全容式LNG储罐表面温度计设计与应用

王 晨 杨公升 孙 谦 刘俭飞

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)



全容式LNG储罐表面温度计设计与应用

王 晨 杨公升 孙 谦 刘俭飞

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

针对全容式LNG储罐预冷、正常运行过程中需要对储罐内温度和可能出现的泄漏情况进行监控的特点，通过对储罐温度测量位置和测量方法的分析，确定了表面温度计的测量原理和外观型式，详细说明了表面温度计的现场安装型式和安装方法，并提出了全容式LNG储罐表面温度计的布置原则。结合30 000 m3全容式LNG储罐的实际项目，给出具体的解决方案，冷却结果满足项目需要和规范要求，对类似项目表面温度计的设计与安装具有指导和借鉴意义。

全容式LNG储罐 表面温度计 预冷 泄漏检测 温度控制 热电阻

0 引言

随着我国经济的飞速发展，环境污染问题也日趋严重，东北、华北乃至华东地区均出现雾霾问题。为了保证经济与资源、环境的协调可持续发展，必须大力推广清洁能源的使用，天然气作为主要的清洁能源，将得到越来越多的重视。

常温下天然气是易燃易爆的危险品，且呈气态，不易大规模储存，当天然气的温度降至-162 ℃时，可在常压下储存，即为LNG(液化天然气)。LNG是无色无味无毒无腐蚀性的液体，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，可稳定储存，便于转运[1]。目前最常使用的LNG大型储存装置是全容式LNG储罐。

随着我国LNG产业的发展，越来越多的全容式LNG储罐被陆续建造。表面温度计在全容式LNG储罐的预冷、正常运行和泄漏检测等多方面起着重要作用[2-4]。本文通过表面温度计的原理、选型和安装说明其在全容式LNG储罐中的应用。

1 表面温度计的选型分析

1.1 测量原理选择

温度仪表的测量可分为接触式和非接触式两类，其中接触式可分为热膨胀式、热电阻式和热电偶式，非接触式主要为热辐射式。考虑到LNG温度及工艺设计最大温度，用于LNG储罐的温度计的测量范围应该能够覆盖LNG的温度(-162 ℃)，因此只能选择热电阻或者热电偶型式的温度测量仪表。

热电阻和热电偶部分参数对比如表1所示[5-6]。

表1 热电阻与热电偶参数对比

通过对比可以看出，热电偶在响应时间、温度范围和成本上要优于热电阻，但是一些重要参数，如精度、重复性、稳定性等均不如热电阻。考虑到储罐预冷时需要精确控制每小时的温降速率，以及储罐泄漏检测过程要求测量结果的准确性，需要选择精度相对较高的产品，且LNG储罐建成投产后需要长时间使用，不能进行内部维护，要求稳定性高，因此优先选用热电阻。

热电阻可分为2线制、3线制和4线制。其中，2线制热电阻有使用长度的限制，4线制热电阻只用于需要极高精度的场合，通常LNG储罐无需特别高的精度。因此，选用3线制热电阻作为LNG储罐表面温度计的测量元件[7]。

1.2 表面温度计外观型式

LNG储罐建成投产后在其生命周期内基本上不能进行维护，因而表面温度计在储罐建造阶段就要安装完成。根据工艺要求，预冷时使用的表面温度计应该安装在内罐底板和内罐外壁上，操作时使用的表面温度计安装于吊顶上和内罐外壁上(和预冷时使用的是一套)，泄漏检测使用的表面温度计安装于环形空间底板上和热保护角上。由于表面温度计测温点基本上在储罐底部而变送器或接线箱在罐顶平台上，因此传感器到变送器的通信电缆会比较长。为了保护电缆，表面温度计传感器到变送器之间的部分全部包裹在无缝不锈钢管中。

为了保证表面温度计端部测温头位置准确且不会随意移位，表面温度计端部测温头应通过集热块焊接在待测温的位置。集热块为中间带有钻孔的304不锈钢块，并在钻孔的边缘留有螺纹，方便测温头插入后使用螺母固定。为了更好地固定集热块，先将集热块焊接在X7Ni9不锈钢板上，然后将钢板焊接在待测温位置。这样设置可以扩大测温区域范围，使测温更准确。

根据工艺需要，预冷部分和正常操作使用的表面温度计的测温信号进入中央控制系统，只做过程控制使用，因此通常采用每个测量头带一支传感器的型式。用于泄漏检测的表面温度计的测温信号进入火气系统，作为应急关断使用，因此每个测量头带两支传感器，当中控检测到一支传感器出现故障时，手动切换另一支传感器进行测量，保证储罐安全。

由于表面温度计数量较多，测温点多且分散，不可能使用一条多芯电缆传输信号，因此设计成每个测温点使用一个传感器带一条通信电缆的型式。LNG储罐的测温点平均有30多个，且每个电缆的护管公称直径为1/4英寸(1英寸=25.4 mm)。如此数量的电缆从罐内穿出到罐外平台需要通过较大尺寸的法兰，并在法兰处做好密封。通常情况下，表面温度计采用一片16英寸的法兰，上面开孔，呈圆环形布置。

2 表面温度计的安装分析

表面温度计应用于全容式LNG储罐，除测量范围、精度等要求外，还需要额外考虑安装要求。①安装在内罐底板的表面温度计应该固定在底板上，避免LNG进液时冲刷底板，造成温度计的位移；②安装在内罐外壁的表面温度计应沿罐顶到罐底的钢链向下，并固定在内罐外壁板上；③安装在环形空间底板和热保护角的表面温度计应能够承受环形空间中保冷材料的挤压，也应该固定安装[8]。

全容式LNG储罐只能在罐顶开孔，因此所有的表面温度计都应从罐顶通过内罐内外的两根钢链向下敷设。其中内罐底板及吊顶上的表面温度计沿内罐内部的钢链敷设，内罐外壁、环形空间和热保护角的表面温度计沿内罐外部的钢链敷设。内罐内部的钢链下部与内罐底板焊接，并留有一定的伸缩空间。由于内罐均为X7Ni9不锈钢焊接而成，为了减少不同种材质焊接可能发生的焊接不合格的风险，与内罐底板焊接的连接件的材质均为X7Ni9不锈钢。内罐外部的钢链通过连接件固定在内罐外壁上，其材质也均为X7Ni9不锈钢。为了保证焊接连接件时不破坏原有的X7Ni9不锈钢板之间的焊缝，连接件的焊接应与焊缝有一定的距离。

表面温度计与钢链之间以蜗杆传动螺旋夹相连，相邻螺旋夹之间的距离应尽可能短，以防止表面温度计在罐内受到LNG的冲击产生拉伸、缠绕等变形。

3 表面温度计布置原则

储罐预冷时，预冷管线中的LNG通过内罐顶部喷淋头转化成气态的低温天然气，充满整个内罐空间，使整个内罐的罐体及其结构温度下降到-162 ℃左右，然后在内罐底板上开始形成LNG的液位。根据EN 14620-52006附录A中所述，内罐的冷却速度为3 K/h，最大冷却速度为5 K/h，罐壁或罐底上任意两个相邻温度计之间的最大温差为30 K[9]。根据现场经验，任意两个不相邻温度计之间的最大温差为50 K。

根据规范要求和经验，为了保证预冷效果和预冷过程的安全，内罐底板和内罐外壁的表面温度计探测储罐在预冷过程中的温度变化来控制预冷速率。内罐底板的表面温度计布置要能检测到尽可能多的点的温度。因此，通常采用环形布置和十字交叉形布置。表面温度计的数量可根据储罐的容积来布置，50 000 m3及以下的储罐一般布置8个，160 000 m3及以上的储罐可布置10个或更多。内罐外壁的表面温度计沿着罐壁向下的钢链布置，可平均3 m布置一个，也可以在底部布置得紧凑一些，在其他位置布置得宽松一些。环形空间和热保护角的表面温度计通常沿圆周平均布置，50 000 m3及以下的储罐一般布置5～6个，160 000 m3及以上的储罐可布置8个或更多。吊顶上的表面温度计布置较少，可在吊顶半径1/2处中心对称布置2个，另一个装在BOG排放管线入口处，用于BOG蒸发率的测量[10-11]。

4 表面温度计应用案例分析

某30 000 m3全容式LNG储罐，表面温度计布置方案如图1所示。

①内罐底板布置8个，采用十字交叉型式；

②内罐外壁布置8个，等间距布置；

③环形空间布置5个，等间距布置；

④热保护角布置6个，等间距布置；

⑤吊顶布置3个，其中两个于半径1/2处中心对称布置，另一个布置于BOG排放管线入口处。

图1 表面温度计布置图

预冷时罐底和罐壁的温降速率曲线分别如图2和图3所示。

图2 罐底冷却曲线

图3 罐壁冷却曲线

由图2和图3可知，采用表面温度计监测储罐预冷，可以随时根据温降速率调整LNG进液量，使LNG储罐整体预冷速率满足规范要求。

5 结束语

表面温度计在全容式LNG储罐预冷、正常运行和泄露检测等操作中起着重要的作用。在进行表面温度计的设计时，要根据工艺需要，合理选择设计原理、外观型式、安装型式等，并要结合现场施工情况选择适合的产品，才能做出符合要求的设计。

[10]宋媛玲,白改玲,赵月峰,等.一种低温液态烃储罐的冷却系统和冷却方法:中国,201110171863.1[P].2011-11-30.

[11]白改玲,赵月峰,安小霞,等.一种低温液态烃储罐的泄漏监测系统和方法:中国,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年毕业于天津大学微电子专业，获硕士学位，工程师；主要从事液化天然气工程仪表设计工作。

TH811;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201601025

修改稿收到日期：2015-06-01。