LNG接收站溫度測量儀表的設計選型

康鵬飛

關鍵詞：LNG接收站;溫度測量;儀表選型

隨著國內液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）需求量的快速增長，LNG接收站項目呈現飛速發展趨勢。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或籌備。LNG接收站的工藝介質較多，例如LNG、蒸發氣（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、響應時間、可維護性甚至LNG行業傳統習慣等因素，選擇安全可靠、經濟合理的溫度測量儀表。

1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，這兩種就地儀表結構簡單、價格低、維護方便，但精度較低（精度等級：1.0、1.5）、響應時間較長。如果對精度要求不高，可優先考慮這兩種溫度測量儀表。

在滿足測量范圍（﹣80℃以上）、精度要求不高的前提下，雙金屬溫度計是第一選擇。

壓力式溫度計按照溫包中所充工作介質可以分為蒸氣壓力式溫度計、氣體壓力式溫度計和液體壓力式溫度計3種。氣體壓力式溫度計多采用H2或N2為工作介質，可以測量﹣80℃以下的工藝介質。其他兩種壓力式溫度計因所充介質無法測量﹣80℃以下的工藝介質。

操作溫度在-80℃以上時，選用雙金屬溫度計;操作溫度在-80℃以下時，選用氣體壓力式溫度計。

2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[1]。熱電偶測溫范圍大、精度較高、價格也比熱電阻低，但測量溫度較低時，熱電偶產生的熱電勢較小，測量精度比熱電阻低。因此，LNG接收站工程采用熱電阻進行測量。

根據不同的材料，熱電阻分為金屬熱電阻和半導體熱電阻（熱敏電阻）兩類。半導體熱電阻因為復現性差、穩定性差、非線性嚴重，LNG接收站工程一般不予考慮。鉑（Pt）和銅（Cu）是金屬熱電阻最常用的材料。鉑熱電阻具有精度高、性能穩定、抗氧化性好、復現性好等優點;缺點是價格比銅熱電阻高、電阻溫度系數小、電阻與溫度呈非線性關系。因此，LNG接收站工程優先選用鉑熱電阻。鉑熱電阻宜選用分度號為Pt100的標準化熱電阻[2]。

由于普通熱電阻體積較大、測量不便，工程中通常選用鎧裝熱電阻[1]。鎧裝熱電阻將絕緣材料包在熱電阻和導線外，再穿入金屬保護套管內，經整體復合拉伸加工為纜狀。這種形式能將熱電阻外徑加工得很小，具有很好的撓性，可根據工程實際情況自由彎曲，并且力學性能良好，高振動場所也適用。LNG接收站內儲罐壁、設備壁、管壁、收集池等各種復雜場所均能使用鎧裝熱電阻測量溫度。

根據熱電阻的引出線數量，可分為兩線制、三線制和四線制。兩線制熱電阻沒有考慮引出導線的電阻，誤差較大、精度差，不適合LNG接收站工程。為了消除熱電阻引出導線對測量結果的影響，可采用三線制或四線制。三線制通?？梢詽M足工程的大部分需求，如果對精度有更高要求（比如用于外輸天然氣貿易交接補償計算的熱電阻），應選用四線制。

2.2遠傳裝置選型

熱電阻溫度計的測量信號可通過溫度變送器轉化為4～20mA標準信號，也可通過多路溫度采集系統（多路溫度轉換系統或多路溫度變送器）轉為串口或總線信號。

溫度變送器有多種形式，本研究將分析一體化溫度變送器和分體式變送器這兩種形式。測量氮氣、儀表風等常溫介質時，選用一體化溫度變送器;測量LNG、BOG等低溫介質時，選用分體式變送器。分體式變送器是將熱電阻溫度計和溫度變送器分開安裝，避免熱電阻溫度計將低溫直接傳導至溫度變送器，對其造成影響。

LNG接收站碼頭棧橋如果過長，就會布置大量監測LNG管道預冷的熱電阻溫度計，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。如果使用常規的分體式變送器將信號接入分散控制系統（Distributed Control System，DCS）的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）模塊，會產生大量電纜、占用大量AI模塊和機柜空間。因此，可采用多路溫度轉換系統，通過串口將溫度測量信號接入DCS。多路溫度轉換系統如圖1所示，主要包括現場變送單元、隔離器和接收單元?，F場變送單元設置在現場防爆接線箱內，隔離器和接收單元設置在控制室機柜內。

這種溫度采集模式的優點是電纜數量少，節省DCS中AI模塊的通道數量;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鎖的溫度信號。同時，現場變送單元與控制室內接收單元之間通信線的最大通信距離不能超過1500m。

3外保護套管材質選擇

除了測量管道或設備表面溫度的表面溫度計，其他溫度計都應配外保護套管。外保護套管應適應流體流動產生的應力，振動頻率不應高于套管固有頻率的40%，工程中通常要求供貨商依據ASMEPTC19.3—2016提供套管的振動頻率分析報告。

外保護套管材質一般選用316SS不銹鋼，直接接觸海水的套管應選用哈氏合金或蒙乃爾合金等耐海水腐蝕的材料。

4設置場所及注意事項

除工藝流程控制、聯鎖需要設置的溫度計外，LNG接收站工程重點關注以下5個方面。

4.1LNG儲罐

（1）內罐外壁、內外罐之間的環形區域、熱角保護板設置鉑熱電阻表面溫度計，測量點溫度急劇下降代表內罐LNG溢出或泄漏，溫度下降到設定的報警值時報警。

（2）內罐底上表面、內罐內壁、吊頂板設置鉑熱電阻表面溫度計，用于儲罐接受LNG前預冷溫度監控。

（3）內罐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液位表面之間的氣相空間設置鉑熱電阻溫度計，監控儲罐內BOG溫度。

4.2LNG管道

在LNG管道預冷過程中，管道斷面的底部和頂部可能會有溫度差，預冷工藝不同，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，應在管道的水平段設置鉑熱電阻表面溫度計，用于監測預冷過程。在管道同一截面的底部和頂部各設置1個表面溫度計。

4.3海水

LNG接收站如果設置以海水為熱源的氣化器（開架式氣化器、中間介質氣化器），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生影響。目前，規范要求海水溫降不大于5℃時[2]，在海水出入口均應設置測量海水溫度的熱電阻溫度計。

4.4泄漏檢測

由于LNG的低溫特性，當LNG發生泄漏時，會對周圍的人員造成傷害，并且在LNG吸熱擴散的過程中，增加周圍環境的危險性，因此，應對可能產生LNG泄漏的地方進行實時監測。導液溝、收集槽、收集池內設置熱電阻，一旦出現LNG泄漏，通過測量溫度可以及時了解泄漏情況[3]。溫度測量信號將送入火災報警系統進行報警。

4.5注意事項

儲罐內安裝的表面溫度計在儲罐投運后無法取出維護，因此，選用雙支型熱電阻。

在低溫介質上安裝時，熱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新技術的應用

隨著溫度檢測手段的提高、檢測技術的發展，新的溫度檢測方式不斷涌現，例如光纖溫度傳感器、PN（Positive-Positive）結溫度傳感器（PN結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[4]。其中，PN結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，目前沒有在行業內應用。

本研究重點介紹光纖溫度傳感器中的一種類型—分布式光纖測溫。目前，國內已有數座接收站使用分布式光纖測溫系統監測珍珠巖沉降。分布式光纖測溫系統采用測溫光纜作為線型傳感器，內含若干根光纖。激光源向測量通道發射一個光脈沖信號，傳播時在光纖的各個點發生拉曼散射。外部溫度的變化將對光纖的拉曼散射產生影響，從而計算出光纖敷設路徑上的溫度。

在工程實踐中，測溫光纜敷設在LNG儲罐的外罐碳鋼襯板上。當環隙空間內的膨脹珍珠巖發生沉降時，內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到室內測溫主機上，測溫主機通過解調光纖信號得出準確的溫度數據，推導出珍珠巖發生沉降的位置。接收站控制室內的DCS系統可以通過通信接口從測溫主機獲取該溫度數據和沉降位置信息。

6結語

溫度儀表在LNG接收站開車前預冷、日常運行監控等操作中發揮著重要作用。從就地溫度儀表選型、遠傳溫度儀表選型、外保護套管、主要設置場所、分布式光纖測溫的新技術應用等方面進行分析，給出溫度測量儀表選型建議，用于LNG接收站工程的儀表設計。