楊 帆

（北京沃利帕森工程技術(shù)有限公司，天津 300201）

天然氣是一種多組分的混合氣態(tài)化石燃料，是各種替代燃料中最早廣泛使用的一種。它主要存在于油田、氣田，燃燒后不會(huì)產(chǎn)生廢氣，廢水，且熱值高、經(jīng)濟(jì)、便利。近年來，隨著液化天然氣（LNG）在世界能源消費(fèi)中的比例逐年快速增長(zhǎng)，LNG低溫儲(chǔ)罐的建設(shè)施工不斷增加，且發(fā)展勢(shì)頭迅猛。LNG儲(chǔ)罐一般容量較大，細(xì)微的液位測(cè)量誤差都將帶來很大的容量誤差，因此液位測(cè)量及控制在儲(chǔ)罐中非常重要。本文以某大型LNG低溫儲(chǔ)罐為例，探討一種基于伺服式液位計(jì)的液位測(cè)量技術(shù)。

1 LNG儲(chǔ)罐簡(jiǎn)介

LNG生產(chǎn)工廠和接受終端都設(shè)有相應(yīng)的LNG儲(chǔ)罐，這些LNG儲(chǔ)罐一般都是容量在1×104m3以上的大型儲(chǔ)罐。LNG儲(chǔ)罐按照設(shè)置方式可以分為地下罐和地上罐，而按其結(jié)構(gòu)形式又可分為單包容罐、雙包容罐、全包容罐及膜式罐。全包容罐相較其他形式有較高的安全性，如今儲(chǔ)罐多以大容積為主，因此選用全包容罐更加必要。

全包容罐有混凝土灌頂與金屬頂。混凝土頂罐的最大操作壓力可以設(shè)計(jì)得更高，由于這個(gè)壓力比LNG船艙壓力高，在卸船操作時(shí)，BOG可通過罐內(nèi)蒸發(fā)氣自身壓力在不使用增壓機(jī)的情況下直接返回到LNG運(yùn)輸船上，減少了操作費(fèi)用和設(shè)備費(fèi)用。因此，國(guó)內(nèi)很多接收站都選擇了全容式混凝土頂儲(chǔ)罐。全容式混凝土頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)包含內(nèi)罐和外罐，內(nèi)罐壁板材采用含鎳（9%Ni）的合金鋼板，外罐用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土制成，墻體豎環(huán)向采用VSL預(yù)應(yīng)力后張束，豎向兩端錨固于混凝土墻頂部，底部，環(huán)向分別錨固于布置成90°的4根扶壁柱上。外罐厚度1m，內(nèi)外罐之間填充保溫材料[1]。

在LNG儲(chǔ)罐上設(shè)有足夠的報(bào)警和停車設(shè)施以保證LNG儲(chǔ)罐最大的安全。同時(shí)，在LNG儲(chǔ)罐上設(shè)有液位、溫度、密度連續(xù)檢測(cè)儀表，確保正常安全生產(chǎn)。

2 伺服式液位計(jì)

2.1 伺服式液位計(jì)測(cè)量原理

伺服式液位計(jì)是多功能儀表，既可測(cè)量液位，也可測(cè)量界面、密度和罐底等參數(shù)，常用于儲(chǔ)罐液位的高精確度測(cè)量。其基于力平衡的原理，由微伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)體積較小的浮子，使其精確地進(jìn)行液位或界面測(cè)量，其基本工作過程是：浮子用測(cè)量鋼絲懸掛在儀表外殼內(nèi)，而測(cè)量鋼絲纏繞在精密加工過的外輪鼓上，外磁鐵被固定在外輪鼓內(nèi)，并與固定在內(nèi)輪鼓內(nèi)磁鐵耦合在一起。當(dāng)工作時(shí)，浮子作用于細(xì)鋼絲上的重力在外輪鼓的磁鐵上產(chǎn)生力矩，引起磁通量的變化。輪鼓組件之間的磁通量變化導(dǎo)致內(nèi)磁鐵上的電磁傳感器（霍爾元件）的輸出電壓信號(hào)變化，其值與貯存于CPU中的參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)浮子的位置平衡時(shí)，其差值為零。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)液位變化時(shí)，使得浮子位置發(fā)生改變。其結(jié)果是磁耦力矩被改變，使得帶有溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栐妮敵鲭妷寒a(chǎn)生變化。該電壓值與CPU中的參考電壓的差值驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)浮子上下移動(dòng)，直到重新達(dá)到平衡點(diǎn)。整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)反饋回路，其精確度可達(dá)±0.7mm，同時(shí)，其自帶的掛料補(bǔ)償功能，能夠補(bǔ)償由于鋼絲或浮子上附著被測(cè)介質(zhì)導(dǎo)致的鋼絲張力的改變。伺服式液位計(jì)根據(jù)不同的工況，可選擇不同外殼材質(zhì)和耐壓等級(jí)。一般適用于常壓至2.5MPa壓力的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.2 伺服式液位計(jì)的安裝

伺服式液位計(jì)的安裝方式同非接觸式液位計(jì)。安裝在罐體上時(shí)，與介質(zhì)相通的腔室與電氣腔室完全隔離，以避免物料泄露。由于LNG儲(chǔ)罐通常是底部進(jìn)料，在剛開始進(jìn)料時(shí)，由于液位較低，LNG會(huì)對(duì)浮子產(chǎn)生沖擊，使浮子發(fā)生飄移，從而影響讀數(shù)的精確性。因此，需采用導(dǎo)波管安裝方式。

在使用中，伺服液位計(jì)安裝時(shí)有以下注意事項(xiàng)：(1)安裝導(dǎo)波管的位置應(yīng)偏離儲(chǔ)罐進(jìn)料口，以防止由于輸入液體的波動(dòng)或湍流而引起的浮子的劇烈擺動(dòng)。(2)安裝導(dǎo)波管的位置應(yīng)該離開罐壁至少500mm，以確保測(cè)量不受環(huán)境溫度的影響。(3)徹底處理好導(dǎo)波管進(jìn)液小孔的毛刺，以防毛刺掛住浮子。(4)保證伺服式液位計(jì)連接法蘭的垂直度，以避免浮子碰到導(dǎo)波管的內(nèi)壁造成液位測(cè)量失靈。

3 LNG儲(chǔ)罐液位測(cè)量

LNG儲(chǔ)罐使用液位-密度-溫度（LTD）連續(xù)測(cè)量設(shè)備和伺服式液位計(jì)相配合來測(cè)量?jī)?chǔ)罐的液位和各個(gè)液面的密度、溫度。LTD由數(shù)字邏輯單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元組成，可在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)垂直移動(dòng)、測(cè)量，并顯示與各種液面相對(duì)應(yīng)的液體密度和溫度。

LNG 在－160～－155℃存儲(chǔ)時(shí)，LNG 是多組分混合物，因溫度和組分的變化，液體密度的差異使儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG可能發(fā)生分層。一般罐內(nèi)液體垂直方向上溫差大于0.2、密度大于0.5kg/m3時(shí)，即認(rèn)為罐內(nèi)液體發(fā)生了分層。儲(chǔ)罐內(nèi)液化天然氣由于外界熱量的傳入而發(fā)生氣化，由于各組分的蒸發(fā)量不同，導(dǎo)致LNG的組分和密度發(fā)生變化，這一過程稱為老化。當(dāng)有新的LNG產(chǎn)品注入儲(chǔ)罐時(shí)，由于新、舊LNG的溫度及密度不同，出現(xiàn)充注分層。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG產(chǎn)生分層后,隨著外部熱量的導(dǎo)入,底層LNG溫度升高,密度變小;頂層LNG由于BOG的揮發(fā)而變重。經(jīng)過傳質(zhì),下部LNG上升到上部,壓力減小,成為過飽和液體,積蓄的能量迅速釋放,產(chǎn)生大量的BOG,即產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。（即兩層不同密度的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)迅速上下翻動(dòng)混合,瞬間產(chǎn)生大量氣化氣的現(xiàn)象。）此時(shí)罐內(nèi)LNG的氣化量為平時(shí)自然蒸發(fā)量的10～50倍,將導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)的氣壓迅速上升并超過設(shè)定的安全壓力,使儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象時(shí)，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(shí)蒸發(fā)，造成下層LNG處于過飽和狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)上層的LNG密度大于下層時(shí)，下層LNG突然上升，導(dǎo)致迅速蒸發(fā)[3]。如果不及時(shí)通過安全閥排放,就可能造成貯槽的機(jī)械損傷,帶來經(jīng)濟(jì)上的損失及環(huán)境污染。因此，需要對(duì)翻滾進(jìn)行監(jiān)控，而分層是翻滾的前提，檢測(cè)分層就要監(jiān)控溫度，密度，BOG等。這些LTD都可以進(jìn)行監(jiān)控。

該測(cè)量系統(tǒng)包括伺服式液位計(jì)、平均溫度計(jì)、壓力變送器和罐旁指示儀。其中，平均溫度計(jì)、壓力變送器和罐旁指示儀都通過HART協(xié)議與伺服液位計(jì)進(jìn)行通信。利用罐旁指示儀，操作人員可以在罐下觀察液位，對(duì)罐頂伺服液位計(jì)進(jìn)行操作。平均溫度計(jì)的溫度信號(hào)與壓力變送器的壓力信號(hào)都首先送到伺服液位計(jì)，由伺服液位計(jì)將二者連同液位信號(hào)統(tǒng)一通過Rackbus RS-485輸出至控制室。在控制室，通過專用接口、網(wǎng)關(guān)可以轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié) 議 ， 如 Modbus RS-232、RS-485、ControlNet、Profibus-DP等，實(shí)現(xiàn)與PLC或DCS的通信。

LNG儲(chǔ)罐設(shè)置2臺(tái)伺服液位計(jì)，其信號(hào)送至PLC或DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液位的實(shí)時(shí)檢測(cè)。如其中一臺(tái)發(fā)生故障或進(jìn)行維修，另外一臺(tái)可以作為備用，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐液位信號(hào)的正常檢測(cè)。同時(shí)，另設(shè)置一臺(tái)高低液位開關(guān)。三臺(tái)液位計(jì)的信號(hào)送至ESD系統(tǒng)組成三選二邏輯，用于停止進(jìn)料或停止罐內(nèi)低壓泵，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的高低液位保護(hù)，達(dá)到安全儀表等級(jí)SIL3。

4 結(jié)語

伺服式液位計(jì)以其卓越的性能，越來越多的在各類工程中得到應(yīng)用。同時(shí)，基于伺服式液位計(jì)的液位測(cè)量方法也將在LNG儲(chǔ)罐建造中擁有更為廣闊的使用前景。

［1］趙紅強(qiáng),董傳紅,呂志榕.大型LNG儲(chǔ)罐控制方案探討[C].第六屆全國(guó)石油和化學(xué)工業(yè)儀表及自動(dòng)化技術(shù)交流研討會(huì).重慶.2007:154-161.

［2］孫國(guó)鋒.國(guó)產(chǎn)高準(zhǔn)確度伺服液位計(jì)的測(cè)量原理及應(yīng)用[J].石油庫(kù)與加油站.2008，17(4):28-32.

［3］鄒華生，黃春來.液化天然氣儲(chǔ)運(yùn)中的翻滾現(xiàn)象分析關(guān)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn).2006，25(11):13-15.