天然氣液化工廠GDS系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)探討

向曉燕

（陜西省燃?xì)庠O(shè)計(jì)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(chǔ)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?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷；液化天然氣?chǔ)存在LNG 常壓儲(chǔ)罐；重?zé)N存儲(chǔ)在重?zé)N儲(chǔ)罐。生產(chǎn)、儲(chǔ)存過程中涉及到的危險(xiǎn)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(huì)引起火災(zāi)或爆炸。因?yàn)闅怏w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(huì)給國家和人民生命財(cái)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(cè)報(bào)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(dú)立于其它系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)置[1]。GDS 系統(tǒng)應(yīng)由氣體探測(cè)器、區(qū)域警報(bào)器、報(bào)警控制單元等組成，可燃?xì)怏w的檢測(cè)報(bào)警信號(hào)應(yīng)送至有人值守的中控室?？扇?xì)怏w的檢測(cè)報(bào)警采用兩級(jí)報(bào)警，可燃?xì)怏w的二級(jí)報(bào)警信號(hào)及報(bào)警控制單元的故障信號(hào)送至消防控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器?？扇?xì)怏w探測(cè)器參與消防聯(lián)動(dòng)時(shí)，探測(cè)器信號(hào)先接至專用的可燃?xì)怏w報(bào)警控制器，再上傳至消防控制室的火災(zāi)報(bào)警控制器?？扇?xì)怏w探測(cè)器參與安全聯(lián)鎖時(shí)，探測(cè)器信號(hào)接至SIS 系統(tǒng)?？扇?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)配置圖如圖1。

圖1 可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)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(cè)器

1）可燃?xì)怏w探測(cè)器的選型

可燃?xì)怏w探測(cè)器作為整個(gè)系統(tǒng)的輸入端，是整個(gè)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(cè)器的選用與環(huán)境條件、被測(cè)介質(zhì)的理化性質(zhì)、探測(cè)器的技術(shù)性能等密切相關(guān)。

常用的可燃?xì)怏w探測(cè)器分為多種類型：以安裝方式分為固定式、移動(dòng)式和便攜式；以布置方式分為點(diǎn)式（擴(kuò)散型與吸入型）、線式（開路式）和面式（紅外成像式）；以檢測(cè)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(shí)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(duì)比較分散，場(chǎng)所空間情況復(fù)雜。所以，天然氣液化工廠可燃?xì)怏w探測(cè)器多選用固定的點(diǎn)式探測(cè)器。

探測(cè)器檢測(cè)元件的檢測(cè)原理主要依據(jù)被測(cè)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(cè)器、紅外光型探測(cè)器、電化學(xué)型探測(cè)器。它們的共同特點(diǎn)是檢測(cè)元件直接與泄漏氣體接觸，只有當(dāng)泄漏氣體接觸到探測(cè)器時(shí)才能探測(cè)到，規(guī)范要求探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間不超過30s。催化燃燒型探測(cè)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(cè)器必須在有氧環(huán)境中使用[3]。電化學(xué)型探測(cè)器應(yīng)注意環(huán)境溫度過高過低都會(huì)引起電解質(zhì)的物理變化，從而影響測(cè)量結(jié)果。3 種不同檢測(cè)原理探測(cè)器的性能比較見表1。

表1 探測(cè)器性能比較表Table 1 Detector performance comparison

探測(cè)器選型時(shí)，應(yīng)充分考慮檢測(cè)氣體的特性、儀表的性價(jià)比，并結(jié)合工程實(shí)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(cè)效果且經(jīng)濟(jì)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(cè)器是GDS 系統(tǒng)的首選。環(huán)境氧氣檢測(cè)采用電化學(xué)型探測(cè)器，探測(cè)器均帶一體化聲光報(bào)警器。探測(cè)器的輸出信號(hào)選用4mA～20mA 的DC 信號(hào)，可燃?xì)怏w的測(cè)量范圍為0%LEL～100%LEL，環(huán)境氧氣的測(cè)量范圍為0%VOL～25%VOL。

探測(cè)器布線型式有多線制和總線制兩種。多線制的探測(cè)器采用三芯線，兩根電源線，一根信號(hào)線，電源負(fù)極和信號(hào)線公用。多線制是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸，探測(cè)器之間是相對(duì)獨(dú)立的，每個(gè)探測(cè)器與報(bào)警控制單元之間都有獨(dú)立的信號(hào)回路，即使某一回路故障也僅對(duì)該回路產(chǎn)生影響。多線制的缺點(diǎn)是布線復(fù)雜，布線量多?？偩€制的探測(cè)器采用四芯線，兩根電源線，兩根信號(hào)線?？偩€制有一條稱為主線的總線，所有的探測(cè)器都并聯(lián)到主線上，每個(gè)探測(cè)器有自己的獨(dú)立地址編碼，報(bào)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(gè)探測(cè)器?？偩€制的缺點(diǎn)是由于節(jié)點(diǎn)眾多，信號(hào)故障率較高，總線或任意支線發(fā)生故障時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)可能就會(huì)癱瘓。天然氣液化工廠對(duì)安全性有極高要求，建議布線型式采用多線制。

需要臨時(shí)檢測(cè)可燃?xì)怏w的場(chǎng)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(dòng)火作業(yè)等，配備移動(dòng)式可燃?xì)怏w探測(cè)器?，F(xiàn)場(chǎng)還應(yīng)配備便攜式可燃?xì)怏w探測(cè)器，以便巡檢操作人員進(jìn)入爆炸性氣體環(huán)境時(shí)隨身攜帶。

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

2）探測(cè)器的布置

可燃?xì)怏w探測(cè)器的布置是一項(xiàng)復(fù)雜且細(xì)致的工作。可燃?xì)怏w檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)地理?xiàng)l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(shí)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(chǎng)所應(yīng)設(shè)置探測(cè)器，探測(cè)器應(yīng)靠近釋放源，且在氣體、蒸氣易于積聚的地點(diǎn)。

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(cè)器的水平檢測(cè)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(cè)器的水平檢測(cè)半徑按5m 考慮。檢測(cè)氣體為甲烷時(shí)，探測(cè)器的水平檢測(cè)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(chǔ)存區(qū)、壓縮機(jī)廠房、LNG 儲(chǔ)罐區(qū)、汽車裝卸站、火炬、導(dǎo)熱油爐、鍋爐房、分析化驗(yàn)室、中控室新風(fēng)口等區(qū)域均設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器；在空壓制氮站設(shè)置氧氣探測(cè)器；在現(xiàn)場(chǎng)分析小屋設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器和氧氣探測(cè)器。

壓縮機(jī)廠房的可燃?xì)怏w探測(cè)器與壓縮機(jī)廠房的事故排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖，分析化驗(yàn)室的可燃?xì)怏w探測(cè)器與分析化驗(yàn)室的事故排風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)到氣體濃度達(dá)到一級(jí)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，GDS 系統(tǒng)報(bào)警并聯(lián)鎖啟動(dòng)相應(yīng)的事故排風(fēng)機(jī)。

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

中控室新風(fēng)口的可燃?xì)怏w探測(cè)器與進(jìn)風(fēng)管道電動(dòng)密閉閥及新風(fēng)機(jī)聯(lián)鎖。當(dāng)可燃?xì)怏w探測(cè)器探測(cè)到氣體濃度達(dá)到一級(jí)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，GDS 系統(tǒng)報(bào)警并聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)風(fēng)管道電動(dòng)密閉閥及新風(fēng)機(jī)。

3）探測(cè)器的安裝

探測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器安裝高度高出釋放源1.0m～2.0m；封閉廠房?jī)?nèi)最高點(diǎn)設(shè)置的探測(cè)器，安裝高度低于房?jī)?nèi)最高點(diǎn)0.3m；環(huán)境氧氣探測(cè)器的安裝高度距所在地坪1.5m～2.0m。

3 區(qū)域警報(bào)器

區(qū)域警報(bào)器采用隔爆型聲光報(bào)警器，根據(jù)生產(chǎn)裝置單元的報(bào)警分區(qū)合理設(shè)置。區(qū)域警報(bào)器的啟動(dòng)信號(hào)應(yīng)采用第二級(jí)報(bào)警設(shè)定值信號(hào)，報(bào)警信號(hào)聲級(jí)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(chǔ)存區(qū)、壓縮機(jī)廠房、汽車裝卸站等區(qū)域，區(qū)域警報(bào)器主要布置在生產(chǎn)裝置區(qū)的出入口、壓縮機(jī)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(diǎn)。區(qū)域警報(bào)器安裝高度距所在地坪不低于2.2m，區(qū)域警報(bào)器的防護(hù)等級(jí)不低于IP65。

4 報(bào)警控制單元

GDS 系統(tǒng)報(bào)警控制單元可以采用PLC 控制器、專用氣體報(bào)警控制器、DCS 控制器及SIS 控制器。探測(cè)器信號(hào)不用于消防聯(lián)動(dòng)時(shí)，GDS 報(bào)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(cè)報(bào)告[7]。

在GDS 系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中，需根據(jù)裝置的規(guī)模和特點(diǎn)、業(yè)主的安全管理要求、生產(chǎn)裝置的檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量和檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的技術(shù)要求，綜合考慮報(bào)警控制單元的設(shè)計(jì)方案。

GDS 系統(tǒng)報(bào)警控制單元應(yīng)具備如下功能：為探測(cè)器、區(qū)域警報(bào)器供電；接收探測(cè)器的輸出信號(hào)、顯示和記錄被檢測(cè)氣體的濃度，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)；具有順序事件記錄（SOE）功能；具有故障智能診斷功能，能夠識(shí)別探測(cè)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(cè)器數(shù)量眾多且監(jiān)控范圍較大，為便于集中監(jiān)測(cè)管理，全廠設(shè)置一套GDS 系統(tǒng)，報(bào)警控制單元設(shè)置在中控室。GDS 系統(tǒng)報(bào)警控制單元采用DCS 控制器，設(shè)置獨(dú)立的操作站，并配置區(qū)域報(bào)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(hào)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(chǎng)所探測(cè)器的點(diǎn)位平面布置圖存入系統(tǒng)，報(bào)警時(shí)可快速明確報(bào)警點(diǎn)位信息，便于操作人員及時(shí)、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(yùn)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(cè)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(jí)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(duì)報(bào)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(shí)間不小于30min。GDS系統(tǒng)報(bào)警控制單元為現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)怏w探測(cè)器、區(qū)域警報(bào)器等供電，供電電壓為24VDC。

6 結(jié)束語

在工程設(shè)計(jì)中，GDS 系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)有機(jī)整體，氣體探測(cè)器、區(qū)域警報(bào)器及報(bào)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(jì)時(shí)，應(yīng)針對(duì)項(xiàng)目特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出探測(cè)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(cè)功能，又減少用戶的經(jīng)濟(jì)投入，在一定程度上保證運(yùn)營維護(hù)的方便。