佛山市南海燃?xì)獍l(fā)展有限公司 趙小強(qiáng) 李劉軍

淺談自控儀表系統(tǒng)在LNG氣化站生產(chǎn)運(yùn)行中的應(yīng)用

佛山市南海燃?xì)獍l(fā)展有限公司 趙小強(qiáng) 李劉軍

LNG氣化站(又稱LNG衛(wèi)星站、LNG儲(chǔ)配站)，是城鎮(zhèn)LNG供應(yīng)的主要場站，其主要功能是LNG的接收、儲(chǔ)存、氣化及調(diào)壓計(jì)量加臭等。由于LNG具有易燃、易蒸發(fā)、易擴(kuò)散和易爆等特點(diǎn)，所以LNG氣化站屬于危險(xiǎn)區(qū)域，因而自控儀表系統(tǒng)在LNG氣化站的應(yīng)用尤為重要。結(jié)合獅山LNG綜合儲(chǔ)配站項(xiàng)目工程實(shí)例對(duì)LNG氣化站自控儀表系統(tǒng)進(jìn)行論述和分析，并提出建議。

LNG氣化站 自控 儀表

0 前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和綠色能源的大力推廣，城鎮(zhèn)LNG氣化站建設(shè)的數(shù)量及規(guī)模逐年上升，由于LNG屬于低溫易燃易爆液體，危險(xiǎn)性極高，自控儀表系統(tǒng)應(yīng)用在LNG氣化站的生產(chǎn)運(yùn)行中，不僅能促進(jìn)工藝生產(chǎn)裝置安全運(yùn)行，而且可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率，同時(shí)改善操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，尤其是在生產(chǎn)事故發(fā)生的第一時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)檢測、報(bào)警及處置，為安全生產(chǎn)和企業(yè)財(cái)產(chǎn)提供可靠的安全保障。

本文主要結(jié)合獅山LNG綜合儲(chǔ)配站工程實(shí)例對(duì)LNG氣化站自控儀表系統(tǒng)進(jìn)行論述和分析，并提出建議。

1 獅山LNG綜合儲(chǔ)配站工程概況

獅山LNG綜合儲(chǔ)配站位于廣東省佛山市南海區(qū)獅山鎮(zhèn)，占地規(guī)模 98.7畝，一期工程建設(shè)6臺(tái)150 m3地上立式LNG儲(chǔ)罐，LNG卸車、儲(chǔ)存、氣化、調(diào)壓計(jì)量、加臭及灌裝等工藝裝置，以及配套的建筑、給排水、消防、防雷、變配電及儀表控制系統(tǒng)等，二期將增建2 500 m3的低溫LNG子母罐1座，供氣規(guī)模24 000 m3/h。

一期工程于2014年7月竣工投產(chǎn)，二期工程尚未開工。

獅山LNG綜合儲(chǔ)配站場景見圖1。

圖1 獅山LNG綜合儲(chǔ)配站

2 LNG氣化站的工藝流程

LNG氣化站接收的氣源一般是從LNG生產(chǎn)基地或LNG碼頭、儲(chǔ)配站等地，將LNG盛裝在低溫儲(chǔ)罐中通過槽車運(yùn)輸?shù)絃NG氣化站儲(chǔ)存，并將儲(chǔ)存的LNG通過空溫式氣化器進(jìn)行氣化，將氣化后的天然氣進(jìn)行過濾、計(jì)量、調(diào)壓和加臭，然后輸往城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。工藝流程如圖2所示。

圖2 LNG氣化站工藝流程

3 LNG氣化站自控系統(tǒng)

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)、《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)定》(HG/T 20507—2000)等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，結(jié)合LNG氣化站的工藝特點(diǎn)，LNG氣化站自控儀表系統(tǒng)一般分為現(xiàn)場儀表系統(tǒng)、站控系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)(ESD)、火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)、視頻及紅外報(bào)警系統(tǒng)、廣播報(bào)警系統(tǒng)及配套供電系統(tǒng)等。

3.1 現(xiàn)場儀表系統(tǒng)

LNG氣化站的現(xiàn)場儀表系統(tǒng)主要分為壓力儀表、液位儀表、溫度儀表及計(jì)量儀表，根據(jù)儀表數(shù)據(jù)的重要性及實(shí)際需求，在監(jiān)測點(diǎn)可以加裝二次儀表(變送器)將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至控制室，供操作人員進(jìn)行記錄、檢測和控制。

儀表選型如下：

(1)溫度儀表：就地溫度測量選用萬向型雙金屬溫度計(jì)，遠(yuǎn)傳溫度測量選用一體化本安型熱電阻溫度變送器。LNG儲(chǔ)罐下方基礎(chǔ)及集液池均設(shè)有溫度變送器，當(dāng)有LNG泄漏時(shí)，在控制室進(jìn)行指示和報(bào)警并將信號(hào)送至火災(zāi)報(bào)警控制器。

(2)壓力儀表：就地壓力測量一般選用不銹鋼壓力表，遠(yuǎn)傳壓力測量選用本安型智能壓力變送器。

(3)液位測量儀表：LNG儲(chǔ)罐液位現(xiàn)場測量用設(shè)備配套的差壓液位計(jì)，該液位計(jì)隨儲(chǔ)罐整體成套，隨LNG儲(chǔ)罐一起進(jìn)站安裝就位。遠(yuǎn)傳液位測量選用本安型智能差壓變送器。

(4)分析儀表：在可燃性氣體容易泄漏或匯聚的地方設(shè)置隔爆型可燃?xì)怏w探測器，遠(yuǎn)傳至控制室燃?xì)鈭?bào)警控制器及 PLC系統(tǒng)進(jìn)行指示和報(bào)警并將信號(hào)送至火災(zāi)報(bào)警控制器。

(5)控制閥：在LNG儲(chǔ)罐進(jìn)液、出液管線、空溫式氣化器進(jìn)口管線選用低溫長頸氣動(dòng)緊急切斷閥(帶閥位回訊)，LNG灌裝管線上選用防爆超低溫電磁閥。

3.2 站控系統(tǒng)

站控系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為核心，主要利用可編程控制器PLC與計(jì)算機(jī)完成溫度、壓力、流量、液位和可燃?xì)怏w濃度的監(jiān)視報(bào)警，各種閥門的開關(guān)、氣化器的啟停以及各種設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視及聯(lián)鎖保護(hù)等，并預(yù)留上傳調(diào)度中心接口，具備向調(diào)度中心傳輸重要監(jiān)測數(shù)據(jù)的功能。

3.2.1 站控系統(tǒng)組成

站控系統(tǒng)主要由現(xiàn)場測量儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)、PLC控制系統(tǒng)、上位監(jiān)控系統(tǒng)及通信系統(tǒng)組成。視頻監(jiān)視系統(tǒng)可以與站控系統(tǒng)同步建設(shè)、配合使用，以提高場站運(yùn)營綜合監(jiān)控和管理水平。測量儀表主要包括壓力、溫度、液位、閥位、泄露、氣質(zhì)分析儀和流量計(jì)等，執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括可遠(yuǎn)程控制的電動(dòng)閥門等。

可編程邏輯控制器PLC控制系統(tǒng)由處理器、I/O數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、電源模塊和安裝附件構(gòu)成。PLC采集數(shù)據(jù)、控制現(xiàn)場設(shè)備和第三方控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，并將站控系統(tǒng)信息上傳至公司調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)。

上位監(jiān)控系統(tǒng)包括：操作計(jì)算機(jī)及組態(tài)軟件，通過上位軟件，操作員可以直觀的看到現(xiàn)場設(shè)備運(yùn)行情況，并通過鼠標(biāo)或鍵盤可以對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)并能打印報(bào)表。

站控通信系統(tǒng)主要包括：上位監(jiān)控系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)通信，PLC控制系統(tǒng)與流量計(jì)算機(jī)、燃?xì)鈭?bào)警控制器、加臭機(jī)、色譜儀等通信，站控系統(tǒng)和調(diào)度中心SCADA系統(tǒng)通信。

(1)PLC控制系統(tǒng)與流量計(jì)算機(jī)、燃?xì)鈭?bào)警控制器、加臭機(jī)、色譜儀等通信協(xié)議為MODBUS RTU方式，通信接口為RS485。

(2)PLC控制系統(tǒng)與上位監(jiān)控系統(tǒng)通信協(xié)議為MODBUS TCP/IP方式，通信接口為以太網(wǎng)；

(3)站控系統(tǒng)PLC與SCADA系統(tǒng)主通信信道采用光纖通信，通信協(xié)議為MODBUS TCP/IP，通信接口為以太網(wǎng)，帶寬要求為5 M，接入設(shè)備為路由器、防火墻和交換機(jī)，視頻與數(shù)據(jù)同步傳輸。備用通信信道采用CDMA/GPRS方式，只進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。站控系統(tǒng) PLC與 CDMA/GPRS模塊通信協(xié)議為MODBUS RTU方式，通信接口為RS485。

3.2.2 站控系統(tǒng)功能

站控系統(tǒng)主要是完成LNG氣化站現(xiàn)場工藝過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控及數(shù)據(jù)管理，其主要功能如下：

(1)對(duì)現(xiàn)場的工藝變量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理；

(2)監(jiān)控各種工藝設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；

(3)經(jīng)RS485通信接口與流量計(jì)算機(jī)、加臭機(jī)、色譜儀等交換信息；

(4)LNG站罐區(qū)及其它工藝裝置區(qū)可燃?xì)怏w的監(jiān)視和報(bào)警；

(5)顯示動(dòng)態(tài)工藝流程；

(6)顯示各種工藝參數(shù)和其它有關(guān)參數(shù)；

(7)提供人機(jī)對(duì)話的窗口；

(8)顯示報(bào)警一覽表；

(9)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理；

(10)顯示實(shí)時(shí)趨勢曲線和歷史曲線；

(11)打印報(bào)警和事件報(bào)告；

(12)打印生產(chǎn)報(bào)表；

(13)數(shù)據(jù)通信管理；

(14)邏輯控制，即與執(zhí)行機(jī)構(gòu)通訊并執(zhí)行控制指令；

(15)為調(diào)度控制中心提供有關(guān)數(shù)據(jù)；

(16)接受并執(zhí)行調(diào)度控制中心下達(dá)的命令等。

3.2.3 控制方案

(1)LNG儲(chǔ)罐液位聯(lián)鎖：儲(chǔ)罐液位≥85%最高液位，上限報(bào)警；儲(chǔ)罐液位≥95%最高液位，上上限報(bào)警并關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)液緊急切斷閥；儲(chǔ)罐液位≤15%最高液位，下限報(bào)警； 儲(chǔ)罐液位≤5%最高液位，下下限報(bào)警并關(guān)閉儲(chǔ)罐出液緊急切斷閥。

(2)LNG儲(chǔ)罐壓力聯(lián)鎖：儲(chǔ)罐壓力≥0.7MPa，上限報(bào)警； 儲(chǔ)罐壓力≥0.73MPa，上上限報(bào)警并關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)液緊急切斷閥。

(3)氣化器后天然氣溫度聯(lián)鎖：空溫氣化器的出口溫度≤-5℃，下限報(bào)警；空溫氣化器的出口溫度≤-10 ℃，下下限報(bào)警并5 s不干預(yù)后關(guān)閉氣化器進(jìn)液緊急切斷閥。

(4)LNG罐區(qū)低溫報(bào)警聯(lián)鎖：每個(gè)儲(chǔ)罐設(shè) 2個(gè)低溫探測器，儲(chǔ)罐區(qū)2個(gè)低溫檢測同時(shí)≤-45℃下限報(bào)警延遲5 s后切斷該儲(chǔ)罐緊急切斷閥，聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐區(qū)集液池排污泵電源。任何一個(gè)儲(chǔ)罐2個(gè)低溫檢測≤-45 ℃，且集夜池低溫檢測≤-45 ℃下限報(bào)警切斷所有緊急切斷閥。

(5)加臭量控制：智能型單片機(jī)控制器接收流量信號(hào)控制注入頻率，實(shí)現(xiàn)隨燃?xì)饬髁孔兓?，按比例自?dòng)連續(xù)加臭，加臭劑為四氫噻吩(THT)，加臭量為20 mg/m3。

除上述監(jiān)測點(diǎn)外，獅山LNG綜合儲(chǔ)配站對(duì)調(diào)壓計(jì)量加臭撬的出口和入口的壓力以及出口的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，以保證出站的燃?xì)鈮毫蜏囟确铣鞘腥細(xì)夤芫W(wǎng)運(yùn)行要求。在場站內(nèi)除主要生產(chǎn)設(shè)備外，在主要的工藝管線上也應(yīng)設(shè)置相應(yīng)的儀表，以做到全方位、全天候?qū)崟r(shí)檢測和監(jiān)控，確保燃?xì)鈭稣具B續(xù)、安全、平穩(wěn)生產(chǎn)運(yùn)行。

3.3 緊急停車(ESD)系統(tǒng)

根據(jù)《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50183—2004)規(guī)定，LNG氣化站應(yīng)設(shè)置緊急停車(ESD)系統(tǒng)，確保在緊急情況下能及時(shí)切斷站內(nèi)單個(gè)或全部儲(chǔ)罐的進(jìn)出液緊急切斷閥，可以從源頭上控制事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。。

獅山LNG綜合儲(chǔ)配站每條進(jìn)/出LNG低溫儲(chǔ)罐的LNG管線上各設(shè)1個(gè)低溫切斷閥、對(duì)應(yīng)每個(gè)切斷閥分別設(shè)計(jì)了1個(gè)控制室快速切斷控制按鈕和1個(gè)現(xiàn)場快速切斷控制按鈕，可對(duì)每個(gè)切斷閥分別實(shí)現(xiàn)控制室和氣化站現(xiàn)場的兩地快速切斷控制。

為了便于事故狀態(tài)時(shí)能夠同時(shí)切斷所有的快速切斷閥，還設(shè)計(jì)了控制室(上位機(jī)及PLC面板)快速切斷總控制按鈕和現(xiàn)場快速切斷總控制按鈕，以分別實(shí)現(xiàn)在控制室和氣化站現(xiàn)場對(duì)所有切斷閥的同步快速切斷控制。

現(xiàn)場手動(dòng)啟動(dòng)按鈕要設(shè)置在事故時(shí)方便到達(dá)的地方，并與所保護(hù)設(shè)備的間距大于15 m，手動(dòng)啟動(dòng)按鈕具有明顯的功能標(biāo)志及警示。

3.4 火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)

LNG氣化站在現(xiàn)場必須設(shè)置火災(zāi)報(bào)警探頭、可燃?xì)怏w濃度報(bào)警探頭、手動(dòng)報(bào)警按鈕和聲光報(bào)警按鈕，以便實(shí)時(shí)監(jiān)控火災(zāi)隱患并及時(shí)迅速處理全站火災(zāi)報(bào)警情況。

根據(jù)《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50028—2006)規(guī)定，LNG氣化站須在LNG儲(chǔ)罐區(qū)、氣化區(qū)、卸車區(qū)和調(diào)壓計(jì)量區(qū)等有可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄露的工藝裝置區(qū)設(shè)有可燃?xì)怏w報(bào)警器探頭，可燃?xì)怏w泄漏檢測采用催化燃燒式可燃?xì)怏w傳感器，配置盤裝式可燃?xì)怏w泄漏報(bào)警控制器，報(bào)警濃度取爆炸下限的20%報(bào)警顯示器設(shè)置在控制室。另外，獅山LNG綜合儲(chǔ)配站在上述區(qū)域設(shè)置了雙波長紅外紫外復(fù)合火焰探測器，同時(shí)監(jiān)測火災(zāi)三要素中的火源和可燃物，從而有效杜絕火災(zāi)隱患。

3.5 視頻監(jiān)控及紅外報(bào)警系統(tǒng)

根據(jù)消防部門要求LNG氣化站的圍墻需設(shè)置視頻監(jiān)控及紅外報(bào)警系統(tǒng)，運(yùn)行人員可以在控制室監(jiān)控場站的設(shè)備運(yùn)行及車輛出入情況，同時(shí)可以有效監(jiān)控以防外來人員非法進(jìn)入場站進(jìn)行破壞或盜竊。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為LNG氣化站的整體窗口，系統(tǒng)應(yīng)成熟穩(wěn)定、操作簡便、集成性和可擴(kuò)展性強(qiáng)。獅山LNG綜合儲(chǔ)配站在現(xiàn)場防爆區(qū)域內(nèi)設(shè)置的攝像機(jī)為固定防爆型，在非防爆區(qū)域采用的是可轉(zhuǎn)動(dòng)的普通攝像機(jī)，在控制室采用LED和DLP液晶面板組成液晶拼接顯示屏，DLP采用3×3共9塊DLP顯示單元組成綜合顯示系統(tǒng)，顯示場站視屏及工藝數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信息，整個(gè)綜合顯示系統(tǒng)滿足全屏高分辨率顯示、單屏顯示、任意組合顯示和圖像拉伸等多種顯示方式。在應(yīng)用上，系統(tǒng)能支持預(yù)案顯示、群組顯示、聯(lián)動(dòng)預(yù)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控和指揮調(diào)度等多種應(yīng)用模式。

紅外報(bào)警系統(tǒng)，由于紅外線是不可見光，有很強(qiáng)的隱蔽性、保密性和靈敏性，適用于安全強(qiáng)度較高場所的防盜、警戒等安保用途。紅外系統(tǒng)一般分為四大塊：熱釋紅外感應(yīng)模塊、主動(dòng)式紅外發(fā)射接收塊、聲光報(bào)警和串口通信塊。系統(tǒng)以微處理器進(jìn)行智能控制，隨時(shí)檢查是否有紅外物體在所屬區(qū)域活動(dòng)，一但發(fā)現(xiàn)，立即進(jìn)行聲光報(bào)警，并將這一結(jié)果通知主監(jiān)控系統(tǒng)。紅外報(bào)警系統(tǒng)中的紅外對(duì)射設(shè)備一般安裝在圍墻上方，由于圍墻是地勢和用地紅線建設(shè)，所以高低起伏，有直線也有曲線，所以在安裝紅外對(duì)射設(shè)備時(shí)，不能留有漏洞或死角。

3.6 廣播報(bào)警系統(tǒng)

LNG氣化站運(yùn)行過程中，為保證緊急情況出現(xiàn)時(shí)現(xiàn)場人員能快速集合組織處理險(xiǎn)情或緊急疏散，應(yīng)設(shè)置廣播報(bào)警系統(tǒng)，當(dāng)有緊急火警廣播要求時(shí)，通過廣播進(jìn)行通知，廣播控制設(shè)備設(shè)置在監(jiān)控室內(nèi)，由調(diào)度人員進(jìn)行總調(diào)度控制。廣播報(bào)警系統(tǒng)由前置放大器、功放、話筒、室外防水音柱或音箱等組成。獅山LNG綜合儲(chǔ)配站站除了廣播報(bào)警系統(tǒng)外，根據(jù)當(dāng)?shù)毓蚕酪?guī)定，在控制室還安裝了119火警專線，一旦發(fā)生火災(zāi)，可直接撥打消防電話請(qǐng)求支援。

3.7 配套供電系統(tǒng)

為保證自控儀表系統(tǒng)的正常工作，獅山LNG綜合儲(chǔ)配站采用不間斷電源(UPS)為站內(nèi)的控制系統(tǒng)、儀表檢測系統(tǒng)和微機(jī)服務(wù)器供電，在外部電源斷電的情況下，UPS能保證站控系統(tǒng)或站控系統(tǒng)及現(xiàn)場儀表4 h的正常工作。另外，在站內(nèi)設(shè)有柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源以保證供電。

3.8 控制室設(shè)計(jì)

LNG氣化站的控制室內(nèi)的設(shè)備屬于常年不間斷運(yùn)行，對(duì)于控制室的設(shè)計(jì)及裝修應(yīng)滿足一下幾個(gè)方面：

(1)建筑耐火等級(jí)不低于2級(jí)；

(2)房間設(shè)置防靜電活動(dòng)地板并接地，其高度為300~500 mm；

(3)房間凈高不低于3.6 m；

(4)如有外界電磁干擾，應(yīng)采取相應(yīng)屏蔽措施；

(5)人工照明照度：300~500 Lx；

(6)配備事故照明系統(tǒng)，必須有單獨(dú)供電電源，照度≥30 Lx；

(7)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)；

(8)配備手提式滅火器；

(9)溫度：18~28 ℃，溫度變化率小于 5 ℃/h，并不得結(jié)露；

(10)相對(duì)濕度：15~85%。

(11)設(shè)置滿足實(shí)際功率要求的UPS電源。

4 結(jié)語

LNG氣化站作為城鎮(zhèn)市政基礎(chǔ)設(shè)施，其平穩(wěn)運(yùn)行關(guān)系到千家萬戶，安全生產(chǎn)永遠(yuǎn)是第一位。自控儀表系統(tǒng)的應(yīng)用能夠連續(xù)、自動(dòng)地監(jiān)視和控制管道的運(yùn)行，提高安全生產(chǎn)系數(shù)，保證人身、設(shè)備及管道的安全，同時(shí)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，改善勞動(dòng)強(qiáng)度，確保為用戶安全、連續(xù)、穩(wěn)定供氣。在液化天然氣氣化站中如何更充分有效的利用自控儀表系統(tǒng)，不斷擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域，還需廣大科技工作者和燃?xì)鈭稣竟芾砣藛T一起探索和研究。

Discussion on Application of Auto-Control Instrument System in LNG Gasification Station Operation

Foshan Nanhai Gas Development Co., Ltd Zhao Xiaoqiang Li Liujun

The LNG Gasification Station is the main station to meet the natural gas demands of the town, and has the main functions, such as storage, gasification, metering and Odorization. Since it has the attributes of easy to burn, evaporate, explode and so on, it belongs to the dangerous region and it is important for the application of auto-control instrument system, which is analyzed combined the LNG gasification station project engineering example, and can be as a reference of the kind in the future.

LNG gasification station, auto-control, instrument