向曉燕

（陜西省燃?xì)庠O(shè)計院有限公司，西安 710043）

0 引言

天然氣液化工廠，其原料是以天然氣、煤層氣等以甲烷為主要成分的氣體，產(chǎn)品是液化天然氣（LNG），副產(chǎn)品是重?zé)N。本文以日處理原料氣300×104m3液化工廠為例。

天然氣液化工廠工藝過程基本包括預(yù)處理（凈化）、液化、儲存、裝卸及輔助系統(tǒng)等。凈化單元脫除原料氣中CO2、H2S、H2O、Hg、芳香烴等雜質(zhì)；液化和制冷系統(tǒng)采用MRC（混合冷劑）循環(huán)制冷，混合冷劑由5 種成分組成，包括氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷；液化天然氣儲存在LNG 常壓儲罐；重?zé)N存儲在重?zé)N儲罐。生產(chǎn)、儲存過程中涉及到的危險化學(xué)品主要有天然氣、液化天然氣、乙烯、丙烷、異戊烷和重?zé)N，其中天然氣、乙烯、丙烷為易燃?xì)怏w，異戊烷、重?zé)N為易燃液體，均具有易燃、易爆性。泄漏的可燃?xì)怏w（或蒸氣）能與空氣形成爆炸性混合物，達(dá)到爆炸極限后，遇明火、電火花、靜電火花等會引起火災(zāi)或爆炸。因為氣體泄漏導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸發(fā)生的安全生產(chǎn)事故往往會給國家和人民生命財產(chǎn)造成不可挽回的損失，所以天然氣液化工廠設(shè)置可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)（GDS）就顯得尤為重要。

1 GDS系統(tǒng)

根據(jù)原國家安監(jiān)總局發(fā)布的相關(guān)指導(dǎo)意見及現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)，GDS 系統(tǒng)應(yīng)獨立于其它系統(tǒng)單獨設(shè)置[1]。GDS 系統(tǒng)應(yīng)由氣體探測器、區(qū)域警報器、報警控制單元等組成，可燃?xì)怏w的檢測報警信號應(yīng)送至有人值守的中控室。可燃?xì)怏w的檢測報警采用兩級報警，可燃?xì)怏w的二級報警信號及報警控制單元的故障信號送至消防控制室的火災(zāi)報警控制器?？扇?xì)怏w探測器參與消防聯(lián)動時，探測器信號先接至專用的可燃?xì)怏w報警控制器，再上傳至消防控制室的火災(zāi)報警控制器。可燃?xì)怏w探測器參與安全聯(lián)鎖時，探測器信號接至SIS 系統(tǒng)。可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)配置圖如圖1。

圖1 可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)配置圖Fig.1 Configuration of combustible gas and toxic gas detection and alarm system

2 可燃?xì)怏w探測器

1）可燃?xì)怏w探測器的選型

可燃?xì)怏w探測器作為整個系統(tǒng)的輸入端，是整個系統(tǒng)能否有效發(fā)揮監(jiān)控作用的關(guān)鍵因素[2]?？扇?xì)怏w探測器的選用與環(huán)境條件、被測介質(zhì)的理化性質(zhì)、探測器的技術(shù)性能等密切相關(guān)。

常用的可燃?xì)怏w探測器分為多種類型：以安裝方式分為固定式、移動式和便攜式；以布置方式分為點式（擴散型與吸入型）、線式（開路式）和面式（紅外成像式）；以檢測原理分為催化燃燒型、紅外光型、電化學(xué)型、半導(dǎo)體型、熱傳導(dǎo)型、光致電離型、激光型和噪聲型等。

天然氣液化工廠實際生產(chǎn)過程中，工藝裝置分單元布置，裝置內(nèi)的設(shè)備、建筑物之間要考慮防火間距要求，設(shè)備布置相對比較分散，場所空間情況復(fù)雜。所以，天然氣液化工廠可燃?xì)怏w探測器多選用固定的點式探測器。

探測器檢測元件的檢測原理主要依據(jù)被測介質(zhì)的化學(xué)特性、溫度特性及物理特性等來選擇，廣泛使用的有催化燃燒型探測器、紅外光型探測器、電化學(xué)型探測器。它們的共同特點是檢測元件直接與泄漏氣體接觸，只有當(dāng)泄漏氣體接觸到探測器時才能探測到，規(guī)范要求探測器的響應(yīng)時間不超過30s。催化燃燒型探測器由于有催化劑促進(jìn)燃燒反應(yīng)，不能在含硫和鹵化物等能使催化劑中毒的環(huán)境中使用，催化燃燒型探測器必須在有氧環(huán)境中使用[3]。電化學(xué)型探測器應(yīng)注意環(huán)境溫度過高過低都會引起電解質(zhì)的物理變化，從而影響測量結(jié)果。3 種不同檢測原理探測器的性能比較見表1。

表1 探測器性能比較表Table 1 Detector performance comparison

探測器選型時，應(yīng)充分考慮檢測氣體的特性、儀表的性價比，并結(jié)合工程實際應(yīng)用環(huán)境、業(yè)主的需求等眾多因素，力求達(dá)到最佳的檢測效果且經(jīng)濟合理。

天然氣液化工廠可燃?xì)怏w主要是烴類可燃?xì)怏w，催化燃燒型探測器是GDS 系統(tǒng)的首選。環(huán)境氧氣檢測采用電化學(xué)型探測器，探測器均帶一體化聲光報警器。探測器的輸出信號選用4mA～20mA 的DC 信號，可燃?xì)怏w的測量范圍為0%LEL～100%LEL，環(huán)境氧氣的測量范圍為0%VOL～25%VOL。

探測器布線型式有多線制和總線制兩種。多線制的探測器采用三芯線，兩根電源線，一根信號線，電源負(fù)極和信號線公用。多線制是點對點的傳輸，探測器之間是相對獨立的，每個探測器與報警控制單元之間都有獨立的信號回路，即使某一回路故障也僅對該回路產(chǎn)生影響。多線制的缺點是布線復(fù)雜，布線量多。總線制的探測器采用四芯線，兩根電源線，兩根信號線?？偩€制有一條稱為主線的總線，所有的探測器都并聯(lián)到主線上，每個探測器有自己的獨立地址編碼，報警控制單元采用串行通訊的方式，通過不同的地址編碼訪問每個探測器?？偩€制的缺點是由于節(jié)點眾多，信號故障率較高，總線或任意支線發(fā)生故障時，整個系統(tǒng)可能就會癱瘓。天然氣液化工廠對安全性有極高要求，建議布線型式采用多線制。

需要臨時檢測可燃?xì)怏w的場所，如環(huán)境濕度過高、環(huán)境溫度過低、檢（維）修作業(yè)、受限空間作業(yè)、動火作業(yè)等，配備移動式可燃?xì)怏w探測器?，F(xiàn)場還應(yīng)配備便攜式可燃?xì)怏w探測器，以便巡檢操作人員進(jìn)入爆炸性氣體環(huán)境時隨身攜帶。

固定式可燃?xì)怏w探測器通常選用隔爆型（除0 區(qū)外），便攜式可燃?xì)怏w探測器選用本質(zhì)安全型。固定式可燃?xì)怏w探測器若選用本安型，探測器的工作電流較大，需配置特定安全柵[4]。探測器的防護(hù)等級不低于IP65。

2）探測器的布置

可燃?xì)怏w探測器的布置是一項復(fù)雜且細(xì)致的工作。可燃?xì)怏w檢測點應(yīng)根據(jù)地理條件、環(huán)境氣候、廠區(qū)總體布局、氣體理化性質(zhì)、釋放源特性和操作巡檢路線等條件，選擇氣體易于積聚，便于采樣和適于安裝的位置布置[5]。釋放源的位置需結(jié)合設(shè)備、管道及閥門等的實際布置進(jìn)行釋放源的分析與分類，并考慮巡檢及維修要求后最終確定。存在釋放源的場所應(yīng)設(shè)置探測器，探測器應(yīng)靠近釋放源，且在氣體、蒸氣易于積聚的地點。

天然氣液化工廠，露天或敞開式廠房的設(shè)備區(qū)域內(nèi)，以釋放源為中心，探測器的水平檢測半徑按10m 考慮；封閉式廠房或局部通風(fēng)不良的設(shè)備區(qū)域內(nèi)，探測器的水平檢測半徑按5m 考慮。檢測氣體為甲烷時，探測器的水平檢測半徑統(tǒng)一按5m 考慮。

天然氣液化工廠在凈化裝置區(qū)、液化裝置區(qū)、冷劑儲存區(qū)、壓縮機廠房、LNG 儲罐區(qū)、汽車裝卸站、火炬、導(dǎo)熱油爐、鍋爐房、分析化驗室、中控室新風(fēng)口等區(qū)域均設(shè)置可燃?xì)怏w探測器；在空壓制氮站設(shè)置氧氣探測器；在現(xiàn)場分析小屋設(shè)置可燃?xì)怏w探測器和氧氣探測器。

壓縮機廠房的可燃?xì)怏w探測器與壓縮機廠房的事故排風(fēng)機聯(lián)鎖，分析化驗室的可燃?xì)怏w探測器與分析化驗室的事故排風(fēng)機聯(lián)鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w探測器探測到氣體濃度達(dá)到一級報警設(shè)定值時，GDS 系統(tǒng)報警并聯(lián)鎖啟動相應(yīng)的事故排風(fēng)機。

鍋爐房的可燃?xì)怏w探測器與鍋爐房的事故排風(fēng)機及進(jìn)氣電磁閥聯(lián)鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w探測器探測到氣體濃度達(dá)到一級報警設(shè)定值時，GDS 系統(tǒng)報警并聯(lián)鎖啟動相應(yīng)的事故排風(fēng)機；當(dāng)可燃?xì)怏w探測器探測到氣體濃度達(dá)到二級報警設(shè)定值時，GDS 系統(tǒng)報警并聯(lián)鎖關(guān)閉相應(yīng)的與之聯(lián)動的電磁閥，切斷氣源。

中控室新風(fēng)口的可燃?xì)怏w探測器與進(jìn)風(fēng)管道電動密閉閥及新風(fēng)機聯(lián)鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w探測器探測到氣體濃度達(dá)到一級報警設(shè)定值時，GDS 系統(tǒng)報警并聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)風(fēng)管道電動密閉閥及新風(fēng)機。

3）探測器的安裝

探測器是直接接觸可燃性氣體的部分，其安裝位置是否合適直接關(guān)系到探測器能否正常發(fā)揮作用。在滿足規(guī)范要求的前提下，安裝位置也應(yīng)充分考慮合理性，為后期使用、維護(hù)及周期檢定提供便利。

探測器的安裝高度根據(jù)泄漏氣體的密度而定。泄漏氣體介質(zhì)重于空氣的，探測器安裝高度距所在地坪0.3m～0.6m；泄漏氣體介質(zhì)輕于空氣的，探測器安裝高度高出釋放源1.0m～2.0m；封閉廠房內(nèi)最高點設(shè)置的探測器，安裝高度低于房內(nèi)最高點0.3m；環(huán)境氧氣探測器的安裝高度距所在地坪1.5m～2.0m。

3 區(qū)域警報器

區(qū)域警報器采用隔爆型聲光報警器，根據(jù)生產(chǎn)裝置單元的報警分區(qū)合理設(shè)置。區(qū)域警報器的啟動信號應(yīng)采用第二級報警設(shè)定值信號，報警信號聲級應(yīng)高于110dBA[6]。

天然氣液化工廠生產(chǎn)裝置單元主要包括凈化裝置區(qū)、液化裝置區(qū)、冷劑儲存區(qū)、壓縮機廠房、汽車裝卸站等區(qū)域，區(qū)域警報器主要布置在生產(chǎn)裝置區(qū)的出入口、壓縮機廠房等封閉房間的門口、高噪聲區(qū)（噪聲大于85dBA），且應(yīng)位于工作或巡檢人員易于察覺的地點。區(qū)域警報器安裝高度距所在地坪不低于2.2m，區(qū)域警報器的防護(hù)等級不低于IP65。

4 報警控制單元

GDS 系統(tǒng)報警控制單元可以采用PLC 控制器、專用氣體報警控制器、DCS 控制器及SIS 控制器。探測器信號不用于消防聯(lián)動時，GDS 報警控制單元不需要取得SIL 認(rèn)證，也不需要取得消防產(chǎn)品型式檢測報告[7]。

在GDS 系統(tǒng)的工程設(shè)計中，需根據(jù)裝置的規(guī)模和特點、業(yè)主的安全管理要求、生產(chǎn)裝置的檢測點數(shù)量和檢測報警系統(tǒng)的技術(shù)要求，綜合考慮報警控制單元的設(shè)計方案。

GDS 系統(tǒng)報警控制單元應(yīng)具備如下功能：為探測器、區(qū)域警報器供電；接收探測器的輸出信號、顯示和記錄被檢測氣體的濃度，發(fā)出聲光報警信號；具有順序事件記錄（SOE）功能；具有故障智能診斷功能，能夠識別探測器故障、回路斷線及短路故障。

天然氣液化工廠，可燃?xì)怏w探測器數(shù)量眾多且監(jiān)控范圍較大，為便于集中監(jiān)測管理，全廠設(shè)置一套GDS 系統(tǒng)，報警控制單元設(shè)置在中控室。GDS 系統(tǒng)報警控制單元采用DCS 控制器，設(shè)置獨立的操作站，并配置區(qū)域報警模擬盤。建議GDS 系統(tǒng)與工廠主裝置分散型控制系統(tǒng)（DCS 系統(tǒng)）采用同品牌、型號的控制系統(tǒng)，方便系統(tǒng)間通信，且可以減少備品備件的數(shù)量，便于后期維護(hù)。將所有監(jiān)控場所探測器的點位平面布置圖存入系統(tǒng)，報警時可快速明確報警點位信息，便于操作人員及時、準(zhǔn)確地做出安全響應(yīng)。

GDS 系統(tǒng)的CPU、通信接口、電源按1:1 冗余配置，I/O 卡件必須符合G3 防腐標(biāo)準(zhǔn)，能在腐蝕性工業(yè)環(huán)境中運行。GDS 系統(tǒng)的關(guān)鍵回路選用冗余I/O 配置，GDS 系統(tǒng)的I/O 必須支持回路監(jiān)測功能。GDS 系統(tǒng)必須支持冗余的網(wǎng)絡(luò)連接控制器和操作員站，支持與DCS 系統(tǒng)之間的冗余通信。

5 系統(tǒng)供電

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，GDS 系統(tǒng)的電源供電按一級用電負(fù)荷中的重要負(fù)荷供電。天然氣液化工廠采用不間斷電源（UPS）對報警控制單元提供優(yōu)質(zhì)可靠電源，供電電壓為220VAC、50Hz，后備電池的供電時間不小于30min。GDS系統(tǒng)報警控制單元為現(xiàn)場可燃?xì)怏w探測器、區(qū)域警報器等供電，供電電壓為24VDC。

6 結(jié)束語

在工程設(shè)計中，GDS 系統(tǒng)應(yīng)是一個有機整體，氣體探測器、區(qū)域警報器及報警控制設(shè)備的設(shè)置等都應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定[8]。

在進(jìn)行工程設(shè)計時，應(yīng)針對項目特點，有針對性地提出探測器選型、安裝布置、系統(tǒng)配置方案，既有效地發(fā)揮其監(jiān)測功能，又減少用戶的經(jīng)濟投入，在一定程度上保證運營維護(hù)的方便。