LNG （液化天然气） 储罐是LNG接收站的核心关键设备。LNG液体的物理特性决定了LNG大量泄漏会造成冻伤、火灾、爆炸危险。LNG储罐容量大、温度极低、易燃易爆、易气化， 在储存中易产生分层和翻滚问题。
以下为本篇论文正文：
摘 要：针对国内LNG接收站储罐安全运行和联锁保护系统存在的问题， 系统介绍了储罐安全仪表系统的组成， 通过对罐表系统、紧急关断系统、火灾和可燃气体检测系统的结构和联锁逻辑设计与研究， 设计了一套完整的储罐安全仪表系统方案。为类似的安全仪表系统的设计提供了一定的参考。
关键词：LNG储罐； 安全仪表系统； 紧急关断系统； 火气检测系统；
Abstract: Against the security problems of the LNG storage tank in the domestic LNG receiving station, the safety instrument system of the LNG storage tank is introduced, the architecture of the LNG storage tank gauge system, the emergency shut-down system, and the fire and gas detection system are analyzed, the safety instrument system of the interlocking logic is designed and developed, straighten out an integrated safety protection system, which provided reference for the design of smiliar LNG storage tank safety instrument system.
Keyword: LNG storage tank; the safety instrument system; emergency shut-down system; fire and gas detection system;
一、引言
LNG （液化天然气） 储罐是LNG接收站的核心关键设备。LNG液体的物理特性决定了LNG大量泄漏会造成冻伤、火灾、爆炸危险。LNG储罐容量大、温度极低、易燃易爆、易气化， 在储存中易产生分层和翻滚问题。对LNG储罐本体的结构安全可靠设计是一个方面， 同时， 如何设计一套安全可靠的安全仪表系统， 对于LNG储罐的平稳运行、紧急情况下的联锁保护都是非常关键的。
随着大型接收站的储罐设计容量越来越大， 基本采用1.6×105m3甚至2.0×105m3, 对安全仪表系统及一套可靠的温度、压力、液位检测仪表的设计要求也越来越高。当前对于LNG储罐的液位、压力保护系统有较多的论述， 但是对于从整体上讲述安全仪表系统之间的联锁较少， 对于火灾和可燃气体检测系统的详细介绍较少。尤其是很多接收站正在进行储罐扩建工程， 是在原有工程基础上扩建的， 原有的控制和安全联锁系统能否符合现行规范的安全设计要求， 需要认真核对[1-3].
根据IEC 61511-2016《过程工业领域安全仪表系统的功能安全》中定义的保护层的结构[4], 从过程控制层、安全保护层、减灾层都需要有相应的保护。本文研究设计一套完整的安全仪表系统， 并将系统间的联系和系统的联锁逻辑进行研究设计， 将储罐区域的安全仪表系统作为接收站安全仪表系统的一部分， 同时又能够与火灾报警系统等其它系统相关联， 组成完整的联锁保护系统， 确保整个LNG储罐的运行平稳。
二、 LNG储罐安全仪表系统组成
LNG储罐系统作为应用最广泛的液化天然气储存设备， 主要包括储罐本体、罐内泵及罐外工艺管线， 罐外工艺管线主要包括码头卸料引来的LNG总管、BOG管线、外输管线、LNG回流和排净管线、放空管线及氮气管线。储罐区域还包含LNG收集沟和集液池， 典型流程图如图1所示。
LNG储罐安全仪表系统包括过程控制系统 （DCS） 、罐表系统 （TGS） 、紧急关断系统 （ESD） 、火灾和可燃气体检测系统 （FGS） 及现场机柜间火灾报警系统， 系统结构图如图2所示， 其中与安全联锁有关的主要是罐表系统TGS、ESD系统和FGS系统。
图1 LNG储罐典型流程图Fig.1 Typical flow chart of LNG tank
图2 LNG储罐安全仪表系统结构图Fig.2 LNG tank safety instrument system structure
罐表系统TGS的目的是为了监控LNG储罐内部情况， 在低温存储过程中， LNG可能在储罐内形成不均匀的温度和压力分布而产生分层。分层现场可能引起LNG翻滚， 产生大量BOG而使储罐面临过压危险。罐表系统能自动连续地进行液位测量、温度监视和密度测量。
过程控制系统DCS主要负责储罐上的温度、压力、液位的监视以及低压泵外输流量的调节， 包括罐表系统、ESD系统通讯过来的显示和报警信息等。
储罐紧急关断系统ESD负责整个储罐区域的工艺安全联锁， 负责储罐LNG进料管线、以及BOG管线和回流、排净管线的紧急情况下的切断及罐内低压泵的联锁关断[5-7].
储罐火气检测系统FGS负责储罐罐顶泵平台、仪表平台、安全阀放空平台、收集池等区域的火焰探测、可燃气体探测以及低温泄露探测， 并在监控到报警信号时触发声光报警、广播以及消防联动。火灾报警系统负责设置在现场机柜间内火灾报警、联动气体灭火、广播等[8].
三、 储罐罐表系统设计
1、 系统组成
罐表系统TGS主要由传感器、现场指示仪表、控制器、操作站兼工程师站组成。其中， 传感器包括2套带多点平均温度计的伺服液位计和一套液位、温度、密度多传感器仪表 （LTD） .这些传感器将信号送至位于控制室或机柜间的控制机柜。罐表系统与DCS系统通信， 与ESD系统通过硬接线连接。
2、 传感器
伺服液位计是基于探测LNG表面浮子的浮力变化来工作的。浮子在伺服系统控制下由一条结实柔韧的测量导线牵引， 随LNG液面上下运动。LNG液位的变化可通过精确传感器从浮子的位移中得出。传感器及伺服系统应该有抗干扰信号的能力。伺服液位系统的现场处理单元是一个微处理器， 提供自动诊断功能。现场处理单元适于安装在LNG储罐的顶部并能承受低温。现场处理单元接受传感器传来的测量信号， 并通过集成数据总线和通讯接口传送到控制室的罐表系统。在储罐底部旁边设有罐旁LCD指示器， 可以显示LNG的液位和温度。
平均温度计一般为铂热电阻测温元件， 能够测量储罐中不同液位高度的LNG的温度。一般的平均温度计为一体化设计， 集成了多个测温元件， 最低位置的测温元件位于探头底部。
液位、温度、密度多传感器监控系统 （LTD） 应能连续测量储罐内全部介质的密度和温度。LTD测量的密度和温度传送至罐表系统。
3、 LNG防翻滚系统
操作站可安装专业的储罐防翻滚监控系统， 实现对站内储罐的防翻滚预测。LNG翻滚现象是指两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合， 瞬间引起大量汽化。这种情况下的汽化速率通常超过BOG处理系统能力， 被认为是地上LNG储罐安全运行的主要风险之一。
防翻滚系统通过对储罐内不同液体深度进行监测， 尤其是在充装后检测罐内密度和温度的分布情况， 如果在早期发现分层情况， 可使用罐内泵旁路进行液体循环， 从而消除分层。在进料时采用顶部或底部进料， 确保进料充装在适当的地方， 以避免翻滚现象的发生。
四、 紧急关断系统 （ESD） 设计
1、 系统结构
LNG储罐区域的紧急关断系统ESD系统是LNG接收站ESD系统的一部分。储罐区域ESD系统是按照IEC61508中的SIL3级设计， 采用权威机构安全认证的可编程控制器， 独立于其它控制系统设置。
图3 储罐区ESD因果联锁图Fig.3 Causal chain diagram of ESD in storage tank area
储罐ESD系统的机柜可以布置在接收站中央控制室或现场机柜间， 通常中央控制室是远离罐区设置。因此， 储罐ESD控制机柜大多是布置在现场机柜间内。
2、 液位仪表
伺服液位计具有稳定性高、精度高、功能强大的特点， 在LNG储罐尤其是大型LNG储罐液位测量中是首选。由于近年来有些专家学者以及一些规范要求同一储罐至少配备两种不同类别的液位检测仪表， 以提高储罐液位测量的可靠性[9].因此， 雷达液位计也可以作为一个选择。LNG介电常数决定了雷达液位计的测量效果不是很好， 导波雷达液位计测量效果相对好一些， 但是无法在线检修。因此， 雷达液位计通常可作为伺服液位计的一个补充， 即可以采用2台伺服液位计和一台雷达液位计组成三取二的表决逻辑。
3、 联锁逻辑设计
紧急关断系统ESD负责联锁整个储罐区域的LNG、BOG管线的切断阀门和罐内低压泵。LNG储罐在工艺上发生紧急情况， 基本包括液位高高报警、低低报警， 储罐压力高高报警、低低报警。而储罐的液位和压力测量仪表采用“2oo3”的表决逻辑， 提高了安全仪表系统的可靠性。具体见图3所示。
五、 火灾和可燃气体检测系统 （FGS） 设计
1、 系统结构
火灾和可燃气体检测系统FGS能够及时、准确地探测和报告可燃气体的泄漏或火情， 以便及时采取相应的正确措施， 保护生产设施和人员的安全。储罐区域FGS系统是LNG接收站FGS系统的一部分， 与接收站的FGS系统联网成为一个整体。
图4 火气系统结构图Fig.4 Structure diagram of the fire system
图5 储罐区域FGS因果联锁图Fig.5 FGS Causal interlocking diagram of storage tank area
FGS系统广义上包括控制系统、检测单元、联动输出单元和关联系统， 如图4所示。
控制系统的控制器采用三重化冗余容错结构， 具有完整的自诊断测试功能。检测单元包括可燃气体检测器、火焰检测器、低温探测器等检测设备。联动输出单元包括声光报警器、水喷淋、消防泡沫灭火系统等。关联系统包括控制室内的火灾报警系统、全厂应急广播系统、工业电视系统等。FGS系统与DCS之间存在通讯， 与ESD系统存在硬接线联系。
2、 联锁逻辑设计
FGS系统的安全可靠性不仅依赖于各类探测器的选型和布置的合理性， 也依赖于联锁逻辑设置的合理性。对比目前运行的几个接收站， 设计一个典型的因果联锁关系图， 如图5所示， 符号“X”表示联锁动作， 符号“O”表示启动关联动作。
可燃气体检测和火焰检测采用“2oo N”逻辑， “N”代表可燃气体检测器或者火焰检测器的数量， 火气仪表数量的设置与储罐罐顶平台的布置和面积有关。只有当2个检测器同时报警时， 才会触发现场声光报警器和控制室控制盘报警灯， 并自动触发或由人工触发相应消防联动设备及ESD动作， 并触发应急广播。
六、 结论
针对LNG接收站储罐系统存在的安全保护问题， 系统阐述罐表系统、紧急关断系统、火灾和可燃气体检测系统的组成结构和联锁逻辑设计， 从IEC 61511对于过程工业安全保护防灾结构体系的各个保护层， 对储罐安全仪表系统的组成和联锁逻辑进行研究， 设计了一套功能完整的安全仪表系统。通过目前已运行的接收站表明， 这套系统对于LNG储罐稳定安全运行是行之有效的。
参考文献：
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[3]马晓茜， 廖艳芳。液化天然气储运与利用中的几个关键问题[J].石油与天然气化工， 2005, 34 （5） :363-367.
[4]International Electrotechnical Commission.IEC 61508, Functional safety ofelectrical/electronic/programmable electronic safety-related systems, Part 1:General requirement[S].//IEC Standards:ver 2.Geneva, Switzerland:IEC, 2016.
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[9]国家质量技术监督局。易燃易爆罐区安全监控预警系统验收技术要求：GB/T 17681-1999[S].北京：中国标准出版社， 1999.
