天然氣作為一種清潔能源，正迅速地被開(kāi)發(fā)利用。目前國(guó)內(nèi)從改變能源結(jié)構(gòu)和改善環(huán)境狀況角度出發(fā)，正積極發(fā)展液化天然氣(LNG)技術(shù)，液化天然氣項(xiàng)目在各地紛紛啟動(dòng)。沿海城市一般建設(shè)液化天然氣接收站，從海外接收液化天然氣，而內(nèi)地?fù)碛刑烊粴赓Y源地區(qū)則建設(shè)液化天然氣工廠(chǎng)。無(wú)論是液化天然氣接收站，還是液化天然氣工廠(chǎng)，LNG儲(chǔ)罐都是最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，其中應(yīng)用最為廣泛的是圓柱形常壓LNG儲(chǔ)罐。
本文介紹某國(guó)產(chǎn)化示范LNG工廠(chǎng)中的30000m3LNG單容罐的儀表配置及控制方案。
1、LNG儲(chǔ)罐現(xiàn)場(chǎng)儀表
根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》(GB18218-2009)，天然氣的儲(chǔ)存量超過(guò)50t則定性為重大危險(xiǎn)源。30000m3LNG儲(chǔ)罐的單罐天然氣儲(chǔ)量達(dá)1320t，是規(guī)范要求的26.4倍，故LNG儲(chǔ)罐應(yīng)定性為重大危險(xiǎn)源。
LNG儲(chǔ)罐發(fā)生事故是災(zāi)難性的，如1944年美國(guó)俄亥俄州克利夫蘭市的LNG儲(chǔ)罐泄漏事故，造成巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失。
鑒于LNG儲(chǔ)罐的高危險(xiǎn)性，本項(xiàng)目對(duì)LNG儲(chǔ)罐壓力、液位控制均采取2oo3邏輯，以滿(mǎn)足LNG儲(chǔ)罐的高可靠性和高可用性要求，并設(shè)置液位-溫度-密度計(jì)(LTD)和防翻滾預(yù)測(cè)軟件對(duì)LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液體密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止LNG分層翻滾。本項(xiàng)目LNG儲(chǔ)罐儀表配置如圖1所示。
圖1 LNG儲(chǔ)罐儀表配置圖
①溫度儀表
在LNG儲(chǔ)罐上設(shè)置3套表面熱電阻分別用于內(nèi)罐底板上表面預(yù)冷溫度檢測(cè)，內(nèi)罐內(nèi)側(cè)壁LNG溫度檢測(cè)，內(nèi)罐底部玻璃磚及內(nèi)外罐環(huán)形空間泄漏檢測(cè)；設(shè)置2套平均溫度計(jì)用于測(cè)量罐內(nèi)LNG液相和氣相的平均溫度，浸入液相所有熱電阻的平均值作為液相平均溫度，浸入氣相所有熱電阻的平均值作為氣相平均溫度。
②壓力儀表
在LNG儲(chǔ)罐氣相連通管上設(shè)置2臺(tái)膜盒壓力表和3套單晶硅壓力變送器，變送器采用2oo3邏輯完成對(duì)LNG儲(chǔ)罐的壓力控制。
當(dāng)壓力下降到低報(bào)警值時(shí)，關(guān)閉LNG儲(chǔ)罐氣相出口閥門(mén)，停止外輸潛液泵和BOG(Boil Off Gas閃蒸汽)壓縮機(jī)；當(dāng)壓力繼續(xù)下降時(shí)打開(kāi)天然氣閥門(mén)，補(bǔ)充天然氣維持儲(chǔ)罐壓力；當(dāng)壓力繼續(xù)下降到低低報(bào)警值時(shí)，打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)，補(bǔ)充氮?dú)饩S持儲(chǔ)罐壓力；若壓力繼續(xù)下降到-0.5kPa.g，真空閥打開(kāi)補(bǔ)充空氣來(lái)維持儲(chǔ)罐壓力。
當(dāng)壓力升高到高報(bào)警值時(shí)，關(guān)閉LNG儲(chǔ)罐進(jìn)液閥門(mén)； 當(dāng)壓力繼續(xù)升高時(shí)打開(kāi)氣相調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行調(diào)壓放空；當(dāng)壓力繼續(xù)升高到高高報(bào)警值時(shí)打開(kāi)泄放閥，進(jìn)行泄壓放空； 若壓力繼續(xù)升高到25kPa.g，安全閥打開(kāi)進(jìn)行泄壓。
③液位儀表
在LNG儲(chǔ)罐上設(shè)置1套調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)物位計(jì)和2套伺服液位計(jì)， 完成對(duì)LNG儲(chǔ)罐的液位控制。
雷達(dá)物位計(jì)液體測(cè)量精度為±0.5mm，提供2路通信信號(hào)、1路SIL2認(rèn)證的安全繼電器輸出至中控室SIS系統(tǒng)，采用4″導(dǎo)波管安裝并配帶在線(xiàn)維護(hù)閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。
伺服液位計(jì)液位測(cè)量精度為±1mm，提供2路通信信號(hào)、2路SIL3認(rèn)證的安全繼電器輸出至中控室SIS系統(tǒng)，采用6″法蘭與LNG儲(chǔ)罐連接并配帶在線(xiàn)維護(hù)球閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。
當(dāng)儲(chǔ)罐液位下降到低低液位時(shí)，由2套伺服液位計(jì)組成1oo2低低液位聯(lián)鎖，停止外輸潛液泵；當(dāng)儲(chǔ)罐液位升高到高高液位時(shí)，由雷達(dá)液位計(jì)、2套伺服液位計(jì)組成2oo3高高液位聯(lián)鎖，關(guān)閉LNG儲(chǔ)罐進(jìn)液閥門(mén)。
④液位-溫度-密度計(jì)(LTD)
LTD帶有伺服機(jī)構(gòu)，由機(jī)械驅(qū)動(dòng)部件、1個(gè)多傳感器(包括溫度傳感器、振動(dòng)式密度傳感器)組合的探頭及現(xiàn)場(chǎng)處理單元組成。在LTD工作時(shí)，探頭在微處理器的指令下由電機(jī)驅(qū)動(dòng)在LNG儲(chǔ)罐中垂直運(yùn)動(dòng)，探頭的運(yùn)動(dòng)模式可設(shè)置成自動(dòng)或手動(dòng)。探頭內(nèi)的傳感器可分別測(cè)量出所在位置的液位、溫度、密度信號(hào)。
LTD液位測(cè)量精度為±2mm，溫度測(cè)量精度為±0.1℃， 密度測(cè)量精度為±0.5kg/m3，提供2路通信信號(hào)輸出，采用6″法蘭與LNG儲(chǔ)罐連接并配帶在線(xiàn)維護(hù)球閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。
LTD用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)罐內(nèi)豎向不同點(diǎn)(最多250點(diǎn))LNG的液位、溫度、密度，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至翻滾預(yù)測(cè)軟件進(jìn)行處理分析，對(duì)LNG翻滾進(jìn)行預(yù)警。
2、上位機(jī)管理系統(tǒng)
LNG儲(chǔ)罐上位機(jī)管理系統(tǒng)包括上位機(jī)硬件和儲(chǔ)罐管理軟件。
①罐區(qū)管理系統(tǒng)硬件配置如下：
◆2臺(tái)管理計(jì)算機(jī)。
◆1臺(tái)A3彩色網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。
◆2臺(tái)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器。
◆2臺(tái)20mA回路轉(zhuǎn)換器。
◆1臺(tái)TRL2/RS232轉(zhuǎn)換器。
◆1套R(shí)ittal機(jī)柜。
②軟件
采用基于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上的標(biāo)準(zhǔn)軟件包LNG Manager V6.0。LNG Manager管理軟件包括以下功能：
1)顯示功能
◆來(lái)自液位計(jì)/變送器的液位和溫度。
◆液位和液體平均溫度。
◆關(guān)于液體和液體平均溫度的報(bào)警。
◆LTD傳感器在液化氣中的位置。
◆LTD傳感器位置的溫度和密度。
◆對(duì)當(dāng)前溫度和密度的報(bào)警。
◆密度和溫度變化的趨勢(shì)顯示。
2)記錄功能
所有的事件或報(bào)警都自動(dòng)記錄在硬盤(pán)上，包括格式為日期，時(shí)間和報(bào)警類(lèi)型。傳感器位置的密度和溫度也同時(shí)記錄。LTD傳感器的位置定義高達(dá)250級(jí)。
3)計(jì)算功能
根據(jù)提供的罐體參數(shù)，計(jì)算每罐的總體積和質(zhì)量。
4)打印功能
打印來(lái)自罐表系統(tǒng)的液位和液體平均溫度、歷史事件和報(bào)警。
5)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信功能
每個(gè)20mA信號(hào)處理單元通過(guò)冗余20mA總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接到罐區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，并收集來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù)。
6)與DCS通信功能
LNG Manager將采集的罐表相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)RS485通信總線(xiàn)，采用MODBUS RTU協(xié)議傳送至中控室DCS系統(tǒng)。
③網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
表面熱電阻A/B/C的溫度轉(zhuǎn)換器、平均溫度計(jì)A的溫度轉(zhuǎn)換器、伺服液位計(jì)A的罐旁指示儀采用本安RS485總線(xiàn)(2線(xiàn)信號(hào)+2線(xiàn)供電)接入伺服液位計(jì)A。
平均溫度計(jì)B的溫度轉(zhuǎn)換器、伺服液位計(jì)B的罐旁指示儀采用本安RS485總線(xiàn)(2線(xiàn)信號(hào)+2線(xiàn)供電)接入伺服液位計(jì)B。
伺服液位計(jì)A、伺服液位計(jì)B、液位-溫度-密度計(jì)(LTD)各采用2路20mA總線(xiàn)到防爆接線(xiàn)盒，液位-溫度- 密度計(jì)(LTD)的罐旁指示儀采用2路20mA總線(xiàn)到防爆接線(xiàn)盒。
雷達(dá)物位計(jì)計(jì)采用1路20mA總線(xiàn)到防爆接線(xiàn)盒，1路TRL2總線(xiàn)到中控室TRL2信號(hào)處理單元，1路485總線(xiàn)到罐旁指示儀。防爆接線(xiàn)盒采用2路20mA總線(xiàn)到中控室20mA信號(hào)處理單元。LNG儲(chǔ)罐儀表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 LNG儲(chǔ)罐儀表網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
通過(guò)以上連接使現(xiàn)場(chǎng)儀表通過(guò)冗余線(xiàn)路把信號(hào)上傳至控制室罐區(qū)管理系統(tǒng)，確保罐區(qū)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的可靠性。
3、LNG翻滾預(yù)測(cè)
翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)迅速上下翻動(dòng)混合，瞬間產(chǎn)生大量的氣化氣的現(xiàn)象。在長(zhǎng)期的儲(chǔ)存中，儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG容易形成兩個(gè)穩(wěn)定的分層，由于上層LNG靜壓的抑制作用，使得外界傳入的熱量無(wú)法使下層的LNG及時(shí)蒸發(fā)，造成下層LNG處于過(guò)飽和狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi) 上層的LNG密度大于下層時(shí)，下層LNG突然上升，導(dǎo)致迅 速蒸發(fā)，從而發(fā)生翻滾(Roll-over)現(xiàn)象。翻滾將使容器受到超壓，當(dāng)容器內(nèi)部的壓力增加到一定程度將引起安全閥的開(kāi)啟。
本項(xiàng)目配置一套LNG翻滾預(yù)測(cè)軟件(WHE SSOE ROLLOVER PREDICTOR)，對(duì)LTD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并結(jié)合專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)LNG翻滾進(jìn)行預(yù)測(cè)。在預(yù)測(cè)到翻滾的情況下，將向DCS系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，提醒操作員啟動(dòng)潛液泵打循環(huán)，將儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG充分混合。
LNG翻滾預(yù)測(cè)軟件配置完成后便自動(dòng)投入運(yùn)行，無(wú)需操作人員干涉。翻滾預(yù)測(cè)軟件可以預(yù)測(cè)未來(lái)30天(最長(zhǎng))內(nèi)是否會(huì)發(fā)生翻滾和翻滾發(fā)生的時(shí)間。它是一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序，從午夜0時(shí)開(kāi)始每4h被觸發(fā)一次，并為每一個(gè)儲(chǔ)罐返回一個(gè)輸出：報(bào)警位，最大的壓力，翻滾日期和預(yù)期翻滾期間的最大BOG。
根據(jù)規(guī)范要求，LNG儲(chǔ)罐應(yīng)配置2套獨(dú)立的液位計(jì)和1套獨(dú)立的液位切斷裝置，液位計(jì)的更換應(yīng)不影響儲(chǔ)罐的操作；根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估配置1套或多套壓力變送器；180m3及以下的LNG儲(chǔ)罐通常配置1套差壓式液位計(jì)和1套壓力變送器。LNG液化工廠(chǎng)因進(jìn)料原料氣組分變化不大，產(chǎn)出LNG 密度相對(duì)穩(wěn)定，故可不設(shè)置LTD；LNG接收站可能接收不同密度的LNG，為降低LNG分層翻滾風(fēng)險(xiǎn)，建議配置LTD。
本工程于2014年6月一次性投產(chǎn)成功，2座LNG儲(chǔ)罐正常進(jìn)液至設(shè)計(jì)液位，至今安全、平穩(wěn)運(yùn)行。本項(xiàng)目配置的LNG儲(chǔ)罐罐表系統(tǒng)和控制方案為監(jiān)視LNG儲(chǔ)罐提供安全保障，完全滿(mǎn)足工藝控制要求，減少了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的數(shù)量，提高了生產(chǎn)管理水平，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
作者：中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司 熊勁
