安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在液化天然氣運(yùn)輸裝備上的應(yīng)用

梁沁宜,鄭 濤,拜雪玲,侯 軍,李照明,左紅磊

(1.中車(chē)西安車(chē)輛有限公司,陜西 西安 710086;2.中國(guó)鐵路西安局集團(tuán)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(yùn)輸設(shè)備需采用壓力容器,儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中溫度通常在-166～-120 ℃之間[1],一旦泄漏對(duì)周邊生物會(huì)產(chǎn)生低溫凍傷的風(fēng)險(xiǎn),汽化后則存在爆炸的可能性,因此運(yùn)輸過(guò)程的安全性極其重要。為提高液化天然氣的運(yùn)輸安全性,可采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)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(jìn)行通信,在運(yùn)輸全過(guò)程中對(duì)運(yùn)輸設(shè)備及其裝運(yùn)介質(zhì)狀態(tài)進(jìn)行智能化檢測(cè)、定位和監(jiān)管等,做到安全預(yù)防。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

我國(guó)目前裝運(yùn)LNG的移動(dòng)設(shè)備主要是汽車(chē)罐車(chē),鐵路罐車(chē)、罐式集裝箱等鐵路或水路移動(dòng)運(yùn)輸裝備已完成試制,且加裝了測(cè)量罐內(nèi)介質(zhì)壓力、液位等信息安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),尚未正式投入運(yùn)用。

1.2 國(guó)外現(xiàn)狀

日本較早開(kāi)始通過(guò)鐵路運(yùn)輸LNG,在1973—1975年間制造了4輛LNG鐵路罐車(chē),從2000年開(kāi)始采用集裝箱進(jìn)行LNG鐵路運(yùn)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(jī)車(chē)用LNG燃料罐車(chē),如圖2所示,也可采用液態(tài)乙烯罐車(chē)運(yùn)輸LNG。瑞典和挪威曾采用集裝箱進(jìn)行LNG鐵路運(yùn)輸。2016年德國(guó)與捷克共和國(guó)合作研制了歐洲第一款LNG鐵路罐車(chē),如圖3所示。俄羅斯擁有少量鐵路機(jī)車(chē)用LNG燃料罐車(chē),也研制了LNG鐵路罐車(chē),但均未大批量商業(yè)化運(yùn)營(yíng)。這些LNG運(yùn)輸裝備上均未加裝監(jiān)測(cè)罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)信息等功能的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

圖1 日本LNG罐式集裝箱

圖2 加拿大鐵路機(jī)車(chē)用LNG燃料罐車(chē)

圖3 德國(guó)與捷克共和國(guó)合作研制的LNG鐵路罐車(chē)

2 安全監(jiān)測(cè)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(yùn)輸裝備的運(yùn)用工況和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),整套系統(tǒng)應(yīng)遵循低功耗、小型化、輕量化的設(shè)計(jì)原則,且不影響運(yùn)輸裝備自身的行車(chē)安全,在使用工況、試驗(yàn)、維護(hù)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(cè)系統(tǒng)的各電氣設(shè)備應(yīng)能滿足LNG運(yùn)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(chē)、罐式集裝箱自身不帶電源,安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)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(shí)存在爆炸的可能性[3],裝運(yùn)LNG的運(yùn)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(yīng)的防爆要求。

根據(jù)相關(guān)防爆標(biāo)準(zhǔn)[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(yīng)不超過(guò)天然氣的點(diǎn)燃溫度(650 ℃),溫度組別為T(mén)1;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(yīng)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(yīng)防爆等級(jí)的設(shè)備。

2.1.4 特殊工況

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

2.2 試驗(yàn)

根據(jù)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn),進(jìn)行性能試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)、恒定濕熱試驗(yàn)、靜電放電試驗(yàn)、射頻干擾試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、振動(dòng)和沖擊試驗(yàn)、低溫存儲(chǔ)試驗(yàn)等相關(guān)試驗(yàn)。

2.3 維護(hù)

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

3 在LNG鐵路罐車(chē)/罐式集裝箱上的應(yīng)用

3.1 車(chē)輛簡(jiǎn)介

LNG鐵路罐車(chē)分為GYA70B和GYA70C2種車(chē)型,如圖4、圖5所示,均采用中梁結(jié)構(gòu),用于鐵路運(yùn)輸LNG。GYA70B型罐車(chē)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(dòng)裝配、鉤緩裝配、轉(zhuǎn)向架、操作間、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等組成,GYA70C型罐車(chē)在GYA70B型罐車(chē)的基礎(chǔ)上增設(shè)了押運(yùn)間。編組方式為6輛重(空)罐車(chē)(含帶押運(yùn)間車(chē)輛)以內(nèi)編為1組,其中僅有一輛罐車(chē)同時(shí)帶有操作間和押運(yùn)間,其余罐車(chē)均不帶押運(yùn)間,只有操作間[8]。

圖4 GYA70B型LNG鐵路罐車(chē)

圖5 GYA70C型LNG鐵路罐車(chē)

LNG罐式集裝箱為40 ft標(biāo)準(zhǔn)罐式箱,主要由罐體、框架、加排系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等四部分組成,如圖6所示,可供鐵路運(yùn)輸LNG。

圖6 LNG罐式集裝箱

3.2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

LNG鐵路罐車(chē)/罐式集裝箱安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用傳感器對(duì)罐內(nèi)介質(zhì)的壓力、液位進(jìn)行檢測(cè)并顯示,通過(guò)短程無(wú)線的方式將該組內(nèi)各輛車(chē)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中顯示,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸全過(guò)程押運(yùn)人員對(duì)各車(chē)輛介質(zhì)信息的監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)主要由檢測(cè)傳輸設(shè)備、車(chē)載監(jiān)控設(shè)備及其配套軟件等組成。

3.2.1 檢測(cè)傳輸設(shè)備

檢測(cè)傳輸設(shè)備主要由壓力傳感器、差壓式液位傳感器和無(wú)線設(shè)備等組成,安裝在LNG鐵路罐車(chē)/罐式集裝箱的操作間/閥門(mén)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(jí)為ExiaⅡCT4Ga,防護(hù)等級(jí)為IP67,具有數(shù)顯、無(wú)線傳輸、防雷和休眠功能,通過(guò)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(shí)間不少于1年,采用插接件連接,拆裝方便、快捷。

無(wú)線設(shè)備采用車(chē)載專用天線,安裝在操作間/閥門(mén)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(yùn)輸過(guò)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(guò)本地短程無(wú)線方式傳送到該組車(chē)輛的押運(yùn)間/押運(yùn)車(chē)內(nèi)。

3.2.2 車(chē)載監(jiān)控設(shè)備

LNG鐵路罐車(chē)/罐式集裝箱車(chē)載監(jiān)控設(shè)備主要包括數(shù)采主機(jī)、電源和無(wú)線設(shè)備等,安裝在押運(yùn)間/押運(yùn)車(chē)內(nèi)。

LNG鐵路罐車(chē)押運(yùn)間無(wú)供電設(shè)備,需配備電源為數(shù)采主機(jī)供電,電源采用可充電電池,電壓為DC 12 V。LNG罐式集裝箱車(chē)載監(jiān)控設(shè)備利用押運(yùn)車(chē)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(jī)為該組車(chē)輛信息的集中顯示裝置,并預(yù)留遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)擴(kuò)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(cè)該組內(nèi)各車(chē)輛裝運(yùn)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(huì)自動(dòng)重復(fù),與下次數(shù)據(jù)一起傳輸,直至發(fā)送成功。

(3) 異常報(bào)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(bào)警。

(4) 押運(yùn)管理功能?？奢斎胙b運(yùn)介質(zhì)密度、車(chē)號(hào)、始發(fā)站、終點(diǎn)站、押運(yùn)時(shí)間、押運(yùn)人、發(fā)車(chē)前檢測(cè)到的介質(zhì)壓力和液位信息等。

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

LNG鐵路罐車(chē)數(shù)顯主機(jī)和電源均采用隔爆型防爆設(shè)計(jì),防爆等級(jí)為ExdⅡBT6Gb。LNG罐式集裝箱車(chē)載監(jiān)控設(shè)備安裝在押運(yùn)車(chē)上,無(wú)防爆要求。

4 在LNG聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱上的應(yīng)用

4.1 車(chē)輛簡(jiǎn)介

LNG聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱為40 ft標(biāo)準(zhǔn)箱,主要由罐體、框架、側(cè)部加排系統(tǒng)、安全監(jiān)測(cè)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(yùn)來(lái)運(yùn)輸LNG。

圖7 LNG聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱

4.2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

LNG聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用傳感器件對(duì)罐內(nèi)介質(zhì)的壓力、液位、溫度等信息進(jìn)行檢測(cè),定位設(shè)備獲取罐箱位置,通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線的方式將各罐箱的檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心進(jìn)行集中顯示,實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸全過(guò)程工作人員對(duì)各罐箱位置和裝運(yùn)介質(zhì)信息的監(jiān)測(cè)。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(jì),主要由傳感器件、電源模塊、控制模塊、存儲(chǔ)模塊等組成,有唯一的ID地址,防爆等級(jí)為ExiaⅡBT1,防護(hù)等級(jí)為IP67,能夠檢測(cè)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(shí)間,對(duì)檢測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并上傳,具有數(shù)顯、無(wú)線傳輸、防雷、休眠等功能,安裝在LNG聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱的閥門(mén)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(cè)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(cāng)封裝,帶短路保護(hù),數(shù)據(jù)傳輸周期為30 min時(shí),電池容量滿足2年使用要求,與主機(jī)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(cè)量誤差為±1 ℃,通過(guò)專用測(cè)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(guò)數(shù)字化無(wú)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(chē)/罐式集裝箱的主要區(qū)別在于能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸,主要具有以下功能:

(1) 檢測(cè)功能。測(cè)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(yuǎn)程無(wú)線傳輸、設(shè)置和升級(jí)功能。在監(jiān)控中心監(jiān)測(cè)罐箱的各項(xiàng)指標(biāo),設(shè)置相關(guān)控制參數(shù),升級(jí)固件程序及校表。

(6) 異常報(bào)警功能。

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

(8) 電腦和手機(jī)App均可查詢罐箱信息。

5 目前存在的問(wèn)題

安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于LNG運(yùn)輸裝備能夠提高運(yùn)輸安全性,做到安全預(yù)防,但是實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題,主要有以下兩方面:

(1)運(yùn)用管理。LNG運(yùn)輸裝備安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用還牽涉通信、監(jiān)管和維修等方面。遠(yuǎn)程無(wú)線傳送信息在鐵路貨車(chē)領(lǐng)域尚無(wú)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),在尚未建立通信基站的地區(qū)無(wú)法進(jìn)行通信,不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線傳送信息的功能。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用和監(jiān)測(cè)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(hù)和檢修,尤其是防爆產(chǎn)品,需由專業(yè)機(jī)構(gòu)或?qū)I(yè)人士操作。

(2)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一些部件(如監(jiān)測(cè)主機(jī))是供貨商按照LNG運(yùn)輸裝備的特定要求專門(mén)研制的產(chǎn)品,無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),各家產(chǎn)品不一致,接口不統(tǒng)一,通信協(xié)議不同,無(wú)法相互通信,標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化水平低。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)加裝于LNG運(yùn)輸裝備的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于LNG鐵路罐車(chē)/罐式集裝箱、聯(lián)運(yùn)罐式集裝箱,實(shí)現(xiàn)工作人員對(duì)罐內(nèi)介質(zhì)狀態(tài)及車(chē)輛信息的監(jiān)測(cè),提高運(yùn)輸安全性,做到安全預(yù)防。但該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還需在運(yùn)用管理和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化方面進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)范。