淺析LNG接收站儲罐測量儀表LIT工作原理

邊遠

(中海福建天然氣有限責任公司,福建莆田,351158)

0 引言

LNG（液化天然氣）作為國內新興的清潔能源，通過LNG儲罐集中儲存，隨著國內LNG行業的迅猛發展，如何采取有效的方式進行LNG儲罐介質液位測量，同時對可能出現的LNG儲罐內介質液位高高狀態進行監控預警并執行安全聯鎖動作保護功能是LNG儲罐安全運行的關鍵。文章介紹了LNG儲罐測量儀表-液位溫度伺服計（LIT），通過收集實際生產投用過程中的運維數據，詳細闡述了液位溫度伺服計（LIT）的液位測量、溫度測量及高高液位報警動作原理。

1 液位溫度伺服計（LIT）簡介

液位溫度伺服計（LIT）是一款安裝在LNG儲罐罐頂用于測量介質液位、溫度的儲罐儀表設備，主要由LCD顯示器、電子編碼器、帶PTFE涂層的不銹鋼穿孔帶、鋼帶圓盤、鏈輪、滑環裝置、伺服馬達、報警繼電器、浮子探頭和多點溫度變送器組成（見下圖1所示）。浮子探頭具有測量儲罐介質液位的能力，浮子探頭通過帶PTFE涂層的不銹鋼穿孔帶與液位溫度伺服計（LIT）表頭通訊，浮子探頭測量的模擬量數據由不銹鋼穿孔帶內的兩根不銹鋼線傳送到表頭，通過LCD顯示器實時顯示LNG儲罐介質液位值。液位溫度伺服計（LIT）的第二個功能是測量儲罐內介質產品的溫度。溫度的測量，是由一臺接有十六個Pt100溫度探頭的多點溫度變送器通過兩線本安RS485標準現場總線傳送到液位溫度伺服計（LIT），通過LCD顯示器實時顯示LNG儲罐介質平均溫度值。

圖1

2 液位溫度伺服計（LIT）工作原理

2.1 液位測量原理

液位溫度伺服計（LIT）液位的測量是通過裝有感應式液位傳感器的浮子探頭來探測在LNG儲罐內介質的液面所發生的變化，感應式液位傳感器由液位線圈和鐵芯組成（見下圖2所示），鐵芯帶有磁性其下端連著一塊浮板，隨著儲罐內LNG液位的變化，浮子探頭在LNG儲罐內上下移動，鐵芯改變液位線圈自感應值，測量電路不斷測量出自感應值，以驅動伺服馬達保持浮子探頭始終在介質液面，在介質液面波動的情況下，測量電路也能夠保持浮子探頭始終在精確的平均介質液面上。

圖2

浮子探頭內感應式液位傳感器的液位線圈與帶PTFE涂層的不銹鋼穿孔帶相連接，感應式液位傳感器的模擬量數據由不銹鋼穿孔帶內的兩根不銹鋼線傳送到液位溫度伺服計（LIT）表頭，不銹鋼穿孔帶纏繞在表內的一個鋼帶圓盤上，圓盤由受電子指令控制的伺服馬達驅動。當浮子探頭內的液位傳感器檢測到LNG儲罐內介質液位變化時，伺服馬達驅動鋼帶圓盤旋轉，鋼帶圓盤上的不銹鋼穿孔帶同時帶動鏈輪轉動，鏈輪上裝有三個磁鐵，經磁耦合驅動電子編碼器，電子編碼器它是一種將旋轉位移轉換成一串數字脈沖信號的旋轉式傳感器（見下圖3所示），電子編碼器輸出脈沖信號，通過高速計數器對其脈沖信號進行計數，以獲得測量結果，以±1mm的精度來確定具有感應式液位傳感器的浮子探頭在LNG儲罐內的具體位置，從而精確計算得出測量介質的液位，其結果在LCD顯示器上實時顯示，此外，還可連接到中央控制室的服務器上進行遠程監控。

圖3

2.2 溫度測量原理

液位溫度伺服計（LIT）的第二個功能是測量LNG儲罐內介質溫度。溫度的測量，通過多點溫度變送器連接到由液位溫度伺服計（LIT）供電的本地本安現場總線上（見下圖4所示）。多點溫度變送器由連接到兩線本安RS485標準現場總線的一個串行標準輸出供電，兩根額外的導線提供變送器所需的DC電源，此DC電源正常由液位溫度伺服計（LIT）提供，可以是7-9VDC，多點溫度變送器的功耗大約是4mA（7V），在同一本安RS485現場總線上最多可支持并聯4臺多點溫度變送器。

圖4

多點溫度變送器設計用于單一平均溫度計或者可選16個RTD，每一臺多點溫度變送器最多能連接16個溫度測量探頭，每個溫度測量探頭（Pt100）將介質溫度的變化轉換成電阻變化，多點溫度變送器電路板上的微處理器測量這個電阻值，將電阻值轉換成工程量，在RS485本安現場總線上傳輸信息，該多點溫度變送器與液位溫度伺服計（LIT）一起使用，多點溫度變送器能按要求向液位溫度伺服計（LIT）最多發送16個溫度元件的測量溫度值，液位溫度伺服計（LIT）計算浸入液體中的所有溫度測量元件的平均溫度值，以便得到LNG儲罐內平均液相溫度，如果液位溫度伺服計（LIT）計算液面以上的所有溫度測量元件的平均溫度值，那么這個平均值是LNG儲罐內平均氣相溫度，該平均溫度值在液位溫度伺服計（LIT）的LCD顯示器上定期顯示。

2.3 高高液位報警動作原理

儲罐測量儀表的高高液位報警動作安全系統由兩臺液位溫度伺服計（LIT）和一臺高高液位報警開關（LSHH）組成，這三臺設備在結構與設計方面是完全相同的，他們一起組成一個3選2系統，系統達到了SIL3安全等級（見下圖5所示）。每臺設備自帶兩個安全繼電器，每個繼電器有一個保險絲，以防止觸點過載。第一個安全繼電器用于儲罐測量儀表設備高高液位溢出報警輸出，第二個安全繼電器用于儲罐測量儀表設備自身內部故障輸出。

圖5

為了避免操作錯誤造成設備異常報警輸出風險，儲罐測量儀表設備高高液位溢出報警設定值保存在一次性可編程存儲器中，這意味著，儲罐測量儀表設備一旦編程出廠后，高高液位溢出報警設定值將不能更改，這種特點對防止誤操作提供了非常高的安全水平，如果在設備運行使用期間必須更改溢出設定值，則需重新訂購包含新設定值的一次性可編程存儲器。

在設備正常運行情況下，兩個安全繼電器的觸點是閉合的，每臺儲罐測量儀表設備連續測量LNG儲罐介質的實時液位值，并和液位高高溢出設定值進行比較，如果達到或超過了儲罐儀表設備液位高高溢出設定值，高高液位溢出報警輸出繼電器激活，執行安全功能，高高液位溢出報警繼電器動作斷開。儲罐測量儀表設備同時具備內部自檢能力，每15分鐘自動執行一次內部自檢，以驗證內部各組件是否正常工作，從而保證高可靠性，如果自檢失敗或探測到設備內部有故障，設備自身內部故障輸出安全繼電器激活，故障輸出安全繼電器動作斷開，執行安全聯鎖動作保護功能。

2.4 數據傳輸原理

液位溫度伺服計（LIT）與中央控制室儲罐儀表系統數據采集站之間的數據傳輸采用Modbus通訊協議，液位溫度伺服計（LIT）可以自動響應數據采集站接收器的傳輸速率，通過0～20mA現場總線進行傳輸，電流回路將儲罐儀表系統中的所有現場儀表串聯在一根線上，形成一個通訊閉合回路（見下圖6所示）。為了便于布線，返回線通常應在同一電纜中，同一電纜內的兩根線全部引到儲罐儀表系統中的現場儀表內，通訊速率取決于傳輸速率、電纜質量、線路干擾量及回路連接儲罐儀表系統中的現場儀表數，這種類型的現場總線每一回路最多可能連接32臺設備，數據采集站接收器提供總線回路的驅動電源，能獲得的最大輸出電壓是70V，現場儀表內的電壓降是1.4V，數據采集站接收器內的電壓降是7V。

圖6

因此，允許的總線回路電阻是：

其中，“n”是20mA現場總線回路中連接的儲罐儀表系統中現場儀表的數量。

已知相關信息如下，各種截面積或直徑的導體電阻值:

當選擇現場總線電纜時，不僅僅是考慮電纜的直線電阻，還應考慮電纜的特性，特別是影響數據傳輸速率（波特率）的電容量?，F場儀表和數據采集站接收器都接受的上升時間。

因此，對于2400的波特率，能得到：

而1200的波特率，則為416 us，這個時間常數可以用公式計算。

其中：R=回路總電阻+280ohms的接收器內阻

C=電纜的總電容

舉例：有一根2000米0.6mm截面的電纜，每一千米有60 ohms的電阻和0.06mF的電容，則:

因此，這根電纜允許的傳輸率是2400波特率。