丁龙 马红燕
新疆庆华能源有限公司 新疆 835100
摘要：液化天燃气（LNG）低温储罐用于储存液化天燃气，是LNG接收站中技术含量最高，经济价值最大的设备。为了确保LNG低温储罐的安全建设以及后续正常运行，本文对LNG低温储罐控制技术做详细的阐述。
关键词：液化天燃气（LNG）；低温储罐；罐表系统
引言
天燃气是在气田中自然开采出来的可燃气体，主要由甲烷组成。液化天燃气（liquefiednaturalgas，LNG）是通过在常压下将气态的天燃气冷却至－162℃，使之凝结成液体。天燃气液化后可以大大节约储运空间和成本，且具有热值大、性能高等特点。同时，LNG作为一种清洁、高效的能源，越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料，天燃气在能源供应中的比例迅速增加。
1.LNG低温储罐液位控制技术
通常，LNG低温储罐需要配置3台液位设备，包括2台液位变送器和1台液位开关（高高液位开关）。液位变送器使用目前LNG低温储罐使用最广泛的液位变送器，及伺服型液位变送器。伺服变送器由表头、钢带（316L不锈钢外包PTFE）和传感器探头组成。其中表头中安装有编码器、CPU主板、钢带转盘和微型电动伺服等。其测量原理为传感器探头直接接触液体液面，当液体液面上升或下降时，传感器探头感应到不同的浮力，根据力平衡，微型电动伺服驱动钢带转盘，由于钢带连接在传感器探头和钢带转盘，从而与液体液面同时上升或下降。计算钢带长度，编码器通过解码，并把数据传送到CPU主板，数据经CPU主板处理后，被转换成标准的液位信号传送到上位工业机（上位工业机装有LNG管理软件），上位机与DCS冗余通信，把所有的液位信号传送到DCS，DCS可实时监控LNG低温储罐的液位。另外每台伺服液位变送器还配置一个SIL继电器输出高高液位触点，高高液位继电器输出直接连接到ESD系统，用于LNG低温储罐单元安全切断。整个系统通常考虑为冗余回路，通信冗余，在一个回路有故障的情况下，另外一个回路可以自动切换，这样的控制方案有几个缺点：（1）液位计只有2个，只能实现2个液位计的测量值对比；（2）液位设备只能实现储罐液位低低继二选二电器输出。为了改进液位控制，在与工艺专业多次商量以后，决定2台液位变送器除了原有液位高高继电器输出以外，每台液位变送器增加一个液位低低继电器输出（SIL认证）。第3台液位开关直接改成液位变送器，同时具有液位高高/低低继电器输出。
改进以后的液位控制实现了3台液位计同时监控LNG低温储罐的实际液位，3个液位测量值实现对比。增加了液位低低逻辑，3个液位低低实行三选二，如果任意2个液位低低报警，逻辑激活储罐液位低低报警，紧急切断相关的设备，如LNG低温泵。改进的液位监控及控制，实现了3个液位测量值的监控。同时，增加了液位低低报警，提高了LNG低温储罐对液位高高/低低安全要求。
2.LNG低温储罐压力控制技术
LNG储存在LNG低温储罐中，虽然LNG低温储罐有很好的保冷效果，但随着时间的延长，会有热量进入LNG低温储罐。热量进入以后，LNG会气化成天燃气，随着气化量越来越多（BOG），LNG低温储罐的压力会上升，此时，需要安装压力变送器实时监控LNG储罐压力。LNG低温储罐的设计压力一般为39kPa，为低压储罐。由于压力升高易导致天燃气泄漏，甚至LNG低温储罐破裂，虽然天燃气是无毒介质，但却是爆炸危险气体，且大量泄漏天燃气也是经济损失，如出现此情况，将造成重大的经济损失和安全事故。因此，LNG低温储罐压力控制是非常重要的。
在LNG低温储罐罐顶安装3个2寸管嘴，每个管嘴安装2个压力变送器，同时，安装1台绝压变送器，总共安装了6台压力变送器，1台绝压变送器。
其中3台压力变送器连接到DCS控制系统，另外3台压力变送器（带SIL认证）连接到ESD系统，绝压变送器连接到DCS，只用于显示。3台压力变送器连接到DCS，把储罐压力测量值变成4~20mA的信号，传送到DCS。3台压力变送器，选出最小测量值，控制压缩机的抽气容量，当LNG低温储罐的压力高于一定数值时，增加压缩机的抽气容量，抽出储罐中多余的天燃气，降低储罐压力，从而控制LNG低温储罐的压力在正常范围内。当压力低于压力低报警时，压缩机自动停止。另外为了防止储罐压力过低，3个压力测量值中选用1个最高压力，如果最高压力低于设定值，说明储罐压力过低，这时就需要注入氮气，补充储罐压力。当压力高于压力高报警时，氮气调节阀自动关闭。通过这样的控制，确保LNG低温储罐的压力在正常范围内。在正常操作下，LNG低温储罐的压力通过以上方法进行控制。但在一些紧急情况下，比如LNG翻滚，此时会瞬间产生大量气态天燃气，压力瞬时升高。这就需考虑ESD紧急切断。另外3个压力变送器直接连接到ESD系统，如果压力高高报警，ESD关断相关设备，隔离LNG低温储罐。
通过DCS和ESD系统双重控制LNG低温储罐压力，DCS主要负责正常操作下，实现压力控制，ESD负责在紧急情况下隔离储罐单元，实行完全独立监控和控制，确保了LNG低温储罐的压力安全。
3.LNG低温储罐温度监控技术
LNG低温储罐一般不对温度进行任何控制和保护，只作为LNG温度监控。一般的LNG储罐会设置2个多点温度计，每个多点温度计配有16点温度传感器。温度传感器可以使用热电阻或热点偶，有些厂商的产品，第1个温度点使用热电阻，其它点使用热电偶，也有厂商所有温度点全部使用热电阻。
在储罐中，密度小的液体会集聚在密度大的液体之上，抑制了下层液体的挥发。当储罐内的LNG出现明显的分层现象时，由于上层LNG静压的抑制作用，使得外界传入的热量无法通过下层的LNG液体的蒸发而散失，导致下层LNG处于过饱和状态，下层液体的温度就会升高，少量的氮气就会首先汽化，破坏两层液体的界面，使得LNG储罐内出现扰动，也就是翻滚现象。如果储罐内上层的LNG密度大于下层，下层LNG突然上升，导致边界层破坏，液体挥发，产生剧烈扰动，储罐内的温度上升，压力也急剧上升。因此，需要监控LNG的密度，如果密度差太大，就会发生LNG翻滚。操作人员需要采取相应的保护措施，例如运行低压泵，打回流，使储罐中的LNG密度混合均匀。翻滚现象产生的原因为储罐内LNG由于各组分密度不同，导致密度大的组分在下，密度小的组分在上，密度差会形成分层，有时即使仅差1kg/m3也会分层，而分层是引发翻滚的第一步。有关资料介绍，如果储罐内LNG有2层，当其密度差为6.9kg/m3时，存放72h后就会产生翻滚现象。若LNG进储罐时的温度有细微变化，会引起LNG的密度产生细微变化，温度高的LNG密度较小，温度低的LNG密度较大，密度小的液体上浮，密度大的液体在下，产生分层的现象。一般的，当温差为0.79K时，存放72h后将产生翻滚现象。
由于不同阶段添加的LNG的组分不同，导致新注入LNG的2层液体密度不同，罐内液体存在密度差，产生分层现象，在存储和运输过程中就会有扰动现象，剧烈的扰动就是翻滚现象。同时，上位机与防翻滚软件通信，把每次测量的密度、温度传送到防翻滚软件。防翻滚软件基于当前条件进行计算，预测发生翻滚的时间、翻滚出现时的压力。计算包含开始计算、读取密度数据、组分计算、创建数据曲线、预测计算和处理结果。
结语
LNG低温储罐控制及监控，从储罐液位、压力、密度和温度全面实现了对LNG低温储罐自动控制和监控，大大地减少了LNG储罐的人工操作，最重要的是确保了整个LNG低温储罐的安全运行。
参考文献
[1] 赵洪涛. 应变强化技术在 LNG 低温储罐中的应用[D]. 2018.
[2] 杨小兵. 浅谈大型 LNG 低温储罐的建造技术[J]. 工程建设(2630-5283), 2020, 003(002): 151-153.