康鹏飞

关键词：LNG接收站;温度测量;仪表选型

随着国内液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）需求量的快速增长，LNG接收站项目呈现飞速发展趋势。中国已成为全球第二大LNG进口国，建成了深圳大鹏、福建、大连、天津、江苏等20余处LNG接收站，且有更多的接收站项目正在建设或筹备。LNG接收站的工艺介质较多，例如LNG、蒸发气（Boil-off Gas，BOG）、NG、氮气、仪表风、海水等，温度测量范围较广（-180～80℃）。工程人员在进行温度测量仪表选型时，既要考虑仪表测量范围，又要考虑价格、精度、响应时间、可维护性甚至LNG行业传统习惯等因素，选择安全可靠、经济合理的温度测量仪表。

1就地温度测量仪表选型

常用的就地温度测量仪表有双金属温度计和压力式温度计，这两种就地仪表结构简单、价格低、维护方便，但精度较低（精度等级：1.0、1.5）、响应时间较长。如果对精度要求不高，可优先考虑这两种温度测量仪表。

在满足测量范围（﹣80℃以上）、精度要求不高的前提下，双金属温度计是第一选择。

压力式温度计按照温包中所充工作介质可以分为蒸气压力式温度计、气体压力式温度计和液体压力式温度计3种。气体压力式温度计多采用H2或N2为工作介质，可以测量﹣80℃以下的工艺介质。其他两种压力式温度计因所充介质无法测量﹣80℃以下的工艺介质。

操作温度在-80℃以上时，选用双金属温度计;操作温度在-80℃以下时，选用气体压力式温度计。

2远传温度测量仪表选型

2.1检测元件选型

远传温度测量仪表按照检测元件的不同分为热电偶和热电阻两种[1]。热电偶测温范围大、精度较高、价格也比热电阻低，但测量温度较低时，热电偶产生的热电势较小，测量精度比热电阻低。因此，LNG接收站工程采用热电阻进行测量。

根据不同的材料，热电阻分为金属热电阻和半导体热电阻（热敏电阻）两类。半导体热电阻因为复现性差、稳定性差、非线性严重，LNG接收站工程一般不予考虑。铂（Pt）和铜（Cu）是金属热电阻最常用的材料。铂热电阻具有精度高、性能稳定、抗氧化性好、复现性好等优点;缺点是价格比铜热电阻高、电阻温度系数小、电阻与温度呈非线性关系。因此，LNG接收站工程优先选用铂热电阻。铂热电阻宜选用分度号为Pt100的标准化热电阻[2]。

由于普通热电阻体积较大、测量不便，工程中通常选用铠装热电阻[1]。铠装热电阻将绝缘材料包在热电阻和导线外，再穿入金属保护套管内，经整体复合拉伸加工为缆状。这种形式能将热电阻外径加工得很小，具有很好的挠性，可根据工程实际情况自由弯曲，并且力学性能良好，高振动场所也适用。LNG接收站内储罐壁、设备壁、管壁、收集池等各种复杂场所均能使用铠装热电阻测量温度。

根据热电阻的引出线数量，可分为两线制、三线制和四线制。两线制热电阻没有考虑引出导线的电阻，误差较大、精度差，不适合LNG接收站工程。为了消除热电阻引出导线对测量结果的影响，可采用三线制或四线制。三线制通常可以满足工程的大部分需求，如果对精度有更高要求（比如用于外输天然气贸易交接补偿计算的热电阻），应选用四线制。

2.2远传装置选型

热电阻温度计的测量信号可通过温度变送器转化为4～20mA标准信号，也可通过多路温度采集系统（多路温度转换系统或多路温度变送器）转为串口或总线信号。

温度变送器有多种形式，本研究将分析一体化温度变送器和分体式变送器这两种形式。测量氮气、仪表风等常温介质时，选用一体化温度变送器;测量LNG、BOG等低温介质时，选用分体式变送器。分体式变送器是将热电阻温度计和温度变送器分开安装，避免热电阻温度计将低温直接传导至温度变送器，对其造成影响。

LNG接收站码头栈桥如果过长，就会布置大量监测LNG管道预冷的热电阻温度计，例如中石油昆仑能源江苏LNG接收站码头工程的栈桥布置104个热电阻温度计。如果使用常规的分体式变送器将信号接入分散控制系统（Distributed Control System，DCS）的人工智能（ArtificialIntelligence，AI）模块，会产生大量电缆、占用大量AI模块和机柜空间。因此，可采用多路温度转换系统，通过串口将温度测量信号接入DCS。多路温度转换系统如图1所示，主要包括现场变送单元、隔离器和接收单元。现场变送单元设置在现场防爆接线箱内，隔离器和接收单元设置在控制室机柜内。

这种温度采集模式的优点是电缆数量少，节省DCS中AI模块的通道数量;缺点是通信速率低、实时性不好，适用于不参与工艺控制和联锁的温度信号。同时，现场变送单元与控制室内接收单元之间通信线的最大通信距离不能超过1500m。

3外保护套管材质选择

除了测量管道或设备表面温度的表面温度计，其他温度计都应配外保护套管。外保护套管应适应流体流动产生的应力，振动频率不应高于套管固有频率的40%，工程中通常要求供货商依据ASMEPTC19.3—2016提供套管的振动频率分析报告。

外保护套管材质一般选用316SS不锈钢，直接接触海水的套管应选用哈氏合金或蒙乃尔合金等耐海水腐蚀的材料。

4设置场所及注意事项

除工藝流程控制、联锁需要设置的温度计外，LNG接收站工程重点关注以下5个方面。

4.1LNG储罐

（1）内罐外壁、内外罐之间的环形区域、热角保护板设置铂热电阻表面温度计，测量点温度急剧下降代表内罐LNG溢出或泄漏，温度下降到设定的报警值时报警。

（2）内罐底上表面、内罐内壁、吊顶板设置铂热电阻表面温度计，用于储罐接受LNG前预冷温度监控。

（3）内罐LNG液相温度测量采用多点温度计，相邻两个温度测量点之间的垂直距离不大于2m，且均匀分布。

（4）吊顶和穹顶之间以及吊顶和罐内液位表面之间的气相空间设置铂热电阻温度计，监控储罐内BOG温度。

4.2LNG管道

在LNG管道预冷过程中，管道斷面的底部和顶部可能会有温度差，预冷工艺不同，温度差不同，为防止差值过大造成管道热拱，通常要求差值不大于50℃。公称直径不小于8寸（约26.67cm）的LNG管道，如果长度大于100m，应在管道的水平段设置铂热电阻表面温度计，用于监测预冷过程。在管道同一截面的底部和顶部各设置1个表面温度计。

4.3海水

LNG接收站如果设置以海水为热源的气化器（开架式气化器、中间介质气化器），换热后的升温海水将直接排入大海，会对附近的海洋生物产生影响。目前，规范要求海水温降不大于5℃时[2]，在海水出入口均应设置测量海水温度的热电阻温度计。

4.4泄漏检测

由于LNG的低温特性，当LNG发生泄漏时，会对周围的人员造成伤害，并且在LNG吸热扩散的过程中，增加周围环境的危险性，因此，应对可能产生LNG泄漏的地方进行实时监测。导液沟、收集槽、收集池内设置热电阻，一旦出现LNG泄漏，通过测量温度可以及时了解泄漏情况[3]。温度测量信号将送入火灾报警系统进行报警。

4.5注意事项

储罐内安装的表面温度计在储罐投运后无法取出维护，因此，选用双支型热电阻。

在低温介质上安装时，热电阻接线盒延长段要足够长，以避免低温及保冷层影响接线。

5新技术的应用

随着温度检测手段的提高、检测技术的发展，新的温度检测方式不断涌现，例如光纤温度传感器、PN（Positive-Positive）结温度传感器（PN结正向压降随温度变化）、石英晶体温度传感器（石英晶体的固有振荡频率随温度变化）、声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）温度传感器（将温度转换为频率）、核四极共振（Nuclear Quadrupole Resonance，NQR）温度计（共振吸收频率随着温度的上升而下降）等新型温度传感器[4]。其中，PN结温度传感器和石英晶体温度传感器的最低测量温度为﹣50℃，不能覆盖LNG的低温;SAW温度传感器和NQR温度计造价高，目前没有在行业内应用。

本研究重点介绍光纤温度传感器中的一种类型—分布式光纤测温。目前，国内已有数座接收站使用分布式光纤测温系统监测珍珠岩沉降。分布式光纤测温系统采用测温光缆作为线型传感器，内含若干根光纤。激光源向测量通道发射一个光脉冲信号，传播时在光纤的各个点发生拉曼散射。外部温度的变化将对光纤的拉曼散射产生影响，从而计算出光纤敷设路径上的温度。

在工程实践中，测温光缆敷设在LNG储罐的外罐碳钢衬板上。当环隙空间内的膨胀珍珠岩发生沉降时，内罐的低温将传递至碳钢衬板，通过测温光缆将外罐碳钢衬板上的温度测量信号传输到室内测温主机上，测温主机通过解调光纤信号得出准确的温度数据，推导出珍珠岩发生沉降的位置。接收站控制室内的DCS系统可以通过通信接口从测温主机获取该温度数据和沉降位置信息。

6结语

温度仪表在LNG接收站开车前预冷、日常运行监控等操作中发挥着重要作用。从就地温度仪表选型、远传温度仪表选型、外保护套管、主要设置场所、分布式光纤测温的新技术应用等方面进行分析，给出温度测量仪表选型建议，用于LNG接收站工程的仪表设计。