LNG储罐罐表系统设计

刘璐

(中海油石化工程有限公司,山东 济南 250000)

目前世界三大化石能源分别是天然气、煤炭和石油,其中天然气是最清洁的一种能源,主要成分是甲烷,对比三种能源的燃烧效率,天然气的单位发热量略低于石油,远高于煤炭;在环保方面,天然气燃烧生成的燃烧产物中二氧化碳量明显小于石油和煤炭,并且有害气体也相对较少。因此,天然气具有明显的优势。近几年我国天然气工业蓬勃发展,江苏、浙江、珠海等地先后建立了LNG接收站[1],存储和运输是液化天然气工业中的两个主要环节,其中存储主要依靠LNG储罐,由于天然气属于易燃易爆品,且LNG沸点很低,因此LNG储罐需要很好的保温措施,通常储罐为双层金属罐,外层罐是碳钢材质,内层罐因需要直接和LNG接触,所以材质是含9%Ni的低温钢,两罐之间作为绝热层填充膨胀珍珠岩保温,罐底通过泡沫玻璃保温。运输一般通过海运,运输工具是利用特殊建造的LNG船,并通过卸料臂和卸船管线进入接收站LNG储罐,接收站储罐内的LNG主要通过两种方式外输:(1)LNG经过储罐内的低压泵加压后进入高压泵再次加压(约10 MPa),然后通过汽化器(一般是SCV、ORV、IFV)加热汽化,汽化后的气态天然气进入外输管网外输;(2)LNG经过储罐内的低压泵加压(约1.2 MPa压力)后,通过槽车的装车臂进入槽车,然后运输到下游为用户提供服务。

在液化天然气工厂中,LNG储罐是核心设备,LNG储罐的安全与稳定运行是工厂安全的重中之重,储罐中的LNG由于产地不同、批次不同,所以LNG的密度也不同,其在储罐中混合后会产生分层,若分层时间较长,则容易产生翻滚问题,翻滚是影响储罐安全的重要因素,因此需要设置罐表系统监测LNG储罐的温度、压力、液位等各项指标,防止储罐发生翻滚,并设置泄漏报警系统、消防灭火系统、可燃有毒探测器报警系统,保障储罐的安全稳定运行。本篇论文主要介绍LNG罐表系统及储罐翻滚问题。

1 LNG罐表系统

天然气通常是以液体的形态进行储存、运输,因此通过压缩和冷却至其沸点(-162 ℃)温度后变成液体,并储存在-162 ℃[3]、0.1 MPa左右的低温储存罐内。因此需要对储罐进行检测与控制,LNG罐表系统(Tank Gauging System, TGS)包括液位、压力、温度、密度等工艺参数的检测与控制,其中液位是LNG工业中主要检测与控制参数,LNG的注入与输出都会引起储罐液位变化,由于储罐内的温度升高会产生闪蒸气(Boil Off Gas,BOG),BOG通过BOG压缩机压缩回收,进而平衡罐内压力,因此储罐内压力、温度也是重要的工艺参数,除去液位、压力、温度,密度也是需要检测的重要工艺参数,密度主要来检测罐内LNG是否分层,不同密度的LNG进入储罐后会发生分层,长时间的分层容易发生“翻滚”[2]。

如图1TGS中的现场测量仪表包括液位温度密度计(LTD)、伺服液位计、雷达液位计、多点平均温度计、罐旁显示仪、附件(如接线箱等)。

图1 LNG罐表系统示意图

1.1 液位检测系统

在LNG储罐中,液位检测主要依靠伺服液位计和雷达液位计[8],依据规范GB 20368—2012:液化天然气(LNG)生产、储运和装运中规定,一般每个LNG储罐上设计三套伺服液位计[4]和一套雷达液位计,三套伺服液位计互相冗余,带有微处理器,具有自诊断功能,并能有效屏蔽干扰信息,提高测量精度。伺服液位计安装在储罐罐顶,三套伺服液位计中有两套可以接入多点温度计,传输测量的温度数据到伺服液位计,伺服液位计将数据传输到位于罐区仪表间的数据采集接口,数据采集接口通过串行通讯将数据发送给接收站中心控制室中的罐表管理系统(Tank Management System, TMS),这两台伺服液位计主要用于液位测量、独立的高高或者低低报警和罐旁指示,并将液位、多点温度等上传至罐表管理系统,另一套伺服液位计主要用于液位高高和低低报警。

雷达液位计主要用于高液位报警,连续精确的测量储存介质的液位,当液位达到或超过报警值时会发出报警信息,由于LNG的介电常数比较低[5],为了提高测量精度,一般选用导波雷达液位计,测量精度可达±3.0 mm。雷达液位计通过通信总线将液位等信息传送到TMS系统,同时在罐底的罐旁表进行显示。

1.2 温度检测系统

每座储罐设置两套多点平均温度计(16点),在垂直方向上能够检测16个不同高度处的天然气的液相或气相的温度,自上而下均衡分布,并与两台伺服液位计对应,将温度检测信号接入到伺服液位计处理单元。多点平均温度计具有测量范围广、精确度高的特点,该温度计可以准确及时的进行温度信息采集,并且在信号传输过程中,通过信号转化模块对输出信号转化,提高测量精度。

多点平均温度计是一体化、集成化结构,每点都是相互独立的温度传感器,每组的多点温度传感器接入一个专用变送器,变送器能够读取每个温度传感器的温度值,计算出气相和液相空间内所有点的温度值以及平均值。每个温度计传感器配备温度计套管,由于天然气的液相或气相属于低温介质,因此需要耐低温的温度计套管及电缆。

此外,随着LNG储罐投入使用的年数增加,储罐内环形空间填充的珍珠岩将随着时间逐渐下降,如果没有及时补充珍珠岩,储罐内LNG的温度将迅速传递到外罐,对外罐的结构安全造成损坏,因此通过设置分布式光纤测温系统(DTS)检测外罐的内壁温度变化来监测珍珠岩的沉降非常重要,分布式光纤测温系统由光纤测温主机和感温光纤组成,其中光纤既是传感器也是传输媒体,分布式光纤测温系统利用激光在光纤中传输可以产生背向散射,若在光纤中输入激光脉冲,则激光在光纤中会产生斯托克斯线和反斯托克斯线,其中在温度的影响下反斯托克斯线背向散射的强度会有所改变,根据此原理即可制成拉曼型分布式光纤测温系统(DTS)。目前分布式光纤测温系统并不属于罐表系统,但是它在保护储罐安全生产方面起到至关重要的作用。

1.3 压力检测系统

虽然LNG储罐可以进行良好的绝热,但随着时间推移,罐内必不可免要产生气态天然气,即通常所说的BOG,如果BOG在罐内积累过多,容易造成罐内压力过高,为维持储罐内压力在正常范围内,需要把BOG压缩冷凝成液体或者压缩后输出。但如果BOG压缩机抽气量过大则会造成罐内压力过低,对储罐安全造成威胁[7]。因此为更好地平衡罐内压力,通过BOG压缩机抽气来维持罐内压力,并设计安全阀、破真空阀和自动放空阀等保护措施,应对火灾或翻滚等极端情况引起的罐内压力剧烈变化[9]。

一般LNG储罐上设计三台压力变送器,通过导压管安装,检测储罐内压力变化情况,当检测到罐内压力高时,可利用BOG压缩机抽取罐内气体调节LNG储罐压力,当罐内压力高出一定范围超出BOG压缩机的调节能力,即当三台压力变送器三取二,压力高高触发安全仪表系统(SIS)中的连锁,则罐顶泄压阀自动打开,罐内BOG进入火炬系统,如果罐内压力持续升高,则罐顶的安全阀将自动打开,BOG直接排放到大气。若检测到储罐内压力过低,则关闭BOG压缩机并补充天然气。当罐内压力低出一定范围即当三台压力变送器三取二,压力低使触发安全仪表系统(SIS)连锁打开补气切断阀,同时打开补气调节阀补充天然气,如果罐内压力持续下降,则罐顶的破真空阀将自动打开,罐内进入空气,维持罐内压力平衡。

1.4 液位温度密度检测系统

液位温度密度(Level, Temperature and Density,LTD)检测系统,可以实时测量罐内LNG的液位、温度、密度[6],带有伺服机构、微处理器、机械驱动部件、多传感器组合的探测器等现场处理单元,当LTD工作时,通过微处理器发出相应指令,控制电机带动悬浮于LNG储罐内的探测器,使其在储罐底部和最高液位之间垂直运动,探测器可以自动控制也可以手动控制。

LTD带有微处理器,具有自诊断功能,液位、温度和密度数值可通过DCS显示,也可在罐旁指示,LNG储罐翻滚预判则是利用翻滚预测软件通过对采集的数据进行计算分析,进而得出预测结果,工作人员也可根据测量数据判断LNG是否发生分层,并提前采取措施防止发生“翻滚”。

1.5 罐旁显示仪

罐旁显示仪主要功能是将罐表数据显示出来,通过LCD液晶显示器,可随时掌握储罐内的情况,实现储罐的可视化操作。伺服液位计、雷达液位计和LTD仪表通过电缆或通信接口进行数据传输给显示仪,通信接口选用现场总线通信接口或RS-485串行通信接口,通信协议选用现场总线通信协议或MODBUS通信协议。罐旁显示仪可以实时监控储罐状态,极大的提高了储罐监控系统的可靠性,有效预防各种突发事件。

1.6 储罐管理系统

前面部分主要介绍了罐表系统的硬件组成,罐表系统的软件系统主要是指储罐管理系统,储罐管理系统是主要为LNG库存监控管理设置的,可实现库存管理并计算储罐LNG流速、体积、质量,可实现对LTD、伺服液位计、多点平均温度计的显示等多项功能。LNG库存管理软件与DCS之间采用RS485串行通信接口、 Modbus通信协议方式通讯,所传输的数据包括报警值、设定值、伺服液位计检测的液位参数及探头位置、LTD检测的温度、液位、密度及探头位置、储罐库存量、分层状态以及储罐的质量输出量。

储罐管理系统中另一项重要功能是储罐翻滚预测软件,翻滚预测软件可根据系统厂家预置的翻滚模型根据储罐现场检测仪表的测量数据、进出物料情况,并结合罐内分层LNG的组成成分、储罐的热泄漏率等物理特性对特定的操作时段进行翻滚预测,可仿真出各层LNG的密度、储罐温度变化情况及翻滚发生时间,可帮助接收站管理人员选择合适的操作流程。

LNG接收站中储罐安全检测系统除去罐表系统,还需设置可燃气体泄漏检测系统、火焰探测报警系统及火灾消防灭火系统[10]〗,当检测到可燃气体泄漏或者发生火灾时,现场及中央控制室需报警并连锁打开火灾消防灭火系统,现场操作人员可及时采取相应措施。

2 储罐翻滚现象

翻滚现象是LNG工厂运营过程中危害较大的一种事故,主要是LNG的密度不同引起的,由于密度不同导致LNG出现分层,当有外界热量(热量输入或冷量输入)进入打乱罐内分层时,层与层之间的动态平衡将会被打破,并出现相互融合,罐内LNG会瞬间大量气化,从而压力急剧上升,并且有可能超过储罐安全压力,此时如果没有采取安全预防措施,将导致储罐损坏,大量BOG被放空处理,造成极大的经济损失,并且污染环境,严重的还有可能造成人员伤亡。翻滚产生原因很多,储罐温度变化、LNG中轻组分较多、新旧LNG组分不同及进液方式不当等,都有可能造成翻滚。

国内外LNG工厂运营历史中发生过多起翻滚事故,1971年8月,意大利La Spezia,SNAM的LNG接收站,在储罐接液18 h后,LNG储罐发生翻滚,储罐内压力迅速升高,安全阀打开并持续开启了一个多小时,造成大量天然气排放到大气中,但未发生火灾及人员伤亡。事故主要原因是罐内新进LNG密度比储罐内原有液密度大,并且新进LNG温度较高,带入较多热量,使罐内动态分层被打破,新进LNG量比较大,促进了分层之间的混合加快,从而引发事故。因此不仅要通过逐渐完善的罐表系统监测储罐各项运行指标,在储罐进料等关键工艺操作流程中要严格按照操作规范,从各个环节降低危险发生。

3 总结

储罐安全是LNG接收站安全的重中之重,罐表系统是保障储罐安全的重要设计措施,并为现场工作人员提供操作参考,主要介绍了目前在LNG接收站运用比较多的罐表系统,主要从硬件和软件两方面进行了介绍,现场仪表可以检测储罐的压力、液位、温度及密度等参数,通过储罐管理系统进行显示和控制。有效保证LNG接受站安全平稳运行。