淺談大型 LNG 接收站儲(chǔ)罐罐表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用情況
返回列表發(fā)布日期：2019-02-15 16:20:02 |
摘 要：當(dāng)前，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，天然氣等清潔能源需求劇增，導(dǎo)致其配套的 LNG接收站的建設(shè)項(xiàng)目逐漸增多，LNG儲(chǔ)罐是接收站的核心，它的安全平穩(wěn)運(yùn)行尤為重要，而其中罐表監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為儲(chǔ)罐的安全衛(wèi)士，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐液位、溫度和密度等重要參數(shù)，提示操作人員及時(shí)調(diào)整相關(guān)設(shè)置，為 LNG 儲(chǔ)罐的安穩(wěn)運(yùn)行保駕護(hù)航，在儲(chǔ)罐的正常運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用。
1 大型 LNG 儲(chǔ)罐的建設(shè)背景
近年來(lái)煤炭等傳統(tǒng)資源迅猛發(fā)展，但在環(huán)境保護(hù)的巨大壓力下，國(guó)家能源政策和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)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(kāi)發(fā)和利用已成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)。以至于天然氣的儲(chǔ)存和應(yīng)用技術(shù)已成為專(zhuān)門(mén)技術(shù)領(lǐng)域，受到工程和學(xué)術(shù)界等各領(lǐng)域、各界的廣泛關(guān)注。
天然氣的儲(chǔ)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(yùn) LNG 船從基本符合型天然氣液化工廠運(yùn)來(lái)的液化天然氣。將其儲(chǔ)存和再汽化后分配給下游用戶(hù)。接收站的在汽化能力強(qiáng)大，儲(chǔ)存容量巨大，其主要由專(zhuān)用碼頭、卸料臂、LNG 輸送管道、LNG 儲(chǔ)罐、BOG 壓縮機(jī)、再冷凝器、高壓泵、汽化器以及計(jì)量外輸裝置及管道等組成。
接收站最核心的部分是 LNG 儲(chǔ)罐，它主要接收海運(yùn) LNG 船輸送 的 LNG， 其 存 儲(chǔ) 能 力 主 要 有 80,000m3、160,000m3、200,000m3 和220000m3 的 LNG 儲(chǔ)罐，特別是國(guó)際上技術(shù)非常成熟的 160,000m3 的LNG 儲(chǔ)罐在國(guó)內(nèi)各個(gè) LNG 接收站項(xiàng)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(jìn)入正常生產(chǎn)階段。
2 罐表系統(tǒng)的作用、設(shè)計(jì)原則和重要意義
儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)相當(dāng)于儲(chǔ)罐的眼睛和耳朵，通過(guò)壓力、溫度、液位及密度等測(cè)量，實(shí)時(shí)感知儲(chǔ)罐內(nèi) LNG 的動(dòng)態(tài)變化，將準(zhǔn)確的測(cè)量信息反饋給工藝操作人員，對(duì)超出正常范圍將產(chǎn)生報(bào)警提示工藝操作人員，對(duì)出現(xiàn)緊急工況能夠及時(shí)有效觸發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作切斷相關(guān)閥門(mén)及設(shè)備以此來(lái)保證儲(chǔ)罐的安全。同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)也可作為儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)維護(hù)及維修的重要參考依據(jù)。
從安全角度出發(fā)，儲(chǔ)罐所有的管道、儀表等接口均設(shè)在儲(chǔ)罐頂部，罐壁和罐底無(wú)開(kāi)孔。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)檢測(cè)儀表的總體要求是安裝儀表以保證儲(chǔ)罐試運(yùn)行、操作或維護(hù)，以及停運(yùn)時(shí)的安全和可靠性。應(yīng)給予足夠的在線備用；在儲(chǔ)罐正常運(yùn)行期間，保證可以對(duì)檢測(cè)儀表進(jìn)行正常維護(hù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以傳輸給控制室 / 操作人員。所有進(jìn) DCS系統(tǒng)的測(cè)量控制儀表與進(jìn) SIS 系統(tǒng)的聯(lián)鎖的儀表分別獨(dú)立設(shè)置。
罐內(nèi)溫度檢測(cè)的設(shè)置原則為在儲(chǔ)罐恰當(dāng)位置安裝溫度測(cè)量?jī)x器，監(jiān)控以下溫度：測(cè)量液體不同深度的溫度。相鄰兩個(gè)傳感器間的垂直距離不應(yīng)超過(guò) 2m；蒸汽層溫度（如果有懸頂，應(yīng)區(qū)分在懸頂?shù)南路交蛏戏剑恢魅萜鳉ぜ暗撞浚ɡ鋮s / 加溫控制）。儲(chǔ)罐內(nèi)罐底部及內(nèi)罐體設(shè)有多個(gè)表面溫度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐試車(chē)預(yù)冷和正常操作時(shí)的罐內(nèi)溫度。在試車(chē)預(yù)冷過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度變化情況可適時(shí)地調(diào)整LNG 進(jìn)料流量，滿(mǎn)足預(yù)冷時(shí)罐壁溫降速率要求。罐外也設(shè)有多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，可監(jiān)測(cè) LNG 可能的泄漏。
儲(chǔ)罐上應(yīng)安裝探測(cè)壓力過(guò)高或過(guò)低的儀器。該系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立操作，與正常壓力測(cè)量系統(tǒng)相分離。儲(chǔ)罐頂部設(shè)有多個(gè)壓力測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力（探測(cè)超高壓和低壓真空等工況），對(duì)于低于設(shè)定值能夠相應(yīng)停止蒸發(fā)汽壓縮機(jī)和罐內(nèi)泵，如果必要時(shí)自動(dòng)控制注入氣體解除真空等操作；對(duì)于超壓將提示操作人員開(kāi)啟 BOG 壓縮機(jī)等相關(guān)設(shè)備或者進(jìn)行放火炬等操作。
儲(chǔ)罐應(yīng)安裝至少兩個(gè)高精度、獨(dú)立的液位計(jì)來(lái)防止儲(chǔ)罐發(fā)生溢流。每個(gè)儀表系統(tǒng)都應(yīng)設(shè)有高位報(bào)警器，超高位報(bào)警器及停機(jī)裝置。卸船時(shí)，LNG 通過(guò)卸船總管從儲(chǔ)罐頂部進(jìn)入。
每座儲(chǔ)罐內(nèi)均設(shè)有液位計(jì)及液位 - 溫度 - 密度（LTD）連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐的液位及工作狀況。罐內(nèi)設(shè)置的高低液位報(bào)警可自動(dòng)或手動(dòng)切斷儲(chǔ)罐進(jìn)料或關(guān)停罐內(nèi)低壓泵，保護(hù)儲(chǔ)罐安全。為避免卸船時(shí)引起儲(chǔ)罐內(nèi) LNG 分層而導(dǎo)致“翻滾”的風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 的密度和運(yùn)輸船 LNG 密度選擇卸船時(shí) LNG 從上部進(jìn)料管進(jìn)料，或通過(guò)底部進(jìn)料管下部進(jìn)料。一般情況下，較重的 LNG 從上部進(jìn)料，較輕的 LNG 從下部進(jìn)料。進(jìn)料方式的選擇可根據(jù)卸船前提交的 LNG貨單中的密度、卸料總管上取樣分析裝置實(shí)測(cè)的密度結(jié)果，與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 密度對(duì)比后確定，其具體工作原理和工作步驟下文介紹。
3 典型項(xiàng)目罐表系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型及應(yīng)用情況
國(guó)內(nèi)某大型 LNG 接收站建設(shè)三座 160,000m3 儲(chǔ)罐，總儲(chǔ)存能力為480,000m3； 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)最高正壓為 30kPa(G)，最低負(fù)壓 -0.6kPa(G)，設(shè)計(jì)溫度為 -165℃～ + 60℃，日蒸發(fā)率為 0.05%(wt)。LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐直徑為 80m，內(nèi)罐高度為 35m，外罐高度為 45 m。儲(chǔ)罐采用安全度最高的混凝土全容罐，內(nèi)罐材料為 9％ Ni 鋼，外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土，罐頂為加強(qiáng)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、膨脹珍珠巖和玻棉）進(jìn)行保冷。
3.1 罐表系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目設(shè)計(jì) LNG 罐表系統(tǒng)（TGS）一套，單臺(tái) LNG 儲(chǔ)罐儀表設(shè)計(jì)主要如下：
（1）2 臺(tái)伺服液位計(jì)；
（2）1 臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)；
（3）一臺(tái) LTD（液位 + 溫度 + 密度）；
（4）2 套多點(diǎn)測(cè)溫?zé)犭娮瑁?br /> （5）6 臺(tái)壓力變送器 ;
（6）一套 LNG 儲(chǔ)罐防翻滾軟件。
在 LNG 接收站項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐中，溫度檢測(cè)的設(shè)計(jì)主要是用于 LNG 儲(chǔ)罐多點(diǎn)溫度計(jì)，設(shè)置在 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度儀表不僅僅用于溫度測(cè)量，同時(shí)通過(guò)溫度的變化測(cè)量來(lái)檢測(cè)是否存在 LNG 泄漏，并且在儲(chǔ)罐預(yù)冷的過(guò)程中對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制預(yù)冷工藝的全過(guò)程，使得 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)溫度平穩(wěn)變化，有效的保護(hù)內(nèi)罐鋼板等材料。其中熱電阻監(jiān)測(cè)點(diǎn)（單臺(tái)罐 42 個(gè)點(diǎn)）具體布置如下：
（1）外罐內(nèi)側(cè)熱角保護(hù)（TCP）部分豎向均勻設(shè)置 8 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)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(gè)方向罐底部，每個(gè)方位設(shè)置兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共 8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是測(cè)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是測(cè)量?jī)?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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)吊頂空間的溫度情況。
3.2 選型
本項(xiàng)目每個(gè)罐液位變送器設(shè)置 3 臺(tái)，其中一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)，兩臺(tái)伺服液位計(jì)；一臺(tái) LTD；一套多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)；6 臺(tái)壓力變送器。
（1）伺服液位計(jì)選用 honeywellenraf 的 Series 854 ATG；
（2）雷達(dá)液位計(jì)選用 honeywellenraf 的 SmartRadar FlexLine990；
（3）LTD 選 用 SCIENTIFIC INSTRUMENTS, INC. MODEL6290Level Temperature Density Gauge；
（4）多點(diǎn)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(xiàng)目三座 LNG 儲(chǔ)罐設(shè)置一套 TGS 罐表系統(tǒng)，具體控制描述如下：
（1）多點(diǎn)溫度檢測(cè)信號(hào)直接進(jìn)罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過(guò) ModbusTCP/IP 與 DCS 系統(tǒng)通訊，測(cè)量精度為 Class A。
（2）6 臺(tái)壓力變送器中有三臺(tái)進(jìn) DCS 控制系統(tǒng)監(jiān)控，其余三臺(tái)進(jìn) SIS 控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，壓力變送器的測(cè)量精度為 0.075。
（3）兩臺(tái)伺服液位計(jì)和一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)的模擬量信號(hào)直接進(jìn)罐表系統(tǒng)監(jiān)控，同時(shí)三臺(tái)液位計(jì)輸出三個(gè)觸點(diǎn)信號(hào)硬接線進(jìn)入 SIS 控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，測(cè)量精度為 1mm。
（4）LTD（液位、溫度和密度）信號(hào)直接進(jìn)入罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過(guò) 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(jì)和雷達(dá)液位計(jì)為交流 220VAC供電外其余均為 24VDC。
在系統(tǒng)上電調(diào)試過(guò)程中遇到主要問(wèn)題及處理情況如下：
（a）部分罐表上電后無(wú)反應(yīng)，經(jīng)查為現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)接線松動(dòng)，接觸不良所致，經(jīng)過(guò)排查具體接點(diǎn)后解決；
（b）三臺(tái)儲(chǔ)罐罐表上電后分別作供電線路檢查，發(fā)現(xiàn)一號(hào)儲(chǔ)罐和三號(hào)儲(chǔ)罐供電不對(duì)應(yīng)，一號(hào)儲(chǔ)罐罐表空氣開(kāi)關(guān)控制三號(hào)儲(chǔ)罐罐表供電，經(jīng)查由控制室到儲(chǔ)罐的供電線路為多芯電纜，到現(xiàn)場(chǎng)側(cè)電纜分配出現(xiàn)交叉錯(cuò)誤，經(jīng)調(diào)整控制室內(nèi) UPS 電源接線端后回復(fù)正常；
（c）儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)的軟件在調(diào)試過(guò)程中部分功能無(wú)法啟動(dòng)出現(xiàn)失靈，經(jīng)廠家重新安裝系統(tǒng)軟件后回復(fù)正常；
（d）在測(cè)試與集散型控制系統(tǒng) DCS 通訊時(shí)，DCS 作為主站，罐表系統(tǒng)作為從站，但仍有部分點(diǎn)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)罐表廠家和 DCS 服務(wù)工程師反復(fù)排查為通訊地址碼存在重復(fù)和超范圍的情況，擬和 / 或?qū)崟r(shí)監(jiān)控，和之前的 LNG 預(yù)期行為相比，使操作人員有足夠的時(shí)間和手段，從安全以及經(jīng)濟(jì)的角度創(chuàng)造最優(yōu)設(shè)置。罐包含各種LNG 等級(jí) , 該特性允許真正的實(shí)現(xiàn)分層管理策略。翻騰預(yù)防措施：（1）使用密度測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控全部液體高度中的密度。當(dāng)超過(guò)一定的設(shè)定值時(shí)該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在此時(shí)，可采取措施阻止翻騰（例如混合）。密度測(cè)量系統(tǒng)與液位計(jì)系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立。（2）設(shè)儲(chǔ)罐底部和頂部之間臨時(shí)的或連續(xù)的循環(huán)系統(tǒng)。注 2 由于此要求，不需要對(duì)儲(chǔ)罐考慮防翻騰設(shè)計(jì)。自動(dòng)和連續(xù)計(jì)算翻滾機(jī)會(huì)。每 4 小時(shí)典型的計(jì)算頻率。一旦“LNG Expert” ( 固定配置特點(diǎn)和通信裝置 DCS) 產(chǎn)品運(yùn)行無(wú)需操作員干預(yù)。對(duì)于預(yù)測(cè)展望，“LNG Expert”將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信工具報(bào)警現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng) 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(jì)算以進(jìn)行翻滾預(yù)測(cè)。翻滾可以觸發(fā)警報(bào)，會(huì)在 DCS 操作員屏幕上彈出。糾正后回復(fù)正常；
（e）其他說(shuō)明：罐表系統(tǒng)內(nèi)軟件的部分參數(shù)如密度設(shè)定等，需要首船進(jìn)液時(shí)拿到船方相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)才能進(jìn)行設(shè)置，為調(diào)試期間遺留項(xiàng)，在首船進(jìn)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(yù)測(cè)軟件
LNG Expert 是 LNG 儲(chǔ)罐分層和翻滾預(yù)測(cè)軟件，其解決方案使用基于網(wǎng)絡(luò)的人機(jī)界面操作員顯示，通過(guò)連接字段數(shù)據(jù)和過(guò)程數(shù)據(jù) ,可以無(wú)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(guò)OPC 或 Modbus 通信一座罐內(nèi)儲(chǔ)存不同成分及密度的產(chǎn)品（例如 LNG和 LPG）時(shí)會(huì)發(fā)生翻騰現(xiàn)象。所有罐內(nèi)條件，特別是分層，可以模
3.5 防翻滾工作步驟
（1）第一步是分析來(lái)自 LTD 的組份分布數(shù)據(jù)。當(dāng)新組份分布的所有數(shù)據(jù)有效時(shí)，一個(gè)新的平均密度和高度計(jì)算啟動(dòng)組份分布數(shù)據(jù)。預(yù)配置最大密度差異決定是否在罐內(nèi)分層。
（2）分層檢測(cè)底層和頂層密度，高度和溫度的計(jì)算結(jié)果。中間層高度是可計(jì)算的。如果沒(méi)有分層，只有底層的密度，高度和溫度可以計(jì)算。
（3）使用從第一步計(jì)算值和最初進(jìn)入的 LNG 成分，可以計(jì)算目前的 LNG 組成。
（4）分層檢測(cè)，所有以前的計(jì)算結(jié)果是有效的，允許新翻滾計(jì)算開(kāi)始。
（5）成功完成翻滾計(jì)算，翻滾狀態(tài)相應(yīng)地更新。
需要特別說(shuō)明的是在 LNG 儲(chǔ)罐首船進(jìn)液調(diào)試階段，需根據(jù) LNG具體的組分組成情況對(duì)防翻滾軟件系統(tǒng)進(jìn)行校正，以保證后續(xù)的接卸LNG 的過(guò)程中，軟件計(jì)算分析及識(shí)別，為接收站工藝人員的合理操作上進(jìn)液還是下進(jìn)液提供參考依據(jù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)項(xiàng)目建成后一年多的運(yùn)行，儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，這得益于合理的設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)前期的設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型、現(xiàn)場(chǎng)施工及調(diào)試工作的順利開(kāi)展和完成，罐表系統(tǒng)正常投用為工藝操作人員提供了及時(shí)有效的操作提示，為大型 LNG 儲(chǔ)罐的安全生產(chǎn)工作起到關(guān)鍵性的作用。
1 大型 LNG 儲(chǔ)罐的建設(shè)背景
近年來(lái)煤炭等傳統(tǒng)資源迅猛發(fā)展，但在環(huán)境保護(hù)的巨大壓力下，國(guó)家能源政策和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)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(kāi)發(fā)和利用已成為不可逆轉(zhuǎn)的大趨勢(shì)。以至于天然氣的儲(chǔ)存和應(yīng)用技術(shù)已成為專(zhuān)門(mén)技術(shù)領(lǐng)域，受到工程和學(xué)術(shù)界等各領(lǐng)域、各界的廣泛關(guān)注。
天然氣的儲(chǔ)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(yùn) LNG 船從基本符合型天然氣液化工廠運(yùn)來(lái)的液化天然氣。將其儲(chǔ)存和再汽化后分配給下游用戶(hù)。接收站的在汽化能力強(qiáng)大，儲(chǔ)存容量巨大，其主要由專(zhuān)用碼頭、卸料臂、LNG 輸送管道、LNG 儲(chǔ)罐、BOG 壓縮機(jī)、再冷凝器、高壓泵、汽化器以及計(jì)量外輸裝置及管道等組成。
接收站最核心的部分是 LNG 儲(chǔ)罐，它主要接收海運(yùn) LNG 船輸送 的 LNG， 其 存 儲(chǔ) 能 力 主 要 有 80,000m3、160,000m3、200,000m3 和220000m3 的 LNG 儲(chǔ)罐，特別是國(guó)際上技術(shù)非常成熟的 160,000m3 的LNG 儲(chǔ)罐在國(guó)內(nèi)各個(gè) LNG 接收站項(xiàng)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(jìn)入正常生產(chǎn)階段。
2 罐表系統(tǒng)的作用、設(shè)計(jì)原則和重要意義
儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)相當(dāng)于儲(chǔ)罐的眼睛和耳朵，通過(guò)壓力、溫度、液位及密度等測(cè)量，實(shí)時(shí)感知儲(chǔ)罐內(nèi) LNG 的動(dòng)態(tài)變化，將準(zhǔn)確的測(cè)量信息反饋給工藝操作人員，對(duì)超出正常范圍將產(chǎn)生報(bào)警提示工藝操作人員，對(duì)出現(xiàn)緊急工況能夠及時(shí)有效觸發(fā)聯(lián)鎖系統(tǒng)動(dòng)作切斷相關(guān)閥門(mén)及設(shè)備以此來(lái)保證儲(chǔ)罐的安全。同時(shí)通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)也可作為儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)維護(hù)及維修的重要參考依據(jù)。
從安全角度出發(fā)，儲(chǔ)罐所有的管道、儀表等接口均設(shè)在儲(chǔ)罐頂部，罐壁和罐底無(wú)開(kāi)孔。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)檢測(cè)儀表的總體要求是安裝儀表以保證儲(chǔ)罐試運(yùn)行、操作或維護(hù)，以及停運(yùn)時(shí)的安全和可靠性。應(yīng)給予足夠的在線備用；在儲(chǔ)罐正常運(yùn)行期間，保證可以對(duì)檢測(cè)儀表進(jìn)行正常維護(hù)。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以傳輸給控制室 / 操作人員。所有進(jìn) DCS系統(tǒng)的測(cè)量控制儀表與進(jìn) SIS 系統(tǒng)的聯(lián)鎖的儀表分別獨(dú)立設(shè)置。
罐內(nèi)溫度檢測(cè)的設(shè)置原則為在儲(chǔ)罐恰當(dāng)位置安裝溫度測(cè)量?jī)x器，監(jiān)控以下溫度：測(cè)量液體不同深度的溫度。相鄰兩個(gè)傳感器間的垂直距離不應(yīng)超過(guò) 2m；蒸汽層溫度（如果有懸頂，應(yīng)區(qū)分在懸頂?shù)南路交蛏戏剑恢魅萜鳉ぜ暗撞浚ɡ鋮s / 加溫控制）。儲(chǔ)罐內(nèi)罐底部及內(nèi)罐體設(shè)有多個(gè)表面溫度計(jì)，用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐試車(chē)預(yù)冷和正常操作時(shí)的罐內(nèi)溫度。在試車(chē)預(yù)冷過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)溫度變化情況可適時(shí)地調(diào)整LNG 進(jìn)料流量，滿(mǎn)足預(yù)冷時(shí)罐壁溫降速率要求。罐外也設(shè)有多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，可監(jiān)測(cè) LNG 可能的泄漏。
儲(chǔ)罐上應(yīng)安裝探測(cè)壓力過(guò)高或過(guò)低的儀器。該系統(tǒng)應(yīng)獨(dú)立操作，與正常壓力測(cè)量系統(tǒng)相分離。儲(chǔ)罐頂部設(shè)有多個(gè)壓力測(cè)量，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力（探測(cè)超高壓和低壓真空等工況），對(duì)于低于設(shè)定值能夠相應(yīng)停止蒸發(fā)汽壓縮機(jī)和罐內(nèi)泵，如果必要時(shí)自動(dòng)控制注入氣體解除真空等操作；對(duì)于超壓將提示操作人員開(kāi)啟 BOG 壓縮機(jī)等相關(guān)設(shè)備或者進(jìn)行放火炬等操作。
儲(chǔ)罐應(yīng)安裝至少兩個(gè)高精度、獨(dú)立的液位計(jì)來(lái)防止儲(chǔ)罐發(fā)生溢流。每個(gè)儀表系統(tǒng)都應(yīng)設(shè)有高位報(bào)警器，超高位報(bào)警器及停機(jī)裝置。卸船時(shí)，LNG 通過(guò)卸船總管從儲(chǔ)罐頂部進(jìn)入。
每座儲(chǔ)罐內(nèi)均設(shè)有液位計(jì)及液位 - 溫度 - 密度（LTD）連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐的液位及工作狀況。罐內(nèi)設(shè)置的高低液位報(bào)警可自動(dòng)或手動(dòng)切斷儲(chǔ)罐進(jìn)料或關(guān)停罐內(nèi)低壓泵，保護(hù)儲(chǔ)罐安全。為避免卸船時(shí)引起儲(chǔ)罐內(nèi) LNG 分層而導(dǎo)致“翻滾”的風(fēng)險(xiǎn)，可根據(jù)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 的密度和運(yùn)輸船 LNG 密度選擇卸船時(shí) LNG 從上部進(jìn)料管進(jìn)料，或通過(guò)底部進(jìn)料管下部進(jìn)料。一般情況下，較重的 LNG 從上部進(jìn)料，較輕的 LNG 從下部進(jìn)料。進(jìn)料方式的選擇可根據(jù)卸船前提交的 LNG貨單中的密度、卸料總管上取樣分析裝置實(shí)測(cè)的密度結(jié)果，與儲(chǔ)罐內(nèi)LNG 密度對(duì)比后確定，其具體工作原理和工作步驟下文介紹。
3 典型項(xiàng)目罐表系統(tǒng)設(shè)計(jì)、選型及應(yīng)用情況
國(guó)內(nèi)某大型 LNG 接收站建設(shè)三座 160,000m3 儲(chǔ)罐，總儲(chǔ)存能力為480,000m3； 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)最高正壓為 30kPa(G)，最低負(fù)壓 -0.6kPa(G)，設(shè)計(jì)溫度為 -165℃～ + 60℃，日蒸發(fā)率為 0.05%(wt)。LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)罐直徑為 80m，內(nèi)罐高度為 35m，外罐高度為 45 m。儲(chǔ)罐采用安全度最高的混凝土全容罐，內(nèi)罐材料為 9％ Ni 鋼，外罐為預(yù)應(yīng)力混凝土，罐頂為加強(qiáng)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、膨脹珍珠巖和玻棉）進(jìn)行保冷。
3.1 罐表系統(tǒng)設(shè)計(jì)
該項(xiàng)目設(shè)計(jì) LNG 罐表系統(tǒng)（TGS）一套，單臺(tái) LNG 儲(chǔ)罐儀表設(shè)計(jì)主要如下：
（1）2 臺(tái)伺服液位計(jì)；
（2）1 臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)；
（3）一臺(tái) LTD（液位 + 溫度 + 密度）；
（4）2 套多點(diǎn)測(cè)溫?zé)犭娮瑁?br /> （5）6 臺(tái)壓力變送器 ;
（6）一套 LNG 儲(chǔ)罐防翻滾軟件。
在 LNG 接收站項(xiàng)目?jī)?chǔ)罐中，溫度檢測(cè)的設(shè)計(jì)主要是用于 LNG 儲(chǔ)罐多點(diǎn)溫度計(jì)，設(shè)置在 LNG 儲(chǔ)罐內(nèi)的溫度儀表不僅僅用于溫度測(cè)量，同時(shí)通過(guò)溫度的變化測(cè)量來(lái)檢測(cè)是否存在 LNG 泄漏，并且在儲(chǔ)罐預(yù)冷的過(guò)程中對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，控制預(yù)冷工藝的全過(guò)程，使得 LNG儲(chǔ)罐內(nèi)溫度平穩(wěn)變化，有效的保護(hù)內(nèi)罐鋼板等材料。其中熱電阻監(jiān)測(cè)點(diǎn)（單臺(tái)罐 42 個(gè)點(diǎn)）具體布置如下：
（1）外罐內(nèi)側(cè)熱角保護(hù)（TCP）部分豎向均勻設(shè)置 8 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)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(gè)方向罐底部，每個(gè)方位設(shè)置兩個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共 8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是測(cè)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是測(cè)量?jī)?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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)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(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要作用是檢測(cè)吊頂空間的溫度情況。
3.2 選型
本項(xiàng)目每個(gè)罐液位變送器設(shè)置 3 臺(tái)，其中一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)，兩臺(tái)伺服液位計(jì)；一臺(tái) LTD；一套多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)；6 臺(tái)壓力變送器。
（1）伺服液位計(jì)選用 honeywellenraf 的 Series 854 ATG；
（2）雷達(dá)液位計(jì)選用 honeywellenraf 的 SmartRadar FlexLine990；
（3）LTD 選 用 SCIENTIFIC INSTRUMENTS, INC. MODEL6290Level Temperature Density Gauge；
（4）多點(diǎn)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(xiàng)目三座 LNG 儲(chǔ)罐設(shè)置一套 TGS 罐表系統(tǒng)，具體控制描述如下：
（1）多點(diǎn)溫度檢測(cè)信號(hào)直接進(jìn)罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過(guò) ModbusTCP/IP 與 DCS 系統(tǒng)通訊，測(cè)量精度為 Class A。
（2）6 臺(tái)壓力變送器中有三臺(tái)進(jìn) DCS 控制系統(tǒng)監(jiān)控，其余三臺(tái)進(jìn) SIS 控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，壓力變送器的測(cè)量精度為 0.075。
（3）兩臺(tái)伺服液位計(jì)和一臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)的模擬量信號(hào)直接進(jìn)罐表系統(tǒng)監(jiān)控，同時(shí)三臺(tái)液位計(jì)輸出三個(gè)觸點(diǎn)信號(hào)硬接線進(jìn)入 SIS 控制系統(tǒng)參與聯(lián)鎖控制，測(cè)量精度為 1mm。
（4）LTD（液位、溫度和密度）信號(hào)直接進(jìn)入罐表系統(tǒng)監(jiān)控，經(jīng)過(guò) 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(jì)和雷達(dá)液位計(jì)為交流 220VAC供電外其余均為 24VDC。
在系統(tǒng)上電調(diào)試過(guò)程中遇到主要問(wèn)題及處理情況如下：
（a）部分罐表上電后無(wú)反應(yīng)，經(jīng)查為現(xiàn)場(chǎng)接線箱內(nèi)接線松動(dòng)，接觸不良所致，經(jīng)過(guò)排查具體接點(diǎn)后解決；
（b）三臺(tái)儲(chǔ)罐罐表上電后分別作供電線路檢查，發(fā)現(xiàn)一號(hào)儲(chǔ)罐和三號(hào)儲(chǔ)罐供電不對(duì)應(yīng)，一號(hào)儲(chǔ)罐罐表空氣開(kāi)關(guān)控制三號(hào)儲(chǔ)罐罐表供電，經(jīng)查由控制室到儲(chǔ)罐的供電線路為多芯電纜，到現(xiàn)場(chǎng)側(cè)電纜分配出現(xiàn)交叉錯(cuò)誤，經(jīng)調(diào)整控制室內(nèi) UPS 電源接線端后回復(fù)正常；
（c）儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)的軟件在調(diào)試過(guò)程中部分功能無(wú)法啟動(dòng)出現(xiàn)失靈，經(jīng)廠家重新安裝系統(tǒng)軟件后回復(fù)正常；
（d）在測(cè)試與集散型控制系統(tǒng) DCS 通訊時(shí)，DCS 作為主站，罐表系統(tǒng)作為從站，但仍有部分點(diǎn)出現(xiàn)通訊錯(cuò)誤的現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)罐表廠家和 DCS 服務(wù)工程師反復(fù)排查為通訊地址碼存在重復(fù)和超范圍的情況，擬和 / 或?qū)崟r(shí)監(jiān)控，和之前的 LNG 預(yù)期行為相比，使操作人員有足夠的時(shí)間和手段，從安全以及經(jīng)濟(jì)的角度創(chuàng)造最優(yōu)設(shè)置。罐包含各種LNG 等級(jí) , 該特性允許真正的實(shí)現(xiàn)分層管理策略。翻騰預(yù)防措施：（1）使用密度測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)控全部液體高度中的密度。當(dāng)超過(guò)一定的設(shè)定值時(shí)該系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在此時(shí)，可采取措施阻止翻騰（例如混合）。密度測(cè)量系統(tǒng)與液位計(jì)系統(tǒng)應(yīng)相互獨(dú)立。（2）設(shè)儲(chǔ)罐底部和頂部之間臨時(shí)的或連續(xù)的循環(huán)系統(tǒng)。注 2 由于此要求，不需要對(duì)儲(chǔ)罐考慮防翻騰設(shè)計(jì)。自動(dòng)和連續(xù)計(jì)算翻滾機(jī)會(huì)。每 4 小時(shí)典型的計(jì)算頻率。一旦“LNG Expert” ( 固定配置特點(diǎn)和通信裝置 DCS) 產(chǎn)品運(yùn)行無(wú)需操作員干預(yù)。對(duì)于預(yù)測(cè)展望，“LNG Expert”將通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)通信工具報(bào)警現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng) 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(jì)算以進(jìn)行翻滾預(yù)測(cè)。翻滾可以觸發(fā)警報(bào)，會(huì)在 DCS 操作員屏幕上彈出。糾正后回復(fù)正常；
（e）其他說(shuō)明：罐表系統(tǒng)內(nèi)軟件的部分參數(shù)如密度設(shè)定等，需要首船進(jìn)液時(shí)拿到船方相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)才能進(jìn)行設(shè)置，為調(diào)試期間遺留項(xiàng)，在首船進(jìn)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(yù)測(cè)軟件
LNG Expert 是 LNG 儲(chǔ)罐分層和翻滾預(yù)測(cè)軟件，其解決方案使用基于網(wǎng)絡(luò)的人機(jī)界面操作員顯示，通過(guò)連接字段數(shù)據(jù)和過(guò)程數(shù)據(jù) ,可以無(wú)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(guò)OPC 或 Modbus 通信一座罐內(nèi)儲(chǔ)存不同成分及密度的產(chǎn)品（例如 LNG和 LPG）時(shí)會(huì)發(fā)生翻騰現(xiàn)象。所有罐內(nèi)條件，特別是分層，可以模
3.5 防翻滾工作步驟
（1）第一步是分析來(lái)自 LTD 的組份分布數(shù)據(jù)。當(dāng)新組份分布的所有數(shù)據(jù)有效時(shí)，一個(gè)新的平均密度和高度計(jì)算啟動(dòng)組份分布數(shù)據(jù)。預(yù)配置最大密度差異決定是否在罐內(nèi)分層。
（2）分層檢測(cè)底層和頂層密度，高度和溫度的計(jì)算結(jié)果。中間層高度是可計(jì)算的。如果沒(méi)有分層，只有底層的密度，高度和溫度可以計(jì)算。
（3）使用從第一步計(jì)算值和最初進(jìn)入的 LNG 成分，可以計(jì)算目前的 LNG 組成。
（4）分層檢測(cè)，所有以前的計(jì)算結(jié)果是有效的，允許新翻滾計(jì)算開(kāi)始。
（5）成功完成翻滾計(jì)算，翻滾狀態(tài)相應(yīng)地更新。
需要特別說(shuō)明的是在 LNG 儲(chǔ)罐首船進(jìn)液調(diào)試階段，需根據(jù) LNG具體的組分組成情況對(duì)防翻滾軟件系統(tǒng)進(jìn)行校正，以保證后續(xù)的接卸LNG 的過(guò)程中，軟件計(jì)算分析及識(shí)別，為接收站工藝人員的合理操作上進(jìn)液還是下進(jìn)液提供參考依據(jù)。
4 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)過(guò)項(xiàng)目建成后一年多的運(yùn)行，儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)整體運(yùn)行正常，這得益于合理的設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)前期的設(shè)計(jì)、設(shè)備的選型、現(xiàn)場(chǎng)施工及調(diào)試工作的順利開(kāi)展和完成，罐表系統(tǒng)正常投用為工藝操作人員提供了及時(shí)有效的操作提示，為大型 LNG 儲(chǔ)罐的安全生產(chǎn)工作起到關(guān)鍵性的作用。
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