浅谈浮式装置LNG储罐的仪表选型

 

            液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的能源，越来越受到很多国家的青睐，天然气在能源供应中迅速增加。本文以某浮式储存及再气化装置FSRU（Floating Storage Regasification Unit）的LNG储罐为研究对象，结合储罐的结构特点及工艺流程，先容了船用LNG储罐的仪表配置及选型。

 

1 LNG储罐结构及工艺流程

            本文所述FSRU项目中LNG储罐为IHI type B菱形罐，用于储存需气化并外输的LNG介质。单个LNG储罐的有效容积为13160m3，储罐的直径约33.7m，储罐高约16.4m，罐体材质为Aluminum alloy A5083-O。因此，所有在罐内安装固定的仪表支架均为铝材质。

 

            LNG储罐设计温度为-163℃，操作温度为-161.5℃；设计压力为-7kPa.G/70kPa.G，操作压力为6kPa.G～14kPa.G。LNG即液化天然气，主要成分是甲烷，在上述操作压力和温度下，其体积约为同量气态天然气体积的1/625。

 

            LNG是通过在常压下气态的天然气冷却至-162℃，使之凝结成液体。

 

            根据IGC规范[1]，要求对每个储罐都应设有显示货物的液位仪表、压力仪表、温度仪表等，储罐检测仪表示意图如图1所示。

2 仪表设置及选型

            甲烷属于爆炸性危险气体，储罐罐顶平台依据防爆区域划分相关规范定义为Zone 1、Zone 2区[2]，本项目仪表防爆形式选择本安型。为了保障仪表检测过程的正常进行，考虑到海洋环境因素，仪表应选用全天候型，防护等级至少为NEMA 4X或IEC 60529 IP66。本项目为浮式船，所有仪表应根据本项目所取证船级社的相关规范，取得型式认可证书或产品认可证书。

 

2.1 温度测量仪表

            铂热电阻Pt-100温度元件低温可测至-200℃，且精度高、性能稳定、重复性好。因此，测量低温介质通常选用热电阻Pt-100温度元件。LNG储罐内壁测温采用表面温度元件——双支热电阻Pt-100，三线制，精度：BS EN60751 class A（-50℃～450℃）and class B（-196℃～ -50℃）[3]。在LNG储罐的内壁、底部和罐顶都设有温度测量点TE-001～007，对LNG预冷罐的过程和操作全过程进行温度监控，罐内壁表面温度元件布置如图2所示。表面热电阻的末端使用铝制集热块来固定在LNG储罐内壁[4]；沿罐内预制好的桥架向上敷设，每隔几米做一处膨胀弯（zui小弯曲半径根据厂家建议），所有表面热电阻自带的低温电缆通过多孔法兰接至罐顶外的接线箱内；通过接线箱内温度变送器，以4mA～20mA信号远传至DCS系统。

2.2 压力测量仪表

            压力监测是LNG储罐重要的监测手段之一。正常情况下，压力变送器不能直接接触低温介质，允许的介质温度在-40℃以上。目前LNG压力测量方法之一是采用延长导压管，使介质吸取环境的热量，温度升高，达到变送器可以测量的温度；变送器测量气化后介质的压力。本项目LNG储罐罐顶设置3台压力变送器PT-001～003，进入SIS系统，当压力高高或低低的时候，三取二联锁停LNG外输泵及关闭储罐进出口隔离阀，联锁保护储罐安全；另设置一台压力变送器PT-004，进入DCS系统用于监控LNG储罐压力。

 

2.3 液位测量

            本项目，LNG储罐的液位测量系统由一台伺服液位计LIT-003，一套储罐监控系统，两台用于储罐液位联锁保护的雷达液位计LIT-001和LIT-002组成。

 

2.3.1 伺服液位计

            伺服液位计由高精度力传感器、步进电机、测量磁鼓，测量浮子和钢丝等部分组成，其工作原理基于阿基米德浮力平衡定律：通过检测浮子的位移测量得到液位的变化。

 

            本项目LNG储罐的伺服液位计选用某企业的FTLG 807液位计及AMTG远传数字液位显示仪。伺服液位计的测量精度ΔL=±（2.0+0.15L）mm（其中L为测量液位高度），重复性为±2mm，防爆等级为Exia IIBT4。伺服液位计与远传数字液位显示仪通过本安型八芯铠装电缆连接，数字液位显示仪通过RS-485 Modbus通信方式将储罐液位数值实时传输给DCS系统。为了防止液面波对测量结果产生影响，需要在储罐内预制稳液导向管[2]，管径为DN200mm。伺服液位计应配有隔离用低温球阀，确保液位计在不清罐的情况下能检维修。

 

2.3.2 雷达液位计

            根据SIL分析报告，LNG储罐95%高高液位时需联锁关闭LNG储罐进料管线的开关阀及停止卸料系统；LNG储罐98%溢出液位时需联锁停车，并且要求测量高高液位和溢出液位的液位仪表需分别设置。本项目配置了两套杆式雷达液位计LIT-001和LIT-002，分别测量储罐的高高液位及溢出液位，信号接入SIS系统。雷达液位计带SIL证书，能测量-196℃的低温LNG介质，杆长约为6m，两线制本安型仪表。

 

2.3.3 储罐监控系统

            本项目LNG储罐配有独立的储罐监控系统，可用于贸易计量储罐的容积并打印报表。储罐监控系统（即CTSCustody Transfer System）包括测量仪表、过程处理单元、上位计算机、打印机，设计满足GIIGNL（International Group of Liquefied Natural Gas Importers）- LNG Custody Transfer Handbook规范，其系统框架如图3所示。测量仪表包括智能雷达液位计LIT-101、多点温度元件TT-101A～E、压力变送器PIT-101、倾斜仪。雷达液位计选用导波雷达测量，可测范围为0m～50m，其系统精度为±2mm。多点温度元件选用Pt-100铂热电阻，其系统精度：±0.2℃（-165℃～-145℃），±0.3℃（-145℃～80℃），±1.5℃（-80℃～50℃）。压力变送器选用绝压变送器，系统精度为±1.0%FS（满量程）。倾斜仪选用双轴测量传感器，测量list & trim两个垂直轴向的倾斜角度。雷达液位计、多点温度元件及压力取样点集成在一个12寸的法兰上用于液位测量，倾斜仪安装在船舱内中轴线上。由于LNG介质为低介电常数，对于储罐液位测量时，需要在导波管内安装反射片用于增强雷达传播信号。每台雷达液位计配有一套5点温度测量元件，作为温度补偿用，并提供LNG储罐的平均温度及温度分布信息。过程处理单元负责采集各测量参数进行计算，并在上位机画面显示：储罐内液相容积及气相容积、储罐瞬时液位及修正液位、储罐压力、储罐内各测量点温度及平均温度，如图4所示。所有监测数据可通过Modbus RS485通讯至DCS系统。

3 火灾和可燃气体检测系统设计

            火灾和可燃气体检测系统（F&GS）能够及时、准确地探测和报告可燃气体的泄露或火灾，以便快速响应并及时采取对应的措施，保护生产设施和人员安全。储罐区域F&GS系统是整个装置F&GS系统的一个重要部分。在LNG储罐区域设有可燃气体探测器、火焰探测器、易熔塞用于区域安全监测，手报按钮用于人员巡检报警；联动输出单元包括声光报警器、水喷淋、全船广播PA/GA系统等。

 

4 结束语

            在开展设计过程中，对LNG的物理特性和储罐的特点进行深入了解，根据LNG物理特性和自控专业的相关规范，进行各类仪表设计选型、安装等，希望能给相关项目提供参考。