1万方LNG储罐的现场仪表选型及其基本测量原理

行毅鹏

北京石油化工工程有限公司西安分公司 陕西 西安 710100

天然气的主要成分是甲烷，来源于油田、气田、煤层等地方。天然气在常压下冷却至-162℃时，可凝结成液体。天然气的气态与液态的体积比约为625：1，故将其液化后可大量减小储运空间。同时天然气是一种清洁（燃烧后的产物是CO2和H2O）、高效的能源（热值约38.46MJ/Nm3）。

LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气的缩写。

延长石油志丹LNG二期项目，该项目建设内容包括20万吨/年天然气液化装置、配套1万方LNG储罐。项目2018年7月开工建设，2019年12月试车成功，产出LNG产品。

本文对项目中的1万方LNG储罐现场仪表的选型、及仪表的基本测量原理进行了简要论述。

1 LNG 储罐概述

液化天然气（LNG）在常压下的沸点约为-161℃。工业实践中，通常将天然气的温度降到沸点以下，并使储罐的操作压力稍高于常压，使天然气保持液态，来实现其储存。

LNG储罐具有良好的保冷性能，以使储罐内介质的温度保持在-162℃。

本项目的LNG储罐有两层，即内罐和外罐。当内罐发生泄漏时，外罐可起到封拦作用，增加了储存安全。

本文的主题为1万方LNG储罐的现场仪表选型，及其基本测量原理。1万方LNG储罐属于大型LNG储罐（容量在10000～40000m3之间的储罐）。

2 现场仪表的选型及基本测量原理

2.1 总则

储罐的现场监测仪表（远传型）基本上都选用了电子式、智能型的仪表。

对于信号的传输，模拟量采用了4～20mA DC标准信号叠加HART通讯协议的方式，数字量采用了Namur信号或者干接点的传送方式。

现场安装的电子式仪表均满足IEC60529和GB4208标准规定的IP65的防护等级；安装于罐顶的电子式仪表配置电涌防护器。其他非电子式现场仪表均满足IP55的防护等级。[1]

现场测量仪表的材质，均依据工艺介质的要求选择，并不低于316SS不锈钢。

现场安装的电子式仪表根据危险区域的等级划分，均选用本安型（Exia）或隔爆型仪表（Exd），符合IEC60079标准或GB3836标准，具有防爆合格证。

储罐本体仪表的设置方案如图1所示：

图1 储罐本体仪表设置方案图

2.2 储罐液位的测量

储罐的液位测量，设置有2台伺服液位计，1台雷达液位计。同时设置有16点的平均温度计，平均温度计的测量信号送入伺服液位计，来对液位的测量进行温度补偿。

伺服液位计是一种浮力式液位计，它的浮子随液体表面上下浮动。微处理器通过分析伺服机构的平衡状态，来判断浮子的位置，进而实现液位的测量。[2]

雷达液位计是一种非接触式测量仪表（导波雷达除外），可以细分为脉冲雷达和调频连续波雷达。脉冲雷达是通过天线向下发射微波脉冲，脉冲在到达介质表面时，部分能量发生反射，并被天线接收。将发射与接收反射脉冲的时间间隔转换为距离，来实现液位测量。调频连续波雷达是通过天线向下发射频率连续变化的电磁波，电磁波在到达介质表面时，同样会发生部分反射，并被天线接收。通过分析接收到电磁波的频率、以及发射频率随时间变化的函数，进而得出液位参数。本次设计还为雷达液位计设置了导波管，以实现更稳定的测量。其测量原理如图2所示。

图2 雷达液位计测量原理图

2.3 储罐温度的测量

储罐设置3台多点温度计，共33个测温点（见图1），分别将储罐的内罐底温度、内罐吊顶温度、内罐壁温度和夹层的温度经深冷电缆送至3套多路温度采集器，之后送至DCS系统。内外罐之间夹层的温度应远高于内罐内表面温度，如果两者温度趋于接近，说明储罐有泄漏。

温度计的测量元件选用了Pt100热电阻。由于铂的电阻值与所处环境温度呈一定的函数关系，所以常被用来做热电阻的感温元件。铂电阻的测温范围可以涵盖-200～650℃，所以适用于LNG储罐这种低温工况的测量。热电阻一般由热电阻丝、骨架、引线等部件组成。[3]45

2.4 储罐压力的测量

储罐设置4台压力变送器，测量储罐的压力。

压力变送器的测量，采用了谐振式原理的测量传感元件。它利用谐振元件在压力作用下固有振动频率发生改变的特性，将压力信号转变为频率信号。其传感器测量原理如图3所示。

图3 谐振式传感器的测量原理图

储罐设置有2台就地压力表，测量储罐顶部的压力。就地压力表选用膜盒压力表，膜盒压力表的测量元件为圆形膜盒，用来测量不结晶、不凝固，对测量元件材质无腐蚀作用的气体介质的微压。

膜盒是由两块波纹膜片对扣在一起而形成的测量腔室，感压面积较大，可以测量很小的压力。

2.5 可燃气体报警器的设置

在可燃气体可能泄漏的地方如储罐顶部、底部以及管廊平台阀组附近均设置了可燃气体检测报警器（检测介质为甲烷，检测原理为催化燃烧式）。

催化燃烧式的检测原理为，用检测电阻元件（铂丝上涂催化剂钯）与补偿电阻元件（铂丝上涂金）组成惠斯通电桥；当可燃性气体经过检测元件时，涂有催化剂的铂丝产生无焰燃烧，温度升高引起检测元件的阻值升高；补偿元件表面涂有金，不会产生无焰燃烧，阻值不变。惠斯通电桥不平衡，输出的ΔU与可燃气体浓度成正比。[3]209

其检测器原理如图4所示。

图4 催化燃烧式检测器原理图

3 改进和展望

立足于本工程的设计，展望其它类似工程的LNG储罐仪表设计方案，以寻求参考和借鉴。

在同行业有的工程实践中，LNG储罐除本文所述仪表之外，还配置有液位-温度-密度（LTD）测量装置。该装置可对储罐内LNG的液位、温度、密度进行监测。LTD仪表含有多个感应探测器，每个探测器安装有液位、温度、密度测量传感器。操作员可以通过向LTD的电机驱动装置发送指令，带动探测器在LNG液体内上下垂直运动。操作员可以根据监测的数据，来判断储罐内有无LNG分层、翻滚等现象，并采取相应处理措施。

目前国内沿海地区建设的LNG接收站，常见的单罐容积为16万立方米，其中储存的LNG总能量巨大。此类工程一般设计有地震监视预警系统（由强震记录仪、加速度计、数据中心服务器、通信及供电系统、数据采集分析软件构成），该系统可以实现地震预警，为采取适当措施及快速响应争取时间，以减少地震造成的损失。

对于LNG储罐泄露的检测，有些工程采用了分布式光纤测温系统。这是一种实时测量空间温度场分布的技术，可以应用于大范围多点测量的场合。该系统基于光纤对温度变化的敏感性，可以快速（＜10s）、准确（1m范围内）地确定泄漏位置。

4 结束语

放眼LNG行业的发展趋势，随着社会经济的发展、工业技术的改进，单个LNG储罐的容积在逐渐增加。例如近期，中石化单罐27万立方米容积的LNG储罐已在山东青岛建成投运、中海油单罐27万立方米容积的LNG储罐（该项目同时建设5座储罐及配套设施）正在粤港澳大湾区建设。对于仪表、自控专业的工程师们来说，更为大型的工艺设施，带来的是责任、技术方面的更大挑战。

我们作为石油化工行业、自控专业的工程设计人员，要如何应对这种挑战？我想，是要在学习前人书籍、图纸等资料的基础上，在工作实践中思考其基本道理、留心其具体细节，以积累经验。这样才能做好本职工作，为工程建设的安全进行，后期装置的稳定运行贡献力量，做好保障。