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?fù)碛刑烊粴赓Y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(xiàn)[1]中介紹了各種LNG儲罐, 其中應(yīng)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。

  根據(jù)《危險化學(xué)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(dá)1320t, 是規(guī)范要求的26.4倍, 故LNG儲罐應(yīng)定性為重大危險源。

  LNG儲罐發(fā)生事故是災(zāi)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(yù)測軟件對LNG儲罐內(nèi)液體密度進(jìn)行實時監(jiān)測, 防止LNG分層翻滾。

  本項目LNG儲罐儀表配置如圖1所示。

  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(yù)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。

  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(dāng)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(jī);當(dāng)壓力繼續(xù)下降時打開天然氣閥門, 補(bǔ)充天然氣維持儲罐壓力;當(dāng)壓力繼續(xù)下降到低低報警值時, 打開氮?dú)忾y門, 補(bǔ)充氮?dú)饩S持儲罐壓力;若壓力繼續(xù)下降到-0.5k Pa.g, 真空閥打開補(bǔ)充空氣來維持儲罐壓力。

  當(dāng)壓力升高到高報警值時, 關(guān)閉LNG儲罐進(jìn)液閥門;當(dāng)壓力繼續(xù)升高時打開氣相調(diào)節(jié)閥, 進(jìn)行調(diào)壓放空;當(dāng)壓力繼續(xù)升高到高高報警值時打開泄放閥, 進(jìn)行泄壓放空;若壓力繼續(xù)升高到25k Pa.g, 安全閥打開進(jìn)行泄壓。

  在LNG儲罐上設(shè)置1套雷達(dá)液位計和2套伺服液位計, 完成對LNG儲罐的液位控制。

  雷達(dá)液位計液體測量精度為±0.5mm, 提供2路通信信號、1路SIL2認(rèn)證的安全繼電器輸出至中控室SIS系統(tǒng), 采用4″導(dǎo)波管安裝并配帶在線維護(hù)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(rèn)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(hù)球閥。提供罐旁指示儀用于液位的就地顯示。

  當(dāng)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(dāng)儲罐液位升高到高高液位時, 由雷達(dá)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(jìn)液閥門。

  LTD帶有伺服機(jī)構(gòu), 由機(jī)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(jī)驅(qū)動在LNG儲罐中垂直運(yùn)動, 探頭的運(yùn)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(hù)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(diǎn) (***多250點(diǎn)) LNG的液位、溫度、密度, 并將采集的數(shù)據(jù)上傳至翻滾預(yù)測軟件進(jìn)行處理分析, 對LNG翻滾進(jìn)行預(yù)警。

  LNG儲罐上位機(jī)管理系統(tǒng)包括上位機(jī)硬件和儲罐管理軟件。

  罐區(qū)管理系統(tǒng)硬件配置如下:

1) 2臺管理計算機(jī)。

2) 1臺A3彩色網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。

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(jī)柜。

采用基于Windows XP操作系統(tǒng)平臺上的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)前溫度和密度的報警。

-密度和溫度變化的趨勢顯示。

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(dá)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(luò)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)。

  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(dá)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(luò)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。

  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(dāng)儲罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時, 下層LNG突然上升, 導(dǎo)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(dāng)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(yù)測軟件 (WHESSOE ROLLOVER PREDICTOR) , 對LTD采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析, 并結(jié)合數(shù)據(jù)庫對LNG翻滾進(jìn)行預(yù)測。在預(yù)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(yù)測軟件配置完成后便自動投入運(yùn)行, 無需操作人員干涉。翻滾預(yù)測軟件可以預(yù)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(dú)立的應(yīng)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(yù)期翻滾期間的***大BOG。

  根據(jù)規(guī)范要求[5,10], LNG儲罐應(yīng)配置2套獨(dú)立的液位計和1套獨(dú)立的液位切斷裝置, 液位計的更換應(yīng)不影響儲罐的操作;根據(jù)風(fēng)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(jìn)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(fēng)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(jìn)液至設(shè)計液位, 至今安全、平穩(wěn)運(yùn)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(jì)效益和社會效益。