Хранение в длинных диапазонах: мониторинг уровней сжиженного природного газа с помощью радарных датчиков

Введение

Сжиженный природный газ (СПГ) - это природный газ, который был охлажден до примерно -162 ° C (-260° F) для уменьшения его объема примерно в 600 раз, что делает его экономичным для хранения и транспортировки на большие расстояния. резервуары для хранения СПГ являются критическими активами в глобальной цепочке поставок энергии, служа буферными запасами на заводах по сжижению, терминалах регазификации и пиковых установках. Точный мониторинг уровня СПГ внутри этих резервуаров имеет важное значение для эксплуатационной безопасности, управления запасами и соблюдения строгих экологических норм. Традиционно операторы полагались на механические поплавковые датчики, передатчики дифференциального давления или сервоприводные датчики. Однако экстремальная криогенная температура, кипящий пар и потенциал для стратификации в танках СПГ выдвигают эти традиционные технологии до предела. Измерение уровня на основе радара стало высоконадежной, бесконтактной альтернативой, которая преодолевает многие недостатки устаревших систем. В этой статье исследуются технические преимущества радиолокационных датчиков для мониторинга СПГ, объясняются их принципы работы в криогенных

Уникальные требования мониторинга хранения СПГ

Танки для хранения СПГ - это не обычные сосуды под давлением. Они обычно большие, двухстенные цилиндрические резервуары с внутренним контейнером из 9% никелевой стали или нержавеющей стали и внешней оболочкой из углеродистой стали. Аннулярное пространство заполнено изоляционным материалом, таким как перлит или стекловолокно, часто хранится под небольшим азотным одеялом, чтобы предотвратить попадание влаги. Внутри резервуара СПГ находится в точке кипения; поскольку в нем протекает тепло, некоторые жидкости испаряются, создавая отварной газ (BOG), который должен управляться. Жидкая поверхность редко бывает плоской - она может быть перенасыщена операциями наполнения, всасыванием насоса или прокатными волнами в больших резервуарах. Кроме того, пар над СПГ может быть перенасыщен или содержать туман, который мешает оптическому или ультразвуковому измерению. Градиент температуры от дна (самый холодный) до верха (самый теплый) вызывает стратификацию плотности, что означает, что фактический объемный уровень может отличаться от уровня массы. Для передачи опеки, оценки запасов и блокировки безопасности

Почему радарные датчики превосходят по уровню СПГ

Датчики уровня радара используют электромагнитные волны в микроволновом диапазоне частот (обычно 6-26 ГГц или выше) для обнаружения расстояния до поверхности СПГ. В отличие от ультразвуковых датчиков, радар не подвержен влиянию плотности пара, изменений давления, температурных градиентов или присутствия пены и конденсата на антенне. Неконтактная природа устраняет необходимость в зондах или поплавках, которые могут замерзать, корродировать или запутываться. Современные радиолокационные передатчики разработаны с надежными антенными материалами, такими как PTFE, PEEK или нержавеющая сталь с защитными покрытиями для сопротивления криогенным температурам и химической атаке от следовых соединений серы в СПГ. Несколько ключевых преимуществ делают радар предпочтительным выбором для мониторинга резервуаров СПГ.

Неконтактное измерение устраняет коррозию и загрязнение

Контактные датчики, такие как поплавковые датчики или емкостные зонды, непосредственно подвергаются воздействию СПГ. Со временем на чувствительный элемент могут накапливаться влажность и остатки углеводородов, вызывая дрейф и ложные показания. В криогенной службе образование льда на зонде может привести к механическому помехе. Радарные датчики, установленные на верхушке резервуара с антенной, обращенной вниз, никогда не касаются жидкости. Это устраняет физический износ, уменьшает интервалы обслуживания и предотвращает загрязнение СПГ компонентами датчика. Отсутствие движущихся частей также устраняет механические режимы отказа, такие как сломанные ленты или застрявшие поплавки.

Точность в экстремальных условиях

Радар работает с высоким отношением сигнал-шум и передовыми алгоритмами обработки эха, которые могут отличить истинное отражение поверхности СПГ от паразитических эхо, вызванных конструкциями резервуара, агитаторами или конденсацией. Точность обычно достигает ±2 мм или лучше для радиолокатора с управляемыми волнами (GWR) и ±3-5 мм для бесконтактного радара, что достаточно как для контроля запасов, так и для защиты от перезаполнения. Измерение остается стабильным даже тогда, когда резервуар находится под высоким давлением BOG (до 25-30 мбар) или во время быстрого заполнения и опорожнения. Компенсация температуры встроена в прошивку датчика для коррекции изменений скорости света из-за изменений температуры окружающей среды в головном пространстве резервуара.

Безопасность и соблюдение

СПГ является легковоспламеняющимся, и переполнение резервуаров может привести к катастрофическим выбросам. Радарные датчики по своей природе безопасны, потому что они работают с маломощными микроволнами, которые не воспламеняются легковоспламеняющимися атмосферами. Они могут быть сертифицированы на SIL 2 или SIL 3 для функций, связанных с безопасностью, в соответствии с IEC 61508. Многие радиолокационные передатчики также включают в себя самодиагностику, которая обнаруживает нарушение антенны или деградацию сигнала и оповещение операторов до того, как произойдет сбой. Соблюдение международных стандартов, таких как API MPMS Chapter 3 (для передачи данных) и ISO 10482 (для измерения резервуаров) достижимо с помощью радиолокационной технологии, как продемонстрировано несколькими производителями. API MPMS Chapter 3 предоставляет конкретные рекомендации для радиолокационных датчиков уровня в приложениях СПГ .

Как работают датчики уровня радара в криогенной среде

Радиолокационное измерение уровня для СПГ использует одну из двух основных технологий: бесконтактный (свободно-пространственный) радар или управляемый волновой радар. В бесконтактных системах рог или параболическая антенна излучает сфокусированный микроволновый луч по направлению к жидкой поверхности. Время полета (ToF) отраженного сигнала измеряется и преобразуется в значение расстояния. Направленный волновой радар использует зонд (например, стержень или кабель), который распространяется в резервуар; радиолокационный импульс проходит вдоль зонда, и отражение от жидкой поверхности обнаруживается. Для резервуаров СПГ неконтактный радар чаще встречается, поскольку он избегает необходимости в зонде, который может быть поврежден быстрым тепловым циклом или механическим напряжением. Однако GWR может предложить преимущества в резервуарах с низкими диэлектрическими постоянными (LNG имеет диэлектрическую постоянную около 1,7-1,8 при -162 ° C) и сильными градиентами пара.

Частота и обработка сигналов

Низкочастотные радары (6-10 ГГц) лучше проникают в пар и пену, но имеют более широкий угол луча, который может улавливать ложные отголоски со стенок резервуара. Высокочастотные радары (24-26 ГГц или даже 80 ГГц) обеспечивают более узкий луч и лучшее разрешение, но более чувствительны к конденсату на антенне. Многие производители теперь предлагают радиолокаторы с частотной модуляцией 80 ГГц для обслуживания СПГ, потому что они сочетают высокую точность с отличной способностью фокусироваться на поверхности жидкости даже в турбулентных условиях. Технология FMCW передает непрерывную волну, которая линейно проходит по частоте; отраженный сигнал смешивается с передаваемым сигналом для получения частоты удара, пропорциональной расстоянию. Этот метод предлагает более высокий динамический диапазон и лучший иммунитет к помехам, чем импульсный радар.

Антенна дизайн для танки СПГ

Антенна является наиболее важным компонентом криогенного радиолокационного датчика. Она должна выдерживать чрезвычайно низкие температуры без растрескивания или потери своих электромагнитных свойств. Для СПГ антенны обычно изготавливаются из нержавеющей стали с объективом PTFE или PEEK, либо они используют герметичное сапфировое окно для изоляции электроники от атмосферы резервуара. Некоторые конструкции включают в себя нагретый антенный фланж для предотвращения образования льда. Следует учитывать конденсацию и капельное отключение: антенна должна быть расположена так, чтобы любой конденсат убегал от излучающего элемента. На практике роговая антенна с уплотнением PTFE является обычным явлением для резервуаров СПГ среднего размера, в то время как параболические или антенные решетки используются для резервуаров большого диаметра для достижения более плотного луча.

Компенсация температуры и давления

Диэлектрическая постоянная СПГ немного изменяется с температурой и составом. Хотя этот эффект мал, он может сместить измерение на несколько миллиметров, если не исправить. Современные радиолокационные передатчики включают датчик температуры в головном пространстве резервуара и применяют алгоритм компенсации на основе хранимых данных свойств СПГ. Компенсация давления также необходима, поскольку скорость света в паровой фазе уменьшается с увеличением давления. Как правило, радиолокационный передатчик принимает 4-20 мА или цифровой сигнал от отдельного передатчика давления для коррекции в реальном времени.

Рассмотрение вопросов осуществления и передовая практика

Развертывание радарных датчиков в танках СПГ требует тщательного планирования для обеспечения надежной производительности и длительного срока службы. Следующие руководящие принципы взяты из лучших отраслевых практик и технических рекомендаций от основных поставщиков радарных датчиков.

Монтаж и установка

Радарный датчик обычно устанавливается на сопле в верхней части резервуара, указывая вертикально вниз. Сопло должно быть как можно короче, чтобы минимизировать мертвую зону (расстояние, где антенна не может измеряться из-за эффектов ближнего поля). Секция трубы длиной более 150-200 мм может задерживать конденсат или вызывать множественные отражения. Для радиолокатора с управляемыми волнами зонд должен быть жестко поддержан для предотвращения колебаний. В бесконтактных установках антенна должна иметь четкую линию обзора на жидкую поверхность; препятствия, такие как заполнение труб, агитаторы или внутренние колонки резервуара, могут вызывать ложные отголоски, которые должны быть идентифицированы и устранены во время ввода в эксплуатацию с использованием инструмента визуализации эхо-кривой датчика. Желательно установить датчик на выделенную сопло, а не делиться им с другим оборудованием. Для больших резервуаров СПГ (например, 160 000 м3 или более) несколько радаров могут быть установлены в разных радиальных положениях для учета наклона или выплескивания жидкой поверхности.

Интеграция с системами управления

Радиолокационные передатчики обычно выдают сигнал HART 4-20 мА или они обмениваются цифровыми данными через Foundation Fieldbus, Profibus PA или Modbus RTU. Для приложений передачи данных радар должен быть подключен к системе измерения объема, массы и плотности резервуара (TGS), которая вычисляет объем, массу и плотность в соответствии со стандартами API MPMS или ISO 10482. TGS часто требует дополнительных входов: давления, температуры (верхний, средний, нижний) и иногда отдельного измерения плотности от денситометра. Современные радары также могут напрямую взаимодействовать с распределенными системами управления (DCS) для блокировок безопасности и сигнализации перезаполнения. При использовании в функции с защитой (SIF) радарный датчик должен иметь сертификат SIL и сопровождаться отдельной процедурой проверки.

Калибровка и техническое обслуживание

Радиолокационные датчики требуют калибровки только при первоначальной установке и после любой крупной модификации танка. Калибровка предполагает установку пустого расстояния (расстояние от точки отсчета датчика до дна танка) и полного расстояния (расстояние до уровня переполнения). Многие передатчики позволяют проводить проверку на месте с помощью целевой пластины или переносного радиолокационного отражателя. Регулярное обслуживание состоит из визуального осмотра антенны на предмет наличия льда, конденсации или коррозии. Самодиагностические функции большинства современных радаров позволяют обнаруживать засорение антенны или электронный дрейф и генерировать сигнал тревоги. Для экстремальной криогенной службы рекомендуется включать запасную головку радара в состав технического обслуживания, поскольку ремонт может потребовать заводской службы для герметичного уплотнения.

Сравнение радарных датчиков с традиционными технологиями измерения уровня СПГ

Плавающие и ленточные кабриолеты

Механические поплавковые датчики использовались в течение десятилетий. Поплавок опирается на поверхность СПГ и лента или провод подключается к дисплею или кодеру. Эти системы страдают от механического износа, наращивания льда на ленте и трудности с чтением во время быстрых изменений уровня. Точность обычно составляет ±5-10 мм, что приемлемо для инвентаря, но не для передачи опеки. Они также требуют периодического обслуживания (смазка, регулировка катушки). Радар легко превосходит поплавковые датчики по надежности и точности, особенно в больших резервуарах, где провисание ленты может привести к ошибке.

Дифференциальные передатчики давления

Передатчики DP измеряют гидростатическое давление головы на дне резервуара, чтобы вывести уровень жидкости. Расчет требует точного знания плотности жидкости и плотности пара. В СПГ плотность значительно варьируется с составом (метан, этан, содержание азота) и температурой. Небольшая ошибка плотности может вызвать ошибку большого уровня. Кроме того, передатчики DP требуют импульсных линий или уплотнений диафрагмы, которые могут замерзнуть или засориться. Хотя DP прост и дешев, он не подходит для передачи опеки или защиты от перезаполнения самостоятельно. Радар обеспечивает прямое измерение уровня, независимое от плотности, что делает его более точным и невосприимчивым к изменениям состава.

Серво и датчики емкости

Сервометры используют двигательный вытеснитель, который следует за жидкой поверхностью, чувствуя изменения плавучести. Они точны, но имеют движущиеся части, которые могут выйти из строя в криогенных условиях, и они могут быть медленными, чтобы реагировать во время быстрых изменений уровня. Зонды емкости измеряют изменение диэлектрической постоянной по мере повышения уровня СПГ. Они очень чувствительны к покрытию или конденсации на зонде, что может вызвать значительный дрейф. Радар бесконтактен и полностью избегает этих режимов отказа. Для приложений с высокой надежностью, таких как передача опеки терминала СПГ, радар теперь является общепринятым стандартом.

Будущее мониторинга хранения СПГ

Последние разработки обусловлены необходимостью большей точности, более низкой общей стоимости владения и интеграции с инициативами по цифровизации.

Беспроводные и IoT-модули радаров

Становятся доступными адаптеры WireHART или полностью беспроводные радиолокационные передатчики (с использованием ISA100.11a или WirelessHART). Это устраняет необходимость в дорогостоящих кабельных прогонах к верхушке резервуара, особенно в удаленных или модернизированных установках. РЛС с батарейным питанием могут работать в течение многих лет с периодическими измерениями уровня, хотя для непрерывного измерения все еще требуется линейная мощность. Шлюзы IoT собирают данные с нескольких датчиков и загружают их на облачные платформы для мониторинга всего парка. Это особенно полезно для операторов хранения СПГ, управляющих несколькими резервуарами на разных участках.

Продвинутая аналитика и прогнозное обслуживание

Радарные датчики со встроенной диагностикой теперь могут генерировать данные о характеристиках эхо-кривой, силе сигнала и уровнях шума. Алгоритмы машинного обучения анализируют эти тенденции для прогнозирования обрастания антенн, электронной деградации или изменений в среде резервуара, прежде чем они вызовут ошибки измерения. Предиктивное техническое обслуживание уменьшает незапланированные простои и продлевает срок службы датчиков. Некоторые производители предлагают программное обеспечение, которое сочетает данные уровня радара с профилями температуры и давления для создания цифрового двойника танка СПГ, что позволяет имитировать то, что нужно, и оптимизировать циклы заполнения / заполнения.

Заключение

Радарные датчики превратили измерение уровня СПГ из интенсивных, часто неточных работ в надежную, низкопробную операцию, которая поддерживает как безопасность, так и прибыльность. Их бесконтактный принцип, иммунитет к криогенным крайностям и высокая точность делают их технологией выбора для новых хранилищ СПГ и для модернизации существующих резервуаров. Поскольку глобальный спрос на СПГ продолжает расти - обусловленный переходом энергии и геополитикой - способность контролировать уровни хранения с точностью станет еще более важной. Отраслевые стандарты, такие как API MPMS Глава 3 теперь явно признают радиолокационную проверку для передачи хранения, что еще больше укрепляет ее роль. Операторы, рассматривающие радар, должны оценить конкретную геометрию резервуара, ожидаемые условия эксплуатации и желаемую точность, затем выберите датчик с соответствующей частотой, типом антенны и сертификацией SIL. , в соответствии с Глобальным прогнозом СПГ Международного газового союза , рынок СПГ будет значительно расширяться в предстоящем десятилетии, принятие лучших в своем классе технологий мониторинга, таких как радар, будет иметь важное значение для безопасного и эффективного управления хранением