浅析LNG接收站储罐测量仪表LIT工作原理

边远

(中海福建天然气有限责任公司,福建莆田,351158)

0 引言

LNG（液化天然气）作为国内新兴的清洁能源，通过LNG储罐集中储存，随着国内LNG行业的迅猛发展，如何采取有效的方式进行LNG储罐介质液位测量，同时对可能出现的LNG储罐内介质液位高高状态进行监控预警并执行安全联锁动作保护功能是LNG储罐安全运行的关键。文章介绍了LNG储罐测量仪表-液位温度伺服计（LIT），通过收集实际生产投用过程中的运维数据，详细阐述了液位温度伺服计（LIT）的液位测量、温度测量及高高液位报警动作原理。

1 液位温度伺服计（LIT）简介

液位温度伺服计（LIT）是一款安装在LNG储罐罐顶用于测量介质液位、温度的储罐仪表设备，主要由LCD显示器、电子编码器、带PTFE涂层的不锈钢穿孔带、钢带圆盘、链轮、滑环装置、伺服马达、报警继电器、浮子探头和多点温度变送器组成（见下图1所示）。浮子探头具有测量储罐介质液位的能力，浮子探头通过带PTFE涂层的不锈钢穿孔带与液位温度伺服计（LIT）表头通讯，浮子探头测量的模拟量数据由不锈钢穿孔带内的两根不锈钢线传送到表头，通过LCD显示器实时显示LNG储罐介质液位值。液位温度伺服计（LIT）的第二个功能是测量储罐内介质产品的温度。温度的测量，是由一台接有十六个Pt100温度探头的多点温度变送器通过两线本安RS485标准现场总线传送到液位温度伺服计（LIT），通过LCD显示器实时显示LNG储罐介质平均温度值。

图1

2 液位温度伺服计（LIT）工作原理

2.1 液位测量原理

液位温度伺服计（LIT）液位的测量是通过装有感应式液位传感器的浮子探头来探测在LNG储罐内介质的液面所发生的变化，感应式液位传感器由液位线圈和铁芯组成（见下图2所示），铁芯带有磁性其下端连着一块浮板，随着储罐内LNG液位的变化，浮子探头在LNG储罐内上下移动，铁芯改变液位线圈自感应值，测量电路不断测量出自感应值，以驱动伺服马达保持浮子探头始终在介质液面，在介质液面波动的情况下，测量电路也能够保持浮子探头始终在精确的平均介质液面上。

图2

浮子探头内感应式液位传感器的液位线圈与带PTFE涂层的不锈钢穿孔带相连接，感应式液位传感器的模拟量数据由不锈钢穿孔带内的两根不锈钢线传送到液位温度伺服计（LIT）表头，不锈钢穿孔带缠绕在表内的一个钢带圆盘上，圆盘由受电子指令控制的伺服马达驱动。当浮子探头内的液位传感器检测到LNG储罐内介质液位变化时，伺服马达驱动钢带圆盘旋转，钢带圆盘上的不锈钢穿孔带同时带动链轮转动，链轮上装有三个磁铁，经磁耦合驱动电子编码器，电子编码器它是一种将旋转位移转换成一串数字脉冲信号的旋转式传感器（见下图3所示），电子编码器输出脉冲信号，通过高速计数器对其脉冲信号进行计数，以获得测量结果，以±1mm的精度来确定具有感应式液位传感器的浮子探头在LNG储罐内的具体位置，从而精确计算得出测量介质的液位，其结果在LCD显示器上实时显示，此外，还可连接到中央控制室的服务器上进行远程监控。

图3

2.2 温度测量原理

液位温度伺服计（LIT）的第二个功能是测量LNG储罐内介质温度。温度的测量，通过多点温度变送器连接到由液位温度伺服计（LIT）供电的本地本安现场总线上（见下图4所示）。多点温度变送器由连接到两线本安RS485标准现场总线的一个串行标准输出供电，两根额外的导线提供变送器所需的DC电源，此DC电源正常由液位温度伺服计（LIT）提供，可以是7-9VDC，多点温度变送器的功耗大约是4mA（7V），在同一本安RS485现场总线上最多可支持并联4台多点温度变送器。

图4

多点温度变送器设计用于单一平均温度计或者可选16个RTD，每一台多点温度变送器最多能连接16个温度测量探头，每个温度测量探头（Pt100）将介质温度的变化转换成电阻变化，多点温度变送器电路板上的微处理器测量这个电阻值，将电阻值转换成工程量，在RS485本安现场总线上传输信息，该多点温度变送器与液位温度伺服计（LIT）一起使用，多点温度变送器能按要求向液位温度伺服计（LIT）最多发送16个温度元件的测量温度值，液位温度伺服计（LIT）计算浸入液体中的所有温度测量元件的平均温度值，以便得到LNG储罐内平均液相温度，如果液位温度伺服计（LIT）计算液面以上的所有温度测量元件的平均温度值，那么这个平均值是LNG储罐内平均气相温度，该平均温度值在液位温度伺服计（LIT）的LCD显示器上定期显示。

2.3 高高液位报警动作原理

储罐测量仪表的高高液位报警动作安全系统由两台液位温度伺服计（LIT）和一台高高液位报警开关（LSHH）组成，这三台设备在结构与设计方面是完全相同的，他们一起组成一个3选2系统，系统达到了SIL3安全等级（见下图5所示）。每台设备自带两个安全继电器，每个继电器有一个保险丝，以防止触点过载。第一个安全继电器用于储罐测量仪表设备高高液位溢出报警输出，第二个安全继电器用于储罐测量仪表设备自身内部故障输出。

图5

为了避免操作错误造成设备异常报警输出风险，储罐测量仪表设备高高液位溢出报警设定值保存在一次性可编程存储器中，这意味着，储罐测量仪表设备一旦编程出厂后，高高液位溢出报警设定值将不能更改，这种特点对防止误操作提供了非常高的安全水平，如果在设备运行使用期间必须更改溢出设定值，则需重新订购包含新设定值的一次性可编程存储器。

在设备正常运行情况下，两个安全继电器的触点是闭合的，每台储罐测量仪表设备连续测量LNG储罐介质的实时液位值，并和液位高高溢出设定值进行比较，如果达到或超过了储罐仪表设备液位高高溢出设定值，高高液位溢出报警输出继电器激活，执行安全功能，高高液位溢出报警继电器动作断开。储罐测量仪表设备同时具备内部自检能力，每15分钟自动执行一次内部自检，以验证内部各组件是否正常工作，从而保证高可靠性，如果自检失败或探测到设备内部有故障，设备自身内部故障输出安全继电器激活，故障输出安全继电器动作断开，执行安全联锁动作保护功能。

2.4 数据传输原理

液位温度伺服计（LIT）与中央控制室储罐仪表系统数据采集站之间的数据传输采用Modbus通讯协议，液位温度伺服计（LIT）可以自动响应数据采集站接收器的传输速率，通过0～20mA现场总线进行传输，电流回路将储罐仪表系统中的所有现场仪表串联在一根线上，形成一个通讯闭合回路（见下图6所示）。为了便于布线，返回线通常应在同一电缆中，同一电缆内的两根线全部引到储罐仪表系统中的现场仪表内，通讯速率取决于传输速率、电缆质量、线路干扰量及回路连接储罐仪表系统中的现场仪表数，这种类型的现场总线每一回路最多可能连接32台设备，数据采集站接收器提供总线回路的驱动电源，能获得的最大输出电压是70V，现场仪表内的电压降是1.4V，数据采集站接收器内的电压降是7V。

图6

因此，允许的总线回路电阻是：

其中，“n”是20mA现场总线回路中连接的储罐仪表系统中现场仪表的数量。

已知相关信息如下，各种截面积或直径的导体电阻值:

当选择现场总线电缆时，不仅仅是考虑电缆的直线电阻，还应考虑电缆的特性，特别是影响数据传输速率（波特率）的电容量。现场仪表和数据采集站接收器都接受的上升时间。

因此，对于2400的波特率，能得到：

而1200的波特率，则为416 us，这个时间常数可以用公式计算。

其中：R=回路总电阻+280ohms的接收器内阻

C=电缆的总电容

举例：有一根2000米0.6mm截面的电缆，每一千米有60 ohms的电阻和0.06mF的电容，则:

因此，这根电缆允许的传输率是2400波特率。