LNG储罐的监测和控制系统.pdf

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1、技 改 与 创 新 化 工自 动 化 及 仪 表，2 0 1 0，3 7(5)：1 1 4 1 1 7 C o n t r o l a n d I n s t r u me n t s i n C h e mi c a l I n d u s t r y L N G储罐的监测和控制系统 房树萍(上海液化天然气有限公 司，上海 2 0 0 0 2 1)摘要：主要介绍 L N G接收站储罐的监测和控制 系统，根据 L N G项 目低温储存要求，详述了储罐监测和控 制系统的控制方法及特点，通过生产实际应用，此控制系统能够保证生产的安全、平稳运行，完全满足工艺的控制 要求，从 而提 高生产 管理水平。

2、关键词：L N G液化天然气；R O L L O V E R翻滚；蒸发气 B O G；T G S储罐监控 系统；L T D液位温度密度计 中图分类号：T P 2 7 3 文献标识码：B 文章编号：1 0 0 0 3 9 3 2(2 0 1 0)0 5-0 1 1 4-0 4 1 引 言 为 了有效解决上海能源供应安全、生态环境保 护的双重 问题，实现经济和社会 的可持续发展，在上 海洋山深水港 中西门堂岛，建成接收 6 0 0万 吨 年 L N G接收站。L N G由专用 L N G船从生产地输出终 端运到 目的地接收终端，通过 卸料臂 和卸船 管线送 到 L N G储罐进行储存，经再气化后送

3、到计量站外输 至用户。由于 L N G的来 源、组 份 和密度不 同，在 储 罐混合不充分时易发生翻滚，当介质快速混合时逸 出大量蒸发气体，L N G气化后 的体积为液态时 的 6 0 0倍，将造成 储罐 内部 压力 超高 损坏 储罐。根 据 L N G低温(一1 6 5 o C)的特点，在储 罐上安装 了密度 和温度探头以监测 L N G分层防止翻滚，确保储罐安 全有效地运行，下文就对 L N G储罐的监测和控制系 统做详细 阐述。2 L N G储 罐的监测和控 制系统 2 1 L N G储罐监测和控制 系统概述 为预 防储 罐发生 翻滚，轻、重 L N G分别 从 注入 管线的底部和顶部进

4、入 L N G储罐，在注入储罐时应 使 L N G循 环、消除分层，保证其充分混合；当产生分 层后，在外输 时首先 泵 出底 部 L N G。每个储 罐都安 装有对 L N G存料液位、温度和密度以及气相压力进 行安全监控 的系统，本系统 由储罐监测 系统 T G S和 压力控制系统组 成，储罐监 测系统可 提前 预 防 L N G 发生分层，防止翻滚，并维持 L N G储罐处于正常液 位；正 常情况 下，B O G压缩机控 制 L N G储 罐气 压达 到正常压力，当压缩机无法维持储罐内正常压力时，储罐控制系统保护储罐不发生超压或真空，储罐安 全保护装置将及时消除安全隐患。2 2 LNG储罐

5、监测和控制系统 图 本监控系统分管理层、控制层、设备层。管理层 采用 1 0 1 O 0 M b p s自适应冗余工业以太 网和 P C S系 统进行通讯；控 制层 通过 R S 4 8 5接 口，采用 Mo d b u s R T U主 从 协议 和储 罐管 理系统 L M S进行 通讯；设 备层将现场采集的数据通过通讯界面单元 C I U储 存转换后上传至控制器。储罐监控系统相对储罐是 一个独立 的监控 系统，但相对接收站而 言，只是 P C S 系统的一个子系统，储罐监控系统的数据通过储罐 管理系统 L MS系统上传至 P C S系统，而 P C S系统包 括 D C S、E S D、F

6、&G S系统，需各产 品采用标准开放 的 通讯协议，实现各系统间无障碍通讯。控制器、电 源、通讯都采用热备方案，当发生多个设备和物理故 障时将无扰动切换至备用系统，同时显示报警信息，确保系统安全有效运行。L N G储罐监测和控制系统如图1 所示。图 1 L N G储罐监测和控制系统 收稿 日期：2 0 1 0-0 4-0 2(修改稿)第 5期 房树萍 L N G储罐的监测和控制系统 1 1 5 2 3 L N G储罐监测 系统组成及功能 由 L N G储 罐 管 理 系 统 L MS、通 讯 界 面 单 元 C I U、储罐仪表 系统等组成。(1)L N G储罐管理系统 L MS。在中控 室监

7、测储罐 的状态，液位、温度和密度等 参数通过 R S 4 8 5接口，采用 M o d b u s R T u协议，上传 到冗余上位机系统 L M S，再根据 储罐 的计量 原则进 行管理，是储 罐管理计 量系统 的基础。(2)通讯界面单元 C I U。将现场传来的数据进行储存转换，传送至 L M S 进行储罐 管理，或通过 M I N I 手操器进行数据读取。(3)储 罐仪 表系统。L N G储罐为总净容量 1 6 5 0 0 0 m 全容罐，为确 保安全有效 的运行，在储罐上设置 了液位、温度和密 度仪表 L T D，第一、第二液位计，报警 液位计，储 罐壁 多温度传感器，泄漏检测传感器，

8、独立的温度和压力 传感器等，可实时监测储罐的液位、温度以及密度分 布 的情 况。因储 罐 监 测 系统 要 精 确 检 测 低 温 一1 6 5 o C的 L N G，密度精度 需达到 0 5 k g 1 1 1 ，温度 精度需达到 0 1 o C，液位精度需达到 1 m m。因 储罐是直径 8 0 m、高度 5 2 m 的大 型储罐，是 国内已 建成 L N G储罐 中罐容最大 的，焊接 到感 温元件上 的 引线长度约在 5 0 m左右，在安装时需将引线打成 圈 固定在罐壁上，避免折损。为确保探头检测精度，罐 壁温度探头在安装时最好通过垫片焊接在罐壁上，若通过探头直 接焊接，容易损坏探头，且

9、缩短使用 寿 命。在进料前 要对探 头进行 精度 调校，尤 其是 L T D 的液位探头，根据罐容计算不断修正探头准确定位。在翻滚产生前为 了避免 任何不受 控制 的溢 出危险，所有与储罐连接的仪表和管道都从储罐顶接入。l 2 0 D D：4 2 0 k g m 液位 一温度 一 密 度(L T D)系统。在 L N G储 罐上安 装 了液位 一温度 一密度 测量 仪来监测分层现象，L T D由两个液位传感器、铂电阻 温度传感 器和振 动轴式 密度计 组成，均为本 安型开 关组件，探 头 在 整个 罐 高 范 围 内 自动 检测 L N G液 面，检测到的信号通过中间螺旋电缆传至仪表，并可 补

10、偿储罐动态变化(环境和体积变化)，达到精确的 液 位计量。因此在储罐 内竖 向每 1 5 i n安装温度测 量装置进行温度 和密度测量，分别设有 3 2个温度和 密度测点。当检测到任何两个传感器之间温度和密度的 差，均可 预 防 分 层、翻 滚 现 象 的发 生，L N G储 罐 内 L N G分层形成的两个标准为：a 温度高报的标准：当 L N G储罐内任何两个温 度传感器 的温度差超过 2 0 o C 时 L N G产生分层，详 见图2。为确保不发生误报，并同时满足 D D 的 密度积大于 4 2 0 k g I n ，系统执行一个与逻辑，系统 产生高报。D C S逻辑设定条件见图3。一

11、一一一一 一、一 一一I 。图 2 L N G产生分层 Hi g h a l a r m (T1 02 1 0 0l H，_r 1 0 2 2 0 01 H，r 1 0 2 3 0 01 H)图 3 温度高报 D C S逻辑设定条 件 b 密 度 高 报 的标 准：当 L N G储 罐 内 任 何 两 个密度传感 器的密度差超 过 1 0 k g m。，为确保 不 发生 误 报，并 同 时满 足 D D 的 密 度 积 大 于 fJ I)一 1 0 k g m D D 4 2 0 k g m 4 2 0 k g m ，系 统 执 行 一 个 与 逻 辑，系 统 产 生 高 报。D C S逻辑设

12、定条件见图 4。Hi g h a l a r m (1)1 0 2 l 0 01 H，D1 0 2 2 0 01 H，D1 0 2 3 0 01 H)图4 密度高报 D C S 逻辑设定条件 L N G密度按下面公式进行计算(由修改后的 K l o s e k Mc K i n l e y方法推出)：X M 一 +式 中：i 某种组分 的摩 尔浓 度；M 某 种组 分的分子量；某种 组分 在特定 温度 下的摩 尔 体 积；。，气 体 常 数；氮 的 值；甲烷 的 值。储罐测量中的液位 一 温度(L I T)。为防止溢流和抽干，每个 L N G储罐都安装 了伺 1 l 6 化工自 动化及 仪表

13、第 3 7卷 服液位计 一 温度测量装置，液位探头用来对 L N G储 罐的液位进行高高和低低检测，尤其在 L N G卸船操 作过程中，以防止过度注人 L N G，储罐设计 的液位 高度 是 4 6 6 9 1 2 m，H H H：3 7 3 8 5 m，L I J L：1 4 0 0m，当液位开关达到设定点，监测系统将产生高高和低 低报警并激活相关的联锁系统(E S D)，以保护 L N G 储罐。漏气检测。该环形空间 内还安装 了漏气检 测系统(低 温传 感器)可测 出罐壁 温度 和底 部 温度，持 续对 储 罐进 行监测，用于冷却和防止潜在 L N G泄露。2 4 L N G储罐压 力控

14、制 系统 储罐设计 了 B O G压缩机 常规操作 压力、超气压(火炬)和真空气压控制以及应对紧急情况发生时 最终 的安全保护装 置。在储罐 压力控 制时，用 压力 选择器对测量信号 自动选择一个最高值、最低值或 可靠值，所采用的选择性 控制 系统在 生产操作 中起 到了软 限保护作用。2 4 1 L N G储罐压力控制功能(1)正常情况时，储罐气压信号选择器根据高、低气压 的设定点，控制两台 B O G压缩 机 回收蒸发气 的方法控制储罐压力在 操作范 围内。(2)当储罐超压时，高压选择器选择最高气压 用作压力控制器的过程值，则控制器打开火炬总管 线上的压力控制阀将气体释放至火炬，以保护 L

15、 N G 储罐免于承受过大的压力。当储罐压力继续上升达 到安全阀设定值，则压力安全阀完全打开，储罐进行 泄压保护。(3)如果压力下降到低于预先设定点，低气压 选择器选择最低的储罐气压将被用作压力控制器的 过程值，则 控制器 打开控 制阀引进 输 出气 体来保 护 储罐不出现真空。如果注入的气体不足以将压力维 持在可接受的水 平，则储 罐上的真空安全 阀 V S V全 部打开，将空气引入储罐。2 4 2 D C S系统 的控制运算 为避免选 择性 控制 系统 中存在 的“积分饱 和”现象，可通过 D C S系统的调节器防止积分饱和，因 P I D调节器 可全 面改善调 节 品质，提高 控制 系统

16、 克 服干扰的能力，使 系统稳定性有所提高，故压力控制 器选用 P I D调节 器。P I D调 节器 被 分 为 三个 功 能 块：输入处 理、控 制运 算、输 出处 理。P I D调 节器 的 方框 图如图 5 所示。S V 信号调制器H输入卡H 叫 输入处理卜 _ P 控制运算 I P H输 出 SI J S 图 5 P I D调节器的方框图(1)P I D调节器的输入处理：现场来 的检测元 件 和变送器的变化信号由信号调制器转换为(如果需 要)1 5 V电压信号 后，通过模 拟输 入卡 连接 到反 馈控制仪表的输入进行转换(不转换、开平方、脉冲 串转换等)，再进行补偿计算和数字滤波直到

17、产生 测量值 PV。(2)P I D调节器 的控制算法及其特性说明如下：理想模拟 P I D调节器 的理论的控制方程式：P()=K e()+T1-I e()d f+T D J-L u 式中：P(t)调节器 的输出信号；e(t)调节 器的偏差信号，等于测量值与给定值之差；调节器的比例系数；调节器的积分时间；T D 调节器 的微分时间。P I D调节 的实 质是 根据 输入 的偏 差信 号，按 比 例、积分、微分的函数关系进行计算，其运算结果用 于输 出控制。P(比例调节)：根据量 的大小、方 向成 比例 输出；I(积分调节)：根据偏差大小、方 向改变调 节速度；D(微分调节)：根据偏差变化的速度

18、改变调 节作用。P I D控制运 算有 位置 型算 法和 速度 型算 法，在此控制系统中P I D控制运算采用了速度型算法。对于 P I D调节 器，当“A U T”(自动)方 式时，自动选 用速度 Mn型算法，从比例项中排出设定值；当调节 器为“C A S”(串级)方式时，自动选用速度 E n型算 法，从而跟随设定值的任何变化。速度型算法可做 到防止积分饱和并且当选用选择开关打开或闭合控 制输出信号时实现无扰动切换，所以此控制系统中 采用速度型算法。A 位置型算法：第 5期 房树萍 L N G储罐的监测和控制系统 1 1 7 MV(t E(c)+T o (1)式 中：MV(t)控 制 输 出

19、 的 时 间 函 数 值；E(t)偏差；P B，T。，T。P I D参数(比例度、积 分时 间和微分时问)。此算法可得出直接以偏 差 E(t)(过程变量 和设 定值的差)表示 的输 出值(例如 作用 于终端 控制元 件)。B 速度型算法：此控制系统的 P I D调 节器 用式(2)和式(3)计 算控制输 出，式(2)和式(3)是 由来 自变送器 的电压 或电流模拟信号并 由输入 卡数 字化信 号代人并经式(1)离散化和差分化得到 的。E n 算法：M =面1 0 0 a E +(A P )(2)M n算法：=而1 0 0 A P V+(AP (3)式中：A M 控 制输 出的增 量；E 偏 差

20、，E =A P V A S V(当A S=0，E =A P V )；A E 偏 差 的 增 量，A E n：E 一 E ；卜控 制 周 期；P 输入 的增 量；P B，。，T D P I D参 数(比 例度、积分时间和微分时间)。该算法计算 出输出 的增量(校正量)，输 出值 为 当前值加上 由控制 运 算得 到 的增 量(A M)，这 样 的调节器的输出变化与 当前值 相关，保证 控制方 式(回路状态)无扰动切换和控制回路开 闭(由信号 选择器等切换)的无扰动切换。P I D调节器的控 制作用。P I D调节作用使过程变量(P V)与设定值(S V)之 间的偏差 DV=PV S V 0，实现

21、手动(M A N)与 自动(A U T O)方式之间无扰动切换。P I D调节器在手动 MA N方式时设定值(S V)跟 踪测量值(P V)，从而防止切换至 A U T O方式时输 出 突变。(3)P I D调节器的输 出处理：当单元 为 自动方式 时，通 过 控 制 运 算，算 出 操 作 量 的 变 化(控 制 量 A MV)，然后把 A MV 加到以前的输出值上得到 当前输 出值。此外，检查输出值的极限从而获得 MV 值，经过 正 反输出变换送到模拟输出卡至现场执行机构。3 L N G储罐 系统监控 软件 储罐管理系统采用冗余系统，安装了储罐 E n t i s L N G计量软件，基

22、于 L N G的特性，为 了识别 不稳 定 的工况，可通过良好的储罐管理防止翻滚，使用翻滚 预测软件模 块同 L N G储罐管理系统结合，监 测 L N G 进料，预计 L N G可能 出现 的现象 和时间。L N G 中的 组 分非常重要，对沸腾、发生翻滚的时间和翻滚程度 有显著的影响。运行翻滚预测软件需要罐压力、罐 容积、密度 和温度 分 布图、分 层 的组 分、物 理参数 和 热泄漏率参数均可从储罐计量软件中获取。在监视 画面左 上角显示 L T D数据，左下 角显示 液位 和温度 数 据，右面显示化 学组分、翻滚预测、密度评估、沸腾 等即时数据，并设定了 L N G储罐安全保护值，如果

23、 报警被激活，将采取必要的措施来保护 L N G储罐。L N G储罐参数如图6所示。图 6 L N G储罐参数画面 4结束 语 在本方 案 中所选 用 的储 罐监控 系 统 的 L T D液 位探头精 度高、安 全可 靠，可 提 供 自动 故 障检 测 功 能，并具有 自动跟踪 L N G液 面的 功能，领 先世 界水 平。当 L T D故 障 时，可 手动操 作 探头，也 可人 工输 入密度数据，为监测大型低温储罐提供安全保障，完 全满足工艺的控制要求，保证生产安全、平稳地运 行，减少现场操作人 员 的数 量，提 高生产 管理 水平，创造 良好的经济效益和社会效益。(上接第 1 0 9页)求

24、 目标。由于实 际通 讯 系统问 的差别，不 同的通讯 信道、不同的数据包长度、不同的处理芯片或设备以 及对 于正确性 与高效 性追 求 的倾 向性不 同等原 因，采用何种校验方法一方面需要根据具体情况进行选 择，另外还可能需要适当的变通或改进。笔者在 自 行开发 的多个工控项 目中采 用追加 冗余 的方式，均 取得 了令人满意 的效果。参考文献：1 阳宪惠 现场 总线技术及 其应用 M 北京：清 华大学 出版 社，2 0 0 5：4 1 4 3 2 左 鸿飞，颉新春，王志春 基于 F P GA实现 Mo d b u s 通讯协议 J 化工 自动化及仪表，2 0 0 7，3 4(4)：4 24 4 3 刘业辉循环冗余编码算法及实现J 北京工业职业技 术学 院学报，2 0 0 5，4(3)：1 01 3 4 许加星，马伯 渊，张克龙 P R O F I B U S D P P A混 合网络 时延 特性分析 J 化工 自动化及仪表，2 0 0 8，3 5(6)：6 06 3