LNG储罐仪表监测系统和调试问题分析探讨

王继光,杨春慧,毛 伟

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东 青岛 266000)

LNG储罐仪表监测系统和调试问题分析探讨

王继光,杨春慧,毛 伟

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东 青岛 266000)

液化天然气(LNG)储罐仪表监测系统是确保接收站重大危险源处于可控状态和合理安排生产计划的重要系统，它的顺利调试和投用是确保接收站顺利投产和运行的重要保障。在国内E+H储罐管理系统的LNG接收站中配置WHESSOR液位温度密度计(LTD)。首先详细介绍了液位天然气储罐仪表监测系统的网络拓扑结构及系统组件，并对伺服液位计、LTD的测量和工作原理进行阐述；然后总结系统调试过程中现场仪表和管理系统中存在的问题，重点对设备安装的同心度、仪表与系统兼容性、系统通信不稳定、LTD轮毂卡死等问题进行分析和测试；最后根据问题提出切实可行的解决方法和改造方案。经过实际生产和应用，该系统运行稳定、可靠。在系统调试过程中，对相关调试问题的分析、研究和采用的解决方案等，对国内具有相同配置仪表系统的调试和投用具有重要的指导意义。

石油化工; 安全; LNG监测系统; 数据采集; 液位计; 温度

0 引言

储罐仪表监测系统是接收站安全管理和生产操作的重要组成部分，是确保接收站正常运行和生产的重要保障。在安全管理方面，储罐仪表监测系统能够实时监测储罐内壁、外壁内部、热角保护空间、储罐底部等关键位置的介质泄漏，确保储罐结构处于全方位、全天候的监测[1]；储罐仪表监测系统能够实时监控储罐内部气相空间、液相空间以及液相空间中不同位置、维度的介质温度、密度，确保接收站储罐重大危险源处于可控状态，避免分层、翻滚等危险工况的产生[2-3]。在生产操作和管理方面，储罐仪表监测系统能够提供精确数据，从而指导生产管理部门制定科学合理的卸船方案。液位联锁保护能确保低压泵的运行并使储罐液位处于正常状态，从而避免在卸船过程中发生异常工况[4]；储罐仪表系统能够提供准确的罐容数据，从而指导生产管理部门根据库存制定科学、合理的接船计划和外输计划，实现接收站收益最大化。

本文在介绍某液化天然气(liquefied natural gas,LNG)接收站储罐仪表系统的网络拓扑结构和现场仪表组成的基础上，详细阐述了储罐仪表监测系统调试过程中存在的问题及解决方案，最后根据调试中存在的问题进行总结，以便指导相关系统的调试工作。

1 LNG储罐仪表监测系统介绍

在液化天然气接收站实际生产和运行过程中，储罐仪表监测系统能确保储罐结构本身、储罐存储介质处于安全可控状态，指导工艺进行卸料操作，从而避免分层、翻滚等异常工况的产生，为接收站LNG物料的仓储管理和外输接船计划的制定提供可靠的数据依据。LNG储罐仪表监测系统主要由现场监测仪表、数据采集单元和储罐计量监测系统组成[5]。某LNG接收站储罐仪表监测系统采用恩德斯豪斯(E+H)储罐监测管理系统，储罐计量监测系统采用E+H的Tankvision-LMS储罐监控管理软件和Tankvision Rollover Module防翻滚软件，数据采集单元均采用E+H的Tankvision Multiscan-Mini Receiver，伺服液位计采用E+H的NMS 53x系列，平均温度计采用E+H的Prothermo NMT 539智能HART信号转换器，多点温度转换器采用E+H的TM188系列采集器[6]。基于节约投资成本的考虑，液位温度密度计(level temperature dersity,LTD)选用了WHESSOE- 01146液位-温度-密度检测仪表。

1.1 储罐仪表监测系统网络拓扑结构

LNG储罐仪表监测系统网络主要由设备层、控制层和管理层三层组成，其网络拓扑结构具体如图1所示。

图1 储罐仪表系统网络拓扑结构图

设备层采用冗余形式的RS-485 Modbus通信方式传输现场温度、密度和液位数据。主伺服液位计、温度采集器和LTD主通信接口挂接在设备层主通信回路上，备伺服液位计、温度采集器和LTD备通信接口挂接在设备层备通信回路上，智能平均温度信号转换器采用HART通信方式传输给伺服液位计。管理层采用冗余RS-485 Modbus通信方式实现两台数据采集器的冗余，并将储罐监测系统的数据传输给DCS系统[7-8]。控制层采用冗余的TCP/IP网络协议，实现储罐管理系统对现场数据的采集和现场仪表的控制操作。

1.2 储罐仪表系统主要设备

LNG储罐仪表监测系统主要由现场监测仪表、数据采集单元和储罐计量监测系统组成。

1.2.1 现场监测仪表

现场监测仪表主要用于监测储罐内外壁、底部温度，采集储罐内部气液相温度、介质液位、不同高度维度上的温度和密度，以实现对储罐结构性泄漏的监测和介质分层的预防[9]。现场监测仪表由温度采集单元、平均温度计、伺服液位计和LTD组成。伺服液位计和LTD的主要工作原理和组成如下。

①伺服液位计。

伺服液位计由测量浮子、钢丝、轮毂、步进电机、控制主板和通信主板等主要部件组成。其工作原理基于阿基米德浮力定律，根据液位浮子的浮力变化对浮子质量进行测量。测量公式为：

F轮毂=G浮子-F浮子

(1)

式中：F轮毂为测量轮毂所受力；G浮子为液位测量浮子重力；F浮子为浮子浸入LNG中所受浮力。

伺服液位计的测量原理为：当液位发生变化时，悬挂浮子的钢丝所受张力发生变化，从而带动测量轮毂转动使霍尔传感器的磁感应电流发生相应变化；磁感应电流变化映射质量信号变化；控制主板根据轮毂平衡力Fbalance(常数)与F轮毂的关系并利用步进电机调整浮子位置，直至F轮毂=Fbalance。

当浮子处于下降且浮子未接触液面时，Fbalance

当浮子处于液面以下时，Fbalance>F轮毂，步进电机驱动浮子继续上升直至F轮毂=Fbalance。

②平均温度计。

平均温度计主要用于测量储罐垂直维度上的固定点的气液相平均温度，每个储罐由2组平均温度计组成，分别通过HART协议与伺服液位计进行通信。每组平均温度计由12个测温点组成，每个测温点间隔3 m，监测不同液位上的温度。

储罐内气液相温度由伺服液位计根据平均温度计测量点的单点温度和伺服液位计测量的液位计算得到。当平均温度计的温度测量点出现故障时，在平均温度的计算过程中会自动去除该故障点，以免影响平均温度的计算。

③LTD。

LTD在实时监测储罐内LNG的动态变化和预防储罐发生危险工况等方面有举足轻重的作用。LTD的硬件结构主要包括产品室和电路室两部分，其附件主要有隔离球阀、稳液管和观察窗。LTD的产品室主要由传感器探头、带涂层的打孔钢带、链轮、钢带轮毂和高低限位开关组成。其中，传感器探头是LTD产品室的主要组成部分，它主要由温度探头、密度探头、保护罩和钢带连接接头组成，而密度探头由振荡管、激励线圈和检测线圈组成。电路室是LTD数据处理和通信的核心部分，它主要由转换接头、仪表电路板、液位编码和就地LCD显示组成。

LTD的测温原理是基于热电阻的阻值随温度的变化而变化。电阻值与测量温度之间的关系可以表示为：

Rt=Rt0×[1+α×(t-t0)]

(2)

式中：Rt为温度为t时的电阻值；Rt0为温度为t0时的对应电阻值；α为温度系数。

密度的测量首先通过激励线圈，利用振荡管将振荡管和其内液体的固有频率传输给测量线圈;然后利用固有频率与振荡管及其内液体质量的关系，得到振荡管及其内液体的质量；由于振荡管的质量和其内体积是一个常量，最终可以得到振荡管内液体的密度。介质密度与震荡周期、温度之间的关系式为：

(3)

(4)

式中：t0为传感器的标准参考温度，℃;t为传感器的实际温度，℃;Nθ为传感器的温度漂移常数，μs/℃；T0为周期校准常数，μs；D0为密度校准常数，kg/m3；T为浸没在介质中传感器的振荡周期，μs；D为介质的密度，kg/m3；K为校准常数。

1.2.2 数据采集系统

Tankvison Multiscan/Mini Receiver-ATG数据采集系统不仅具备对现场温度、液位和密度等数据的扫描功能，而且还具备库存管理计算功能，可依据内置的API/ASTM等国际标准进行复杂的罐区计量计算。ATG数据采集系统具有7个可编程的输入输出串口，均定义为Modbus RS-485通信协议。其中:COM1、COM2用于主备ATG数据采集系统的冗余，COM3、COM4用于1#储罐现场数据的扫描，COM5、COM6用于2#、3#储罐现场数据的扫描，COM7用于将系统数据传输给DCS系统[10]。

1.2.3 储罐计量监测系统

储罐计量监测系统主要用于实现库存管理、现场仪表测量参数的显示、翻滚预测、热泄漏检测和罐表操作等功能，主要包括Tankvision-LMS储罐监控管理软件、Tankvision-LMS Rollover Module防侧翻滚软件。

①Tankvision-LMS储罐监控管理软件。该软件可实现库存管理、密度温度计测量显示、罐内多点温度/平均温度显示、罐表面温度显示、翻滚预测、化学组分显示、热泄漏监测等多项功能。

②Tankvision-LMS Rollover Module防侧翻滚软件。该软件配备了复杂的LNG翻滚预测计算模型，通过采集LNG储罐内的多项数据，结合LNG产品的特性，能够计算出当前LNG储罐内出现翻滚的概率、发生时间以及发生翻滚时可能产生的BOG量和压力等，因此该软件可以有效降低LNG储罐的运行风险和成本。

2 储罐仪表监测系统调试问题

储罐仪表监测系统的调试过程主要包括现场仪表安装检查和确认、传输线路检查、系统上电、现场仪表设置调试、RS-485通信检查确认、Multi参数设置调试、上位机系统调试、与第三方系统调试、系统联调和测试等。现对系统调试过程中存在的实际问题进行总结和分析，以便指导相关、类似系统的调试过程。

2.1 伺服液位计稳液管安装同心度差

伺服液位计在参数配置完成投用前进行单机测试。测试过程出现液位浮子卡住现象，且浮子多次下降后再上升，均在同一位置卡住。

由于在伺服液位计调试时，储罐已完成预冷，故不能在截断球阀处于开状态时松动连接法兰调整安装位置；最后通过调整仪表伺服电机的输出力矩，依靠伺服电机的外力将浮子提升，待浮子上升至罐顶后，取出液位浮子发现浮子上有新的划痕。

由于在仪表调试过程中，在某一固定位置反复出现卡顿的现象，故可以确定其原因为伺服液位计稳液管安装的同心度差，稳液管焊接处焊缝打磨不够光滑或者稳液管开孔处毛刺欠打磨。通过将液位浮子上升至罐顶，关掉截断球阀后将伺服液位计的安装位置调整90°。调整完成后，测试过程中浮子无卡顿现象。

在安装检查阶段对稳液管的同心度和内壁平滑度进行仔细检查，避免调试过程中出现浮子卡顿现象；同时建议仪表安装在储罐投产前内罐清洁度检查完成后就进行调试，以便在调试中发现稳液管安装有问题时可以检查确认。调试完成后务必确保浮子上升至罐顶且截断球阀关闭[11]。

2.2 数据采集器与LTD间通信状态不稳定

在现场仪表与数据采集器进行通信测试阶段，发现伺服液位计、温度采集器均能将数据稳定地传输给数据采集单元，但是在LTD数据采集方面存在通信建立时间长、主备采集器切换和LTD重启后时常发生通信失败现象。

利用串口测试工具Modscan在采集器数据串口和现场LTD通信输出口处进行数据扫描。数据扫描结果表明：在现场仪表重启和模拟数据采集器切换时，LTD数据通信正常且稳定；但是LTD建立通信时间较长，平均需要丢包30个才能建立正常的通信。

测试表明，现场仪表和数据采集器通信接口均没有问题，但是数据采集器在数据扫描策略中，存在现场仪表通信故障问题；而LTD建立通信之前都要主动发送多个校验数据包，进行多次通信确认后才发送仪表数据，故导致LTD通信状态不稳定，其原因为数据采集器和LTD基于RS-485 Modbus协议的数据扫描策略不兼容。最后，通过对数据采集器进行升级，确保LTD在多次发送校验包后能够与数据采集器建立正常稳定的通信。

在仪表和数据采集系统选型时，不仅要确认通信协议和接口类型一致，也要确保数据扫描策略不发生冲突，要尽量采用经过兼容性测试的产品，以免不同厂家产品存在通信不兼容问题。

2.3 储罐计量监测系统与LTD存在兼容性问题

采用E+H的上位机系统和WHESSOE的LTD，在测试过程中存在以下问题。①LTD不能自动执行用户定义的profile文件；②上位机发出执行profile命令后会将LTD 的本地profile数据更改为标准profile的数据，致使系统不能自动按照用户定义的profile进行数据收集；③由于系统兼容性存在问题，致使上位机软件不能按照用户设置的profile文件和测量周期自动进行数据采集。根据现场调试问题，对E+H数据采集系统进行系统升级，以确保系统功能的完整。

2.4 LTD投用中存在轮毂卡死现象

在LNG储罐投产过程中，当储罐液位达到0.5 m后，打开LTD的截断球阀使仪表投用，但是在投用过程中出现由于钢带在轮毂上缠绕混乱致使卡死轮毂的现象。

LTD轮毂卡死后，对LTD作上升和下降的操作均无效；同时由于储罐内存在介质，故不能直接打开轮毂侧的腔室将轮毂取出，只能将电子腔打开并利用专用工具靠外力将浮子上升至罐顶，关闭截断球阀后再打开进行处理。

LTD投用过程中出现轮毂卡死的现象主要是由于在仪表调试完成后，未将LTD切换至就地操作模式或者将LTD断电，从而使仪表在截断球阀关闭状态下进行下降操作。当LTD 在截断球阀关闭状态下下降时，其低停止位杠杆不起作用，故不能停止仪表的下降操作，同时LTD轮毂会不停转动致使钢带松动且在轮毂上打卷，直至轮毂不能转动为止。因此，当投用现场仪表时会出现钢带打卷混乱致使轮毂卡死。

现场仪表调试完成后，将仪表断电和设置为就地操作模式；当仪表正式投用时才送电和设置为自动模式。此外，在投用时要通过视窗观察轮毂上钢带的缠绕状况，避免轮毂卡死。

3 结束语

储罐仪表监测系统是LNG接收站生产中重要的监测控制系统，且系统投用后维护和检查难度较大，因此在系统调试和投用过程中要针对出现的问题进行处理，以免造成安全隐患[12]。在系统调试过程中，要在深入研究系统网络拓扑结构和系统构成的基础上，对系统内数据通信稳定性和可靠性进行测试，确保系统内数据传输稳定、系统工作可靠。针对LTD和伺服液位计的安装、调试和投用，要避免出现稳液管同心度差、钢带(丝)打卷、轮毂卡顿等问题。在仪表和系统选型过程中，要确保选用产品完全兼容、工作稳定可靠等。

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Analysis and Investigation of the Instrument and Monitoring System of LNG Storage Tank and Related Issues of Its Commissioning

WANG Jiguang,YANG Chunhui,MAO Wei

(Sinopec Qingdao LNG Co.,Ltd.,Qingdao 266000,China)

The instrument monitoring system of LNG storage tank is an important system to ensure that the major hazard source of the receiving station is in the controllable state and the reasonable arrangement of the production plan，so commissioning and putting into operation of the system are the important guarantee to ensure the operation and production of receiving station are running smoothly.WHESSOR LTD gauge is configured in domestic E+H storage management system,the network topology and the system structure of the LNG tank instrument monitoring system are introduced in detail,and the measurement and working principle of servo level meter and LTD are presented,then the problems of the existing field instrument and management system in the process of system commissioning are summarized,the concentricity of the equipment installation,compatibility of the instrument and system,the instability of system,stuck of communication hub of LTD and other issues are analyzed and tested,and the solutions and feasible schemes of retrofit are put forward.The actual production and application show that the system is stable and reliable,and the analysis and research,as well as solutions in commissioning process are worth to be referenced for similar instrument and system with the same configuration.

Petrochemical industry; Safety; LNG monitoring system; Data acquisition; Level gauge; Temperature

王继光(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事接收站仪表的维护工作。E-mail:287463981@qq.com。

TH81;TP30

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201705023

修改稿收到日期：2017-01-08