液化天然气储罐仪表设计探讨

范琳

(中国五环工程有限公司，武汉 430223)

液化天然气储罐仪表设计探讨

范琳

(中国五环工程有限公司，武汉 430223)

结合液化天然气(LNG)储罐的特点，叙述了LNG储罐仪表的选型和安装；重点阐述了温度仪表和液位仪表的设置，指出了温度、压力和流量仪表安装的注意事项；简要描述了储罐液位仪表的基本原理；讨论了用于保护LNG储罐安全的主要控制方案和联锁方案。该项目采用罐表系统(TGS)实现了LNG储量监测和翻滚预测；提出了罐表系统的基本组成和技术要求。

液化天然气 储罐 仪表设计 罐表系统

液化天然气(LNG)是天然气(NG)经过净化处理(脱水、脱重烃、脱酸性气体)，采用制冷工艺形成的液体[1]。LNG 以甲烷为主，通常含有少量乙烷、丙烷、氮等其他组分，无色、无味、无毒[2]，是优质的清洁能源。LNG体积小，密度仅为水的45%，便于远距离大规模运输和储存，可以通过槽船、槽车运至世界各地的大型LNG接收站、卫星接收站，运输成本约为管道运输的15%[3]。

LNG储罐容量大、介质极低温、气化率高、易燃易爆，在储存中易产生分层和翻滚问题，低温工艺流程复杂，设备昂贵。正确选择仪表，应用成熟可靠的控制系统和控制方案，才能确保LNG存储装置的稳定运行和人身设备安全。

1 项目概况

某LNG储存基地项目，毗邻城市天然气高压外环线。工艺流程如图1所示，主要包括1座2×104m3常压低温LNG储罐和工艺区(装卸站、蒸发气BOG(Boil-off Gas)压缩、气化、计量外输)及配套设施。装卸站可同时为4台45m3LNG槽车接收或充装LNG；气化系统在应急状态或调峰状态启动，气化速率为3.5×104m3/h，外输压力为3.5MPa。

图1 LNG储存工艺流程示意

2 仪表设置及选型

2.1温度测量仪表

LNG储罐采用的温度计，按用途划分为以下几种：

1) 内罐外壁、内外罐之间环形区域、储罐拱顶区域温度，由单点、多点温度计检测，当测点温度急剧下降时，可知储罐LNG溢出或泄漏。

2) 内罐底上表面、内罐内壁温度，由多点温度计检测，用于储罐接收LNG前预冷程度监控。

3) 储罐LNG，BOG温度，由单点温度计、多点平均温度计、LTD(Level Temperature and Density)变送器检测。

储罐的温度计采用Pt100铠装热电阻，接口设于罐顶，法兰连接，测量范围-200～100℃，插入长度根据铠丝实际敷设路径选取，最长达 64m。 铠装材质选用耐低温性能良好的奥氏体不锈钢。测量罐内LNG温度的16点温度计设有保护管，保护管材质为304。

工艺区远传温度测量采用Pt100铠装热电阻，温度计保护管与管道焊接，以减少泄漏点。就地温度计采用压力式温度计，抱箍式安装。温度计长度应足够长，确保温度计不被管道绝热层掩盖，并保证接线盒工作于常温下，以免结冰、结霜或冻伤维护人员。

2.2液位测量仪表

LNG储罐设置3台伺服液位计、1台LTD变送器。其中2台伺服液位计输出液位、密度值信号和报警干接点，另1台输出液位高高报警干接点；LTD变送器输出液位、温度、密度值信号。

伺服液位计由伺服电机、控制器、计数器、力传感器、测量磁鼓、钢丝和测量浮子组成，通过检测浮子的位移测得液位或界面变化，根据阿基米德原理测得液体密度。主要技术要求： 液位测量范围0～2×104mm，精度等级0～±2.0mm；密度测量范围400～500kg/m3，精度等级： ±1kg/m3；钢丝和浮子材质为304。

LTD变送器由机械驱动组件、电子控制模块、中空探头电缆、探头组成。中空探头电缆内设信号导线，探头向下移动时，探头底部的罐底参考开关组件可以在触碰罐底时做记录，然后向上运动，探头顶部有两个固体液位传感器，位置一个偏上，一个偏下，当偏上的固态液位传感器露出液面，偏下的还未露出液面时，传感器探测到这种差别，记录此时探头移动的距离，再加上探头自身长度，即为液面高度。探头中部设有振动管式密度传感器，振动管维持在谐振状态，被测液体进入振动管，振动管共振频率即发生变化，液体密度增加，振动管和液体的总质量增加，振动频率会降低，反之亦然。经适当校准，谐振频率与管内液体密度之间有确定的关系，通过测量振动管的共振频率，即可求出待测液体的密度[4]，探头上部设有铂热电阻。

LTD变送器最低应满足的技术要求： 液位测量范围5×102～2×104mm，精度等级±2.0mm；温度测量范围-200～100℃，精度等级±0.1℃；密度测量范围： 400～500kg/m3，精度等级： ±0.5kg/m3； 探头材质为304。

2.3流量测量仪表

该项目采用孔板测量LNG流量，主要有以下优点：

1) 技术成熟可靠，有可供执行的标准规范GB/T 2624，ISO 5167。

2) LNG介质洁净，无腐蚀性，满足孔板应用要求。

3) 孔板无可动部件，无须考虑润滑与摩擦问题，适合低温条件下使用。

据文献[5]可知，孔板用于LNG计量核算也是合适的。该项目LNG和NG的贸易计量由计量撬完成。计量撬厂商选用超声波流量计测量LNG流量，配流量计算机；选用涡轮流量计测量NG流量，配体积修正仪做温压补偿。

装卸站为装车卸车两用，分时段使用同一根管道，流向相反。采用多孔孔板测量双向流，不用于经济核算。

使用节流装置测量LNG流量，选取较高压差有利于提高测量准确度、缩短上游侧必要的直管段长度[6]，但当压力降到饱和蒸气压以下时，LNG会发生闪蒸[2]，因而应在避免闪蒸发生的前提下选取差压。此外,当管道中插入物体等阻流件时，也会导致压力降低，可能出现闪蒸，因而多余的插入物体和阻流件也应避开流量计上游侧[5]，例如温度计。并且还应考虑操作温度下孔板尺寸的变化对孔板参数的影响。

2.4压力(差压)测量仪表

LNG储罐拱顶区域设表压变送器3台，冗余配置。内罐吊顶下方区域设绝压变送器、表压变送器各1台。大气压力降低时，储罐内LNG蒸发会加大，导致储罐压力升高，因而监测储罐内的绝压是必须的。

LNG受热气化，体积膨胀约600倍，对压力(差压)测量有很大干扰，因而管道需要充分的保冷，导压管内气液分层面应远离取压口，导压管应足够长，确保变送器工作于常温下，导压管须设有消除冷缩应力的弯折。

2.5调节阀和切断阀

LNG在无孔容器中可能随着温度的提高使压力增大，甚至容器遭到破坏[2]，因而对可能形成密闭阀腔的LNG阀门应采取泄压措施防止阀腔异常升压。LNG低温阀门设长颈阀盖保证填料函底部温度在0以上[7]，LNG阀门应做防静电设计。

调节阀采用单座柱塞阀，柔性石墨填料，金属密封，泄漏等级IV级；阀体材质A351 CF8，采用对焊方式以减少泄漏点；阀内件材质为304L。

切断阀采用全通径固定球阀，柔性石墨填料，阀体密封采用PTFE软密封面加金属阀座支承，避免软密封阀座产生冷流变形[7]，泄漏等级Ⅴ级(双向)；阀体材质为A351 CF8，对焊连接方式；阀内件材质为304L。所有切断阀遵守API 607防火规范，设阀位开关,部分重要管线设双电磁阀。

3 控制和安全仪表系统

该项目设DCS监控装置运行,安全仪表系统(SIS)实现安全联锁，罐表系统TGS(Tank Gauging System)负责监测储罐状态。

3.1储罐压力的监控和联锁

LNG储罐操作压力5～20kPa(G)，设计压力-1.5～25.0kPa(G)。

影响LNG储罐内压力上升的因素包括[8]： 接受LNG进入储罐；大气压下降；从环境吸入热量导致LNG蒸发。

影响LNG储罐内压力下降的因素包括[8]： LNG泵对外输送；无LNG进料时BOG压缩机空吸；大气压上升。

正常操作条件下，通过BOG压缩机压缩蒸发气控制储罐的压力。压力达到19kPa(G)，放空阀PV01开启调节，超压气体排入放空系统送火炬。压力达到21kPa(G)，做“2oo3”表决，切断储罐入口LNG切断阀XV01。当储罐压力升高达到储罐设计压力，储罐安全阀打开，超压气体直接排入大气。

压力低于5kPa(G)，做“2oo3”表决，全关LNG外输控制阀FV01，停LNG罐内泵和BOG压缩机。压力低于3kPa(G)，补压阀PV02开启调节，通过补充外输天然气总管上经膨胀后的气体维持储罐压力。压力降低到储罐设计值，储罐真空阀打开。

3.2LNG罐内泵出口流量控制

LNG罐内泵为LNG外输和回流提供动力，工作温度低于-162℃，是储罐上最重要的动设备。LNG罐内泵出口流量应不小于29m3/h，通过分程调节和联锁来保证。

外输LNG流量大于35m3/h时，回流控制阀FV02关闭，外输控制阀FV01开启调节；FV01开到最大，若流量还小于35m3/h，则回流控制阀FV02开启调节，保证泵出口流量满足要求。出口流量达29m3/h时，联锁停泵，保证罐内泵的安全。

3.3储罐液位的监控和联锁

LNG液位是储罐最重要的参数之一，TGS监控LNG液位，并通信至DCS。3台伺服液位计高高高报警干接点，做“2oo3”表决，联锁切断储罐入口LNG切断阀XV01。2台伺服液位计低低低报警干接点信号，联锁停罐内泵,关闭LNG外输调节阀FV01。

3.4储罐LNG分层和翻滚监控

翻滚是指两层不同密度的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[2]，翻滚使容器受到超压，易导致严重事故。有研究指出LNG分层是产生翻滚的根本原因[10]。LNG分层的原因[11]： 老化的LNG密度随着甲烷的蒸发而增大；向已有的LNG储罐中充注密度不同的新LNG液体；受到外部热源的侵扰产生热分层。

通过良好的储罐管理，翻滚可以防止，措施包括： 加强液体循环以促进混合；尽可能将不同来源、不同组分的LNG分罐储存；保持LNG含氮量低于1%，并密切监测气化速率[2]。实际操作中应密切监测储罐不同液位下LNG的密度及温度的变化(LNG密度是其温度的函数)，适时使用罐内泵对LNG打回流，使分层的LNG混合均匀。该项目采用TGS监测LNG储罐的液位、温度和密度分布，计算LNG的体积、质量，监测分层并预测翻滚。

TGS主要由伺服液位计、LTD、多点温度计、操作站、配置有数据处理软件和数据通信模块的系统柜等设备共同组成。

TGS应满足的主要技术要求：

1) 设置和修正现场仪表，如设置LTD自动或手动模式，修正液位计、密度计的误差。

2) 接收现场仪表(伺服液位计、LTD、多点温度计)数据并显示，包括LNG液位、密度、温度实时值，每台仪表的状态信息。

3) 根据单位高度储量表和LNG液位值计算LNG体积。

4) 根据LNG体积和实时平均密度计算LNG质量，可以手动输入密度值。

5) 根据LNG密度、温度分布实时数据预测翻滚。

6) 具有完善的自诊断功能，能发出并记录故障报警。

4 结束语

LNG储存项目中仪表的选型和安装紧密围绕LNG的理化性质展开，仪表和控制系统的配置充分考虑了LNG储罐液位落差大、易超压、易分层和翻滚的危险因素。在开展设计工作前，应对LNG及LNG储罐的特点做深入了解。通过探讨和总结LNG储存项目的仪表设计，对存储基地的安全稳定运行十分必要，对同类LNG项目仪表设计具有重要参考意义。

[1] 陈雪，马国光，付志林，等．我国LNG接收终端的现状及发展新动向[J]．煤气与热力，2007，27(08)： 63-66．

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DiscussiononInstrumentationDesignforLNGStorageTank

Fan Lin

(Wuhuan Engineering Co. Ltd.， Wuhan， 430223， China)

Combining with the characteristics of liquid natural gas(LNG) storage tank, the selection and installation of LNG storage tank instrument is described in general. The settings of temperature instrument and level instrument are emphatically expatiated. The installation instruction for thermometer, pressure gauge and flow meter are illustrated. The principle of level instrument on LNG storage tank is introduced briefly. The control strategy and interlock system for LNG storage tank safety are discussed. The monitoring of total LNG reserves in the tank and forecasting of LNG rollover are realized with adopting tank gauge system (TGS) in this project. The basic technical requirement and configuration of TGS are put forward.

LNG； storage tank； instrumentation design； TGS

稿件收到日期： 2012-12-03，修改稿收到日期2013-02-20。

范琳(1986—)，男，2007年毕业于北京化工大学自动化专业，现就职于中国五环工程有限公司电控室，从事自控工程设计工作，任工程师。

TQ056

B

1007-7324(2013)03-0014-04