1　大型 LNG 儲罐的建設(shè)背景

　　近年來煤炭等傳統(tǒng)資源迅猛發(fā)展，但在環(huán)境保護的巨大壓力下，國家能源政策和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣作為一種較好的潔凈燃料，在能源、交通等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景，加之大量天然氣氣源的探明，使得天然氣的開發(fā)和利用已成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢。以至于天然氣的儲存和應(yīng)用技術(shù)已成為專門技術(shù)領(lǐng)域，受到工程和學術(shù)界等各領(lǐng)域、各界的廣泛關(guān)注。

　　天然氣的儲存技術(shù)是利用天然氣的關(guān)鍵技術(shù)之一，特別是液化天然氣的接收終端（即 LNG 接收站），它主要接收海運 LNG 船從基本符合型天然氣液化工廠運來的液化天然氣。將其儲存和再汽化后分配給下游用戶。接收站的在汽化能力強大，儲存容量巨大，其主要由專用碼頭、卸料臂、LNG 輸送管道、LNG 儲罐、BOG 壓縮機、再冷凝器、磁翻板液位計、高壓泵、汽化器以及計量外輸裝置及管道等組成。

　　接收站較核心的部分是 LNG 儲罐，它主要接收海運 LNG 船輸送 的 LNG， 其 存 儲 能 力 主 要 有 80,000m3、160,000m3、200,000m3 和220000m3 的 LNG 儲罐，特別是國際上技術(shù)非常成熟的 160,000m3 的LNG 儲罐在國內(nèi)各個 LNG 接收站項目如雨后春筍般拔地而起，如大

鵬 LNG 接收站、浙江 LNG 接收站、福建 LNG 接收站和海南 LNG接收站等均已建成進入正常生產(chǎn)階段。

 

2　罐表系統(tǒng)的作用、設(shè)計原則和重要意義

　　儲罐罐表系統(tǒng)相當于儲罐的眼睛和耳朵，通過壓力、溫度、液位及密度等測量，實時感知儲罐內(nèi) LNG 的動態(tài)變化，將準確的測量信息反饋給工藝操作人員，對超出正常范圍將產(chǎn)生報警提示工藝操作人員，對出現(xiàn)緊急工況能夠及時有效觸發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)動作切斷相關(guān)閥門及設(shè)備以此來保證儲罐的安全。同時通過相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)也可作為儲罐自身結(jié)構(gòu)維護及維修的重要參考依據(jù)。

　　從安全角度出發(fā)，儲罐所有的管道、儀表等接口均設(shè)在儲罐頂部，罐壁和罐底無開孔。同時標準規(guī)范中對檢測儀表的總體要求是安裝儀

表以保證儲罐試運行、操作或維護，以及停運時的安全和可靠性。應(yīng)給予足夠的在線備用；在儲罐正常運行期間，保證可以對檢測儀表進行正常維護。檢測數(shù)據(jù)可以傳輸給控制室 / 操作人員。所有進 DCS系統(tǒng)的測量控制儀表與進 SIS 系統(tǒng)的聯(lián)鎖的儀表分別獨立設(shè)置。

　　罐內(nèi)溫度檢測的設(shè)置原則為在儲罐恰當位置安裝溫度測量儀器，監(jiān)控以下溫度：測量液體不同深度的溫度。相鄰兩個磁翻板液位計間的垂直距離不應(yīng)超過 2m；蒸汽層溫度（如果有懸頂，應(yīng)區(qū)分在懸頂?shù)南路交蛏戏剑�；主容器殼及底部（冷卻 / 加溫控制）。儲罐內(nèi)罐底部及內(nèi)罐體設(shè)有多個表面溫度計，用于監(jiān)測儲罐試車預冷和正常操作時的罐內(nèi)溫度。在試車預冷過程中，通過監(jiān)測溫度變化情況可適時地調(diào)整LNG 進料流量，滿足預冷時罐壁溫降速率要求。罐外也設(shè)有多個測溫點，可監(jiān)測 LNG 可能的泄漏。

　　儲罐上應(yīng)安裝探測壓力過高或過低的儀器。該系統(tǒng)應(yīng)獨立操作，與正常壓力測量系統(tǒng)相分離。儲罐頂部設(shè)有多個壓力測量，能夠?qū)崟r檢測儲罐內(nèi)部壓力（探測超高壓和低壓真空等工況），對于低于設(shè)定值能夠相應(yīng)停止蒸發(fā)汽壓縮機和罐內(nèi)泵，如果必要時自動控制注入氣體解除真空等操作；對于超壓將提示操作人員開啟 BOG 壓縮機等相關(guān)設(shè)備或者進行放火炬等操作。

　　儲罐應(yīng)安裝至少兩個高精度、獨立的磁翻板液位計來防止儲罐發(fā)生溢流。每個儀表系統(tǒng)都應(yīng)設(shè)有高位報警器，超高位報警器及停機裝置。卸船時，LNG 通過卸船總管從儲罐頂部進入。

 

　　每座儲罐內(nèi)均設(shè)有磁翻板液位計及液位 - 溫度 - 密度（LTD）連續(xù)監(jiān)測儀表，實時監(jiān)測儲罐的液位及工作狀況。罐內(nèi)設(shè)置的高低液位報警可自動或手動切斷儲罐進料或關(guān)停罐內(nèi)低壓泵，保護儲罐安全。為避免卸船時引起儲罐內(nèi) LNG 分層而導致“翻滾”的風險，可根據(jù)儲罐內(nèi)LNG 的密度和運輸船 LNG 密度選擇卸船時 LNG 從上部進料管進料，或通過底部進料管下部進料。一般情況下，較重的 LNG 從上部進料，較輕的 LNG 從下部進料。進料方式的選擇可根據(jù)卸船前提交的 LNG貨單中的密度、卸料總管上磁翻板液位計取樣分析裝置實測的密度結(jié)果，與儲罐內(nèi)LNG 密度對比后確定，其具體工作原理和工作步驟下文介紹。

 

3　典型項目液位計系統(tǒng)設(shè)計、選型及應(yīng)用情況

　　國內(nèi)某大型 LNG 接收站建設(shè)三座 160,000m3 儲罐，總儲存能力為480,000m3； 儲罐設(shè)計較高正壓為 30kPa(G)，較低負壓 -0.6kPa(G)，設(shè)計溫度為 -165℃～ + 60℃，日蒸發(fā)率為 0.05%(wt)。LNG 儲罐內(nèi)罐直徑為 80m，內(nèi)罐高度為 35m，外罐高度為 45 m。儲罐采用安全度較高的混凝土全容罐，內(nèi)罐材料為 9％ Ni 鋼，外罐為預應(yīng)力混凝土，罐頂為加強混凝土。罐底、內(nèi)外罐之間的環(huán)形空間及內(nèi)罐吊頂均采用絕熱材料（泡沫玻璃、膨脹珍珠巖和玻璃棉）進行保冷。

 

3.1　液位計系統(tǒng)設(shè)計

　　該項目設(shè)計 LNG 罐表系統(tǒng)（TGS）一套，單臺 LNG 儲罐儀表設(shè)計主要如下：

　　（1）2 臺磁翻板液位計；

　　（2）1 臺雷達液位計；

　�。�3）一臺 LTD（液位 + 溫度 + 密度）；

　�。�4）2 套多點測溫熱電阻；

　�。�5）6 臺壓力變送器 ;

　�。�6）一套 LNG 儲罐防翻滾軟件。

　　在 LNG 接收站項目儲罐中，溫度檢測的設(shè)計主要是用于 LNG 儲罐多點溫度計，設(shè)置在 LNG 儲罐內(nèi)的溫度儀表不僅僅用于溫度測量，同時通過溫度的變化測量來檢測是否存在 LNG 泄漏，并且在儲罐預冷的過程中對溫度進行實時監(jiān)測，控制預冷工藝的全過程，使得 LNG儲罐內(nèi)溫度平穩(wěn)變化，有效的保護內(nèi)罐鋼板等材料。其中熱電阻監(jiān)測點（單臺罐 42 個點）具體布置如下：

　�。�1）外罐內(nèi)側(cè)熱角保護（TCP）部分豎向均勻設(shè)置 8 個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測內(nèi)罐是否泄漏溢出到外罐的情況；

　　（2）內(nèi)罐與外罐之間的環(huán)形空間東南西北四個方向罐底部，每個方位設(shè)置兩個溫度監(jiān)測點，共 8 個監(jiān)測點，主要作用是測量環(huán)形空間底部溫度情況；

　　（3）內(nèi)罐壁板上豎向均勻設(shè)置 12 個溫度監(jiān)測點，主要作用是測量內(nèi)罐 LNG 的各層溫度分布情況；

　�。�4）內(nèi)罐底板外圈均勻設(shè)置 6 個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測內(nèi)罐底板外側(cè)的溫度情況；

　　（5）內(nèi)罐底板中心區(qū)域部分均勻設(shè)置 4 個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測內(nèi)罐底板中心區(qū)域溫度情況；

　�。�6）鋁吊頂?shù)捻敳靠臻g設(shè)置 4 個溫度監(jiān)測點，主要作用是檢測吊頂空間的溫度情況。

 

3.2　選型

　　本項目每個罐液位變送器設(shè)置 3 臺，其中一臺雷達液位計，兩臺磁翻板液位計；一臺 LTD；一套多點溫度監(jiān)測；6 臺壓力變送器。

　�。�1）磁翻板液位計選用 honeywellenraf 的 Series 854 ATG；

　　（2）雷達液位計選用 honeywellenraf 的 SmartRadar FlexLine990；

　　（3）LTD 選 用 SCIENTIFIC INSTRUMENTS, INC. MODEL6290Level Temperature Density Gauge；

　　（4）多點溫度選用 honeywellenraf 的 VITO 762/764 TemperatureProbe；

　�。�5）壓力變送器選用 SIEMENS 的 SITRANS P DS III。

3.3　應(yīng)用情況

　　本項目三座 LNG 儲罐設(shè)置一套 TGS 罐表系統(tǒng)，具體控制描述如下：

　�。�1）多點溫度檢測信號直接進罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過 ModbusTCP/IP 與 DCS 系統(tǒng)通訊，測量精度為 Class A。

　　（2）6 臺壓力變送器中有三臺進 DCS 控制系統(tǒng)監(jiān)控，其余三臺進 SIS 控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，壓力變送器的測量精度為 0.075。

　�。�3）兩臺磁翻板液位計和一臺雷達液位計的模擬量信號直接進罐表系統(tǒng)監(jiān)控，同時三臺液位計輸出三個觸點信號硬接線進入 SIS 控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，測量精度為 1mm。

　　（4）LTD（液位、溫度和密度）信號直接進入罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過 Modbus TCP/IP 與 DCS 系統(tǒng)通訊。

　�。�5）所有通訊線路冗余設(shè)置。

　�。�6）供電方面：除了伺服液位計和雷達液位計為交流 220VAC

供電外其余均為 24VDC。

　　在系統(tǒng)上電調(diào)試過程中遇到主要問題及處理情況如下：

　�。╝）部分罐表上電后無反應(yīng)，經(jīng)查為現(xiàn)場接線箱內(nèi)接線松動，接觸不良所致，經(jīng)過排查具體接點后解決；

　�。╞）三臺儲罐罐表上電后分別作供電線路檢查，發(fā)現(xiàn)一號儲罐和三號儲罐供電不對應(yīng)，一號儲罐罐表空氣開關(guān)控制三號儲罐罐表供電，經(jīng)查由控制室到儲罐的供電線路為多芯電纜，到現(xiàn)場側(cè)電纜分配出現(xiàn)交叉錯誤，經(jīng)調(diào)整控制室內(nèi) UPS 電源接線端后回復正常；

　�。╟）儲罐罐表系統(tǒng)的軟件在調(diào)試過程中部分功能無法啟動出現(xiàn)失靈，經(jīng)廠家重新安裝系統(tǒng)軟件后回復正常；

　　（d）在測試與集散型控制系統(tǒng) DCS 通訊時，DCS 作為主站，罐表系統(tǒng)作為從站，但仍有部分點出現(xiàn)通訊錯誤的現(xiàn)象，經(jīng)過液位計廠家和 DCS 服務(wù)工程師反復排查為通訊地址碼存在重復和超范圍的情況，糾正后回復正常；

　　（e）其他說明：液位計系統(tǒng)內(nèi)軟件的部分參數(shù)如密度設(shè)定等，需要首船進液時拿到船方相關(guān)數(shù)據(jù)時才能進行設(shè)置，為調(diào)試期間遺留項，在首船進液后解決。

　　具體 TGS 罐表系統(tǒng)圖如圖 1。

3.4　LNG Expert 分層和翻滾預測軟件

　　LNG Expert 是 LNG 儲罐分層和翻滾預測軟件，其解決方案使用基于網(wǎng)絡(luò)的人機界面操作員顯示，通過連接字段數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù) ,可以無縫地集成在 DCS 網(wǎng)絡(luò)配置，以及相關(guān)安全設(shè)備的狀態(tài)，通過OPC 或 Modbus 通信一座罐內(nèi)儲存不同成分及密度的產(chǎn)品（例如 LNG和 LPG）時會發(fā)生翻騰現(xiàn)象。所有罐內(nèi)條件，特別是分層，可以模擬和 / 或?qū)崟r監(jiān)控，和之前的 LNG 預期行為相比，使操作人員有足夠的時間和手段，從安全以及經(jīng)濟的角度創(chuàng)造較優(yōu)設(shè)置。罐包含各種LNG 等級 , 該特性允許真正的實現(xiàn)分層管理策略。翻騰預防措施：（1）使用密度測量系統(tǒng)監(jiān)控全部液體高度中的密度。當超過一定的設(shè)定值時該系統(tǒng)會發(fā)出報警信號。在此時，可采取措施阻止翻騰（例如混合）。密度測量系統(tǒng)與磁翻板液位計系統(tǒng)應(yīng)相互獨立。（2）設(shè)儲罐底部和頂部之間臨時的或連續(xù)的循環(huán)系統(tǒng)。注 2 由于此要求，不需要對儲罐考慮防翻騰設(shè)計。自動和連續(xù)計算翻滾機會。每 4 小時典型的計算頻率。一旦“LNG Expert” ( 固定配置特點和通信裝置 DCS) 產(chǎn)品運行無需操作員干預。對于預測展望，“LNG Expert”將通過標準工業(yè)通信工具報警現(xiàn)有的現(xiàn)場 DCS。上 LNG Expert 系統(tǒng)使用 LTD 儀表的密度組份分布和其他的 DCS 數(shù)據(jù)，計算以進行翻滾預測。翻滾可以觸發(fā)警報，會在 DCS 操作員屏幕上彈出。

 

3.5　防翻滾工作步驟

　　（1）第一步是分析來自 LTD 的組份分布數(shù)據(jù)。當新組份分布的所有數(shù)據(jù)有效時，一個新的平均密度和高度計算啟動組份分布數(shù)據(jù)。預配置較大密度差異決定是否在罐內(nèi)分層。

　　（2）分層檢測底層和頂層密度，高度和溫度的計算結(jié)果。中間層高度是可計算的。如果沒有分層，只有底層的密度，高度和溫度可以計算。

　　（3）使用從第一步計算值和較初進入的 LNG 成分，可以計算目前的 LNG 組成。

　　（4）分層檢測，所有以前的計算結(jié)果是有效的，允許新翻滾計算開始。

　　（5）成功完成翻滾計算，翻滾狀態(tài)相應(yīng)地更新。

　　需要特別說明的是在 LNG 儲罐首船進液調(diào)試階段，需根據(jù) LNG具體的組分組成情況對防翻滾軟件系統(tǒng)進行校正，以保證后續(xù)的接卸LNG 的過程中，軟件計算分析及識別，為接收站工藝人員的合理操作上進液還是下進液提供參考依據(jù)。

 

4　結(jié)束語

　　經(jīng)過項目建成后一年多的運行，儲罐液位計系統(tǒng)整體運行正常，這得益于合理的設(shè)計儲罐液位計系統(tǒng)前期的設(shè)計、設(shè)備的選型、現(xiàn)場施工及調(diào)試工作的順利開展和完成，液位計系統(tǒng)正常投用為工藝操作人員提供了及時有效的操作提示，為大型 LNG 儲罐的安全生產(chǎn)工作起到關(guān)鍵性的作用