王乃民，張喜強(qiáng)，馬國(guó)印，尹學(xué)東，陳 健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)接收站是儲(chǔ)存LNG并外輸?shù)霓D(zhuǎn)運(yùn)站。站內(nèi)主要包括卸料碼頭、LNG儲(chǔ)罐、工藝裝置及公用工程等設(shè)施。其中，LNG儲(chǔ)罐是接收站的核心裝置，主要用于儲(chǔ)存從各地運(yùn)來(lái)的LNG。LNG儲(chǔ)罐在運(yùn)行過(guò)程中主要存在以下潛在風(fēng)險(xiǎn)。

①卸料時(shí)，LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐過(guò)程中存在較高氣化率，形成大量蒸發(fā)氣(boil of gas,BOG)。

②由于物料特性差別，LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐過(guò)程中發(fā)生分層，長(zhǎng)時(shí)間靜置容易產(chǎn)生翻滾[1-2]。

為控制好儲(chǔ)罐LNG的液位、溫度、密度等參數(shù)，以免發(fā)生因LNG快速而大量的氣化導(dǎo)致的儲(chǔ)罐超壓和爆炸等危險(xiǎn)，以及由于翻滾導(dǎo)致的冒頂事故，LNG儲(chǔ)罐必須具備一套測(cè)量準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定的罐表系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的各項(xiàng)工藝參數(shù)，以確保LNG儲(chǔ)罐的穩(wěn)定運(yùn)行和站場(chǎng)內(nèi)的人身設(shè)備安全。

一直以來(lái)，在罐表系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于受不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的影響，以及國(guó)內(nèi)各設(shè)計(jì)院理念的不同，在罐表系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)遇到一些疑難問(wèn)題。本文結(jié)合現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)疑難問(wèn)題進(jìn)行具體分析研究，并給出相應(yīng)的解決措施和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以便指導(dǎo)罐表系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)工作。

1 系統(tǒng)組成和功能

罐表系統(tǒng)由液位計(jì)、罐旁表、液位溫度密度計(jì)(level temperature density,LTD)、多點(diǎn)溫度計(jì)、數(shù)據(jù)接口單元、操作站、打印機(jī)組成。為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性，一般操作站和數(shù)據(jù)接口單元采用冗余配置[3-4]。罐表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 罐表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

罐表系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐的液位、溫度及密度，用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的庫(kù)存管理和翻滾預(yù)測(cè)。其主要功能要求如下。

①庫(kù)存管理：監(jiān)控儲(chǔ)罐的液位、溫度、密度以及報(bào)警信息；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)儲(chǔ)罐液化天然氣的儲(chǔ)存量；定時(shí)操作液位溫度密度計(jì)執(zhí)行梯度指令；生成并打印相應(yīng)的庫(kù)存報(bào)表、系統(tǒng)配置信息、歷史趨勢(shì)。

②翻滾預(yù)測(cè)：分層預(yù)測(cè)，并計(jì)算分層的演化過(guò)程；顯示儲(chǔ)罐每一層的高度、平均密度和溫度；提供儲(chǔ)罐出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象的預(yù)報(bào)警；提供30天內(nèi)的翻滾預(yù)測(cè)。

2 問(wèn)題分析研究

2.1 液位計(jì)配置

在LNG儲(chǔ)罐上使用的液位計(jì)主要有伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)2種。根據(jù)規(guī)范GB 51156的要求，液化天然儲(chǔ)罐設(shè)置的2套獨(dú)立的液位計(jì)宜采用伺服液位計(jì)，用于高液位監(jiān)測(cè)的液位計(jì)宜采用雷達(dá)液位計(jì)或伺服液位計(jì)[5]。而規(guī)范GB 17681則要求，液體儲(chǔ)罐必須配置液位檢測(cè)儀表，同一儲(chǔ)罐至少配備2種不同類(lèi)別的液位檢測(cè)儀表[6]。

LTD雖然可以測(cè)量液位，但不是連續(xù)測(cè)量，而是主要測(cè)量密度監(jiān)測(cè)分層，以防止儲(chǔ)罐內(nèi)LNG發(fā)生翻滾。

LTD與伺服液位計(jì)測(cè)量原理相同。因此，若按照GB 17681的要求，則LTD不能作為與伺服液位計(jì)不同類(lèi)別的液位計(jì)使用。若同時(shí)滿足以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)要求，罐表系統(tǒng)應(yīng)配置2臺(tái)伺服液位計(jì)和1臺(tái)雷達(dá)液位計(jì)。

液位計(jì)配置除了符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，還應(yīng)該從項(xiàng)目實(shí)際需求出發(fā)，考慮不同液位計(jì)的性能。伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)參數(shù)比較如表1所示[7]。

表1 伺服液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)參數(shù)比較

從表1可以看出：雷達(dá)液位計(jì)在測(cè)量?jī)?chǔ)罐低液位時(shí)存在液位測(cè)量盲區(qū)，測(cè)量精度低、誤差大，不能作為液位低低聯(lián)鎖信號(hào)；高液位測(cè)量則可以作為報(bào)警聯(lián)鎖信號(hào)。

在以往項(xiàng)目安全完整性等級(jí)(safety integrity level,SIL)分析中，由于使用的風(fēng)險(xiǎn)矩陣不同，低液位安全儀表回路為SIL1或SIL2。對(duì)于安全完整性等級(jí)為SIL2的情況，采用2伺服1雷達(dá)的1oo2表決可以滿足GB/T 50770的要求[8]。但3伺服的2oo3表決方式提高了系統(tǒng)的可用性和可靠性。此外，在LNG接收站標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范GB 51156中，明確了高液位監(jiān)測(cè)可以采用伺服液位計(jì)。因此，考慮SIL分析結(jié)果的液位計(jì)配置如表2所示。

表2 液位計(jì)配置

另外，雷達(dá)液位計(jì)價(jià)格要高于伺服液位計(jì)，因此從安全可靠性和性?xún)r(jià)比這2個(gè)方面綜合考慮，應(yīng)首選3臺(tái)伺服液位計(jì)的配置方案。

2.2 多點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)確定

從儲(chǔ)罐內(nèi)罐底部到頂部設(shè)置多點(diǎn)均勻分布溫度傳感器，用于指示LNG在儲(chǔ)罐中的溫度分布。多點(diǎn)溫度計(jì)與LTD系統(tǒng)配合，為操作員提供充足的儲(chǔ)罐內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并為計(jì)算罐容奠定基礎(chǔ)。

在以往項(xiàng)目中，由于不同罐容的儲(chǔ)罐內(nèi)罐高度不同，平均溫度計(jì)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)設(shè)計(jì)也有所不同。按照GB 51156的要求，LNG內(nèi)罐應(yīng)設(shè)置多點(diǎn)溫度計(jì)，相鄰2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)之間的垂直距離不超過(guò)2 m。為滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，通常每座LNG儲(chǔ)罐都是錯(cuò)位安裝2套多點(diǎn)溫度計(jì)，分別接入主、從伺服液位計(jì)。表3是以往項(xiàng)目不同罐容儲(chǔ)罐設(shè)置的平均溫度計(jì)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)，以及按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求實(shí)際滿足的測(cè)溫點(diǎn)數(shù)。

表3 罐容與測(cè)溫點(diǎn)數(shù)對(duì)照表

從表3可以看出，LNG儲(chǔ)罐通常采用比標(biāo)準(zhǔn)要求更多的測(cè)溫點(diǎn)數(shù)。

在LNG儲(chǔ)罐的庫(kù)存管理過(guò)程中，需要不斷計(jì)算罐內(nèi)的LNG總量。一方面，計(jì)算結(jié)果要保證供需平衡，在LNG量降到一定值時(shí)啟動(dòng)外部輸入(LNG運(yùn)輸船或槽車(chē))進(jìn)行補(bǔ)充。另一方面，罐內(nèi)LNG總量會(huì)影響防翻滾軟件對(duì)儲(chǔ)罐LNG翻滾的判斷計(jì)算。

在計(jì)算罐內(nèi)總質(zhì)量的過(guò)程中，可視密度和罐壁修正體積需要，對(duì)罐內(nèi)LNG溫度進(jìn)行多次修正[9]。罐內(nèi)LNG溫度是多點(diǎn)溫度計(jì)測(cè)得的多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度平均值。

(1)

式中：T為罐內(nèi)LNG的平均溫度；N為罐內(nèi)LNG中測(cè)溫點(diǎn)數(shù)；tn為罐內(nèi)LNG中第n個(gè)測(cè)溫點(diǎn)溫度。

由式(1)可知，測(cè)溫點(diǎn)越多，平均溫度越精確，罐內(nèi)總質(zhì)量計(jì)算也越精確。如果不考慮變送器的處理能力和費(fèi)用，則測(cè)溫點(diǎn)越多越好。

例如，對(duì)于一座16萬(wàn)立方米的LNG儲(chǔ)罐，其內(nèi)罐高度為35 m左右，每套多點(diǎn)溫度計(jì)選擇10個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，同一多點(diǎn)溫度計(jì)上相鄰兩點(diǎn)間距3.8 m，通過(guò)錯(cuò)位安裝實(shí)現(xiàn)測(cè)溫間距1.9 m，即滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如果選擇16點(diǎn)的多點(diǎn)溫度計(jì)，相鄰2個(gè)測(cè)量點(diǎn)間距2.4 m，2套多點(diǎn)溫度計(jì)錯(cuò)位安裝，實(shí)現(xiàn)2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)間距為1.2 m，提高了平均溫度計(jì)的計(jì)算準(zhǔn)確度。

罐內(nèi)LNG總質(zhì)量計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 罐內(nèi)LNG總質(zhì)量計(jì)算流程

因此，對(duì)于LNG儲(chǔ)罐，除了不考慮單個(gè)平均溫度計(jì)變送模塊的處理能力，應(yīng)盡量選擇更多點(diǎn)的平均溫度計(jì)。

2.3 夾管閥設(shè)計(jì)

LTD采用多傳感器組合探頭，將液位、溫度和密度傳感器集成于一體。罐頂機(jī)械單元采用防爆步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪帶螺旋鋼纜或穿孔的傳動(dòng)帶，進(jìn)而帶動(dòng)一體化的傳感器提升或下降[10]。

一般情況下，變送器通過(guò)管法蘭直接與工藝隔離球閥連接。在液位溫度密度計(jì)檢修時(shí)，把集成傳感器收到變送器的管腔內(nèi)(位置B)，然后關(guān)閉導(dǎo)向管頂端工藝隔離球閥，即可拆卸變送器進(jìn)行維修。但近年來(lái)，隨著LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行項(xiàng)目越來(lái)越多，在一些項(xiàng)目中遇到以下2種情況。①由于鋼帶復(fù)合纜直徑較大，出現(xiàn)鋼帶復(fù)合纜在變送器輪轂腔室卡滯。②由于導(dǎo)向管在冷態(tài)環(huán)境中的收縮，造成集成傳感器被導(dǎo)向管卡住不能上下移動(dòng)。

LTD安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LTD安裝結(jié)構(gòu)

當(dāng)以上情況發(fā)生時(shí)，由于集成傳感器停留在位置A，工藝隔離球閥無(wú)法關(guān)閉，導(dǎo)向管內(nèi)LNG會(huì)形成BOG不斷進(jìn)入變送器輪轂腔室，導(dǎo)致無(wú)法打開(kāi)變送器進(jìn)行檢修。如果在檢修時(shí)隔離導(dǎo)向管內(nèi)的BOG，就需要在工藝隔離球閥和變送器之間加裝夾管閥。夾管閥關(guān)閉時(shí)，通過(guò)耐低溫聚四氟乙烯夾緊鋼帶復(fù)合纜實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)向管的隔離。因此，在工藝隔離球閥和變送器間設(shè)置夾管閥是非常必要的，可為變送器檢維護(hù)提供便利。

集成傳感器損傷如圖4所示。

圖4 集成傳感器損傷示意圖

在某LNG儲(chǔ)罐LTD調(diào)試過(guò)程中，當(dāng)集成傳感器從儲(chǔ)罐底部上升0.5 m的位置時(shí)，上限液位開(kāi)關(guān)動(dòng)作，LTD停止運(yùn)行。首先，通過(guò)關(guān)閉夾管閥隔離LTD輪轂腔和導(dǎo)向管，拆除LTD的電源和通信線，用轱轆提升集成傳感器5 mm；然后，拆除夾管閥上部螺絲，轉(zhuǎn)動(dòng)LTD設(shè)備180°后再次安裝；最后，解決集成傳感器卡滯的問(wèn)題。

2.4 防翻滾預(yù)測(cè)

在LNG的存儲(chǔ)過(guò)程中，由于注入的LNG和儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG的密度、溫度不同，可能出現(xiàn)分層現(xiàn)象。分層形成后，底部BOG無(wú)法正常揮發(fā)造成底部LNG過(guò)熱“老化”，密度逐漸變輕；上層LNG由于輕質(zhì)的BOG可以正常揮發(fā)，密度逐漸增大。在某些條件下，2層或多層LNG的密度趨于相同時(shí)，層間將發(fā)生迅速混合，從而導(dǎo)致發(fā)生翻滾現(xiàn)象。翻滾對(duì)儲(chǔ)罐上的設(shè)備存在很大的危險(xiǎn)性，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境危害[11-12]。為防止LNG儲(chǔ)罐發(fā)生翻滾，需要罐表系統(tǒng)具有防翻滾預(yù)測(cè)功能，從而根據(jù)防翻滾預(yù)測(cè)系統(tǒng)的報(bào)警信息采取相應(yīng)的措施。

目前，LNG防翻滾軟件的數(shù)學(xué)模型主要有2種。

(1)基于Janet Heestand及J.W Meader教授在1983聯(lián)合出版的《A Predictive Model for Rollover in Stratified LNG Tanks》的文獻(xiàn)。該文獻(xiàn)提出了LNG熱值交換、BOG蒸發(fā)率等計(jì)算方程。開(kāi)發(fā)者根據(jù)這些方程進(jìn)行計(jì)算機(jī)模型開(kāi)發(fā)，對(duì)模型進(jìn)行測(cè)試優(yōu)化并驗(yàn)證。它是基于真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)化驗(yàn)證的模型，由MHT Technology Ltd.開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)稱(chēng)MHT Rollover。MHT Rollover具有以下特征。

①由英國(guó)謝菲爾德大學(xué)開(kāi)發(fā)，基于Mathworks/Microsoft C#語(yǔ)言編寫(xiě)，可預(yù)測(cè)31天的翻滾。

②翻滾軟件嵌入在LNG庫(kù)存管理軟件中，無(wú)需另外配置操作站，只要提前輸入LNG組分即可計(jì)算BOG和儲(chǔ)罐壓力。

③基于真實(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)優(yōu)化驗(yàn)證。優(yōu)化測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)自有公開(kāi)記錄的翻滾數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)、可靠。在美國(guó)田納西州Chattanooga LNG現(xiàn)場(chǎng)的5萬(wàn)立方米LNG儲(chǔ)罐上進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。

(2)基于法國(guó)燃?xì)鈱?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)專(zhuān)門(mén)數(shù)學(xué)模型和部分公開(kāi)數(shù)學(xué)模型。這些公開(kāi)的數(shù)學(xué)模型包括用于BOG蒸發(fā)量計(jì)算的Hashemi & Wesson模型[13]、用于計(jì)算LNG分層界面熱量和質(zhì)量傳導(dǎo)的J.S.Turner 模型[14]和Y.Zellouf模型[15]等。開(kāi)發(fā)者根據(jù)這些模型進(jìn)行先進(jìn)建模。LNG Expert具有以下特征。

①LNG Expert由Engie全球技術(shù)研發(fā)中心與LCEC咨詢(xún)公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)，基于Microsoft C#語(yǔ)言編寫(xiě)，可預(yù)測(cè)30天的翻滾。

②翻滾軟件獨(dú)立安裝于1臺(tái)操作站上，并根據(jù)LTD完成Profile后的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算BOG和儲(chǔ)罐壓力，以及罐內(nèi)組分演化情況。

③基于部分公開(kāi)模型和法國(guó)燃?xì)?Gaz de France Suez)專(zhuān)有的數(shù)據(jù)庫(kù)模型。模型經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證。這些驗(yàn)證包括：Gaz de France位于法國(guó)南特的實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行的驗(yàn)證；法國(guó)多個(gè)大型LNG接收站進(jìn)行的數(shù)據(jù)驗(yàn)證；公開(kāi)記錄的翻滾數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2種翻滾軟件在翻滾預(yù)測(cè)方面各具優(yōu)勢(shì)。MHT Rollver基于理論模型，利用少量的真實(shí)發(fā)生的數(shù)據(jù)。LNG Expert則利用大量的模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)、真實(shí)翻滾數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。兩者從翻滾基理上都可以實(shí)現(xiàn)翻滾預(yù)測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)已運(yùn)行和在建的LNG儲(chǔ)罐中，2種翻滾軟件的應(yīng)用都很廣泛，應(yīng)用效果也都能滿足翻滾預(yù)測(cè)的要求。

3 結(jié)論

罐表系統(tǒng)負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行狀態(tài)，參照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)罐表系統(tǒng)的要求，以及結(jié)合以往項(xiàng)目中遇到的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)對(duì)選型設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行分析研究，提出了相應(yīng)的解決措施。該研究提高了設(shè)計(jì)人員在這些問(wèn)題上的認(rèn)識(shí)：液位計(jì)配置應(yīng)優(yōu)先選用3臺(tái)伺服液位計(jì)；平均溫度計(jì)測(cè)溫點(diǎn)數(shù)應(yīng)最大化設(shè)計(jì)；夾管閥必須設(shè)置以滿足LTD檢修要求；防翻滾預(yù)測(cè)軟件應(yīng)滿足預(yù)測(cè)功能的要求。通過(guò)對(duì)罐表系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)問(wèn)題的分析研究，提高了設(shè)計(jì)工作效率，保證了LNG儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。該研究對(duì)同類(lèi)LNG儲(chǔ)罐項(xiàng)目設(shè)計(jì)具有重要參考意義。