的运行，储罐罐表系统整体运行正常，这得益于合理的设计储罐罐表系统前期的设计、设备的选型、现场施工及调试工作的顺利开展和完成，罐表系统正常投用为工艺操作人员提供了及时有效的操作提示，为大型LNG储罐的安全生产工作起到关键性的作用。

参考文献：

[1]GB/T 22724-2008 液化天然气设备与安装陆上装置设计[S].

[2]GB/T 20368-2012 液化天然气（LNG）生产、储存和装运[S].