淺談浮式裝置LNG儲罐的儀表選型

 

            液化天然氣（LNG）作為一種清潔、高效的能源，越來越受到很多國家的青睞，天然氣在能源供應中迅速增加。本文以某浮式儲存及再氣化裝置FSRU（Floating Storage Regasification Unit）的LNG儲罐為研究對象，結合儲罐的結構特點及工藝流程，介紹了船用LNG儲罐的儀表配置及選型。

 

1 LNG儲罐結構及工藝流程

            本文所述FSRU項目中LNG儲罐為IHI type B菱形罐，用于儲存需氣化并外輸的LNG介質。單個LNG儲罐的有效容積為13160m3，儲罐的直徑約33.7m，儲罐高約16.4m，罐體材質為Aluminum alloy A5083-O。因此，所有在罐內安裝固定的儀表支架均為鋁材質。

 

            LNG儲罐設計溫度為-163℃，操作溫度為-161.5℃；設計壓力為-7kPa.G/70kPa.G，操作壓力為6kPa.G～14kPa.G。LNG即液化天然氣，主要成分是甲烷，在上述操作壓力和溫度下，其體積約為同量氣態天然氣體積的1/625。

 

            LNG是通過在常壓下氣態的天然氣冷卻至-162℃，使之凝結成液體。

 

            根據IGC規范[1]，要求對每個儲罐都應設有顯示貨物的液位儀表、壓力儀表、溫度儀表等，儲罐檢測儀表示意圖如圖1所示。

2 儀表設置及選型

            甲烷屬于爆炸性危險氣體，儲罐罐頂平臺依據防爆區域劃分相關規范定義為Zone 1、Zone 2區[2]，本項目儀表防爆形式選擇本安型。為了保障儀表檢測過程的正常進行，考慮到海洋環境因素，儀表應選用全天候型，防護等級至少為NEMA 4X或IEC 60529 IP66。本項目為浮式船，所有儀表應根據本項目所取證船級社的相關規范，取得型式認可證書或產品認可證書。

 

2.1 溫度測量儀表

            鉑熱電阻Pt-100溫度元件低溫可測至-200℃，且精度高、性能穩定、重復性好。因此，測量低溫介質通常選用熱電阻Pt-100溫度元件。LNG儲罐內壁測溫采用表面溫度元件——雙支熱電阻Pt-100，三線制，精度：BS EN60751 class A（-50℃～450℃）and class B（-196℃～ -50℃）[3]。在LNG儲罐的內壁、底部和罐頂都設有溫度測量點TE-001～007，對LNG預冷罐的過程和操作全過程進行溫度監控，罐內壁表面溫度元件布置如圖2所示。表面熱電阻的末端使用鋁制集熱塊來固定在LNG儲罐內壁[4]；沿罐內預制好的橋架向上敷設，每隔幾米做一處膨脹彎（zui小彎曲半徑根據廠家建議），所有表面熱電阻自帶的低溫電纜通過多孔法蘭接至罐頂外的接線箱內；通過接線箱內溫度變送器，以4mA～20mA信號遠傳至DCS系統。

2.2 壓力測量儀表

            壓力監測是LNG儲罐重要的監測手段之一。正常情況下，壓力變送器不能直接接觸低溫介質，允許的介質溫度在-40℃以上。目前LNG壓力測量方法之一是采用延長導壓管，使介質吸收環境的熱量，溫度升高，達到變送器可以測量的溫度；變送器測量氣化后介質的壓力。本項目LNG儲罐罐頂設置3臺壓力變送器PT-001～003，進入SIS系統，當壓力高高或低低的時候，三取二聯鎖停LNG外輸泵及關閉儲罐進出口隔離閥，聯鎖保護儲罐安全；另設置一臺壓力變送器PT-004，進入DCS系統用于監控LNG儲罐壓力。

 

2.3 液位測量

            本項目，LNG儲罐的液位測量系統由一臺伺服液位計LIT-003，一套儲罐監控系統，兩臺用于儲罐液位聯鎖保護的雷達液位計LIT-001和LIT-002組成。

 

2.3.1 伺服液位計

            伺服液位計由高精度力傳感器、步進電機、測量磁鼓，測量浮子和鋼絲等部分組成，其工作原理基于阿基米德浮力平衡定律：通過檢測浮子的位移測量得到液位的變化。

 

            本項目LNG儲罐的伺服液位計選用某公司的FTLG 807液位計及AMTG遠傳數字液位顯示儀。伺服液位計的測量精度ΔL=±（2.0+0.15L）mm（其中L為測量液位高度），重復性為±2mm，防爆等級為Exia IIBT4。伺服液位計與遠傳數字液位顯示儀通過本安型八芯鎧裝電纜連接，數字液位顯示儀通過RS-485 Modbus通信方式將儲罐液位數值實時傳輸給DCS系統。為了防止液面波對測量結果產生影響，需要在儲罐內預制穩液導向管[2]，管徑為DN200mm。伺服液位計應配有隔離用低溫球閥，確保液位計在不清罐的情況下能檢維修。

 

2.3.2 雷達液位計

            根據SIL分析報告，LNG儲罐95%高高液位時需聯鎖關閉LNG儲罐進料管線的開關閥及停止卸料系統；LNG儲罐98%溢出液位時需聯鎖停車，并且要求測量高高液位和溢出液位的液位儀表需分別設置。本項目配置了兩套桿式雷達液位計LIT-001和LIT-002，分別測量儲罐的高高液位及溢出液位，信號接入SIS系統。雷達液位計帶SIL證書，能測量-196℃的低溫LNG介質，桿長約為6m，兩線制本安型儀表。

 

2.3.3 儲罐監控系統

            本項目LNG儲罐配有獨立的儲罐監控系統，可用于貿易計量儲罐的容積并打印報表。儲罐監控系統（即CTSCustody Transfer System）包括測量儀表、過程處理單元、上位計算機、打印機，設計滿足GIIGNL（International Group of Liquefied Natural Gas Importers）- LNG Custody Transfer Handbook規范，其系統框架如圖3所示。測量儀表包括智能雷達液位計LIT-101、多點溫度元件TT-101A～E、壓力變送器PIT-101、傾斜儀。雷達液位計選用導波雷達測量，可測范圍為0m～50m，其系統精度為±2mm。多點溫度元件選用Pt-100鉑熱電阻，其系統精度：±0.2℃（-165℃～-145℃），±0.3℃（-145℃～80℃），±1.5℃（-80℃～50℃）。壓力變送器選用絕壓變送器，系統精度為±1.0%FS（滿量程）。傾斜儀選用雙軸測量傳感器，測量list & trim兩個垂直軸向的傾斜角度。雷達液位計、多點溫度元件及壓力取樣點集成在一個12寸的法蘭上用于液位測量，傾斜儀安裝在船艙內中軸線上。由于LNG介質為低介電常數，對于儲罐液位測量時，需要在導波管內安裝反射片用于增強雷達傳播信號。每臺雷達液位計配有一套5點溫度測量元件，作為溫度補償用，并提供LNG儲罐的平均溫度及溫度分布信息。過程處理單元負責采集各測量參數進行計算，并在上位機畫面顯示：儲罐內液相容積及氣相容積、儲罐瞬時液位及修正液位、儲罐壓力、儲罐內各測量點溫度及平均溫度，如圖4所示。所有監測數據可通過Modbus RS485通訊至DCS系統。

3 火災和可燃氣體檢測系統設計

            火災和可燃氣體檢測系統（F&GS）能夠及時、準確地探測和報告可燃氣體的泄露或火災，以便快速響應并及時采取對應的措施，保護生產設施和人員安全。儲罐區域F&GS系統是整個裝置F&GS系統的一個重要部分。在LNG儲罐區域設有可燃氣體探測器、火焰探測器、易熔塞用于區域安全監測，手報按鈕用于人員巡檢報警；聯動輸出單元包括聲光報警器、水噴淋、全船廣播PA/GA系統等。

 

4 結束語

            在開展設計過程中，對LNG的物理特性和儲罐的特點進行深入了解，根據LNG物理特性和自控專業的相關規范，進行各類儀表設計選型、安裝等，期望能給相關項目提供參考。