LNG储罐液位测量方法

杨 帆

（北京沃利帕森工程技术有限公司，天津 300201）

天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，是各种替代燃料中最早广泛使用的一种。它主要存在于油田、气田，燃烧后不会产生废气，废水，且热值高、经济、便利。近年来，随着液化天然气（LNG）在世界能源消费中的比例逐年快速增长，LNG低温储罐的建设施工不断增加，且发展势头迅猛。LNG储罐一般容量较大，细微的液位测量误差都将带来很大的容量误差，因此液位测量及控制在储罐中非常重要。本文以某大型LNG低温储罐为例，探讨一种基于伺服式液位计的液位测量技术。

1 LNG储罐简介

LNG生产工厂和接受终端都设有相应的LNG储罐，这些LNG储罐一般都是容量在1×104m3以上的大型储罐。LNG储罐按照设置方式可以分为地下罐和地上罐，而按其结构形式又可分为单包容罐、双包容罐、全包容罐及膜式罐。全包容罐相较其他形式有较高的安全性，如今储罐多以大容积为主，因此选用全包容罐更加必要。

全包容罐有混凝土灌顶与金属顶。混凝土顶罐的最大操作压力可以设计得更高，由于这个压力比LNG船舱压力高，在卸船操作时，BOG可通过罐内蒸发气自身压力在不使用增压机的情况下直接返回到LNG运输船上，减少了操作费用和设备费用。因此，国内很多接收站都选择了全容式混凝土顶储罐。全容式混凝土顶储罐设计包含内罐和外罐，内罐壁板材采用含镍（9%Ni）的合金钢板，外罐用预应力钢筋混凝土制成，墙体竖环向采用VSL预应力后张束，竖向两端锚固于混凝土墙顶部，底部，环向分别锚固于布置成90°的4根扶壁柱上。外罐厚度1m，内外罐之间填充保温材料[1]。

在LNG储罐上设有足够的报警和停车设施以保证LNG储罐最大的安全。同时，在LNG储罐上设有液位、温度、密度连续检测仪表，确保正常安全生产。

2 伺服式液位计

2.1 伺服式液位计测量原理

伺服式液位计是多功能仪表，既可测量液位，也可测量界面、密度和罐底等参数，常用于储罐液位的高精确度测量。其基于力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，使其精确地进行液位或界面测量，其基本工作过程是：浮子用测量钢丝悬挂在仪表外壳内，而测量钢丝缠绕在精密加工过的外轮鼓上，外磁铁被固定在外轮鼓内，并与固定在内轮鼓内磁铁耦合在一起。当工作时，浮子作用于细钢丝上的重力在外轮鼓的磁铁上产生力矩，引起磁通量的变化。轮鼓组件之间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器（霍尔元件）的输出电压信号变化，其值与贮存于CPU中的参考电压进行比较。当浮子的位置平衡时，其差值为零。当被测介质液位变化时，使得浮子位置发生改变。其结果是磁耦力矩被改变，使得带有温度补偿的霍尔元件的输出电压产生变化。该电压值与CPU中的参考电压的差值驱动伺服电动机转动，带动浮子上下移动，直到重新达到平衡点。整个系统构成了一个闭环反馈回路，其精确度可达±0.7mm，同时，其自带的挂料补偿功能，能够补偿由于钢丝或浮子上附着被测介质导致的钢丝张力的改变。伺服式液位计根据不同的工况，可选择不同外壳材质和耐压等级。一般适用于常压至2.5MPa压力的应用场合。

2.2 伺服式液位计的安装

伺服式液位计的安装方式同非接触式液位计。安装在罐体上时，与介质相通的腔室与电气腔室完全隔离，以避免物料泄露。由于LNG储罐通常是底部进料，在刚开始进料时，由于液位较低，LNG会对浮子产生冲击，使浮子发生飘移，从而影响读数的精确性。因此，需采用导波管安装方式。

在使用中，伺服液位计安装时有以下注意事项：(1)安装导波管的位置应偏离储罐进料口，以防止由于输入液体的波动或湍流而引起的浮子的剧烈摆动。(2)安装导波管的位置应该离开罐壁至少500mm，以确保测量不受环境温度的影响。(3)彻底处理好导波管进液小孔的毛刺，以防毛刺挂住浮子。(4)保证伺服式液位计连接法兰的垂直度，以避免浮子碰到导波管的内壁造成液位测量失灵。

3 LNG储罐液位测量

LNG储罐使用液位-密度-温度（LTD）连续测量设备和伺服式液位计相配合来测量储罐的液位和各个液面的密度、温度。LTD由数字逻辑单元和电机驱动单元组成，可在LNG储罐内垂直移动、测量，并显示与各种液面相对应的液体密度和温度。

LNG 在－160～－155℃存储时，LNG 是多组分混合物，因温度和组分的变化，液体密度的差异使储罐内的LNG可能发生分层。一般罐内液体垂直方向上温差大于0.2、密度大于0.5kg/m3时，即认为罐内液体发生了分层。储罐内液化天然气由于外界热量的传入而发生气化，由于各组分的蒸发量不同，导致LNG的组分和密度发生变化，这一过程称为老化。当有新的LNG产品注入储罐时，由于新、旧LNG的温度及密度不同，出现充注分层。当储罐内LNG产生分层后,随着外部热量的导入,底层LNG温度升高,密度变小;顶层LNG由于BOG的挥发而变重。经过传质,下部LNG上升到上部,压力减小,成为过饱和液体,积蓄的能量迅速释放,产生大量的BOG,即产生翻滚现象。（即两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合,瞬间产生大量气化气的现象。）此时罐内LNG的气化量为平时自然蒸发量的10～50倍,将导致储罐内的气压迅速上升并超过设定的安全压力,使储罐出现超压现象。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传入的热量无法使下层的LNG及时蒸发，造成下层LNG处于过饱和状态。当储罐内上层的LNG密度大于下层时，下层LNG突然上升，导致迅速蒸发[3]。如果不及时通过安全阀排放,就可能造成贮槽的机械损伤,带来经济上的损失及环境污染。因此，需要对翻滚进行监控，而分层是翻滚的前提，检测分层就要监控温度，密度，BOG等。这些LTD都可以进行监控。

该测量系统包括伺服式液位计、平均温度计、压力变送器和罐旁指示仪。其中，平均温度计、压力变送器和罐旁指示仪都通过HART协议与伺服液位计进行通信。利用罐旁指示仪，操作人员可以在罐下观察液位，对罐顶伺服液位计进行操作。平均温度计的温度信号与压力变送器的压力信号都首先送到伺服液位计，由伺服液位计将二者连同液位信号统一通过Rackbus RS-485输出至控制室。在控制室，通过专用接口、网关可以转换成标准的通信协 议 ， 如 Modbus RS-232、RS-485、ControlNet、Profibus-DP等，实现与PLC或DCS的通信。

LNG储罐设置2台伺服液位计，其信号送至PLC或DCS系统，实现对储罐内液位的实时检测。如其中一台发生故障或进行维修，另外一台可以作为备用，实现储罐液位信号的正常检测。同时，另设置一台高低液位开关。三台液位计的信号送至ESD系统组成三选二逻辑，用于停止进料或停止罐内低压泵，实现储罐的高低液位保护，达到安全仪表等级SIL3。

4 结语

伺服式液位计以其卓越的性能，越来越多的在各类工程中得到应用。同时，基于伺服式液位计的液位测量方法也将在LNG储罐建造中拥有更为广阔的使用前景。

［1］赵红强,董传红,吕志榕.大型LNG储罐控制方案探讨[C].第六届全国石油和化学工业仪表及自动化技术交流研讨会.重庆.2007:154-161.

［2］孙国锋.国产高准确度伺服液位计的测量原理及应用[J].石油库与加油站.2008，17(4):28-32.

［3］邹华生，黄春来.液化天然气储运中的翻滚现象分析关[J].油气储运.2006，25(11):13-15.