天然气液化工厂系统工程设计探讨

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0引言

天然气液化工厂，其原料是以天然气、煤层气等以甲烷为主要成分的气体，产品是液化天然气（LNG），副产品是重烃。本文以日处理原料气300×104m3液化工厂为例。天然气液化工厂工艺过程基本包括预处理（净化）、液化、储存、装卸及辅助系统等。净化单元脱除原料气中CO2、H2S、H2O、Hg、芳香烃等杂质；液化和制冷系统采用MRC（混合冷剂）循环制冷，混合冷剂由5种成分组成，包括氮气、甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷；液化天然气储存在LNG常压储罐；重烃存储在重烃储罐。生产、储存过程中涉及到的危险化学品主要有天然气、液化天然气、乙烯、丙烷、异戊烷和重烃，其中天然气、乙烯、丙烷为易燃气体，异戊烷、重烃为易燃液体，均具有易燃、易爆性。泄漏的可燃气体（或蒸气）能与空气形成爆炸性混合物，达到爆炸极限后，遇明火、电火花、静电火花等会引起火灾或爆炸。因为气体泄漏导致火灾或爆炸发生的安全生产事故往往会给国家和人民生命财产造成不可挽回的损失，所以天然气液化工厂设置可燃气体和有毒气体检测报警系统（GDS）就显得尤为重要。

1GDS系统

根据原国家安监总局发布的相关指导意见及现行国家标准，GDS系统应独立于其它系统单独设置[1]。GDS系统应由气体探测器、区域警报器、报警控制单元等组成，可燃气体的检测报警信号应送至有人值守的中控室。可燃气体的检测报警采用两级报警，可燃气体的二级报警信号及报警控制单元的故障信号送至消防控制室的火灾报警控制器。可燃气体探测器参与消防联动时，探测器信号先接至专用的可燃气体报警控制器，再上传至消防控制室的火灾报警控制器。可燃气体探测器参与安全联锁时，探测器信号接至SIS系统。可燃气体和有毒气体检测报警系统配置图如图1。

2可燃气体探测器

（1）可燃气体探测器的选型可燃气体探测器作为整个系统的输入端，是整个系统能否有效发挥监控作用的关键因素[2]。可燃气体探测器的选用与环境条件、被测介质的理化性质、探测器的技术性能等密切相关。常用的可燃气体探测器分为多种类型：以安装方式分为固定式、移动式和便携式；以布置方式分为点式（扩散型与吸入型）、线式（开路式）和面式（红外成像式）；以检测原理分为催化燃烧型、红外光型、电化学型、半导体型、热传导型、光致电离型、激光型和噪声型等。天然气液化工厂实际生产过程中，工艺装置分单元布置，装置内的设备、建筑物之间要考虑防火间距要求，设备布置相对比较分散，场所空间情况复杂。所以，天然气液化工厂可燃气体探测器多选用固定的点式探测器。探测器检测元件的检测原理主要依据被测介质的化学特性、温度特性及物理特性等来选择，广泛使用的有催化图1可燃气体和有毒气体检测报警系统配置图Fig.1Configurationofcombustiblegasandtoxicgasdetectionandalarmsystem燃烧型探测器、红外光型探测器、电化学型探测器。它们的共同特点是检测元件直接与泄漏气体接触，只有当泄漏气体接触到探测器时才能探测到，规范要求探测器的响应时间不超过30s。催化燃烧型探测器由于有催化剂促进燃烧反应，不能在含硫和卤化物等能使催化剂中毒的环境中使用，催化燃烧型探测器必须在有氧环境中使用[3]。电化学型探测器应注意环境温度过高过低都会引起电解质的物理变化，从而影响测量结果。3种不同检测原理探测器的性能比较。探测器选型时，应充分考虑检测气体的特性、仪表的性价比，并结合工程实际应用环境、业主的需求等众多因素，力求达到最佳的检测效果且经济合理。天然气液化工厂可燃气体主要是烃类可燃气体，催化燃烧型探测器是GDS系统的首选。环境氧气检测采用电化学型探测器，探测器均带一体化声光报警器。探测器的输出信号选用4mA～20mA的DC信号，可燃气体的测量范围为0%LEL～100%LEL，环境氧气的测量范围为0%VOL～25%VOL。探测器布线型式有多线制和总线制两种。多线制的探测器采用三芯线，两根电源线，一根信号线，电源负极和信号线公用。多线制是点对点的传输，探测器之间是相对独立的，每个探测器与报警控制单元之间都有独立的信号回路，即使某一回路故障也仅对该回路产生影响。多线制的缺点是布线复杂，布线量多。总线制的探测器采用四芯线，两根电源线，两根信号线。总线制有一条称为主线的总线，所有的探测器都并联到主线上，每个探测器有自己的独立地址编码，报警控制单元采用串行通讯的方式，通过不同的地址编码访问每个探测器。总线制的缺点是由于节点众多，信号故障率较高，总线或任意支线发生故障时，整个系统可能就会瘫痪。天然气液化工厂对安全性有极高要求，建议布线型式采用多线制。需要临时检测可燃气体的场所，如环境湿度过高、环境温度过低、检（维）修作业、受限空间作业、动火作业等，配备移动式可燃气体探测器。现场还应配备便携式可燃气体探测器，以便巡检操作人员进入爆炸性气体环境时随身携带。固定式可燃气体探测器通常选用隔爆型（除0区外），便携式可燃气体探测器选用本质安全型。固定式可燃气体探测器若选用本安型，探测器的工作电流较大，需配置特定安全栅[4]。探测器的防护等级不低于IP65。

（2）探测器的布置

可燃气体探测器的布置是一项复杂且细致的工作。可燃气体检测点应根据地理条件、环境气候、厂区总体布局、气体理化性质、释放源特性和操作巡检路线等条件，选择气体易于积聚，便于采样和适于安装的位置布置[5]。释放源的位置需结合设备、管道及阀门等的实际布置进行释放源的分析与分类，并考虑巡检及维修要求后最终确定。存在释放源的场所应设置探测器，探测器应靠近释放源，且在气体、蒸气易于积聚的地点。天然气液化工厂，露天或敞开式厂房的设备区域内，以释放源为中心，探测器的水平检测半径按10m考虑；封闭式厂房或局部通风不良的设备区域内，探测器的水平检测半径按5m考虑。检测气体为甲烷时，探测器的水平检测半径统一按5m考虑。天然气液化工厂在净化装置区、液化装置区、冷剂储存区、压缩机厂房、LNG储罐区、汽车装卸站、火炬、导热油炉、锅炉房、分析化验室、中控室新风口等区域均设置可燃气体探测器；在空压制氮站设置氧气探测器；在现场分析小屋设置可燃气体探测器和氧气探测器。压缩机厂房的可燃气体探测器与压缩机厂房的事故排风机联锁，分析化验室的可燃气体探测器与分析化验室的事故排风机联锁。当可燃气体探测器探测到气体浓度达到一级报警设定值时，GDS系统报警并联锁启动相应的事故排风机。锅炉房的可燃气体探测器与锅炉房的事故排风机及进气电磁阀联锁。当可燃气体探测器探测到气体浓度达到一级报警设定值时，GDS系统报警并联锁启动相应的事故排风机；当可燃气体探测器探测到气体浓度达到二级报警设定值时，GDS系统报警并联锁关闭相应的与之联动的电磁阀，切断气源。中控室新风口的可燃气体探测器与进风管道电动密闭阀及新风机联锁。当可燃气体探测器探测到气体浓度达到一级报警设定值时，GDS系统报警并联锁关闭进风管道电动密闭阀及新风机。

（3）探测器的安装

探测器是直接接触可燃性气体的部分，其安装位置是否合适直接关系到探测器能否正常发挥作用。在满足规范要求的前提下，安装位置也应充分考虑合理性，为后期使用、维护及周期检定提供便利。探测器的安装高度根据泄漏气体的密度而定。泄漏气体介质重于空气的，探测器安装高度距所在地坪0.3m～0.6m；泄漏气体介质轻于空气的，探测器安装高度高出释放源1.0m～2.0m；封闭厂房内最高点设置的探测器，安装高度低于房内最高点0.3m；环境氧气探测器的安装高度距所在地坪1.5m～2.0m。

3区域警报器

区域警报器采用隔爆型声光报警器，根据生产装置单元的报警分区合理设置。区域警报器的启动信号应采用第二级报警设定值信号，报警信号声级应高于110dBA[6]。天然气液化工厂生产装置单元主要包括净化装置区、液化装置区、冷剂储存区、压缩机厂房、汽车装卸站等区域，区域警报器主要布置在生产装置区的出入口、压缩机厂房等封闭房间的门口、高噪声区（噪声大于85dBA），且应位于工作或巡检人员易于察觉的地点。区域警报器安装高度距所在地坪不低于2.2m，区域警报器的防护等级不低于IP65。

4报警控制单元

GDS系统报警控制单元可以采用PLC控制器、专用气体报警控制器、DCS控制器及SIS控制器。探测器信号不用于消防联动时，GDS报警控制单元不需要取得SIL认证，也不需要取得消防产品型式检测报告[7]。在GDS系统的工程设计中，需根据装置的规模和特点、业主的安全管理要求、生产装置的检测点数量和检测报警系统的技术要求，综合考虑报警控制单元的设计方案。GDS系统报警控制单元应具备如下功能：为探测器、区域警报器供电；接收探测器的输出信号、显示和记录被检测气体的浓度，发出声光报警信号；具有顺序事件记录（SOE）功能；具有故障智能诊断功能，能够识别探测器故障、回路断线及短路故障。天然气液化工厂，可燃气体探测器数量众多且监控范围较大，为便于集中监测管理，全厂设置一套GDS系统，报警控制单元设置在中控室。GDS系统报警控制单元采用DCS控制器，设置独立的操作站，并配置区域报警模拟盘。建议GDS系统与工厂主装置分散型控制系统（DCS系统）采用同品牌、型号的控制系统，方便系统间通信，且可以减少备品备件的数量，便于后期维护。将所有监控场所探测器的点位平面布置图存入系统，报警时可快速明确报警点位信息，便于操作人员及时、准确地做出安全响应。GDS系统的CPU、通信接口、电源按1:1冗余配置，I/O卡件必须符合G3防腐标准，能在腐蚀性工业环境中运行。GDS系统的关键回路选用冗余I/O配置，GDS系统的I/O必须支持回路监测功能。GDS系统必须支持冗余的网络连接控制器和操作员站，支持与DCS系统之间的冗余通信。

5系统供电

根据相关规范要求，GDS系统的电源供电按一级用电负荷中的重要负荷供电。天然气液化工厂采用不间断电源（UPS）对报警控制单元提供优质可靠电源，供电电压为220VAC、50Hz，后备电池的供电时间不小于30min。GDS系统报警控制单元为现场可燃气体探测器、区域警报器等供电，供电电压为24VDC。

6结束语

在工程设计中，GDS系统应是一个有机整体，气体探测器、区域警报器及报警控制设备的设置等都应严格执行相关标准的规定[8]。在进行工程设计时，应针对项目特点，有针对性地提出探测器选型、安装布置、系统配置方案，既有效地发挥其监测功能，又减少用户的经济投入，在一定程度上保证运营维护的方便。

作者:向晓燕 单位:陕西省燃气设计院有限公司