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摘 要：近年来，随着液化天然气（LNG）在世界能源消费中的比例逐年快速增长，LNG 低温储罐的建设施工不断增加，且发展势头迅猛。本文以大型LNG 低温储罐为例，探讨了运用伺服式液位计进行LNG储罐容量测量的方法。
关键词：LNG 储罐;伺服式液位计;液位测量
天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，是各种替代燃料中最早广泛使用的一种，它主要存在于油田、气田，燃烧后不会产生废气，废水，且热值高、经济、便利。LNG是液态的天然气，具有易储存的特性，LNG储罐一般容量较大，细微的液位测量误差都将带来很大的容量误差，因此液位测量及控制在储罐中非常重要，本文以大型 LNG 低温储罐为例，探讨一种基于伺服式液位计的液位测量技术。
一、关于伺服式液位计测量原理
伺服式液位计是多功能仪表，既可测量液位，也可测量储罐内LNG界面、密度和罐底等参数，常用于储罐液位的高精度测量。其基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，使其精确地进行液位或界面测量，其基本工作过程是：浮子用测量钢丝悬挂在仪表外壳内，而测量钢丝缠绕在精密加工过的外轮鼓上，外磁铁被固定在外轮鼓内，并与固定在内轮鼓内磁铁耦合在一起。当工作时，浮子作用于细钢丝上的重力在外轮鼓的磁铁上产生力矩，引起磁通量的变化。轮鼓组件之间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器（霍尔元件）的输出电压信号变化，其值与贮存于CPU 中的参考电压进行比较。当浮子的位置平衡时，其差值为零。当被测介质液位变化时，使得浮子位置发生改变，其结果是磁耦力矩被改变，使得带有温度补偿的霍尔元件的输出电压产生变化，该电压值与 CPU中的参考电压的差值驱动伺服电动機转动，带动浮子上下移动，直到重新达到平衡点。整个系统构成了一个闭环反馈回路，其精确度可达0.5mm。通过精确的测量LNG储罐内LNG液位，可以通过伺服液位计准备计算出储罐内LNG容量。
二、伺服式液位计的安装
伺服式液位计的安装方式同非接触式液位计。安装在罐体上时，与介质相通的腔室与电气腔室完全隔离，以避免物料泄露。由于 LNG 储罐通常是底部进料，在刚开始进料时，由于液位较低，LNG 会对浮子产生冲击，使浮子发生飘移，从而影响读数的精确性。因此，需采用导波管安装方式。 在使用中，伺服液位计安装时有以下注意事项：
（1）安装导波管的位置应偏离储罐进料口，以防止由于输入液体的波动或湍流而引起的浮子的剧烈摆动。
（2）安装导波管的位置应该离开罐壁至少500mm，以确保测量不受环境温度的影响。
（3）彻底处理好导波管进液小孔的毛刺，以防毛刺挂住浮子。
（4）保证伺服式液位计导波管的垂直度，以避免浮子碰到导波管的内壁造成液位测量失灵。
三、伺服式液位计的作用
伺服液位计系统一般由主伺服、从伺服、雷达液位计组成，三台液位计的信号送至ESD系统组成三选二逻辑，用于停止进料或停止罐内低压泵，实现储罐的高低液位保护达到安全要求，LNG储罐使用液位-密度-温度（LTD）连续测量设备和伺服式液位计相配合来测量储罐的液和各个液面的密度、温度。LTD 由数字逻辑单元和电机驱动单元组成，可在LNG储罐内垂直移动、测量，并显示与各种液面相对应的液体密度和温度。
伺服式液位计除了可测量储罐内LNG液位外，还可用于监控LNG储罐分层，预防翻滚。储罐内液化天然气由于外界热量的传入而发生气化，由于各组分的蒸发量不同，导致LNG的组分和密度发生变化，这一过程称为老化;LNG产品注入储罐时，由于新旧 LNG 的温度及密度不同，会出现充注分层;一般罐内液体垂直方向上温差大于 0.2℃、密度大于 0.5kg/m 时，即认为罐内液体发生了分层。当储罐内LNG产生分层后， 随着外部热量的导入， 底层 LNG 温度升高，密度变小;顶层 LNG 由于 BOG 的挥发而变重。下部 LNG 上升到上部，压力减小，成为过饱和液体， 积蓄的能量迅速释放， 产生大量的 BOG，即产生翻滚现象。
因此，LNG储罐需要对翻滚进行监控，而分层是翻滚的前提，检测分层就要监控温度、密度、BOG 等，这些 LTD 都可以进行监控。储罐内各界面温度、压力变送器和罐旁指示仪都通过HART 协议与伺服液位计进行通信，温度计的温度信号与压力变送器的压力信号都首先送到伺服液位计，由伺服液位计将二者连同液位信号统一输出至控制室，实现与DCS的通信，实现对储罐内液位的实时检测。
四、结语
伺服式液位计以其卓越的测量性能和安全性，越来越多的在各类工程中得到应用。同时，基于伺服式液位计的液位测量方法也将在 LNG 储罐建造中拥有更为广阔的使用前景。
参考文献：
[1]LNG储罐控制方案探讨[C].第六届 全国石油和化学工业仪表及自动化技术 〕2016，25（11）：13-15.
[2]孙国锋.国产高准确度伺服液位计的测量原理及应用[J].石油库与加油站.2018，17（4）：28-32. 〕
[3]邹华生，黄春来.液化天然气储运中的翻滚现象分析关[J].油气储运.2016，25（11）：13-15.
关键词：LNG 储罐;伺服式液位计;液位测量
天然气是一种多组分的混合气态化石燃料，是各种替代燃料中最早广泛使用的一种，它主要存在于油田、气田，燃烧后不会产生废气，废水，且热值高、经济、便利。LNG是液态的天然气，具有易储存的特性，LNG储罐一般容量较大，细微的液位测量误差都将带来很大的容量误差，因此液位测量及控制在储罐中非常重要，本文以大型 LNG 低温储罐为例，探讨一种基于伺服式液位计的液位测量技术。
一、关于伺服式液位计测量原理
伺服式液位计是多功能仪表，既可测量液位，也可测量储罐内LNG界面、密度和罐底等参数，常用于储罐液位的高精度测量。其基于浮力平衡的原理，由微伺服电动机驱动体积较小的浮子，使其精确地进行液位或界面测量，其基本工作过程是：浮子用测量钢丝悬挂在仪表外壳内，而测量钢丝缠绕在精密加工过的外轮鼓上，外磁铁被固定在外轮鼓内，并与固定在内轮鼓内磁铁耦合在一起。当工作时，浮子作用于细钢丝上的重力在外轮鼓的磁铁上产生力矩，引起磁通量的变化。轮鼓组件之间的磁通量变化导致内磁铁上的电磁传感器（霍尔元件）的输出电压信号变化，其值与贮存于CPU 中的参考电压进行比较。当浮子的位置平衡时，其差值为零。当被测介质液位变化时，使得浮子位置发生改变，其结果是磁耦力矩被改变，使得带有温度补偿的霍尔元件的输出电压产生变化，该电压值与 CPU中的参考电压的差值驱动伺服电动機转动，带动浮子上下移动，直到重新达到平衡点。整个系统构成了一个闭环反馈回路，其精确度可达0.5mm。通过精确的测量LNG储罐内LNG液位，可以通过伺服液位计准备计算出储罐内LNG容量。
二、伺服式液位计的安装
伺服式液位计的安装方式同非接触式液位计。安装在罐体上时，与介质相通的腔室与电气腔室完全隔离，以避免物料泄露。由于 LNG 储罐通常是底部进料，在刚开始进料时，由于液位较低，LNG 会对浮子产生冲击，使浮子发生飘移，从而影响读数的精确性。因此，需采用导波管安装方式。 在使用中，伺服液位计安装时有以下注意事项：
（1）安装导波管的位置应偏离储罐进料口，以防止由于输入液体的波动或湍流而引起的浮子的剧烈摆动。
（2）安装导波管的位置应该离开罐壁至少500mm，以确保测量不受环境温度的影响。
（3）彻底处理好导波管进液小孔的毛刺，以防毛刺挂住浮子。
（4）保证伺服式液位计导波管的垂直度，以避免浮子碰到导波管的内壁造成液位测量失灵。
三、伺服式液位计的作用
伺服液位计系统一般由主伺服、从伺服、雷达液位计组成，三台液位计的信号送至ESD系统组成三选二逻辑，用于停止进料或停止罐内低压泵，实现储罐的高低液位保护达到安全要求，LNG储罐使用液位-密度-温度（LTD）连续测量设备和伺服式液位计相配合来测量储罐的液和各个液面的密度、温度。LTD 由数字逻辑单元和电机驱动单元组成，可在LNG储罐内垂直移动、测量，并显示与各种液面相对应的液体密度和温度。
伺服式液位计除了可测量储罐内LNG液位外，还可用于监控LNG储罐分层，预防翻滚。储罐内液化天然气由于外界热量的传入而发生气化，由于各组分的蒸发量不同，导致LNG的组分和密度发生变化，这一过程称为老化;LNG产品注入储罐时，由于新旧 LNG 的温度及密度不同，会出现充注分层;一般罐内液体垂直方向上温差大于 0.2℃、密度大于 0.5kg/m 时，即认为罐内液体发生了分层。当储罐内LNG产生分层后， 随着外部热量的导入， 底层 LNG 温度升高，密度变小;顶层 LNG 由于 BOG 的挥发而变重。下部 LNG 上升到上部，压力减小，成为过饱和液体， 积蓄的能量迅速释放， 产生大量的 BOG，即产生翻滚现象。
因此，LNG储罐需要对翻滚进行监控，而分层是翻滚的前提，检测分层就要监控温度、密度、BOG 等，这些 LTD 都可以进行监控。储罐内各界面温度、压力变送器和罐旁指示仪都通过HART 协议与伺服液位计进行通信，温度计的温度信号与压力变送器的压力信号都首先送到伺服液位计，由伺服液位计将二者连同液位信号统一输出至控制室，实现与DCS的通信，实现对储罐内液位的实时检测。
四、结语
伺服式液位计以其卓越的测量性能和安全性，越来越多的在各类工程中得到应用。同时，基于伺服式液位计的液位测量方法也将在 LNG 储罐建造中拥有更为广阔的使用前景。
参考文献：
[1]LNG储罐控制方案探讨[C].第六届 全国石油和化学工业仪表及自动化技术 〕2016，25（11）：13-15.
[2]孙国锋.国产高准确度伺服液位计的测量原理及应用[J].石油库与加油站.2018，17（4）：28-32. 〕
[3]邹华生，黄春来.液化天然气储运中的翻滚现象分析关[J].油气储运.2016，25（11）：13-15.