LNG儲罐液位計儀表配置選型及控制方案
摘 要：為提高LNG儲罐的安全性, 某國產(chǎn)化示范LNG工廠項目在LNG儲罐上設(shè)置罐表系統(tǒng), 包括:3套表面熱電阻對LNG儲罐的預冷和泄漏進行檢測;2套平均溫度計對LNG儲罐內(nèi)氣相和液相平均溫度進行檢測;3套壓力變送器對LNG儲罐的壓力進行控制;1套雷達液位計和2套伺服液位計對LNG儲罐的液位進行控制;1套液位-溫度-密度計 (LTD) 及翻滾預測軟件對LNG儲罐翻滾進行預測。罐表系統(tǒng)對LNG儲罐進行全方位的監(jiān)視, 確保了LNG儲罐的安全、平穩(wěn)運行, 提高了LNG儲罐的自動控制水平。
0、引言：
天然氣作為一種清潔能源, 正迅速地被開發(fā)利用。目前國內(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), 液化天然氣項目在各地紛紛啟動。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)地擁有天然氣資源地區(qū)則建設(shè)液化天然氣工廠。無論是液化天然氣接收站, 還是液化天然氣工廠, LNG儲罐都是***為關(guān)鍵的設(shè)備之一, 所占項目的投資比例也較高。文獻[1]中介紹了各種LNG儲罐, 其中應用***為廣泛的是圓柱形常壓LNG儲罐[2]。
本文介紹某國產(chǎn)化示范LNG工廠中的30000m3LNG單容罐的儀表配置及控制方案。
1、LNG儲罐現(xiàn)場儀表：
根據(jù)《危險化學品重大危險源辨識》 (GB18218-2009) , 天然氣的儲存量超過50t則定性為重大危險源。30000m3LNG儲罐的單罐天然氣儲量達1320t, 是規(guī)范要求的26.4倍, 故LNG儲罐應定性為重大危險源。
LNG儲罐發(fā)生事故是災難性的, 如1944年美國俄亥俄州克利夫蘭市的LNG儲罐泄漏事故, 造成巨大的人員和財產(chǎn)損失。
鑒于LNG儲罐的高危險性, 本項目對LNG儲罐壓力、液位控制均采取2oo3邏輯, 以滿足LNG儲罐的高可靠性和高可用性要求, 并設(shè)置液位-溫度-密度計 (LTD) 和防翻滾預測軟件對LNG儲罐內(nèi)液體密度進行實時監(jiān)測, 防止LNG分層翻滾。
圖1 LNG儲罐儀表配置圖Fig.1 LNG Storage tank instrument configuration diagram 下載原圖
本項目LNG儲罐儀表配置如圖1所示。
1.1、溫度儀表：
在LNG儲罐上設(shè)置3套表面熱電阻分別用于內(nèi)罐底板上表面預冷溫度檢測, 內(nèi)罐內(nèi)側(cè)壁LNG溫度檢測, 內(nèi)罐底部玻璃磚及內(nèi)外罐環(huán)形空間泄漏檢測;設(shè)置2套平均溫度計用于測量罐內(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。
1.2、壓力儀表：
在LNG儲罐氣相連通管上設(shè)置2臺膜盒壓力表和3套智能壓力變送器, 變送器采用2oo3邏輯完成對LNG儲罐的壓力控制。
當壓力下降到低報警值時, 關(guān)閉LNG儲罐氣相出口閥門, 停止外輸潛液泵和BOG (Boil Off Gas閃蒸汽) 壓縮機;當壓力繼續(xù)下降時打開天然氣閥門, 補充天然氣維持儲罐壓力;當壓力繼續(xù)下降到低低報警值時, 打開氮氣閥門, 補充氮氣維持儲罐壓力;若壓力繼續(xù)下降到-0.5k Pa.g, 真空閥打開補充空氣來維持儲罐壓力。
當壓力升高到高報警值時, 關(guān)閉LNG儲罐進液閥門;當壓力繼續(xù)升高時打開氣相調(diào)節(jié)閥, 進行調(diào)壓放空;當壓力繼續(xù)升高到高高報警值時打開泄放閥, 進行泄壓放空;若壓力繼續(xù)升高到25k Pa.g, 安全閥打開進行泄壓。
1.3、液位儀表：
在LNG儲罐上設(shè)置1套雷達液位計和2套伺服液位計, 完成對LNG儲罐的液位控制。
雷達液位計液體測量精度為±0.5mm, 提供2路通信信號、1路SIL2認證的安全繼電器輸出至中控室SIS系統(tǒng), 采用4″導波管安裝并配帶在線維護閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。
伺服液位計液位測量精度為±1mm, 提供2路通信信號、2路SIL3認證的安全繼電器輸出至中控室SIS系統(tǒng), 采用6″法蘭與LNG儲罐連接并配帶在線維護球閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。
當儲罐液位下降到低低液位時, 由2套伺服液位計組成1oo2低低液位聯(lián)鎖, 停止外輸潛液泵;當儲罐液位升高到高高液位時, 由雷達液位計, 2套伺服液位計組成2oo3高高液位聯(lián)鎖, 關(guān)閉LNG儲罐進液閥門。
1.4、液位-溫度-密度計 (LTD)：
LTD帶有伺服機構(gòu), 由機械驅(qū)動部件、1個多傳感器 (包括溫度傳感器、振動式密度傳感器) 組合的探頭及現(xiàn)場處理單元組成。在LTD工作時, 探頭在微處理器的指令下由電機驅(qū)動在LNG儲罐中垂直運動, 探頭的運動模式可設(shè)置成自動或手動。探頭內(nèi)的傳感器可分別測量出所在位置的液位、溫度、密度信號[4]。
LTD液位測量精度為±2mm, 溫度測量精度為±0.1℃, 密度測量精度為±0.5kg/m3, 提供2路通信信號輸出, 采用6″法蘭與LNG儲罐連接并配帶在線維護球閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。
LTD用于實時監(jiān)測罐內(nèi)豎向不同點 (***多250點) LNG的液位、溫度、密度, 并將采集的數(shù)據(jù)上傳至翻滾預測軟件進行處理分析, 對LNG翻滾進行預警。
2、上位機管理系統(tǒng)：
LNG儲罐上位機管理系統(tǒng)包括上位機硬件和儲罐管理軟件。
2.1、硬件配置：
罐區(qū)管理系統(tǒng)硬件配置如下:
1) 2臺管理計算機。
2) 1臺A3彩色網(wǎng)絡打印機。
3) 2臺RS232/RS485轉(zhuǎn)換器。
4) 2臺20m A回路轉(zhuǎn)換器。
5) 1臺TRL2/RS232轉(zhuǎn)換器。
6) 1套Rittal機柜。
2.2 軟件
采用基于Windows XP操作系統(tǒng)平臺上的標準軟件包LNG Manager V6.0。LNG Manager管理軟件包括以下功能:
1) 顯示功能
-來自液位計/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。
-對當前溫度和密度的報警。
-密度和溫度變化的趨勢顯示。
圖2 LNG儲罐儀表網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure chart of LNG tank instrument network
2) 記錄功能
所有的事件或報警都自動記錄在硬盤上, 包括格式為日期, 時間和報警類型。傳感器位置的密度和溫度也同時記錄。LTD傳感器的位置定義高達250級。
3) 計算功能
根據(jù)提供的罐體參數(shù), 計算每罐的總體積和質(zhì)量。
4) 打印功能
打印來自罐表系統(tǒng)的液位和液體平均溫度、歷史事件和報警。
5) 與現(xiàn)場設(shè)備通信功能
每個20m A信號處理單元通過冗余20m A總線網(wǎng)絡連接到罐區(qū)的現(xiàn)場設(shè)備, 并收集來自現(xiàn)場儀表的數(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RS485通信總線, 采用MODBUS RTU協(xié)議傳送至中控室DCS系統(tǒng)。
2.3、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖：
表面熱電阻A/B/C的溫度轉(zhuǎn)換器、平均溫度計A的溫度轉(zhuǎn)換器、伺服液位計A的罐旁指示儀采用本安RS485總線 (2線信號+2線供電) 接入伺服液位計A。
平均溫度計B的溫度轉(zhuǎn)換器、伺服液位計B的罐旁指示儀采用本安RS485總線 (2線信號+2線供電) 接入伺服液位計B。
伺服液位計A、伺服液位計B、液位-溫度-密度計 (LTD) 各采用2路20m A總線到防爆接線盒, 液位-溫度-密度計 (LTD) 的罐旁指示儀采用2路20m A總線到防爆接線盒。
雷達液位計采用1路20m A總線到防爆接線盒, 1路TRL2總線到中控室TRL2信號處理單元, 1路485總線到罐旁指示儀。防爆接線盒采用2路20m A總線到中控室20m A信號處理單元。LNG儲罐儀表網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖2所示。
通過以上連接使現(xiàn)場儀表通過冗余線路把信號上傳至控制室罐區(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翻滾預測：
翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG在儲罐內(nèi)迅速上下翻動混合, 瞬間產(chǎn)生大量的氣化氣的現(xiàn)象。在長期的儲存中, 儲罐內(nèi)的LNG容易形成兩個穩(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法使下層的LNG及時蒸發(fā), 造成下層LNG處于過飽和狀態(tài)。當儲罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時, 下層LNG突然上升, 導致迅速蒸發(fā), 從而發(fā)生翻滾 (Roll-over) 現(xiàn)象[5]。翻滾將使容器受到超壓, 當容器內(nèi)部的壓力增加到一定程度將引起安全閥的開啟[6-9]。
本項目配置一套LNG翻滾預測軟件 (WHESSOE ROLLOVER PREDICTOR) , 對LTD采集的數(shù)據(jù)進行實時分析, 并結(jié)合數(shù)據(jù)庫對LNG翻滾進行預測。在預測到翻滾的情況下, 將向DCS系統(tǒng)發(fā)出警報, 提醒操作員啟動潛液泵打循環(huán), 將儲罐內(nèi)的LNG充分混合。
LNG翻滾預測軟件配置完成后便自動投入運行, 無需操作人員干涉。翻滾預測軟件可以預測未來30天 (***長) 內(nèi)是否會發(fā)生翻滾和翻滾發(fā)生的時間。它是一個獨立的應用程序, 從午夜0時開始每4h被觸發(fā)一次, 并為每一個儲罐返回一個輸出:報警位, ***大的壓力, 翻滾日期和預期翻滾期間的***大BOG。
4、結(jié)束語：
根據(jù)規(guī)范要求[5,10], LNG儲罐應配置2套獨立的液位計和1套獨立的液位切斷裝置, 液位計的更換應不影響儲罐的操作;根據(jù)風險評估配置1套或多套壓力變送器;180m3及以下的LNG儲罐通常配置1套差壓式液位計和1套壓力變送器。LNG液化工廠因進料原料氣組分變化不大, 產(chǎn)出LNG密度相對穩(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分層翻滾風險, 建議配置LTD。
本工程于2014年6月一次性投產(chǎn)成功, 2座LNG儲罐正常進液至設(shè)計液位, 至今安全、平穩(wěn)運行。本項目配置的LNG儲罐罐表系統(tǒng)和控制方案為監(jiān)視LNG儲罐提供安全保障, 完全滿足工藝控制要求, 減少了現(xiàn)場操作人員的數(shù)量, 提高了生產(chǎn)管理水平, 創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。