LNG储罐罐表系统选型设计问题研究

王乃民，张喜强，马国印，尹学东，陈 健

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

液化天然气(liquefied natural gas,LNG)接收站是储存LNG并外输的转运站。站内主要包括卸料码头、LNG储罐、工艺装置及公用工程等设施。其中，LNG储罐是接收站的核心装置，主要用于储存从各地运来的LNG。LNG储罐在运行过程中主要存在以下潜在风险。

①卸料时，LNG进入储罐过程中存在较高气化率，形成大量蒸发气(boil of gas,BOG)。

②由于物料特性差别，LNG进入储罐过程中发生分层，长时间静置容易产生翻滚[1-2]。

为控制好储罐LNG的液位、温度、密度等参数，以免发生因LNG快速而大量的气化导致的储罐超压和爆炸等危险，以及由于翻滚导致的冒顶事故，LNG储罐必须具备一套测量准确、性能稳定的罐表系统。系统实时监测储罐内介质的各项工艺参数，以确保LNG储罐的稳定运行和站场内的人身设备安全。

一直以来，在罐表系统选型设计过程中，由于受不同标准规范要求的影响，以及国内各设计院理念的不同，在罐表系统选型设计过程中会遇到一些疑难问题。本文结合现行国家标准规范要求和工程实践经验，针对疑难问题进行具体分析研究，并给出相应的解决措施和设计标准，以便指导罐表系统选型设计工作。

1 系统组成和功能

罐表系统由液位计、罐旁表、液位温度密度计(level temperature density,LTD)、多点温度计、数据接口单元、操作站、打印机组成。为提高系统的安全性和可靠性，一般操作站和数据接口单元采用冗余配置[3-4]。罐表系统结构如图1所示。

图1 罐表系统结构

罐表系统实时监测储罐的液位、温度及密度，用于实现储罐的库存管理和翻滚预测。其主要功能要求如下。

①库存管理：监控储罐的液位、温度、密度以及报警信息；实时监测每个储罐液化天然气的储存量；定时操作液位温度密度计执行梯度指令；生成并打印相应的库存报表、系统配置信息、历史趋势。

②翻滚预测：分层预测，并计算分层的演化过程；显示储罐每一层的高度、平均密度和温度；提供储罐出现翻滚现象的预报警；提供30天内的翻滚预测。

2 问题分析研究

2.1 液位计配置

在LNG储罐上使用的液位计主要有伺服液位计和雷达液位计2种。根据规范GB 51156的要求，液化天然储罐设置的2套独立的液位计宜采用伺服液位计，用于高液位监测的液位计宜采用雷达液位计或伺服液位计[5]。而规范GB 17681则要求，液体储罐必须配置液位检测仪表，同一储罐至少配备2种不同类别的液位检测仪表[6]。

LTD虽然可以测量液位，但不是连续测量，而是主要测量密度监测分层，以防止储罐内LNG发生翻滚。

LTD与伺服液位计测量原理相同。因此，若按照GB 17681的要求，则LTD不能作为与伺服液位计不同类别的液位计使用。若同时满足以上2个标准要求，罐表系统应配置2台伺服液位计和1台雷达液位计。

液位计配置除了符合相关标准规范的要求，还应该从项目实际需求出发，考虑不同液位计的性能。伺服液位计和雷达液位计参数比较如表1所示[7]。

表1 伺服液位计和雷达液位计参数比较

从表1可以看出：雷达液位计在测量储罐低液位时存在液位测量盲区，测量精度低、误差大，不能作为液位低低联锁信号；高液位测量则可以作为报警联锁信号。

在以往项目安全完整性等级(safety integrity level,SIL)分析中，由于使用的风险矩阵不同，低液位安全仪表回路为SIL1或SIL2。对于安全完整性等级为SIL2的情况，采用2伺服1雷达的1oo2表决可以满足GB/T 50770的要求[8]。但3伺服的2oo3表决方式提高了系统的可用性和可靠性。此外，在LNG接收站标准规范GB 51156中，明确了高液位监测可以采用伺服液位计。因此，考虑SIL分析结果的液位计配置如表2所示。

表2 液位计配置

另外，雷达液位计价格要高于伺服液位计，因此从安全可靠性和性价比这2个方面综合考虑，应首选3台伺服液位计的配置方案。

2.2 多点温度计测温点数确定

从储罐内罐底部到顶部设置多点均匀分布温度传感器，用于指示LNG在储罐中的温度分布。多点温度计与LTD系统配合，为操作员提供充足的储罐内温度数据，并为计算罐容奠定基础。

在以往项目中，由于不同罐容的储罐内罐高度不同，平均温度计测温点数设计也有所不同。按照GB 51156的要求，LNG内罐应设置多点温度计，相邻2个测温点之间的垂直距离不超过2 m。为满足标准要求，通常每座LNG储罐都是错位安装2套多点温度计，分别接入主、从伺服液位计。表3是以往项目不同罐容储罐设置的平均温度计测温点数，以及按照标准规范要求实际满足的测温点数。

表3 罐容与测温点数对照表

从表3可以看出，LNG储罐通常采用比标准要求更多的测温点数。

在LNG储罐的库存管理过程中，需要不断计算罐内的LNG总量。一方面，计算结果要保证供需平衡，在LNG量降到一定值时启动外部输入(LNG运输船或槽车)进行补充。另一方面，罐内LNG总量会影响防翻滚软件对储罐LNG翻滚的判断计算。

在计算罐内总质量的过程中，可视密度和罐壁修正体积需要，对罐内LNG温度进行多次修正[9]。罐内LNG温度是多点温度计测得的多个测温点的温度平均值。

(1)

式中：T为罐内LNG的平均温度；N为罐内LNG中测温点数；tn为罐内LNG中第n个测温点温度。

由式(1)可知，测温点越多，平均温度越精确，罐内总质量计算也越精确。如果不考虑变送器的处理能力和费用，则测温点越多越好。

例如，对于一座16万立方米的LNG储罐，其内罐高度为35 m左右，每套多点温度计选择10个测温点，同一多点温度计上相邻两点间距3.8 m，通过错位安装实现测温间距1.9 m，即满足标准要求。如果选择16点的多点温度计，相邻2个测量点间距2.4 m，2套多点温度计错位安装，实现2个测温点间距为1.2 m，提高了平均温度计的计算准确度。

罐内LNG总质量计算流程如图2所示。

图2 罐内LNG总质量计算流程

因此，对于LNG储罐，除了不考虑单个平均温度计变送模块的处理能力，应尽量选择更多点的平均温度计。

2.3 夹管阀设计

LTD采用多传感器组合探头，将液位、温度和密度传感器集成于一体。罐顶机械单元采用防爆步进电机驱动齿轮带螺旋钢缆或穿孔的传动带，进而带动一体化的传感器提升或下降[10]。

一般情况下，变送器通过管法兰直接与工艺隔离球阀连接。在液位温度密度计检修时，把集成传感器收到变送器的管腔内(位置B)，然后关闭导向管顶端工艺隔离球阀，即可拆卸变送器进行维修。但近年来，随着LNG储罐运行项目越来越多，在一些项目中遇到以下2种情况。①由于钢带复合缆直径较大，出现钢带复合缆在变送器轮毂腔室卡滞。②由于导向管在冷态环境中的收缩，造成集成传感器被导向管卡住不能上下移动。

LTD安装结构如图3所示。

图3 LTD安装结构

当以上情况发生时，由于集成传感器停留在位置A，工艺隔离球阀无法关闭，导向管内LNG会形成BOG不断进入变送器轮毂腔室，导致无法打开变送器进行检修。如果在检修时隔离导向管内的BOG，就需要在工艺隔离球阀和变送器之间加装夹管阀。夹管阀关闭时，通过耐低温聚四氟乙烯夹紧钢带复合缆实现对导向管的隔离。因此，在工艺隔离球阀和变送器间设置夹管阀是非常必要的，可为变送器检维护提供便利。

集成传感器损伤如图4所示。

图4 集成传感器损伤示意图

在某LNG储罐LTD调试过程中，当集成传感器从储罐底部上升0.5 m的位置时，上限液位开关动作，LTD停止运行。首先，通过关闭夹管阀隔离LTD轮毂腔和导向管，拆除LTD的电源和通信线，用轱辘提升集成传感器5 mm；然后，拆除夹管阀上部螺丝，转动LTD设备180°后再次安装；最后，解决集成传感器卡滞的问题。

2.4 防翻滚预测

在LNG的存储过程中，由于注入的LNG和储罐内原有LNG的密度、温度不同，可能出现分层现象。分层形成后，底部BOG无法正常挥发造成底部LNG过热“老化”，密度逐渐变轻；上层LNG由于轻质的BOG可以正常挥发，密度逐渐增大。在某些条件下，2层或多层LNG的密度趋于相同时，层间将发生迅速混合，从而导致发生翻滚现象。翻滚对储罐上的设备存在很大的危险性，会造成重大的经济损失和环境危害[11-12]。为防止LNG储罐发生翻滚，需要罐表系统具有防翻滚预测功能，从而根据防翻滚预测系统的报警信息采取相应的措施。

目前，LNG防翻滚软件的数学模型主要有2种。

(1)基于Janet Heestand及J.W Meader教授在1983联合出版的《A Predictive Model for Rollover in Stratified LNG Tanks》的文献。该文献提出了LNG热值交换、BOG蒸发率等计算方程。开发者根据这些方程进行计算机模型开发，对模型进行测试优化并验证。它是基于真实现场数据优化验证的模型，由MHT Technology Ltd.开发，简称MHT Rollover。MHT Rollover具有以下特征。

①由英国谢菲尔德大学开发，基于Mathworks/Microsoft C#语言编写，可预测31天的翻滚。

②翻滚软件嵌入在LNG库存管理软件中，无需另外配置操作站，只要提前输入LNG组分即可计算BOG和储罐压力。

③基于真实现场数据优化验证。优化测试数据来自有公开记录的翻滚数据，保证了数据的真实、可靠。在美国田纳西州Chattanooga LNG现场的5万立方米LNG储罐上进行了实际验证。

(2)基于法国燃气实验数据库专门数学模型和部分公开数学模型。这些公开的数学模型包括用于BOG蒸发量计算的Hashemi & Wesson模型[13]、用于计算LNG分层界面热量和质量传导的J.S.Turner 模型[14]和Y.Zellouf模型[15]等。开发者根据这些模型进行先进建模。LNG Expert具有以下特征。

①LNG Expert由Engie全球技术研发中心与LCEC咨询公司联合开发，基于Microsoft C#语言编写，可预测30天的翻滚。

②翻滚软件独立安装于1台操作站上，并根据LTD完成Profile后的数据自动计算BOG和储罐压力，以及罐内组分演化情况。

③基于部分公开模型和法国燃气(Gaz de France Suez)专有的数据库模型。模型经过反复验证。这些验证包括：Gaz de France位于法国南特的实验基地进行的验证；法国多个大型LNG接收站进行的数据验证；公开记录的翻滚数据进行的实验验证。

2种翻滚软件在翻滚预测方面各具优势。MHT Rollver基于理论模型，利用少量的真实发生的数据。LNG Expert则利用大量的模拟试验数据、真实翻滚数据和现场验证。两者从翻滚基理上都可以实现翻滚预测。目前，国内已运行和在建的LNG储罐中，2种翻滚软件的应用都很广泛，应用效果也都能满足翻滚预测的要求。

3 结论

罐表系统负责监测LNG储罐的运行状态，参照现行标准规范对罐表系统的要求，以及结合以往项目中遇到的实际问题，通过对选型设计问题进行分析研究，提出了相应的解决措施。该研究提高了设计人员在这些问题上的认识：液位计配置应优先选用3台伺服液位计；平均温度计测温点数应最大化设计；夹管阀必须设置以满足LTD检修要求；防翻滚预测软件应满足预测功能的要求。通过对罐表系统选型设计问题的分析研究，提高了设计工作效率，保证了LNG储罐的运行安全。该研究对同类LNG储罐项目设计具有重要参考意义。