隨著國內(nèi)液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)需求量的快速增長，LNG接收站項目呈現(xiàn)飛速發(fā)展趨勢。中國已成為全球第二大LNG進口國，建成了深圳大鵬、福建、大連、天津、江蘇等20余處LNG接收站，且有更多的接收站項目正在建設(shè)或籌備。LNG接收站的工藝介質(zhì)較多，例如LNG、蒸發(fā)氣(Boil-off Gas,BOG)、NG、氮氣、儀表風、海水等，溫度測量范圍較廣(-180～80℃)。工程人員在進行溫度測量儀表選型時，既要考慮儀表測量范圍，又要考慮價格、精度、響應(yīng)時間、可維護性甚至LNG行業(yè)傳統(tǒng)習(xí)慣等因素，選擇安全可靠、經(jīng)濟合理的溫度測量儀表。
1、LNG接收站就地溫度測量儀表選型
常用的就地溫度測量儀表有雙金屬溫度計和壓力式溫度計，這兩種就地儀表結(jié)構(gòu)簡單、價格低、維護方便，但精度較低(精度等級：1.0、1.5)、響應(yīng)時間較長。如果對精度要求不高，可優(yōu)先考慮這兩種溫度測量儀表。
操作溫度在-80℃以上精度要求不高的前提下時，選用雙金屬溫度計；操作溫度在-80℃以下時，選用H2或N2為工作介質(zhì)氣體壓力式溫度計。
2、LNG接收站遠傳溫度測量儀表選型
2.1 檢測元件選型
遠傳溫度測量儀表按照檢測元件的不同分為熱電偶和熱電阻兩種。LNG接收站的工藝介質(zhì)溫度測量范圍在-180～80℃，NG接收站工程優(yōu)先選用三線制或四線制Pt100鎧裝鉑電阻。
2.2 遠傳裝置選型
Pt100鎧裝鉑電阻信號可通過溫度變送器轉(zhuǎn)化為4-20mA信號，也可通過多路溫度采集系統(tǒng)(多路溫度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)或多路溫度變送器)轉(zhuǎn)為串口或總線信號。
溫度變送器有一體化溫度變送器和分體式溫度變送器兩種。LNG接收站測量氮氣、儀表風等常溫介質(zhì)時，選用一體化溫度變送器；LNG接收站測量LNG、BOG等低溫介質(zhì)時，選用分體式溫度變送器。
LNG接收站碼頭棧橋如果過長，就會布置大量監(jiān)測LNG管道預(yù)冷的鎧裝熱電阻，例如中石油昆侖能源江蘇LNG接收站碼頭工程的棧橋布置104個熱電阻溫度計。為減少信號電纜敷設(shè)數(shù)量，通過多路溫度采集系統(tǒng)采集現(xiàn)場熱電阻信號，再以通訊方式傳輸信號至DCS。多路溫度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)如圖1所示，主要包括現(xiàn)場變送單元、隔離器和接收單元。現(xiàn)場變送單元設(shè)置在現(xiàn)場防爆接線箱內(nèi)，隔離器和接收單元設(shè)置在控制室機柜內(nèi)。這種溫度采集模式的優(yōu)點是電纜數(shù)量少，節(jié)省DCS中AI模塊的通道數(shù)量；缺點是通信速率低、實時性不好，適用于不參與工藝控制和聯(lián)鎖的溫度信號。同時，現(xiàn)場變送單元與控制室內(nèi)接收單元之間通信線的最大通信距離不能超過1500m。
圖1 多路溫度轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意
3、溫度計套管材質(zhì)選擇
除了測量管道或設(shè)備表面溫度的表面溫度計，其他溫度計都應(yīng)配溫度計套管。溫度計套管使用振動頻率不應(yīng)高于溫度計套管固有頻率的40%，工程中通常要求供貨商依據(jù)ASME PTC19.3-2016提供套管的振動頻率分析報告。
溫度計套管材質(zhì)一般選用316SS不銹鋼，直接接觸海水的套管應(yīng)選用哈氏合金或蒙乃爾合金等耐海水腐蝕的材料。
4、設(shè)置場所及注意事項
除工藝流程控制、聯(lián)鎖需要設(shè)置的溫度計外，LNG接收站工程重點關(guān)注以下5個方面：
4.1 LNG儲罐
①內(nèi)罐外壁、內(nèi)外罐之間的環(huán)形區(qū)域、熱角保護板設(shè)置鉑熱電阻表面溫度計，測量點溫度急劇下降代表內(nèi)罐LNG溢出或泄漏，溫度下降到設(shè)定的報警值時報警。
②內(nèi)罐底上表面、內(nèi)罐內(nèi)壁、吊頂板設(shè)置鉑熱電阻表面溫度計，用于儲罐接受LNG前預(yù)冷溫度監(jiān)控。
③內(nèi)罐LNG液相溫度測量采用多點溫度計，相鄰兩個溫度測量點之間的垂直距離不大于2m，且均勻分布。
④吊頂和穹頂之間以及吊頂和罐內(nèi)液位表面之間的氣相空間設(shè)置鎧裝熱電阻，監(jiān)控儲罐內(nèi)BOG溫度。
4.2 LNG管道
在LNG管道預(yù)冷過程中，管道斷面的底部和頂部可能會有溫度差，預(yù)冷工藝不同，溫度差不同，為防止差值過大造成管道熱拱，通常要求差值不大于50℃。公稱直徑不小于8寸(約26.67cm)的LNG管道，如果長度大于100m，應(yīng)在管道的水平段設(shè)置鉑熱電阻表面溫度計，用于監(jiān)測預(yù)冷過程。在管道同一截面的底部和頂部各設(shè)置1個表面溫度計。
4.3 海水LNG接收站
如果設(shè)置以海水為熱源的氣化器(開架式氣化器、中間介質(zhì)氣化器)，換熱后的升溫海水將直接排入大海，會對附近的海洋生物產(chǎn)生影響。目前，規(guī)范要求海水溫降不大于5℃時，在海水出入口均應(yīng)設(shè)置測量海水溫度的鎧裝鉑電阻。
4.4 泄漏檢測
由于LNG的低溫特性，當LNG發(fā)生泄漏時，會對周圍的人員造成傷害，并且在LNG吸熱擴散的過程中，增加周圍環(huán)境的危險性，因此，應(yīng)對可能產(chǎn)生LNG泄漏的地方進行實時監(jiān)測。導(dǎo)液溝、收集槽、收集池內(nèi)設(shè)置鎧裝鉑電阻，一旦出現(xiàn)LNG泄漏，通過測量溫度可以及時了解泄漏情況。溫度測量信號將送入火災(zāi)報警系統(tǒng)進行報警。
4.5 注意事項
儲罐內(nèi)安裝的表面溫度計在儲罐投運后無法取出維護，因此，選用雙支型鉑電阻。在低溫介質(zhì)上安裝時，鉑電阻接線盒延長段要足夠長，以避免低溫及保冷層影響接線。
5、測溫新技術(shù)的應(yīng)用
隨著溫度檢測手段的提高、檢測技術(shù)的發(fā)展，新的溫度檢測方式不斷涌現(xiàn)，例如光纖溫度傳感器、PN(PositivePositive)結(jié)溫度傳感器(PN結(jié)正向壓降隨溫度變化)、石英晶體溫度傳感器(石英晶體的固有振蕩頻率隨溫度變化)、聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)溫度傳感器(將溫度轉(zhuǎn)換為頻率)、核四極共振(Nuclear Quadrupole Resonance,NQR)溫度計(共振吸收頻率隨著溫度的上升而下降)等新型溫度傳感器。其中，PN結(jié)溫度傳感器和石英晶體溫度傳感器的最低測量溫度為-50℃，不能覆蓋LNG的低溫；SAW溫度傳感器和NQR溫度計造價高，目前沒有在行業(yè)內(nèi)應(yīng)用。
本研究重點介紹分布式光纖測溫。目前，國內(nèi)已有數(shù)座接收站使用分布式光纖測溫系統(tǒng)監(jiān)測珍珠巖沉降。分布式光纖測溫系統(tǒng)采用測溫光纜作為線型傳感器，內(nèi)含若干根光纖。激光源向測量通道發(fā)射一個光脈沖信號，傳播時在光纖的各個點發(fā)生拉曼散射。外部溫度的變化將對光纖的拉曼散射產(chǎn)生影響，從而計算出光纖敷設(shè)路徑上的溫度。在工程實踐中，測溫光纜敷設(shè)在LNG儲罐的外罐碳鋼襯板上。當環(huán)隙空間內(nèi)的膨脹珍珠巖發(fā)生沉降時，內(nèi)罐的低溫將傳遞至碳鋼襯板，通過測溫光纜將外罐碳鋼襯板上的溫度測量信號傳輸?shù)绞覂?nèi)測溫主機上，測溫主機通過解調(diào)光纖信號得出準確的溫度數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出珍珠巖發(fā)生沉降的位置。接收站控制室內(nèi)的DCS系統(tǒng)可以通過通信接口從測溫主機獲取該溫度數(shù)據(jù)和沉降位置信息。
6、結(jié)語
溫度儀表在LNG接收站開車前預(yù)冷、日常運行監(jiān)控等操作中發(fā)揮著重要作用。從就地溫度儀表選型、遠傳溫度儀表選型、溫度計套管、主要設(shè)置場所、分布式光纖測溫的新技術(shù)應(yīng)用等方面進行分析，給出溫度測量儀表選型建議，用于LNG接收站工程溫度儀表選型設(shè)計。
作者：康鵬飛(中國石油天然氣管道工程有限公司)
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