LNG接收站可燃氣檢測儀表選型及優(yōu)化設(shè)計研究

摘要：本文以LNG接收站的可燃氣檢測儀表作為研究對象，針對罐區(qū)測量管理系統(tǒng)與可燃氣體探測報警系統(tǒng)的選型情況進行詳細分析，圍繞罐區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)平臺建構(gòu)、激光可燃氣檢測器設(shè)計兩個層面，探討了可燃氣體探測報警裝置的優(yōu)化設(shè)計方案，并就其應(yīng)用效果進行評價，以期為可燃氣檢測技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新提供參考。

關(guān)鍵詞：LNG接收站;可燃氣檢測;激光檢測

引言：LNG的全稱是液化天然氣，以甲烷為主要成分，具有易燃易爆、低溫等性質(zhì)，一旦氣體泄漏即會快速蒸發(fā)形成云團，遇明火后造成火災(zāi)、爆炸等事故，威脅生命財產(chǎn)安全。LNG接收站由LNG碼頭、儲罐及工藝裝置組成，鑒于可燃氣具有高風(fēng)險特征，因此對于可燃氣檢測預(yù)警裝置選型設(shè)計的優(yōu)化提出了迫切需求。

1 LNG接收站的儀表選型

1.1罐區(qū)測量管理系統(tǒng)

LNG罐區(qū)儀表主要由雷達液位計、十六點平均溫度計、液位溫度密度計、伺服液位計、罐旁顯示儀等裝置組成，其中雷達液位計基于反射定位原理進行液位計量;十六點平均溫度計用于針對LED儲罐溫度進行檢測;液位溫度密度計用于針對LNG儲罐的液位高低、溫度變化情況進行檢測;伺服液位計用于監(jiān)測儲罐內(nèi)浮子的位置變化情況;罐旁顯示儀通過將數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為具體顯示信息，實現(xiàn)對儲罐內(nèi)部工況的可視化監(jiān)測。但由于LNG儲罐內(nèi)的可燃氣體包含多種組成成分，罐區(qū)現(xiàn)有儀表的分布狀態(tài)較為分散化，僅能實現(xiàn)對單一指標的檢測，無法使可燃氣體泄漏情況得到及時反饋，因此需依托儀表的整合與集成化管理實現(xiàn)對儲罐內(nèi)物質(zhì)變化、液位高低浮動情況的動態(tài)監(jiān)督。

1.2可燃氣體探測報警系統(tǒng)

可燃氣體探測報警系統(tǒng)（GDS）主要由可燃氣檢測器、邏輯控制器與報警設(shè)備組成，利用可燃氣檢測器進行現(xiàn)場可燃氣泄漏濃度的探測，將泄漏信息上傳至中控室，由邏輯控制器進行邏輯分析處理、發(fā)送控制指令，啟動報警設(shè)備、調(diào)節(jié)開關(guān)通斷、啟動消防系統(tǒng)，保障在可燃氣體輕度泄漏或現(xiàn)場發(fā)生火災(zāi)的早期起到報警與防護功能。在儀表選型上，當前國內(nèi)LNG接收站常用儀表包含半導(dǎo)體式、催化燃燒式、紅外線吸收式三種類型，綜合考慮適用檢測的氣體類型、計量精度要求、使用壽命、經(jīng)濟成本等因素，以開放式紅外線吸收式可燃氣檢測器作為最優(yōu)選擇。該檢測器基于紅外線吸收原理進行可燃氣檢測，測量范圍較廣、精確度與可選擇性均較好，但受降雨天氣及震動等因素的影響較大，誤報率與設(shè)備運維的復(fù)雜性程度較高，亟待進行優(yōu)化設(shè)計。

2可燃氣檢測器的優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用效果評價

2.1罐區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)平臺建構(gòu)

在LNG罐區(qū)的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計上，可將傳感器均勻布設(shè)在罐區(qū)各處用于采集環(huán)境條件參數(shù)，當儲罐內(nèi)的可燃氣體出現(xiàn)分層現(xiàn)象時，由傳感器將采集到的信息反饋至監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)由數(shù)據(jù)匯總、分析處理后執(zhí)行對LNG儲罐的加熱操作，伴隨熱量的輸入使儲罐內(nèi)位于不同層級的物質(zhì)密度發(fā)生改變，由此加速液體的翻滾與混合，有效消除物質(zhì)分層現(xiàn)象、恢復(fù)正常液位，遏制可燃氣體泄漏問題的發(fā)生。在此過程中，通過實行對儲罐內(nèi)物質(zhì)的分層監(jiān)測，可獲取到物質(zhì)密度、溫度等實時信息，將其匯總至計算機終端進行數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可視化呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)閾值，即可實現(xiàn)對儲罐內(nèi)液體的翻滾、混合處理，保障罐區(qū)的安全穩(wěn)定運行。

在LNG罐區(qū)庫存管理系統(tǒng)的設(shè)計上，該系統(tǒng)主要用于收集、處理儲罐內(nèi)的參數(shù)屬性及物料儲存量等數(shù)據(jù)，利用掃描儀作為信息收集裝置，結(jié)合算法程序生成運算結(jié)果、支持信號輸出;同時，該系統(tǒng)支持多臺計算機終端進行信號數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測，有效提升信息處理效率^[1]。

2.2激光可燃氣檢測器設(shè)計

基于氫原子的能級躍遷原理，原子是構(gòu)成一般物質(zhì)的最小單位，在原子內(nèi)部存在若干粒子分布在高低不同的能級上，當有某種特定能量的光子對粒子產(chǎn)生刺激時，將使位于低能級上的粒子躍遷至高能級上。由于氣體分子僅能吸收能量恰好為2個能級能量差的光子，分子結(jié)構(gòu)各異的氣體將吸收頻率存在差異的光子，因此僅需測量氣體分子吸收光譜的強弱，即可識別出氣體的種類，并測量出其具體的濃度值。而從朗伯比爾定律角度出發(fā)，物質(zhì)對某一波長光吸收的強弱與物質(zhì)濃度、厚度有關(guān)，設(shè)I、I₀分別代指入射光和透射光的強度，E為吸光系數(shù)，C為待測氣體濃度，L為光程，則有：

從上述公式中可知，樣品濃度與激光吸收率具有正比例關(guān)系，當保持吸光系數(shù)、光程數(shù)值不變的情況下，通過測量激光吸收率參數(shù)的變化，即可求解出待測氣體的濃度值。

針對激光可燃氣檢測器進行優(yōu)化設(shè)計，利用單片機控制電路進行檢測器電流的調(diào)制，調(diào)節(jié)其發(fā)射激光的波長;當激光穿過待測可燃氣體后，經(jīng)由反射面返回檢測器中，當待測氣體中含有具備典型特征的目標氣體時，將與待測可燃氣體發(fā)生作用，使部分激光被氣體吸收，且激光吸收量與目標氣體的濃度含量成正比;待檢測結(jié)束后，由檢測器將自身檢測到的激光強度變化值進行返回，經(jīng)由單片機控制電路處理后轉(zhuǎn)化為信號，由信號輸出電路進行傳輸，獲取到最終的濃度檢測結(jié)果。

將原有紅外式可燃氣檢測器與激光可燃氣檢測器的使用效果進行比較，紅外式儀檢測器的測量距離較短，無氣體選擇性，響應(yīng)時間≤10s，分辨率為500ppm，量程為0～100% LEL，標定周期為1a，使用壽命為3～5a;而激光式檢測儀器采用非接觸檢測方式，有特定目標氣體，響應(yīng)時間不超過1s，分辨率為1ppm，量程為0～100% VOL可調(diào)，無需標定，使用壽命長達5～10a。從中可以看出，采用激光吸收技術(shù)進行可燃氣體檢測裝置的優(yōu)化設(shè)計，能夠顯著削弱儀表使用環(huán)節(jié)的交叉干擾問題，且非接觸式檢測方式可有效規(guī)避使用者中毒、暴露的風(fēng)險，具備良好的適用價值。

2.3實際應(yīng)用效果

截至2019年，我國已建成投產(chǎn)的LNG接收站共有21個，最高處理能力達680萬t/年。唐山LNG接收站自2013年投產(chǎn)以來累計氣化外輸天然氣220億m?、槽車裝車150余萬t，成為國內(nèi)氣化能力最強的接收站，承擔(dān)著京津冀地區(qū)保供天然氣的重任。以唐山LNG接收站槽車裝車區(qū)擴建EPC總承包項目為例，當前該接收站配套2座LNG碼頭、4座16萬m?的LNG儲罐、15個LNG槽車裝車撬，計劃新增15臺裝車撬^[2]。

基于《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設(shè)計規(guī)范》（GB50493-2009），該項目共配備18個點紅外可燃檢測器與2套開路式激光可燃氣檢測器，其中紅外檢測器安裝在距地面0.5m高度位置，用于實現(xiàn)對地面裝車撬可燃氣泄漏的檢測;激光檢測器則安裝在裝車棚下方0.2m左右，輔助完成對槽車、裝車撬可燃氣體泄漏的檢測。激光檢測器實行激光收發(fā)的一體化設(shè)計，基于反射原理將接收裝置設(shè)為大面積反射面，其光譜極窄、僅對CH₄有反應(yīng)，且電纜均集中在一端布置，具有結(jié)構(gòu)靈活、安裝便捷、光路校準簡單、抗風(fēng)與抗震效果好等應(yīng)用優(yōu)勢，使檢修維護工作量大幅精簡，具備良好的應(yīng)用及推廣價值。

結(jié)論：在當前北方地區(qū)調(diào)峰保供任務(wù)日漸繁重的形勢下，LNG儲罐及配套設(shè)施有限、設(shè)備高負荷運轉(zhuǎn)、無法保障運維實效等問題逐漸突出，極易增加可燃氣體泄漏的風(fēng)險，因此還需依托技術(shù)更新提升可燃氣檢測儀表的運行效果，為LNG接收站及相關(guān)裝置設(shè)備的安全穩(wěn)定運行提供保障，更好地實現(xiàn)滿量程檢測目標。

參考文獻：

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作者簡介;作者簡介：候旭光（出生年1987），男，漢族，（籍貫：河北省晉州人），本科，中級工程師，研究方向：天然氣儲運。

楊艷麗.高職院校“雙師型”教師培養(yǎng)機制存在的問題及對策研究[J].南方農(nóng)機，2020，51（07）：149.

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作者簡介：何苗（1986.06-），女，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，講師研究方向：藝術(shù)設(shè)計。