王 晨 楊公升 孫 謙 劉儉飛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

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全容式LNG儲罐表面溫度計(jì)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王 晨 楊公升 孫 謙 劉儉飛

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

針對全容式LNG儲罐預(yù)冷、正常運(yùn)行過程中需要對儲罐內(nèi)溫度和可能出現(xiàn)的泄漏情況進(jìn)行監(jiān)控的特點(diǎn)，通過對儲罐溫度測量位置和測量方法的分析，確定了表面溫度計(jì)的測量原理和外觀型式，詳細(xì)說明了表面溫度計(jì)的現(xiàn)場安裝型式和安裝方法，并提出了全容式LNG儲罐表面溫度計(jì)的布置原則。結(jié)合30 000 m3全容式LNG儲罐的實(shí)際項(xiàng)目，給出具體的解決方案，冷卻結(jié)果滿足項(xiàng)目需要和規(guī)范要求，對類似項(xiàng)目表面溫度計(jì)的設(shè)計(jì)與安裝具有指導(dǎo)和借鑒意義。

全容式LNG儲罐 表面溫度計(jì) 預(yù)冷 泄漏檢測 溫度控制 熱電阻

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染問題也日趨嚴(yán)重，東北、華北乃至華東地區(qū)均出現(xiàn)霧霾問題。為了保證經(jīng)濟(jì)與資源、環(huán)境的協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展，必須大力推廣清潔能源的使用，天然氣作為主要的清潔能源，將得到越來越多的重視。

常溫下天然氣是易燃易爆的危險(xiǎn)品，且呈氣態(tài)，不易大規(guī)模儲存，當(dāng)天然氣的溫度降至-162 ℃時(shí)，可在常壓下儲存，即為LNG(液化天然氣)。LNG是無色無味無毒無腐蝕性的液體，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600，可穩(wěn)定儲存，便于轉(zhuǎn)運(yùn)[1]。目前最常使用的LNG大型儲存裝置是全容式LNG儲罐。

隨著我國LNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，越來越多的全容式LNG儲罐被陸續(xù)建造。表面溫度計(jì)在全容式LNG儲罐的預(yù)冷、正常運(yùn)行和泄漏檢測等多方面起著重要作用[2-4]。本文通過表面溫度計(jì)的原理、選型和安裝說明其在全容式LNG儲罐中的應(yīng)用。

1 表面溫度計(jì)的選型分析

1.1 測量原理選擇

溫度儀表的測量可分為接觸式和非接觸式兩類，其中接觸式可分為熱膨脹式、熱電阻式和熱電偶式，非接觸式主要為熱輻射式?？紤]到LNG溫度及工藝設(shè)計(jì)最大溫度，用于LNG儲罐的溫度計(jì)的測量范圍應(yīng)該能夠覆蓋LNG的溫度(-162 ℃)，因此只能選擇熱電阻或者熱電偶型式的溫度測量儀表。

熱電阻和熱電偶部分參數(shù)對比如表1所示[5-6]。

表1 熱電阻與熱電偶參數(shù)對比

通過對比可以看出，熱電偶在響應(yīng)時(shí)間、溫度范圍和成本上要優(yōu)于熱電阻，但是一些重要參數(shù)，如精度、重復(fù)性、穩(wěn)定性等均不如熱電阻?？紤]到儲罐預(yù)冷時(shí)需要精確控制每小時(shí)的溫降速率，以及儲罐泄漏檢測過程要求測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要選擇精度相對較高的產(chǎn)品，且LNG儲罐建成投產(chǎn)后需要長時(shí)間使用，不能進(jìn)行內(nèi)部維護(hù)，要求穩(wěn)定性高，因此優(yōu)先選用熱電阻。

熱電阻可分為2線制、3線制和4線制。其中，2線制熱電阻有使用長度的限制，4線制熱電阻只用于需要極高精度的場合，通常LNG儲罐無需特別高的精度。因此，選用3線制熱電阻作為LNG儲罐表面溫度計(jì)的測量元件[7]。

1.2 表面溫度計(jì)外觀型式

LNG儲罐建成投產(chǎn)后在其生命周期內(nèi)基本上不能進(jìn)行維護(hù)，因而表面溫度計(jì)在儲罐建造階段就要安裝完成。根據(jù)工藝要求，預(yù)冷時(shí)使用的表面溫度計(jì)應(yīng)該安裝在內(nèi)罐底板和內(nèi)罐外壁上，操作時(shí)使用的表面溫度計(jì)安裝于吊頂上和內(nèi)罐外壁上(和預(yù)冷時(shí)使用的是一套)，泄漏檢測使用的表面溫度計(jì)安裝于環(huán)形空間底板上和熱保護(hù)角上。由于表面溫度計(jì)測溫點(diǎn)基本上在儲罐底部而變送器或接線箱在罐頂平臺上，因此傳感器到變送器的通信電纜會比較長。為了保護(hù)電纜，表面溫度計(jì)傳感器到變送器之間的部分全部包裹在無縫不銹鋼管中。

為了保證表面溫度計(jì)端部測溫頭位置準(zhǔn)確且不會隨意移位，表面溫度計(jì)端部測溫頭應(yīng)通過集熱塊焊接在待測溫的位置。集熱塊為中間帶有鉆孔的304不銹鋼塊，并在鉆孔的邊緣留有螺紋，方便測溫頭插入后使用螺母固定。為了更好地固定集熱塊，先將集熱塊焊接在X7Ni9不銹鋼板上，然后將鋼板焊接在待測溫位置。這樣設(shè)置可以擴(kuò)大測溫區(qū)域范圍，使測溫更準(zhǔn)確。

根據(jù)工藝需要，預(yù)冷部分和正常操作使用的表面溫度計(jì)的測溫信號進(jìn)入中央控制系統(tǒng)，只做過程控制使用，因此通常采用每個(gè)測量頭帶一支傳感器的型式。用于泄漏檢測的表面溫度計(jì)的測溫信號進(jìn)入火氣系統(tǒng)，作為應(yīng)急關(guān)斷使用，因此每個(gè)測量頭帶兩支傳感器，當(dāng)中控檢測到一支傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，手動切換另一支傳感器進(jìn)行測量，保證儲罐安全。

由于表面溫度計(jì)數(shù)量較多，測溫點(diǎn)多且分散，不可能使用一條多芯電纜傳輸信號，因此設(shè)計(jì)成每個(gè)測溫點(diǎn)使用一個(gè)傳感器帶一條通信電纜的型式。LNG儲罐的測溫點(diǎn)平均有30多個(gè)，且每個(gè)電纜的護(hù)管公稱直徑為1/4英寸(1英寸=25.4 mm)。如此數(shù)量的電纜從罐內(nèi)穿出到罐外平臺需要通過較大尺寸的法蘭，并在法蘭處做好密封。通常情況下，表面溫度計(jì)采用一片16英寸的法蘭，上面開孔，呈圓環(huán)形布置。

2 表面溫度計(jì)的安裝分析

表面溫度計(jì)應(yīng)用于全容式LNG儲罐，除測量范圍、精度等要求外，還需要額外考慮安裝要求。①安裝在內(nèi)罐底板的表面溫度計(jì)應(yīng)該固定在底板上，避免LNG進(jìn)液時(shí)沖刷底板，造成溫度計(jì)的位移；②安裝在內(nèi)罐外壁的表面溫度計(jì)應(yīng)沿罐頂?shù)焦薜椎匿撴溝蛳?，并固定在?nèi)罐外壁板上；③安裝在環(huán)形空間底板和熱保護(hù)角的表面溫度計(jì)應(yīng)能夠承受環(huán)形空間中保冷材料的擠壓，也應(yīng)該固定安裝[8]。

全容式LNG儲罐只能在罐頂開孔，因此所有的表面溫度計(jì)都應(yīng)從罐頂通過內(nèi)罐內(nèi)外的兩根鋼鏈向下敷設(shè)。其中內(nèi)罐底板及吊頂上的表面溫度計(jì)沿內(nèi)罐內(nèi)部的鋼鏈敷設(shè)，內(nèi)罐外壁、環(huán)形空間和熱保護(hù)角的表面溫度計(jì)沿內(nèi)罐外部的鋼鏈敷設(shè)。內(nèi)罐內(nèi)部的鋼鏈下部與內(nèi)罐底板焊接，并留有一定的伸縮空間。由于內(nèi)罐均為X7Ni9不銹鋼焊接而成，為了減少不同種材質(zhì)焊接可能發(fā)生的焊接不合格的風(fēng)險(xiǎn)，與內(nèi)罐底板焊接的連接件的材質(zhì)均為X7Ni9不銹鋼。內(nèi)罐外部的鋼鏈通過連接件固定在內(nèi)罐外壁上，其材質(zhì)也均為X7Ni9不銹鋼。為了保證焊接連接件時(shí)不破壞原有的X7Ni9不銹鋼板之間的焊縫，連接件的焊接應(yīng)與焊縫有一定的距離。

表面溫度計(jì)與鋼鏈之間以蝸桿傳動螺旋夾相連，相鄰螺旋夾之間的距離應(yīng)盡可能短，以防止表面溫度計(jì)在罐內(nèi)受到LNG的沖擊產(chǎn)生拉伸、纏繞等變形。

3 表面溫度計(jì)布置原則

儲罐預(yù)冷時(shí)，預(yù)冷管線中的LNG通過內(nèi)罐頂部噴淋頭轉(zhuǎn)化成氣態(tài)的低溫天然氣，充滿整個(gè)內(nèi)罐空間，使整個(gè)內(nèi)罐的罐體及其結(jié)構(gòu)溫度下降到-162 ℃左右，然后在內(nèi)罐底板上開始形成LNG的液位。根據(jù)EN 14620-52006附錄A中所述，內(nèi)罐的冷卻速度為3 K/h，最大冷卻速度為5 K/h，罐壁或罐底上任意兩個(gè)相鄰溫度計(jì)之間的最大溫差為30 K[9]。根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，任意兩個(gè)不相鄰溫度計(jì)之間的最大溫差為50 K。

根據(jù)規(guī)范要求和經(jīng)驗(yàn)，為了保證預(yù)冷效果和預(yù)冷過程的安全，內(nèi)罐底板和內(nèi)罐外壁的表面溫度計(jì)探測儲罐在預(yù)冷過程中的溫度變化來控制預(yù)冷速率。內(nèi)罐底板的表面溫度計(jì)布置要能檢測到盡可能多的點(diǎn)的溫度。因此，通常采用環(huán)形布置和十字交叉形布置。表面溫度計(jì)的數(shù)量可根據(jù)儲罐的容積來布置，50 000 m3及以下的儲罐一般布置8個(gè)，160 000 m3及以上的儲罐可布置10個(gè)或更多。內(nèi)罐外壁的表面溫度計(jì)沿著罐壁向下的鋼鏈布置，可平均3 m布置一個(gè)，也可以在底部布置得緊湊一些，在其他位置布置得寬松一些。環(huán)形空間和熱保護(hù)角的表面溫度計(jì)通常沿圓周平均布置，50 000 m3及以下的儲罐一般布置5～6個(gè)，160 000 m3及以上的儲罐可布置8個(gè)或更多。吊頂上的表面溫度計(jì)布置較少，可在吊頂半徑1/2處中心對稱布置2個(gè)，另一個(gè)裝在BOG排放管線入口處，用于BOG蒸發(fā)率的測量[10-11]。

4 表面溫度計(jì)應(yīng)用案例分析

某30 000 m3全容式LNG儲罐，表面溫度計(jì)布置方案如圖1所示。

①內(nèi)罐底板布置8個(gè)，采用十字交叉型式；

②內(nèi)罐外壁布置8個(gè)，等間距布置；

③環(huán)形空間布置5個(gè)，等間距布置；

④熱保護(hù)角布置6個(gè)，等間距布置；

⑤吊頂布置3個(gè)，其中兩個(gè)于半徑1/2處中心對稱布置，另一個(gè)布置于BOG排放管線入口處。

圖1 表面溫度計(jì)布置圖

預(yù)冷時(shí)罐底和罐壁的溫降速率曲線分別如圖2和圖3所示。

圖2 罐底冷卻曲線

圖3 罐壁冷卻曲線

由圖2和圖3可知，采用表面溫度計(jì)監(jiān)測儲罐預(yù)冷，可以隨時(shí)根據(jù)溫降速率調(diào)整LNG進(jìn)液量，使LNG儲罐整體預(yù)冷速率滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)束語

表面溫度計(jì)在全容式LNG儲罐預(yù)冷、正常運(yùn)行和泄露檢測等操作中起著重要的作用。在進(jìn)行表面溫度計(jì)的設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)工藝需要，合理選擇設(shè)計(jì)原理、外觀型式、安裝型式等，并要結(jié)合現(xiàn)場施工情況選擇適合的產(chǎn)品，才能做出符合要求的設(shè)計(jì)。

[10]宋媛玲,白改玲,趙月峰,等.一種低溫液態(tài)烴儲罐的冷卻系統(tǒng)和冷卻方法:中國,201110171863.1[P].2011-11-30.

[11]白改玲,趙月峰,安小霞,等.一種低溫液態(tài)烴儲罐的泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和方法:中國,201110201193.3[P].2013-08-07.

Design and Application of Surface Thermometer for Full Containment LNG Tank

In precooling or normal operation process of full containment LNG storage tank,it is necessary to monitor the temperature inside the tank and the leak condition that may occur,through analyzing the position and method of temperature measurement for the tank,the measurement principle and appearance form of surface thermometer are determined.The installation form and method of surface thermometer on site are described in detail,and the layout principle of surface thermometer for full containment LNG tank is put forward.Combining with the actual project,the specific solution is given; the cooling results meet the requirements of the project and specification.The research provides guidance and

ignificance to design and installation of surface thermometers for other similar projects.

Full containment LNG tank Surface thermometer Precooling Leakage detection Temperature control Thermal resistance

王晨(1983-)，男，2009年畢業(yè)于天津大學(xué)微電子專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師；主要從事液化天然氣工程儀表設(shè)計(jì)工作。

TH811;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601025

修改稿收到日期：2015-06-01。