LNG儲罐罐表系統(tǒng)選型設計問題研究

王乃民，張喜強，馬國印，尹學東，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)接收站是儲存LNG并外輸?shù)霓D(zhuǎn)運站。站內(nèi)主要包括卸料碼頭、LNG儲罐、工藝裝置及公用工程等設施。其中，LNG儲罐是接收站的核心裝置，主要用于儲存從各地運來的LNG。LNG儲罐在運行過程中主要存在以下潛在風險。

①卸料時，LNG進入儲罐過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進入儲罐過程中發(fā)生分層，長時間靜置容易產(chǎn)生翻滾[1-2]。

為控制好儲罐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致的儲罐超壓和爆炸等危險，以及由于翻滾導致的冒頂事故，LNG儲罐必須具備一套測量準確、性能穩(wěn)定的罐表系統(tǒng)。系統(tǒng)實時監(jiān)測儲罐內(nèi)介質(zhì)的各項工藝參數(shù)，以確保LNG儲罐的穩(wěn)定運行和站場內(nèi)的人身設備安全。

一直以來，在罐表系統(tǒng)選型設計過程中，由于受不同標準規(guī)范要求的影響，以及國內(nèi)各設計院理念的不同，在罐表系統(tǒng)選型設計過程中會遇到一些疑難問題。本文結(jié)合現(xiàn)行國家標準規(guī)范要求和工程實踐經(jīng)驗，針對疑難問題進行具體分析研究，并給出相應的解決措施和設計標準，以便指導罐表系統(tǒng)選型設計工作。

1 系統(tǒng)組成和功能

罐表系統(tǒng)由液位計、罐旁表、液位溫度密度計(level temperature density,LTD)、多點溫度計、數(shù)據(jù)接口單元、操作站、打印機組成。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)實時監(jiān)測儲罐的液位、溫度及密度，用于實現(xiàn)儲罐的庫存管理和翻滾預測。其主要功能要求如下。

①庫存管理：監(jiān)控儲罐的液位、溫度、密度以及報警信息；實時監(jiān)測每個儲罐液化天然氣的儲存量；定時操作液位溫度密度計執(zhí)行梯度指令；生成并打印相應的庫存報表、系統(tǒng)配置信息、歷史趨勢。

②翻滾預測：分層預測，并計算分層的演化過程；顯示儲罐每一層的高度、平均密度和溫度；提供儲罐出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象的預報警；提供30天內(nèi)的翻滾預測。

2 問題分析研究

2.1 液位計配置

在LNG儲罐上使用的液位計主要有伺服液位計和雷達液位計2種。根據(jù)規(guī)范GB 51156的要求，液化天然儲罐設置的2套獨立的液位計宜采用伺服液位計，用于高液位監(jiān)測的液位計宜采用雷達液位計或伺服液位計[5]。而規(guī)范GB 17681則要求，液體儲罐必須配置液位檢測儀表，同一儲罐至少配備2種不同類別的液位檢測儀表[6]。

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

LTD與伺服液位計測量原理相同。因此，若按照GB 17681的要求，則LTD不能作為與伺服液位計不同類別的液位計使用。若同時滿足以上2個標準要求，罐表系統(tǒng)應配置2臺伺服液位計和1臺雷達液位計。

液位計配置除了符合相關(guān)標準規(guī)范的要求，還應該從項目實際需求出發(fā)，考慮不同液位計的性能。伺服液位計和雷達液位計參數(shù)比較如表1所示[7]。

表1 伺服液位計和雷達液位計參數(shù)比較

從表1可以看出：雷達液位計在測量儲罐低液位時存在液位測量盲區(qū)，測量精度低、誤差大，不能作為液位低低聯(lián)鎖信號；高液位測量則可以作為報警聯(lián)鎖信號。

在以往項目安全完整性等級(safety integrity level,SIL)分析中，由于使用的風險矩陣不同，低液位安全儀表回路為SIL1或SIL2。對于安全完整性等級為SIL2的情況，采用2伺服1雷達的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接收站標準規(guī)范GB 51156中，明確了高液位監(jiān)測可以采用伺服液位計。因此，考慮SIL分析結(jié)果的液位計配置如表2所示。

表2 液位計配置

另外，雷達液位計價格要高于伺服液位計，因此從安全可靠性和性價比這2個方面綜合考慮，應首選3臺伺服液位計的配置方案。

2.2 多點溫度計測溫點數(shù)確定

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

在以往項目中，由于不同罐容的儲罐內(nèi)罐高度不同，平均溫度計測溫點數(shù)設計也有所不同。按照GB 51156的要求，LNG內(nèi)罐應設置多點溫度計，相鄰2個測溫點之間的垂直距離不超過2 m。為滿足標準要求，通常每座LNG儲罐都是錯位安裝2套多點溫度計，分別接入主、從伺服液位計。表3是以往項目不同罐容儲罐設置的平均溫度計測溫點數(shù)，以及按照標準規(guī)范要求實際滿足的測溫點數(shù)。

表3 罐容與測溫點數(shù)對照表

從表3可以看出，LNG儲罐通常采用比標準要求更多的測溫點數(shù)。

在LNG儲罐的庫存管理過程中，需要不斷計算罐內(nèi)的LNG總量。一方面，計算結(jié)果要保證供需平衡，在LNG量降到一定值時啟動外部輸入(LNG運輸船或槽車)進行補充。另一方面，罐內(nèi)LNG總量會影響防翻滾軟件對儲罐LNG翻滾的判斷計算。

在計算罐內(nèi)總質(zhì)量的過程中，可視密度和罐壁修正體積需要，對罐內(nèi)LNG溫度進行多次修正[9]。罐內(nèi)LNG溫度是多點溫度計測得的多個測溫點的溫度平均值。

(1)

式中：T為罐內(nèi)LNG的平均溫度；N為罐內(nèi)LNG中測溫點數(shù)；tn為罐內(nèi)LNG中第n個測溫點溫度。

由式(1)可知，測溫點越多，平均溫度越精確，罐內(nèi)總質(zhì)量計算也越精確。如果不考慮變送器的處理能力和費用，則測溫點越多越好。

例如，對于一座16萬立方米的LNG儲罐，其內(nèi)罐高度為35 m左右，每套多點溫度計選擇10個測溫點，同一多點溫度計上相鄰兩點間距3.8 m，通過錯位安裝實現(xiàn)測溫間距1.9 m，即滿足標準要求。如果選擇16點的多點溫度計，相鄰2個測量點間距2.4 m，2套多點溫度計錯位安裝，實現(xiàn)2個測溫點間距為1.2 m，提高了平均溫度計的計算準確度。

罐內(nèi)LNG總質(zhì)量計算流程如圖2所示。

圖2 罐內(nèi)LNG總質(zhì)量計算流程

因此，對于LNG儲罐，除了不考慮單個平均溫度計變送模塊的處理能力，應盡量選擇更多點的平均溫度計。

2.3 夾管閥設計

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。罐頂機械單元采用防爆步進電機驅(qū)動齒輪帶螺旋鋼纜或穿孔的傳動帶，進而帶動一體化的傳感器提升或下降[10]。

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

LTD安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 LTD安裝結(jié)構(gòu)

當以上情況發(fā)生時，由于集成傳感器停留在位置A，工藝隔離球閥無法關(guān)閉，導向管內(nèi)LNG會形成BOG不斷進入變送器輪轂腔室，導致無法打開變送器進行檢修。如果在檢修時隔離導向管內(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，通過耐低溫聚四氟乙烯夾緊鋼帶復合纜實現(xiàn)對導向管的隔離。因此，在工藝隔離球閥和變送器間設置夾管閥是非常必要的，可為變送器檢維護提供便利。

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儲罐LTD調(diào)試過程中，當集成傳感器從儲罐底部上升0.5 m的位置時，上限液位開關(guān)動作，LTD停止運行。首先，通過關(guān)閉夾管閥隔離LTD輪轂腔和導向管，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LTD設備180°后再次安裝；最后，解決集成傳感器卡滯的問題。

2.4 防翻滾預測

在LNG的存儲過程中，由于注入的LNG和儲罐內(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無法正常揮發(fā)造成底部LNG過熱“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，層間將發(fā)生迅速混合，從而導致發(fā)生翻滾現(xiàn)象。翻滾對儲罐上的設備存在很大的危險性，會造成重大的經(jīng)濟損失和環(huán)境危害[11-12]。為防止LNG儲罐發(fā)生翻滾，需要罐表系統(tǒng)具有防翻滾預測功能，從而根據(jù)防翻滾預測系統(tǒng)的報警信息采取相應的措施。

目前，LNG防翻滾軟件的數(shù)學模型主要有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。該文獻提出了LNG熱值交換、BOG蒸發(fā)率等計算方程。開發(fā)者根據(jù)這些方程進行計算機模型開發(fā)，對模型進行測試優(yōu)化并驗證。它是基于真實現(xiàn)場數(shù)據(jù)優(yōu)化驗證的模型，由MHT Technology Ltd.開發(fā)，簡稱MHT Rollover。MHT Rollover具有以下特征。

①由英國謝菲爾德大學開發(fā)，基于Mathworks/Microsoft C#語言編寫，可預測31天的翻滾。

②翻滾軟件嵌入在LNG庫存管理軟件中，無需另外配置操作站，只要提前輸入LNG組分即可計算BOG和儲罐壓力。

③基于真實現(xiàn)場數(shù)據(jù)優(yōu)化驗證。優(yōu)化測試數(shù)據(jù)來自有公開記錄的翻滾數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的真實、可靠。在美國田納西州Chattanooga LNG現(xiàn)場的5萬立方米LNG儲罐上進行了實際驗證。

(2)基于法國燃氣實驗數(shù)據(jù)庫專門數(shù)學模型和部分公開數(shù)學模型。這些公開的數(shù)學模型包括用于BOG蒸發(fā)量計算的Hashemi & Wesson模型[13]、用于計算LNG分層界面熱量和質(zhì)量傳導的J.S.Turner 模型[14]和Y.Zellouf模型[15]等。開發(fā)者根據(jù)這些模型進行先進建模。LNG Expert具有以下特征。

①LNG Expert由Engie全球技術(shù)研發(fā)中心與LCEC咨詢公司聯(lián)合開發(fā)，基于Microsoft C#語言編寫，可預測30天的翻滾。

②翻滾軟件獨立安裝于1臺操作站上，并根據(jù)LTD完成Profile后的數(shù)據(jù)自動計算BOG和儲罐壓力，以及罐內(nèi)組分演化情況。

③基于部分公開模型和法國燃氣(Gaz de France Suez)專有的數(shù)據(jù)庫模型。模型經(jīng)過反復驗證。這些驗證包括：Gaz de France位于法國南特的實驗基地進行的驗證；法國多個大型LNG接收站進行的數(shù)據(jù)驗證；公開記錄的翻滾數(shù)據(jù)進行的實驗驗證。

2種翻滾軟件在翻滾預測方面各具優(yōu)勢。MHT Rollver基于理論模型，利用少量的真實發(fā)生的數(shù)據(jù)。LNG Expert則利用大量的模擬試驗數(shù)據(jù)、真實翻滾數(shù)據(jù)和現(xiàn)場驗證。兩者從翻滾基理上都可以實現(xiàn)翻滾預測。目前，國內(nèi)已運行和在建的LNG儲罐中，2種翻滾軟件的應用都很廣泛，應用效果也都能滿足翻滾預測的要求。

3 結(jié)論

罐表系統(tǒng)負責監(jiān)測LNG儲罐的運行狀態(tài)，參照現(xiàn)行標準規(guī)范對罐表系統(tǒng)的要求，以及結(jié)合以往項目中遇到的實際問題，通過對選型設計問題進行分析研究，提出了相應的解決措施。該研究提高了設計人員在這些問題上的認識：液位計配置應優(yōu)先選用3臺伺服液位計；平均溫度計測溫點數(shù)應最大化設計；夾管閥必須設置以滿足LTD檢修要求；防翻滾預測軟件應滿足預測功能的要求。通過對罐表系統(tǒng)選型設計問題的分析研究，提高了設計工作效率，保證了LNG儲罐的運行安全。該研究對同類LNG儲罐項目設計具有重要參考意義。