淺析LNG接收站儲(chǔ)罐測量儀表LIT工作原理

邊遠(yuǎn)

(中海福建天然氣有限責(zé)任公司,福建莆田,351158)

0 引言

LNG（液化天然氣）作為國內(nèi)新興的清潔能源，通過LNG儲(chǔ)罐集中儲(chǔ)存，隨著國內(nèi)LNG行業(yè)的迅猛發(fā)展，如何采取有效的方式進(jìn)行LNG儲(chǔ)罐介質(zhì)液位測量，同時(shí)對可能出現(xiàn)的LNG儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)液位高高狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控預(yù)警并執(zhí)行安全聯(lián)鎖動(dòng)作保護(hù)功能是LNG儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的關(guān)鍵。文章介紹了LNG儲(chǔ)罐測量儀表-液位溫度伺服計(jì)（LIT），通過收集實(shí)際生產(chǎn)投用過程中的運(yùn)維數(shù)據(jù)，詳細(xì)闡述了液位溫度伺服計(jì)（LIT）的液位測量、溫度測量及高高液位報(bào)警動(dòng)作原理。

1 液位溫度伺服計(jì)（LIT）簡介

液位溫度伺服計(jì)（LIT）是一款安裝在LNG儲(chǔ)罐罐頂用于測量介質(zhì)液位、溫度的儲(chǔ)罐儀表設(shè)備，主要由LCD顯示器、電子編碼器、帶PTFE涂層的不銹鋼穿孔帶、鋼帶圓盤、鏈輪、滑環(huán)裝置、伺服馬達(dá)、報(bào)警繼電器、浮子探頭和多點(diǎn)溫度變送器組成（見下圖1所示）。浮子探頭具有測量儲(chǔ)罐介質(zhì)液位的能力，浮子探頭通過帶PTFE涂層的不銹鋼穿孔帶與液位溫度伺服計(jì)（LIT）表頭通訊，浮子探頭測量的模擬量數(shù)據(jù)由不銹鋼穿孔帶內(nèi)的兩根不銹鋼線傳送到表頭，通過LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示LNG儲(chǔ)罐介質(zhì)液位值。液位溫度伺服計(jì)（LIT）的第二個(gè)功能是測量儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)品的溫度。溫度的測量，是由一臺(tái)接有十六個(gè)Pt100溫度探頭的多點(diǎn)溫度變送器通過兩線本安RS485標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線傳送到液位溫度伺服計(jì)（LIT），通過LCD顯示器實(shí)時(shí)顯示LNG儲(chǔ)罐介質(zhì)平均溫度值。

圖1

2 液位溫度伺服計(jì)（LIT）工作原理

2.1 液位測量原理

液位溫度伺服計(jì)（LIT）液位的測量是通過裝有感應(yīng)式液位傳感器的浮子探頭來探測在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的液面所發(fā)生的變化，感應(yīng)式液位傳感器由液位線圈和鐵芯組成（見下圖2所示），鐵芯帶有磁性其下端連著一塊浮板，隨著儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液位的變化，浮子探頭在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)上下移動(dòng)，鐵芯改變液位線圈自感應(yīng)值，測量電路不斷測量出自感應(yīng)值，以驅(qū)動(dòng)伺服馬達(dá)保持浮子探頭始終在介質(zhì)液面，在介質(zhì)液面波動(dòng)的情況下，測量電路也能夠保持浮子探頭始終在精確的平均介質(zhì)液面上。

圖2

浮子探頭內(nèi)感應(yīng)式液位傳感器的液位線圈與帶PTFE涂層的不銹鋼穿孔帶相連接，感應(yīng)式液位傳感器的模擬量數(shù)據(jù)由不銹鋼穿孔帶內(nèi)的兩根不銹鋼線傳送到液位溫度伺服計(jì)（LIT）表頭，不銹鋼穿孔帶纏繞在表內(nèi)的一個(gè)鋼帶圓盤上，圓盤由受電子指令控制的伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)浮子探頭內(nèi)的液位傳感器檢測到LNG儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)液位變化時(shí)，伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鋼帶圓盤旋轉(zhuǎn)，鋼帶圓盤上的不銹鋼穿孔帶同時(shí)帶動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鏈輪上裝有三個(gè)磁鐵，經(jīng)磁耦合驅(qū)動(dòng)電子編碼器，電子編碼器它是一種將旋轉(zhuǎn)位移轉(zhuǎn)換成一串?dāng)?shù)字脈沖信號(hào)的旋轉(zhuǎn)式傳感器（見下圖3所示），電子編碼器輸出脈沖信號(hào)，通過高速計(jì)數(shù)器對其脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，以獲得測量結(jié)果，以±1mm的精度來確定具有感應(yīng)式液位傳感器的浮子探頭在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的具體位置，從而精確計(jì)算得出測量介質(zhì)的液位，其結(jié)果在LCD顯示器上實(shí)時(shí)顯示，此外，還可連接到中央控制室的服務(wù)器上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖3

2.2 溫度測量原理

液位溫度伺服計(jì)（LIT）的第二個(gè)功能是測量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)溫度。溫度的測量，通過多點(diǎn)溫度變送器連接到由液位溫度伺服計(jì)（LIT）供電的本地本安現(xiàn)場總線上（見下圖4所示）。多點(diǎn)溫度變送器由連接到兩線本安RS485標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線的一個(gè)串行標(biāo)準(zhǔn)輸出供電，兩根額外的導(dǎo)線提供變送器所需的DC電源，此DC電源正常由液位溫度伺服計(jì)（LIT）提供，可以是7-9VDC，多點(diǎn)溫度變送器的功耗大約是4mA（7V），在同一本安RS485現(xiàn)場總線上最多可支持并聯(lián)4臺(tái)多點(diǎn)溫度變送器。

圖4

多點(diǎn)溫度變送器設(shè)計(jì)用于單一平均溫度計(jì)或者可選16個(gè)RTD，每一臺(tái)多點(diǎn)溫度變送器最多能連接16個(gè)溫度測量探頭，每個(gè)溫度測量探頭（Pt100）將介質(zhì)溫度的變化轉(zhuǎn)換成電阻變化，多點(diǎn)溫度變送器電路板上的微處理器測量這個(gè)電阻值，將電阻值轉(zhuǎn)換成工程量，在RS485本安現(xiàn)場總線上傳輸信息，該多點(diǎn)溫度變送器與液位溫度伺服計(jì)（LIT）一起使用，多點(diǎn)溫度變送器能按要求向液位溫度伺服計(jì)（LIT）最多發(fā)送16個(gè)溫度元件的測量溫度值，液位溫度伺服計(jì)（LIT）計(jì)算浸入液體中的所有溫度測量元件的平均溫度值，以便得到LNG儲(chǔ)罐內(nèi)平均液相溫度，如果液位溫度伺服計(jì)（LIT）計(jì)算液面以上的所有溫度測量元件的平均溫度值，那么這個(gè)平均值是LNG儲(chǔ)罐內(nèi)平均氣相溫度，該平均溫度值在液位溫度伺服計(jì)（LIT）的LCD顯示器上定期顯示。

2.3 高高液位報(bào)警動(dòng)作原理

儲(chǔ)罐測量儀表的高高液位報(bào)警動(dòng)作安全系統(tǒng)由兩臺(tái)液位溫度伺服計(jì)（LIT）和一臺(tái)高高液位報(bào)警開關(guān)（LSHH）組成，這三臺(tái)設(shè)備在結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方面是完全相同的，他們一起組成一個(gè)3選2系統(tǒng)，系統(tǒng)達(dá)到了SIL3安全等級(jí)（見下圖5所示）。每臺(tái)設(shè)備自帶兩個(gè)安全繼電器，每個(gè)繼電器有一個(gè)保險(xiǎn)絲，以防止觸點(diǎn)過載。第一個(gè)安全繼電器用于儲(chǔ)罐測量儀表設(shè)備高高液位溢出報(bào)警輸出，第二個(gè)安全繼電器用于儲(chǔ)罐測量儀表設(shè)備自身內(nèi)部故障輸出。

圖5

為了避免操作錯(cuò)誤造成設(shè)備異常報(bào)警輸出風(fēng)險(xiǎn)，儲(chǔ)罐測量儀表設(shè)備高高液位溢出報(bào)警設(shè)定值保存在一次性可編程存儲(chǔ)器中，這意味著，儲(chǔ)罐測量儀表設(shè)備一旦編程出廠后，高高液位溢出報(bào)警設(shè)定值將不能更改，這種特點(diǎn)對防止誤操作提供了非常高的安全水平，如果在設(shè)備運(yùn)行使用期間必須更改溢出設(shè)定值，則需重新訂購包含新設(shè)定值的一次性可編程存儲(chǔ)器。

在設(shè)備正常運(yùn)行情況下，兩個(gè)安全繼電器的觸點(diǎn)是閉合的，每臺(tái)儲(chǔ)罐測量儀表設(shè)備連續(xù)測量LNG儲(chǔ)罐介質(zhì)的實(shí)時(shí)液位值，并和液位高高溢出設(shè)定值進(jìn)行比較，如果達(dá)到或超過了儲(chǔ)罐儀表設(shè)備液位高高溢出設(shè)定值，高高液位溢出報(bào)警輸出繼電器激活，執(zhí)行安全功能，高高液位溢出報(bào)警繼電器動(dòng)作斷開。儲(chǔ)罐測量儀表設(shè)備同時(shí)具備內(nèi)部自檢能力，每15分鐘自動(dòng)執(zhí)行一次內(nèi)部自檢，以驗(yàn)證內(nèi)部各組件是否正常工作，從而保證高可靠性，如果自檢失敗或探測到設(shè)備內(nèi)部有故障，設(shè)備自身內(nèi)部故障輸出安全繼電器激活，故障輸出安全繼電器動(dòng)作斷開，執(zhí)行安全聯(lián)鎖動(dòng)作保護(hù)功能。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸原理

液位溫度伺服計(jì)（LIT）與中央控制室儲(chǔ)罐儀表系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集站之間的數(shù)據(jù)傳輸采用Modbus通訊協(xié)議，液位溫度伺服計(jì)（LIT）可以自動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)采集站接收器的傳輸速率，通過0～20mA現(xiàn)場總線進(jìn)行傳輸，電流回路將儲(chǔ)罐儀表系統(tǒng)中的所有現(xiàn)場儀表串聯(lián)在一根線上，形成一個(gè)通訊閉合回路（見下圖6所示）。為了便于布線，返回線通常應(yīng)在同一電纜中，同一電纜內(nèi)的兩根線全部引到儲(chǔ)罐儀表系統(tǒng)中的現(xiàn)場儀表內(nèi)，通訊速率取決于傳輸速率、電纜質(zhì)量、線路干擾量及回路連接儲(chǔ)罐儀表系統(tǒng)中的現(xiàn)場儀表數(shù)，這種類型的現(xiàn)場總線每一回路最多可能連接32臺(tái)設(shè)備，數(shù)據(jù)采集站接收器提供總線回路的驅(qū)動(dòng)電源，能獲得的最大輸出電壓是70V，現(xiàn)場儀表內(nèi)的電壓降是1.4V，數(shù)據(jù)采集站接收器內(nèi)的電壓降是7V。

圖6

因此，允許的總線回路電阻是：

其中，“n”是20mA現(xiàn)場總線回路中連接的儲(chǔ)罐儀表系統(tǒng)中現(xiàn)場儀表的數(shù)量。

已知相關(guān)信息如下，各種截面積或直徑的導(dǎo)體電阻值:

當(dāng)選擇現(xiàn)場總線電纜時(shí)，不僅僅是考慮電纜的直線電阻，還應(yīng)考慮電纜的特性，特別是影響數(shù)據(jù)傳輸速率（波特率）的電容量?，F(xiàn)場儀表和數(shù)據(jù)采集站接收器都接受的上升時(shí)間。

因此，對于2400的波特率，能得到：

而1200的波特率，則為416 us，這個(gè)時(shí)間常數(shù)可以用公式計(jì)算。

其中：R=回路總電阻+280ohms的接收器內(nèi)阻

C=電纜的總電容

舉例：有一根2000米0.6mm截面的電纜，每一千米有60 ohms的電阻和0.06mF的電容，則:

因此，這根電纜允許的傳輸率是2400波特率。