LNG储罐的技术研究

发表时间:2021/8/24   来源:《工程管理前沿》2021年4月第10期   作者:丁龙 马红燕
[导读] 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
        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.
       
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