天然氣計量分析小屋可燃氣體潛在爆炸性危害調查和合理性解決方案研究

戴正文+++畢洲武

摘 要：天然氣計量分析小屋（以下簡稱“分析小屋”）作為天然氣計量系統(tǒng)設施重要組成部分，其內部安裝的天然氣氣體分析設施起著對在線計量天然氣進行組分分析，且分析結果直接參與天然氣計量標準轉換，所以其重要性不言而喻。但是由于分析小屋屬于空間相對密閉性場所，由于天然氣本身具有易燃易爆性，所以在該空間內就存在著可燃氣體潛在爆炸性危害。故文章旨在對天然氣分析小屋可燃氣體潛在爆炸性危害及現有防范措施進行摸底調查，并在調查的基礎上提出更合理的方案性解決辦法。

關鍵詞：天然氣；分析小屋；爆炸性

引言

當今，天然氣作為一次能源的重要組成部分，已成為不可或缺的經濟支柱，無論是作為工業(yè)“發(fā)動機”保障，還是關系到民生大計，其重要性都是無可厚非的。如今天然氣對于我國經濟發(fā)展來說更是顯得尤為重要，所以才出現了諸如“西氣東輸”工程以及中俄天然氣管道工程等建設與實現。而天然氣計量更是天然氣運輸行業(yè)的重中之重，因為它直接關系到天然氣的銷售，無論是對于上游產方、管道運輸方還是下游接收方，都是如此；如若存在計量問題，輕則產生計量貿易糾紛，重則產生國際貿易摩擦，所以它扮演著一個重要而敏感的角色。由于分析小屋內部的設施直接分析貿易計量天然氣組分，其分析結果參與貿易計量計算。因此，它的正常安全平穩(wěn)運行是天然氣貿易計量的順利成功的保障。然而當今無論是艾默生的丹尼爾（英文：DANIEL）、阿爾斯特（英文：ELSTER）還是ABB公司所以及其他廠商生產的天然氣分析系統(tǒng)設備都是安裝在分析小屋內，而該分析小屋屬于空間相對密閉性場所，且內部由眾多管件及重要設備連接，一旦出現泄漏，就存在著可燃性保證危險。

1 分析小屋可燃氣體爆炸性危害調查

1.1 分析小屋簡介

分析小屋內部設施有天然氣氣體分析儀、標氣容器裝置（如標氣瓶）及各種管件及附屬裝置，主要承擔著從運輸管道中采集被分析氣體并進行過濾、除濕等處理，然后通過閥門控制、管件輸送至氣體分析儀中進行分離分析組分，然后通過排氣裝置排除到大氣中。標氣容器裝置主要盛裝標準天然氣（注：已知氣體組分），參與分析計量天然氣的組分數值分析計算。

1.2 爆炸潛在性危害因素調查

分析小屋內部存在爆炸性危害因素主要有空間結構性因素、內部存在相關氣體物化性質因素以及內部存在的誘發(fā)因素，具體分析調查分析如下：

1.2.1 空間結果性因素方面

根據分析小屋的空間大小及內部設施布局，總結出它存在以下特點：一是空間有限且相對密閉；二是設備、管件眾多且密集；三是內部空間氣體與外界空氣流通交換不暢。

1.2.2 內部可能存在相關氣體物化性質

分析小屋內部可能存在的相關氣體主要有空氣和天然氣；其中，空氣是一種由大約78%VOL氮氣（N2）、21%VOL氧氣（O2）及1%的其他氣體組成的混合氣體，其中具有爆炸性潛在危險因素為空氣中的氧氣，具有助燃性，它是化學燃燒反應中的氧化助燃劑。而天然氣是一種由烷烴（主要是甲烷、乙烷）及其他氣體如氮氣（N2）等混合物，其具有易燃易爆性，爆炸范圍為5%-15%，是化學燃燒反應的燃燒劑。

1.2.3 內部存在的誘發(fā)因素

對于分析小屋而言，能誘發(fā)內部發(fā)生爆炸的因素有二：其一是天然氣和空氣形成混合物從而形成的外部環(huán)境條件；二是能發(fā)生燃燒爆炸的火源，根據其實際運行環(huán)境分析，存在的火源因素主要是由電氣火源，如分析小屋電氣設備、電氣線路短路或靜電引發(fā)的火花。

2 針對分析小屋潛在爆炸性危害防范措施及缺陷

2.1 防范措施調查

針對目前天然氣貿易計量系統(tǒng)分析小屋普遍存在可燃氣體潛在爆炸性危害，各個天然氣在線組分分析生產廠商也紛紛對其產品采取了較有針對性的措施，本文根據現場實際調查情況，普遍的情況是在分析小屋內安裝可燃氣體檢測儀（如深圳特安ESD200、無錫格林通IR200），通過可燃氣體檢測儀實時對分析小屋空間內的可燃氣體濃度進行檢測，并將濃度信號轉換成4-20mA的標準電流信號，輸入現場就地控制器（如現場小型PLC或其他控制器），通過邏輯判斷后一方面控制就地排風扇啟動，排除內部的氣體；另一方面則是輸出控制信號關閉采樣進氣電磁閥，待內部可燃氣體排除后再自動化控制排風風機和電磁閥的恢復，其控制系統(tǒng)結構圖具體如圖1。

2.2 防范措施缺陷

從2.1的介紹來看，目前各場站雖然針對性地采取了一些相關措施，但是從自動化系統(tǒng)高度來看，其存在重大的缺陷，其缺陷是分析小屋就是一個“自動化信息孤島”[1]，具體含義是分析小屋內的可燃氣體檢測系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)，沒有與整個SCADA系統(tǒng)（注：SCADA系統(tǒng)全稱是數據采集與監(jiān)控系統(tǒng)）有任何信息交換，即運行監(jiān)控人員無法實時掌握內部的可燃氣體濃度信息，一旦這個獨立系統(tǒng)任何環(huán)節(jié)出現了問題（如系統(tǒng)故障等），無法知曉并采取任何人為措施。

3 解決分析小屋可燃氣體潛在爆炸性危害的合理性方案

3.1 方案合理性研究

針對2.2提出的對重大缺陷，經過對現場實際情況摸底調查，在此提出了更加合理性的解決方案，方案總體思想是通過線纜傳輸，將現場可燃氣體檢測儀檢測到的可燃氣體濃度轉換的電信號及整個系統(tǒng)運行狀態(tài)（如設備故障開關信號）傳輸至SCADA系統(tǒng)中，并在上位機HMI（注：HMI為人機交互界面）進行顯示，同時在上位機HMI界面可以進行人為遠程強制操作現場輸出設備（如排風扇、電磁閥），這樣分析小屋內的可燃氣體監(jiān)測系統(tǒng)不再是一個“自動化信息孤島”，而是納入到整個SCADA系統(tǒng)，這樣提高了分析小屋安全運行的可靠性，其方案的控制網絡拓撲結構如圖2。

3.2 具體方案實施

3.2.1 可燃氣體濃度信息獲取

通過對現場可燃氣體檢測儀進行功能和結構性分析，可以通過對可燃氣體檢測儀檢測轉換后的4-20mA信號，通過信號分配器一分為二，一路繼續(xù)作為現場控制設備的模擬量輸入（AI量），另一路去向SCADA系統(tǒng)的大型PLC設備，作為模擬量（AI）輸入，通過對PLC設備內部程序修改，通過邏輯判斷，獲取報警信號上傳至上位機的HMI界面顯示。

3.2.2 分析小屋可燃氣體檢測系統(tǒng)狀態(tài)信息獲取

通過現有設備（注：如果現有設備不滿足，則更換相應設備）的故障輔助觸點，通過儀表電纜接入SCADA系統(tǒng)的大型PLC系統(tǒng)，通過相關程序編寫判斷，并與上位機HMI界面形成對應。

3.2.3 上位機手動強制遠程控制輸出

增加上位機HMI界面操作點，通過遠程控制大型PLC相應程序，并通過輸出進一步分析小屋內的排風風機和電磁閥狀態(tài)控制。

4 結束語

根據文章提出的方案實施，經過現場實踐，該合理性解決方案具有重要的現實意義，并具有很好的可行性，能滿足要求。一方面，施工可行性具有操作性，因為分析小屋內的氣體分析儀與計量系統(tǒng)是一個整體，在前期施工時，一般都留有足夠的預留儀表電纜，且本文提出的方案所用的儀表電纜芯數也足夠少。另一方面，效果明顯，成功解決了分析小屋可燃氣體檢測系統(tǒng)“自動化信息孤島”缺陷，且在現實中消除了潛在的危害。對后期其他系統(tǒng)的改造具有一定的參考價值。

參考文獻

[1]吳譽，朱克強，愈曉光，等.一種自動化“信息孤島”問題的解決辦法[J].石油化工自動化，2004（6）：1-2.