CN106247161A - 采用一体式光纤传感器的高精度lng加气站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，其数据库服务器连接到调制解调仪，所述应用服务器、WEB服务器均连接到数据库服务器；所述第一F‑P腔压力传感器、第二F‑P腔压力传感器进一步包括膜片、腔本体、导光光纤和准直管，此腔本体的上表面开有一凹槽，此凹槽上覆盖有所述膜片并形成一真空腔，所述准直管上端面与腔本体底端粘结连接；所述远程监控终端通过因特网连接到数据库服务器，用于实时访问压力和温度数据信息；所述复合介质膜由氮化硅层、五氧化二钽层叠加组成，所述氮化硅层与膜片接触，此五氧化二钽层朝向凹槽。本发明不引入任何形式的电，有着本质防爆特性、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点。

Description

采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站
技术领域
本发明涉及一种采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，属于LNG加气站安全监测领域。
背景技术
目前国内LNG加气站进货按照国家惯例均按质量交接，通常采用地磅计算重车与空车差值得出进货质量。采用非直接式计量的地磅称重方式给生产销售过程中的计量工作带来极大的不便，经分析我们认为：目前在LNG销售计量中主要存在以下问题：
(1)配送时间延长：LNG罐车要到加气站附近的计量处(地磅)完成两次称重，使配送及时性受到影响，影响工作效率。
(2)计量准确程度低：计量地磅精度受诸多因素的影响难以达到较高程度，一般在5％左右。
(3)计量过程难以控制：由于在LNG的计量过程中无法实施实时的监测，交割过程中量具本身的误差、温度、压力、人为因素等诸多无法控制的因素。使得交割过程中无法保证计量的准确性。
(4)进货过程难以管理：在LNG进出货时计量交割时不能实时监控，管理人员不能实时远程监控进货的全过程，无法把控计量过程的实际情况，造成计量、统计、管理的滞后性，不能达到精细化管理的要求。
(5)现有的计量设备受外界环境影响造成计量误差问题。
由于目前国内外没有“无源在线密度计、压力计、温度计”无法对储罐内LNG多种参量进行实时测量，间接计量影响LNG储罐介质计量的准确性。
储罐内LNG的密度目前无法直接读取，而LNG的密度取决于LNG的组分，通常为430～470kg/m3，若甲烷含量越高，则密度越小；密度还是温度的函数，若温度越高则密度越小，其变化梯度约为1.35kg/(m3/℃)。由此可见在实际生产管理过程中对LNG密度的实时检测至关重要。
目前国内利用经气相色谱法分析得到LNG的组分，通过计算求得。大多按照GB/T19204—2003《液化天然气的一般特性》中使用的ISO 6578中确定的计算方法；或采用GB/T2106B—2007《液化天然气密度计算模型规范》加气站LNG密度值计算法。以上计算方法都是通过计算间接得到LNG的密度，其准确性难以保证。而在实际工作中卸液时气源的批次、厂家不同又采取不规范卸液 方式，导致储罐内介质发生分层、翻滚现象，给计量工作带来极大的干扰，造成计量的不准确性。
LNG为易燃易爆气体，其物理、化学特征使LNG在储运过程中罐体必须在低温绝热条件下储存。为此在设计LNG智能化检测系统时，储罐内介质的密度、体积、质量等物理量的检测传感器一定要采用无源器件，确保工作的安全性。
基于电学原理的传统压力传感器或液位仪虽然能够可以实现LNG储罐液位或压力的连续监测，但现场监测需要引入电，而LNG加气站属于易燃易爆危险环境，因此，传统的电学压力传感器或液位仪不适用于LNG加气站的安全监测。
发明内容
本发明提供一种采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，该高精度LNG加气站不引入任何形式的电，有着本质防爆特性、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点，可全方位实时监测加气站的LNG储罐的多项参量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，包括：液化天然气储罐、调制解调仪、数据库服务器、应用服务器、WEB服务器、远程监控终端、分别安装于液化天然气储罐顶部和底部的第一F-P腔压力传感器、第二F-P腔压力传感器，所述数据库服务器连接到调制解调仪，所述应用服务器、WEB服务器均连接到数据库服务器；
所述第一F-P腔压力传感器、第二F-P腔压力传感器进一步包括膜片、腔本体、导光光纤和准直管，此腔本体的上表面开有一凹槽，此凹槽上覆盖有所述膜片并形成一真空腔，所述准直管上端面与腔本体底端粘结连接，所述导光光纤的顶端嵌入腔本体内并与腔本体下表面齐平连接，导光光纤的末端裸露在准直管的外表面并作为与外围解调设备连接端，所述导光光纤位于准直管内的中部区域刻有光栅，所述膜片下表面固定有一复合介质膜；
所述调制解调仪接收来自第一F-P腔压力传感器、第二F-P腔压力传感器的感应信号，并从感应信号中提取出被监测点的压力和温度数据信息，所述数据库服务器记录来自调制解调仪的压力和温度数据信息，所述应用服务器、WEB服务器用于访问存储于数据库服务器内的压力和温度数据信息；所述远程监控终端通过因特网连接到数据库服务器，用于实时访问压力和温度数据信息；所述复合介质膜由氮化硅层、五氧化二钽层叠加组成，所述氮化硅层与膜片接触，此五氧化二钽层朝向凹槽。
上述技术方案中进一步改进的方案如下：
1.上述方案中，所述导光光纤与准直管底部之间通过一固定接头安装连接。
2.上述方案中，所述膜片形状为正方形、菱形、圆形。
3.上述方案中，所述远程监控终端为智能手机或者平板电脑或者笔记本电脑。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，其采用全光纤LNG加气站安全监测系统与物联网技术相结合，可实现实时远程监测。系统由现场光纤传感层、LNG加气站安全监测网络层和LNG加气站安全监测应用层组成，特别在易燃易爆、高压、高温和强电磁干扰等十分恶劣的环境条件下，具有其它电学压力传感器所无法比拟的优势，因此成为本质安全、高精度测量的重要实现手段，具有很好的市场应用前景；其次，(1)光纤传感器是无源器件，本质安全，现场感知不需要引入任何形式的电，抗电磁干扰同时又不产生电磁干扰，耐高压，耐腐蚀，在易燃易爆等恶劣环境下使用安全可靠；(2)光纤传感器质量轻，光纤极细，易弯曲，特别适合于在对传感器质量要求较高的场合使用。
附图说明
附图1为本发明高精度LNG加气站结构示意图；
附图2为本发明高精度LNG加气站中F-P腔压力传感器结构示意图；
附图3为附图2的局部结构示意图；
附图4为本发明高精度LNG加气站的压力和温度信号光谱。
以上附图中：1、液化天然气储罐；2、调制解调仪；3、数据库服务器；4、应用服务器；5、WEB服务器；6、第一F-P腔压力传感器；7、第二F-P腔压力传感器；8、膜片；9、腔本体；91、凹槽；10、导光光纤；101、光栅；11、准直管；12、真空腔；13、复合介质膜；14、固定接头；15、远程监控终端；161、氮化硅层；162、五氧化二钽层。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例：一种采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，包括：液化天然气储罐1、调制解调仪2、数据库服务器3、应用服务器4、WEB服务器5、远程监控终端15、分别安装于液化天然气储罐1顶部和底部的第一F-P腔压力传感器6、第二F-P腔压力传感器7，所述数据库服务器3连接到调制解调仪2， 所述应用服务器4、WEB服务器5均连接到数据库服务器3；
所述第一F-P腔压力传感器6、第二F-P腔压力传感器7进一步包括膜片8、腔本体9、导光光纤10和准直管11，此腔本体9的上表面开有一凹槽91，此凹槽91上覆盖有所述膜片8并形成一真空腔12，所述准直管11上端面与腔本体9底端粘结连接，所述导光光纤10的顶端嵌入腔本体9内并与腔本体9下表面齐平连接，导光光纤10的末端裸露在准直管11的外表面并作为与外围解调设备连接端，所述导光光纤10位于准直管11内的中部区域刻有光栅101，所述膜片8下表面固定有一复合介质膜13；
所述调制解调仪2接收来自第一F-P腔压力传感器6、第二F-P腔压力传感器7的感应信号，并从感应信号中提取出被监测点的压力和温度数据信息，所述数据库服务器3记录来自调制解调仪2的压力和温度数据信息，所述应用服务器4、WEB服务器5用于访问存储于数据库服务器3内的压力和温度数据信息；所述远程监控终端15通过因特网连接到数据库服务器3，用于实时访问压力和温度数据信息；所述复合介质膜13由氮化硅层161、五氧化二钽层162叠加组成，所述氮化硅层161与膜片8接触，此五氧化二钽层162朝向凹槽。
上述导光光纤10与准直管11底部之间通过一固定接头14安装连接。
上述膜片8形状为正方形、菱形、圆形。
(1)现场光纤传感层。光纤传感层是LNG储罐本质安全监测系统的底层，是整个监测系统的信息来源，由埋设于LNG储罐相关位置的光纤压力传感器、光纤温度传感器组成。光纤传感器实时探测LNG储罐的压力和温度等基本信息，并通过光纤实时传输到远程的LNG加气站监控室。
(2)LNG加气站安全监测网络层。位于LNG加气站监控室的LNG加气站安全监测网络层主要由专用的光纤传感调制解调仪、WEB服务器、应用服务器和数据库服务器等设备组成，在整个LNG加气站安全监测系统中充当神经中枢和大脑。它能够传输和处理从现场LNG储罐光纤传感层获取的LNG储罐安全监测信息。LNG加气站监测站的功能主要有：①监测的LNG储罐安全数据实时信息显示；②现场光纤传感层的安全预报警参数设置；③LNG储罐安全监测信息实时、历史趋势图；④用户管理；⑤查询统计。
(3)LNG加气站安全监测应用层。LNG加气站安全监测应用层主要提供LNG储罐安全监测操作，并与其它子系统交互的接口，根据不同的用户提供不同的应用。
2.1.1LNG进货质量计量
通过安装于LNG储罐底部和顶部的高精度F-P光纤压力传感器，能够实时探测LNG储罐底部液态压力P1及顶部气态压力P2，利用流体静力学原理P＝ρgH，可得LNG储罐的液位为：
H = P 1 - P 2 &rho; L N G &CenterDot; g - - - ( 1 )
式中，ρLNG为LNG密度，g为当地加速度。
因此，当给定LNG的密度ρLNG，由式(1)可以获得LNG储罐当前的液位，进而实现LNG储罐液位的安全监测。同时，根据液位与LNG储罐容积表或压力与LNG储罐容积表的关系，可以得到当前LNG储罐的容积，由式(2)，可得LNG储罐进货质量(Δm)In为：
(Δm)In＝ΔV×ρLNG (2)
LNG加气站的进货计量或加注计量均需要LNG密度的测量。因此，可在LNG储罐合适的位置加装F-P光纤压力传感器，构成一个光纤在线密度仪，实时探测LNG储罐的压力P3，如图1所示的位置。光纤在线密度仪也可以置于泵池内。
利用静压法原理，光纤在线密度仪可实时间接计算出LNG的密度为：
&rho; L N G = P 1 - P 3 &Delta; H &CenterDot; g - - - ( 3 )
式中ΔH为两个高精度F-P光纤压力传感器安装高度差。
2.1.3温度测量
利用光纤压力温度复用专利技术，可以实现一根光纤同时远距离实时传输LNG储罐的压力和温度信号。安装于LNG储罐底部或顶部的光纤压力传感器，可以实时感知LNG储罐底部/顶部LNG的压力P1和P2，安装于LNG储罐底部或顶部的光纤温度传感器，可以实时感知LNG储罐底部/顶部LNG的温度T1和T2，对于压力、温度参量的实时检测，完全可用于LNG储罐当前容积的实时修正，提高LNG计量的精确性，在加上对LNG密度的检测就构成一套完整的LNG储罐智能化监测系统。
2.1.4火灾安全预报警监测
由安装于LNG储罐周围的光纤温度传感器(1根光纤可同时传输5点光纤温度传感信号)感知LNG储罐周围的环境温度变化，根据预先设置的火灾预报警信息，实时监测LNG加气站安全信息。
2.2系统特点
(1)本质安全的多参量监测。全光纤LNG加气站安全监测系统采用技术先进的光纤传感器，可以实现LNG储罐的压力、温度及密度等多参量实时监测，信号传输介质为光纤，LNG储罐现场监测不引入任何的电。
(2)实时性好。LNG储罐的多参量由相应的光纤传感器实时探测并由光纤传感调制解调仪实时解调输出，由计算机独立完成相应的计量任务，能有效地避免了人工干预存在的种种弊端。
(3)精度高。安装于LNG储罐底部/顶部的高精度光纤压力传感器性能指标如表1所示：
表1光纤压力传感器性能指标
序号 型号/指标 光纤压力传感器
1 测量范围 0～10MPa压力范围可定制
2 精确度 ±0.1～0.3％/F.S
3 分辨率 ±20Pa
4 测试原理 压力(静压法HTG)质量
5 适用场合 任何容器
6 测量介质 可流动介质/气体
7 测量介质温度范围 -20℃～65℃温度范围可定制
8 传感器工作环境温度 -20℃～55℃
9 相对湿度 ≤90％
10 传输距离 2km(基本设置)用户可定制
11 安装调试 安装方式简便，
12 体积 小
13 防爆等级 Ex(本质安全)
(4)技术先进。
①在现有光纤压力传感器的基础上，利用光波复用技术，实现了一根光纤同时传输光纤压力和温度信号，复用后光纤压力和温度的光谱信号如图2所示。
②整个监测系统基于物联网架构，利用Jboss开发平台，完全实现了用户在任何时间任何地点通过互联网访问LNG加气站安全监测现场的运行状态。
(5)成本低。
①利用光纤压力温度复用专利技术，可以实现一根光纤同时远距离实时传输光纤压力和温度信号。
②利用光纤温度解调技术，可以实现一根光纤同时远距离实时传输最多5个监测点温度信号。
③为满足石油化工传感应用多点测量及小型化的实际需求，我们团队对压力、温度传感系统多路复用技术展开研究。利用光开关切换和宽带光源调制，设计了16路光纤传感器的阵列型多通道传感调制解调系统，扫描频率为5kHz，腔长变化测量精度可达10pm，实现了多路光纤压力温度传感器共用一套调制解调仪和信号处理系统，有效提高了调制解调仪的效率。
LNG在线无源密度计，目前国内是一个空白。通过多年的努力，我公司研制的光纤压力传感器完全可以实现此项技术，突破液化石油气存储的安全监测技术的禁区。
采用上述新型采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站时，其采用全光纤LNG加气站安全监测系统与物联网技术相结合，可实现实时远程监测。系统由现场光纤传感层、LNG加气站安全监测网络层和LNG加气站安全监测应用层组成，特别在易燃易爆、高压、高温和强电磁干扰等十分恶劣的环境条件下，具有其它电学压力传感器所无法比拟的优势，因此成为本质安全、高精度测量的重要实现手段，具有很好的市场应用前景。
应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。

Claims (4)

1.一种采用一体式光纤传感器的高精度LNG加气站，其特征在于：包括：液化天然气储罐（1）、调制解调仪（2）、数据库服务器（3）、应用服务器（4）、WEB服务器（5）、远程监控终端（15）、分别安装于液化天然气储罐（1）顶部和底部的第一F-P腔压力传感器（6）、第二F-P腔压力传感器（7），所述数据库服务器（3）连接到调制解调仪（2），所述应用服务器（4）、WEB服务器（5）均连接到数据库服务器（3）；
所述第一F-P腔压力传感器（6）、第二F-P腔压力传感器（7）进一步包括膜片（8）、腔本体（9）、导光光纤（10）和准直管（11），此腔本体（9）的上表面开有一凹槽（91），此凹槽（91）上覆盖有所述膜片（8）并形成一真空腔（12），所述准直管（11）上端面与腔本体（9）底端粘结连接，所述导光光纤（10）的顶端嵌入腔本体（9）内并与腔本体（9）下表面齐平连接，导光光纤（10）的末端裸露在准直管（11）的外表面并作为与外围解调设备连接端，所述导光光纤（10）位于准直管（11）内的中部区域刻有光栅（101），所述膜片（8）下表面固定有一复合介质膜（13）；
所述调制解调仪（2）接收来自第一F-P腔压力传感器（6）、第二F-P腔压力传感器（7）的感应信号，并从感应信号中提取出被监测点的压力和温度数据信息，所述数据库服务器（3）记录来自调制解调仪（2）的压力和温度数据信息，所述应用服务器（4）、WEB服务器（5）用于访问存储于数据库服务器（3）内的压力和温度数据信息；所述远程监控终端（15）通过因特网连接到数据库服务器（3），用于实时访问压力和温度数据信息；所述复合介质膜（13）由氮化硅层（161）、五氧化二钽层（162）叠加组成，所述氮化硅层（161）与膜片（8）接触，此五氧化二钽层（162）朝向凹槽。
2.根据权利要求1所述的LNG加气站计量装置，其特征在于：所述导光光纤（10）与准直管（11）底部之间通过一固定接头（14）安装连接。
3.根据权利要求1所述的LNG加气站计量装置，其特征在于：所述膜片（8）形状为正方形、菱形、圆形。
4.根据权利要求1所述的LNG加气站计量装置，其特征在于：所述远程监控终端（15）为智能手机或者平板电脑或者笔记本电脑。
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