梁沁宜,鄭 濤,拜雪玲,侯 軍,李照明,左紅磊

(1.中車西安車輛有限公司,陜西 西安 710086;2.中國鐵路西安局集團有限公司,陜西 西安 710086)

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)屬于低溫液體,運輸設(shè)備需采用壓力容器,儲運過程中溫度通常在-166～-120 ℃之間[1],一旦泄漏對周邊生物會產(chǎn)生低溫凍傷的風險,汽化后則存在爆炸的可能性,因此運輸過程的安全性極其重要。為提高液化天然氣的運輸安全性,可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和安全監(jiān)測系統(tǒng),通過信息傳感設(shè)備,按照約定的協(xié)議,利用罐內(nèi)介質(zhì)信息進行通信,在運輸全過程中對運輸設(shè)備及其裝運介質(zhì)狀態(tài)進行智能化檢測、定位和監(jiān)管等,做到安全預防。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國目前裝運LNG的移動設(shè)備主要是汽車罐車,鐵路罐車、罐式集裝箱等鐵路或水路移動運輸裝備已完成試制,且加裝了測量罐內(nèi)介質(zhì)壓力、液位等信息安全監(jiān)測系統(tǒng),尚未正式投入運用。

1.2 國外現(xiàn)狀

日本較早開始通過鐵路運輸LNG,在1973—1975年間制造了4輛LNG鐵路罐車,從2000年開始采用集裝箱進行LNG鐵路運輸,如圖1所示,集裝箱分為20 ft、30 ft和40 ft 3種規(guī)格,其中以30 ft集裝箱為主[2]。北美主要采用鐵路機車用LNG燃料罐車,如圖2所示,也可采用液態(tài)乙烯罐車運輸LNG。瑞典和挪威曾采用集裝箱進行LNG鐵路運輸。2016年德國與捷克共和國合作研制了歐洲第一款LNG鐵路罐車,如圖3所示。俄羅斯擁有少量鐵路機車用LNG燃料罐車,也研制了LNG鐵路罐車,但均未大批量商業(yè)化運營。這些LNG運輸裝備上均未加裝監(jiān)測罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)信息等功能的安全監(jiān)測系統(tǒng)。

圖1 日本LNG罐式集裝箱

圖2 加拿大鐵路機車用LNG燃料罐車

圖3 德國與捷克共和國合作研制的LNG鐵路罐車

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)的要求

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本原理,結(jié)合LNG運輸裝備的運用工況和安全監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點,整套系統(tǒng)應遵循低功耗、小型化、輕量化的設(shè)計原則,且不影響運輸裝備自身的行車安全,在使用工況、試驗、維護等方面的具體要求如下。

2.1 使用工況

2.1.1 適用溫度范圍

安全監(jiān)測系統(tǒng)的各電氣設(shè)備應能滿足LNG運輸裝備使用的環(huán)境溫度要求。

2.1.2 供電要求

LNG鐵路罐車、罐式集裝箱自身不帶電源,安全監(jiān)測系統(tǒng)的運行須配備合適的供電設(shè)施。

2.1.3 電氣防爆要求

LNG汽化后的主要成分是甲烷,爆炸極限為5%～15%(體積百分比),遇到電子裝置打火時存在爆炸的可能性[3],裝運LNG的運輸裝備一旦發(fā)生泄漏將處于爆炸性氣體環(huán)境,因而加裝的電氣設(shè)備必須滿足相應的防爆要求。

根據(jù)相關(guān)防爆標準[4-7]的規(guī)定,天然氣屬于ⅡA類爆炸性氣體;電氣設(shè)備的最高表面溫度應不超過天然氣的點燃溫度(650 ℃),溫度組別為T1;罐內(nèi)液體表面以上空間劃為0區(qū),以密閉裝卸口和通氣口為中心、半徑為1.5 m的球形空間劃為1區(qū),以密閉裝卸口為中心、半徑為4.5 m的球形并延至地面的空間和以通氣口為中心、半徑為3 m的球形空間劃為2區(qū);0區(qū)用電氣設(shè)備應滿足本安型(ia)防爆要求,1區(qū)用電氣設(shè)備可采用0區(qū)用電氣設(shè)備或滿足本安型(i)、隔爆型(d)、正壓型(p)、充砂型(q)、油浸型(o)、增安型(e)和澆封型(m)中任一種防爆要求的設(shè)備,2區(qū)用電氣設(shè)備可采用0區(qū)或1區(qū)用電氣設(shè)備或滿足“n”型防爆要求的設(shè)備。根據(jù)電氣設(shè)備所安裝區(qū)域的防爆要求,選擇具有相應防爆等級的設(shè)備。

2.1.4 特殊工況

除以上要求外,安全監(jiān)測系統(tǒng)還須滿足LNG運輸裝備運用的特殊工況要求,如抗振動和沖擊、抗射頻干擾等要求。

2.2 試驗

根據(jù)安全監(jiān)測系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)特點,進行性能試驗、高溫試驗、低溫試驗、恒定濕熱試驗、靜電放電試驗、射頻干擾試驗、絕緣試驗、振動和沖擊試驗、低溫存儲試驗等相關(guān)試驗。

2.3 維護

安全監(jiān)測系統(tǒng)的各電氣設(shè)備應便于拆卸,易于檢修,供電設(shè)施的供電時間不少于運輸裝備的最短檢修周期。

3 在LNG鐵路罐車/罐式集裝箱上的應用

3.1 車輛簡介

LNG鐵路罐車分為GYA70B和GYA70C2種車型,如圖4、圖5所示,均采用中梁結(jié)構(gòu),用于鐵路運輸LNG。GYA70B型罐車主要由罐體裝配、加排系統(tǒng)裝配、底架裝配、罐與底架裝配、制動裝配、鉤緩裝配、轉(zhuǎn)向架、操作間、安全監(jiān)測系統(tǒng)等組成,GYA70C型罐車在GYA70B型罐車的基礎(chǔ)上增設(shè)了押運間。編組方式為6輛重(空)罐車(含帶押運間車輛)以內(nèi)編為1組,其中僅有一輛罐車同時帶有操作間和押運間,其余罐車均不帶押運間,只有操作間[8]。

圖4 GYA70B型LNG鐵路罐車

圖5 GYA70C型LNG鐵路罐車

LNG罐式集裝箱為40 ft標準罐式箱,主要由罐體、框架、加排系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)等四部分組成,如圖6所示,可供鐵路運輸LNG。

圖6 LNG罐式集裝箱

3.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)

LNG鐵路罐車/罐式集裝箱安全監(jiān)測系統(tǒng)利用傳感器對罐內(nèi)介質(zhì)的壓力、液位進行檢測并顯示,通過短程無線的方式將該組內(nèi)各輛車檢測到的數(shù)據(jù)進行集中顯示,實現(xiàn)運輸全過程押運人員對各車輛介質(zhì)信息的監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由檢測傳輸設(shè)備、車載監(jiān)控設(shè)備及其配套軟件等組成。

3.2.1 檢測傳輸設(shè)備

檢測傳輸設(shè)備主要由壓力傳感器、差壓式液位傳感器和無線設(shè)備等組成,安裝在LNG鐵路罐車/罐式集裝箱的操作間/閥門箱內(nèi)。

壓力傳感器、差壓式液位傳感器的量程范圍分別為0～1 MPa、0～15 kPa,精度均不低于0.5%FS,有唯一的ID地址,防爆等級為ExiaⅡCT4Ga,防護等級為IP67,具有數(shù)顯、無線傳輸、防雷和休眠功能,通過螺紋連接與罐體上引出的接管相連。采用一次性電池供電,電壓為DC 3.6 V,與傳感器集成在一起,供電時間不少于1年,采用插接件連接,拆裝方便、快捷。

無線設(shè)備采用車載專用天線,安裝在操作間/閥門箱的外側(cè)頂部,發(fā)射功率不大于6 W,傳輸距離不小于240 m,一次運輸過程的數(shù)據(jù)傳輸成功率不低于90%,有效數(shù)據(jù)不低于95%,用于將壓力、液位等數(shù)據(jù)信息通過本地短程無線方式傳送到該組車輛的押運間/押運車內(nèi)。

3.2.2 車載監(jiān)控設(shè)備

LNG鐵路罐車/罐式集裝箱車載監(jiān)控設(shè)備主要包括數(shù)采主機、電源和無線設(shè)備等,安裝在押運間/押運車內(nèi)。

LNG鐵路罐車押運間無供電設(shè)備,需配備電源為數(shù)采主機供電,電源采用可充電電池,電壓為DC 12 V。LNG罐式集裝箱車載監(jiān)控設(shè)備利用押運車上的電源設(shè)施為其供電,電壓為AC 220 V,含DC 12 V外接電池接口。

數(shù)采主機為該組車輛信息的集中顯示裝置,并預留遠程無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)擴展接口,主要具有以下功能:

(1) 數(shù)據(jù)顯示功能。能夠監(jiān)測該組內(nèi)各車輛裝運介質(zhì)的壓力、液位信息。

(2) 調(diào)節(jié)采樣、上傳周期的功能。若此次傳輸失敗,系統(tǒng)會自動重復,與下次數(shù)據(jù)一起傳輸,直至發(fā)送成功。

(3) 異常報警功能。在罐內(nèi)介質(zhì)壓力超常、傳感器電量不足、電源電量不足等異常情況下以聲光形式報警。

(4) 押運管理功能?？奢斎胙b運介質(zhì)密度、車號、始發(fā)站、終點站、押運時間、押運人、發(fā)車前檢測到的介質(zhì)壓力和液位信息等。

(5) 數(shù)據(jù)存儲、導出和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

LNG鐵路罐車數(shù)顯主機和電源均采用隔爆型防爆設(shè)計,防爆等級為ExdⅡBT6Gb。LNG罐式集裝箱車載監(jiān)控設(shè)備安裝在押運車上,無防爆要求。

4 在LNG聯(lián)運罐式集裝箱上的應用

4.1 車輛簡介

LNG聯(lián)運罐式集裝箱為40 ft標準箱,主要由罐體、框架、側(cè)部加排系統(tǒng)、安全監(jiān)測系統(tǒng)等四部分組成,如圖7所示,可供鐵路、公路、水路以及多式聯(lián)運來運輸LNG。

圖7 LNG聯(lián)運罐式集裝箱

4.2 安全監(jiān)測系統(tǒng)

LNG聯(lián)運罐式集裝箱安全監(jiān)測系統(tǒng)采用傳感器件對罐內(nèi)介質(zhì)的壓力、液位、溫度等信息進行檢測,定位設(shè)備獲取罐箱位置,通過遠程無線的方式將各罐箱的檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進行集中顯示,實現(xiàn)運輸全過程工作人員對各罐箱位置和裝運介質(zhì)信息的監(jiān)測。該系統(tǒng)主要由多參量變送器、溫度傳感器、天線設(shè)備及其配套軟件等組成。

4.2.1 多參量變送器

多參量變送器采用一體化集成設(shè)計,主要由傳感器件、電源模塊、控制模塊、存儲模塊等組成,有唯一的ID地址,防爆等級為ExiaⅡBT1,防護等級為IP67,能夠檢測罐內(nèi)介質(zhì)壓力和液位、環(huán)境溫度、罐箱位置和加速度,顯示電池電量和時間,對檢測到的數(shù)據(jù)進行分析、處理并上傳,具有數(shù)顯、無線傳輸、防雷、休眠等功能,安裝在LNG聯(lián)運罐式集裝箱的閥門箱內(nèi)。高低壓傳感器件選用單晶硅,壓力和液位的量程范圍分別為0～1.6 MPa和0～15 kPa,測量精度均不低于0.5%FS。電源采用一次性電池,與其他模塊分倉封裝,帶短路保護,數(shù)據(jù)傳輸周期為30 min時,電池容量滿足2年使用要求,與主機之間采用插接方式連接,便于拆裝、檢修。

4.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用鉑電阻,量程范圍為-200～100 ℃,最大允許測量誤差為±1 ℃,通過專用測溫管路從外殼經(jīng)夾層插入內(nèi)容器。

4.2.3 天線設(shè)備

天線設(shè)備主要由GSM天線和GPRS天線組成,通過數(shù)字化無線通信的傳輸方式上傳數(shù)據(jù),通信制式支持2G/3G/4G。

該系統(tǒng)與LNG鐵路罐車/罐式集裝箱的主要區(qū)別在于能夠?qū)崿F(xiàn)遠程無線傳輸,主要具有以下功能:

(1) 檢測功能。測量罐內(nèi)介質(zhì)壓力和溫度、環(huán)境溫度,并顯示液位信息。

(2) 定位功能。

(3) 罐箱加速度顯示功能。

(4) 采樣、上傳周期可調(diào)。

(5) 遠程無線傳輸、設(shè)置和升級功能。在監(jiān)控中心監(jiān)測罐箱的各項指標,設(shè)置相關(guān)控制參數(shù),升級固件程序及校表。

(6) 異常報警功能。

(7) 數(shù)據(jù)存儲、導出和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

(8) 電腦和手機App均可查詢罐箱信息。

5 目前存在的問題

安全監(jiān)測系統(tǒng)應用于LNG運輸裝備能夠提高運輸安全性,做到安全預防,但是實際應用中仍存在一些問題,主要有以下兩方面:

(1)運用管理。LNG運輸裝備安全監(jiān)測系統(tǒng)的應用還牽涉通信、監(jiān)管和維修等方面。遠程無線傳送信息在鐵路貨車領(lǐng)域尚無運用經(jīng)驗,在尚未建立通信基站的地區(qū)無法進行通信,不能實現(xiàn)遠程無線傳送信息的功能。安全監(jiān)測系統(tǒng)的運用和監(jiān)測信息的管理還需制定具體的監(jiān)管措施。整套系統(tǒng)的維護和檢修,尤其是防爆產(chǎn)品,需由專業(yè)機構(gòu)或?qū)I(yè)人士操作。

(2)產(chǎn)品標準化。安全監(jiān)測系統(tǒng)的一些部件(如監(jiān)測主機)是供貨商按照LNG運輸裝備的特定要求專門研制的產(chǎn)品,無統(tǒng)一標準,各家產(chǎn)品不一致,接口不統(tǒng)一,通信協(xié)議不同,無法相互通信,標準化、系列化、通用化水平低。

6 結(jié)論

通過對加裝于LNG運輸裝備的安全監(jiān)測系統(tǒng)進行分析發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)能夠應用于LNG鐵路罐車/罐式集裝箱、聯(lián)運罐式集裝箱,實現(xiàn)工作人員對罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)及車輛信息的監(jiān)測,提高運輸安全性,做到安全預防。但該系統(tǒng)的實際應用過程中還需在運用管理和產(chǎn)品標準化方面進行進一步規(guī)范。