GDS在罐區(qū)主動安全防護方面的應(yīng)用

宋 蓓

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

目前，浮頂儲罐的密封結(jié)構(gòu)主要采用一次密封和二次密封，在一二次密封結(jié)構(gòu)之間會形成相對密閉的環(huán)形油氣聚集空間[1]。當油罐罐壁掛油或者實施收發(fā)油作業(yè)時，隨著浮盤的升降會產(chǎn)生大量的可燃氣體，主要成分是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等，如果此時遇到雷擊或靜電產(chǎn)生的火花等可能會引起燃燒甚至爆炸[1]。因此，有必要對大型外浮頂儲罐一二次密封空間的油氣濃度進行實時監(jiān)控，建立主動安全防護，做好前期預(yù)防。

外浮頂儲罐一二次密封空間的油氣濃度可以使用分析儀表、便攜式可燃氣體檢測儀表、無線可燃氣體檢測儀表等進行檢測。分析儀表通常結(jié)構(gòu)復雜，需要配置預(yù)處理系統(tǒng)，還要考慮分析儀機柜、取樣管線的長度等，且一般來說價格較高；便攜式可燃氣體檢測儀表主要以人工攜帶為主，只能檢測某一時段油氣的濃度，無法達到預(yù)防火災(zāi)的要求[2-3]；無線可燃氣體檢測儀表雖然免去了線纜敷設(shè)的麻煩，但也要考慮儀表供電、信號可靠性、通信距離等因素。因此，采用可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(tǒng)(以下簡稱為GDS)監(jiān)測一二次密封空間油氣濃度和氧氣濃度，當達到報警值時，現(xiàn)場和控制室聲光報警，再配合雷電預(yù)警系統(tǒng)，可以有效降低儲罐因雷擊導致的爆炸起火的事故風險。

本文結(jié)合已完成交付的項目詳述GDS在罐區(qū)主動安全防護方面的應(yīng)用。

1 項目背景和目的

1.1 項目背景

某廠液體化工品罐區(qū)共計有5個，每個罐區(qū)均有4個5萬方的外浮頂儲罐，儲罐儲存介質(zhì)均為原油。原油為甲B類易燃液體，具有易燃性、易沸溢性等特性，爆炸極限范圍較窄但數(shù)值較低，有一定的爆炸危險性。

該廠外浮頂儲罐的密封形式均為泡沫軟密封，5萬方儲罐(直徑60m，高度17.5m)一、二次密封的空間體積約為25方。一、二次密封油氣空間中的介質(zhì)為原油的揮發(fā)氣與空氣混合形成的易爆氣體。這個油氣空間的存在，使之成為油罐安全運行中的主要危害因素之一，一旦該空間可燃氣體的濃度達到爆炸下限，此時遇到雷擊或者靜電產(chǎn)生的火花，可能會引起可燃氣體的爆炸或燃燒，嚴重威脅罐區(qū)的運行安全。

1.2 目的

采用GDS監(jiān)測一二次密封空間油氣濃度和氧氣濃度的目的是配合罐區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)使用，降低儲罐因雷擊導致的爆炸起火的事故風險。

目前，該廠的雷電預(yù)警系統(tǒng)可以預(yù)測的雷電范圍為15km，從預(yù)測到雷電產(chǎn)生到影響罐區(qū)的時間大概為15min。當預(yù)測到有雷電產(chǎn)生時，通過離心通風機往原油儲罐一、二次密封空間內(nèi)注入惰性氣體，置換出可燃氣體，在雷電影響罐區(qū)之前使油氣濃度降至爆炸下限以下，從而降低儲罐因雷擊導致爆炸起火的事故風險。

2 項目方案

2.1 方案概述

以罐區(qū)為單元，XXX罐區(qū)設(shè)一臺離心通風機，風機流量Q=3600m3/h，出口壓力P=10kPa。風機風量計算按照原密封空間內(nèi)油氣濃度的50%，通入惰性氣體等體積均勻置換考慮，將油氣濃度在10分鐘之內(nèi)降低至爆炸下限以下。XXX罐區(qū)主管線管徑為DN250，支管管徑為DN100，每臺罐罐前支管設(shè)流量計及壓力表各一塊，流量及壓力信號遠傳到控制室，罐頂設(shè)分氣包，經(jīng)分氣包后分8路DN50管線進入儲罐一、二次密封空間。分氣包前設(shè)置阻火器和止回閥。

每臺儲罐頂部一、二次密封空間內(nèi)的油氣設(shè)泵吸式可燃氣體探測器及氧氣探測器，用以實時監(jiān)測儲罐一、二次密封空間內(nèi)的油氣濃度和氧氣濃度，并把信號傳輸至位于控制室的GDS。當雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)生預(yù)警信號之后，根據(jù)儲罐密封空間內(nèi)油氣濃度的情況，人工啟動風機，當油氣濃度低于爆炸下限LEL以下時(風機啟動10分鐘之內(nèi))，可將風機關(guān)閉。

2.2 技術(shù)原理

物質(zhì)產(chǎn)生燃燒需要具備可燃物、點火源和助燃物，這也是燃燒的三要素。對于原油儲罐一二次密封形成的油氣空間來說，油氣是可燃物，氧氣是助燃物，而雷擊或靜電火花則是點火源。當可燃物和助燃物的濃度達到某一限值時，如果遇到雷擊或靜電火花，則會發(fā)生燃燒甚至爆炸。

GDS通過實時采集罐頂一二次密封空間的可燃氣體探測器和氧氣探測器的數(shù)值，也即可燃物和助燃物的濃度，根據(jù)安全判定規(guī)則進行分析判斷(見表1)，當超過設(shè)定值時，控制室報警，并發(fā)出驅(qū)動信號聯(lián)動相應(yīng)罐區(qū)附近的現(xiàn)場區(qū)域聲光警報器，同時人工啟動風機向一二次密封空間注入惰性氣體，置換出可燃氣體，從而達到防火防爆的效果。

表1 安全判定規(guī)則[4]

3 項目實施

3.1 GDS

GDS由可燃氣體探測器、氧氣探測器、現(xiàn)場警報器、報警控制單元等組成。

可燃氣體和氧氣探測器用來檢測儲罐一二次密封空間中的油氣濃度和氧氣含量，并把信號送給GDS控制單元，控制單元根據(jù)安全判定規(guī)則進行比較分析，當達到報警值時，發(fā)出控制信號給現(xiàn)場區(qū)域聲光警報器，提醒操作人員應(yīng)開啟風機注入惰性氣體，使一二次密封空間內(nèi)的油氣濃度和氧氣含量恢復到安全狀態(tài)。

3.2 可燃氣體探測器的選型

通常對于可燃氣體的檢測一般采用催化燃燒原理，針對外浮頂儲罐一二次密封空間中氧含量低且催化燃燒方式可能成為潛在危險的工況，根據(jù)GB/T 50493-2019，本項目選用紅外光譜吸收法檢測可燃氣體濃度。

同時，考慮到常用的擴散式氣體探測器受環(huán)境溫度、風速的影響較大，本項目采用泵吸式氣體探測器，這更適合外浮頂儲罐一二次密封形成的相對密閉的油氣空間。

圖1 泵吸式氣體探測器安裝示意圖

3.3 氧氣探測器的選型

根據(jù)GB/T 50493-2019，大型外浮頂儲罐一二次密封空間中氧氣含量的測量采用電化學原理，采樣方式與可燃氣體探測器相同，采用泵吸式氣體探測器。

3.4 現(xiàn)場警報器的選型

現(xiàn)場區(qū)域聲光警報器選用隔爆型，聲壓級高于110dBA，其他技術(shù)要求見表2。

表2 現(xiàn)場警報器技術(shù)要求

3.5 氣體探測器探頭布置

圖2 探測器平面布置圖

每臺儲罐罐頂設(shè)8個取樣點，每個取樣點設(shè)1臺可燃氣體探測器和1臺氧氣探測器。每個罐區(qū)根據(jù)分區(qū)對角設(shè)置2臺現(xiàn)場區(qū)域聲光警報器。

探測器平面布置圖如圖2所示，圖中AT-XXXXA代表可燃氣體探測器，AT-XXXXB代表氧氣探測器，GJB-XXXX為接線箱。罐頂新增可燃氣體探測器和氧氣探測器信號電纜(鎧裝電纜)先接入每個儲罐罐頂板中心設(shè)置的接線箱后，輸出多芯電纜(鎧裝)沿原有橋架接至位于控制室機柜間的GDS。

4 結(jié)束語

罐區(qū)主動安全防護最關(guān)鍵的部分就是儲罐一二次密封空間中油氣濃度的檢測。本文通過項目實踐論證了采用GDS實現(xiàn)對一二次密封空間油氣濃度的實時監(jiān)測是一種可行的選擇，通過GDS(或氣體報警控制器)聯(lián)動控制相關(guān)區(qū)域的聲光報警器，可以起到良好的預(yù)警作用，再配合罐區(qū)雷電預(yù)警系統(tǒng)使用，可以有效降低儲罐因雷擊導致的爆炸起火的事故風險。