劉 溢

(中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

LNG接收站FG&C系統(tǒng)的研究與設計

劉 溢

(中國石化工程建設有限公司，北京100101)

分析了液化天然氣(LNG)接收站主要風險，介紹了LNG接收站火災、氣體、低溫檢測系統(tǒng)(FG&C)的構成和設計，應用FG&C系統(tǒng)實現(xiàn)自動報警，以提高LNG接收站的安全設計水平。

液化天然氣 FG&C系統(tǒng) 防火分區(qū) 安全 檢測 報警

1 LNG接收站工藝介紹

接收站接卸LNG遠洋運輸船運來的LNG后，經(jīng)船帶泵增壓送至LNG儲罐。輸出時LNG經(jīng)罐內(nèi)泵送至BOG再冷凝器，與經(jīng)壓縮機壓縮的BOG混合后通過高壓泵送至氣化器氣化。氣化后的天然氣經(jīng)計量通過輸氣管道送至各地用戶。LNG接收站的工藝流程見圖1。

2 LNG主要危險及有害性分析

LNG的危險特性主要包括以下幾種。

a)低溫特性。LNG的常壓沸點約為-160 ℃，溫度極低。裝置中低溫設備(管線)如果保冷失效，可能造成人員低溫凍傷，嚴重則可至死亡。

b)蒸發(fā)特性。LNG以液體形式儲存在絕熱的儲罐中。任何傳入儲罐的熱量都將導致一定量液體蒸發(fā)而生成氣體，形成BOG。BOG組成主要是CH4。在常溫常壓下，1體積的LNG能轉化成約600體積的氣體。

c)火災爆炸危險性。在正常生產(chǎn)過程中，LNG在密閉容器和管線內(nèi)，不與空氣接觸，可避免火災、爆炸事故。但在LNG儲運過程中若發(fā)生泄漏則可能引起的火災爆炸事故主要有池火、噴射火、閃火、蒸氣云爆炸等。

3 FG&C檢測系統(tǒng)的必要性及優(yōu)勢

現(xiàn)代化的生產(chǎn)不僅需要對人員及裝置負責，也要對環(huán)境負責，這就要求有及時、可靠、可用的控制系統(tǒng)進行監(jiān)測和保護，原來各自獨立的傳統(tǒng)報警方式已經(jīng)不能滿足安全管理的需求。如果能實現(xiàn)檢測、報警、噴淋保護的自動化，就可以實現(xiàn)對風險的控制。

火災、氣體、低溫檢測系統(tǒng)(FG&C)在火災和泄漏發(fā)生時，能準確探測火災、可燃氣體、低溫LNG泄漏的程度和事故地點，然后觸發(fā)相應的報警設備，并且根據(jù)事故發(fā)生的嚴重性確定報警和關斷輸出等級，從而控制和避免災難的發(fā)生,降低對設備及人員的傷害。表1比較了傳統(tǒng)報警系統(tǒng)與FG&C系統(tǒng)的差異[1]。

安全控制系統(tǒng)的可靠度通常是利用需求失敗概率值PFD來表示。表2給出了安全度等級SIL與其可靠度的關系。

圖1 LNG接收站工藝流程

FG&C系統(tǒng)傳統(tǒng)報警器冗余,系統(tǒng)安全等級可達SIL2、SIL3可靠性高傳統(tǒng)PLC,無冗余,可靠性差有容錯能力,誤動作少無容錯能力,誤動作多可以和DCS或其他系統(tǒng)通訊,上傳數(shù)據(jù)速度快通常不能和DCS等系統(tǒng)通訊,即使可以通訊,速度慢可在計算機畫面顯示,彈出式顯示,觀察方便多個盤面顯示方式,觀察不方便有安全認證無安全認證自診斷功能,維修方便需要頻繁維護一次性投入高,擴容和維護費用低一次性投入低,擴容和維護費用高監(jiān)控范圍廣,可將各個區(qū)域子系統(tǒng)連接成一個裝置的總系統(tǒng)監(jiān)控范圍小,一般為一個區(qū)域或獨立的裝置

表2 安全度等級與可靠度及需求失敗概率的關系

注：在IEC標準中明確規(guī)定了4級的安全控制系統(tǒng)只適用于核工業(yè)及火車安全系統(tǒng)，不適用于石油化工的工藝過程。

由表2可以看出，F(xiàn)G&C系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)，擁有更高的可靠性，能夠更有效地降低潛在風險。

圖2是一個典型的過程工業(yè)安全防護層[2]，其中FG&C系統(tǒng)與SIS系統(tǒng)平行位于安全控制層，且相對獨立。但FG&C的可靠度較高，所以當SIS系統(tǒng)失效時，F(xiàn)G&C系統(tǒng)仍能夠對泄漏和火情進行檢測，并啟動消防設施進行救護，指導人員逃生。

雖然FG&C系統(tǒng)具備諸多優(yōu)勢，但沒有國家標準支持，該系統(tǒng)還未得到廣泛應用。目前石油化工裝置是將氣體檢測報警與火災報警系統(tǒng)分開設置，仍采用普遍的民用型火災報警器結合DCS系統(tǒng)進行氣體檢測和報警。

圖2 典型的過程工業(yè)安全防護層

由于LNG接收站的工藝較簡單，物料較單一，因此可將FG&C系統(tǒng)應用于LNG接收站，通過在設計與運行過程中逐步總結經(jīng)驗，為FG&C系統(tǒng)的普及奠定基礎。

4 FG&C系統(tǒng)的組成和設計

4.1 FG&C系統(tǒng)的結構及功能

a)FG&C系統(tǒng)主要結構：①不同類型的火焰、氣體、感溫、感煙、低溫檢測器；②手動火災報警按鈕；③手動控制滅火設施；④自動控制滅火設施；⑤電視監(jiān)視；⑥現(xiàn)場聲光報警及室內(nèi)報警；⑦由硬線連至FG&C系統(tǒng)的控制盤。

b)FG&C系統(tǒng)功能：①在控制室、裝置區(qū)及相關設施內(nèi)有聲光報警，及時提醒潛在危險；②可自動或手動啟動消防設施，如消防水泵、水噴淋等；③需要時可輸出信號至ESD系統(tǒng)。

FG&C系統(tǒng)的硬件與其它控制和安全系統(tǒng)隔離，不需要借助其它系統(tǒng)的操作來實現(xiàn)自己的功能。FG&C系統(tǒng)和SIS系統(tǒng)的功能應獨立，停車應由SIS系統(tǒng)觸發(fā)。FG&C系統(tǒng)不得用于裝置的停車。

4.2 FG&C系統(tǒng)的設計原則

FG&C系統(tǒng)的設計原則是利用檢測器檢測到現(xiàn)場泄漏或火災后，按照FG&C系統(tǒng)原因/影響邏輯圖，通過現(xiàn)場聲光報警及控制室內(nèi)報警提醒潛在危險環(huán)境，比如低溫、氣體泄漏、火災等，然后自動實現(xiàn)消防聯(lián)動及電視監(jiān)視等功能。FG&C系統(tǒng)可以持續(xù)自動檢測，比人工檢測更可靠，它能有效且及時地發(fā)現(xiàn)裝置中存在的隱患，保證了在危險情況失去控制之前，利用相關的保護動作將危險降到最低。

FG&C系統(tǒng)設計初期，接收站需分割成多個防火分區(qū)。每個防火分區(qū)都有實體邊界，例如防火堤、裝置界區(qū)和道路。檢測/報警/保護措施主要根據(jù)不同防火分區(qū)設置，防火分區(qū)的設置原則如下。

a)從功能性上進行劃分：工藝處理區(qū)、儲罐區(qū)、氣體外輸區(qū)、建筑物等。

b)通過一些邊界條件進行劃分：如火焰速率、墻壁、道路、管廊、被動防火保護區(qū)域。

c)可燃、易燃物品的存儲情況。

d)防止火災進一步蔓延和加劇的隔離區(qū)域。

e)被動消防設施設置情況。

f)防火分區(qū)的區(qū)域面積應考慮該區(qū)域消防用水是否滿足需求。

在此基礎上，再識別每個防火分區(qū)的危險因素，然后確定檢測器及現(xiàn)場報警的種類、數(shù)量、位置。

4.2.1可燃氣體檢測器

可燃氣體檢測器的目的是檢測氣體泄漏的情況，并發(fā)生響應，使現(xiàn)場人員及時得知潛在危險?？扇細怏w檢測器的選型和布置應盡量縮短響應時間，且不能因外界因素的影響而產(chǎn)生誤動作。檢測器的設置位置需考慮到氣體的特性、通風情況、大氣條件及擴散條件。其設置位置應能快速地檢測到泄漏。

常用氣體檢測器有催化燃燒型檢測器(點式)、紅外氣體檢測器(開路式)、電化學型檢測器、熱傳導型檢測器及半導體型檢測器等。烴類可燃氣體通常選用催化燃燒型檢測器，若在缺氧及高腐蝕性場所宜選用紅外氣體檢測器。

在一般情況下，可燃氣體檢測器的設置需考慮冗余，以避免檢測器故障引起誤報。有時也可考慮點式和開路式檢測器結合的設置提高冗余。

開路式紅外氣體檢測器可設置在開放區(qū)域及其周邊，在無遮擋和盡量空曠的位置，檢測效果更好。開路式紅外檢測器的距離也不宜過遠，以免發(fā)生誤報。

可燃氣體檢測器應安裝在無沖擊、無振動、無強電磁場干擾、易于檢修的場所。

可燃氣體檢測有兩個獨立的報警設定值，如在室外裝置區(qū)，一級報警值設定值為25% LEL，二級報警設定值為50% LEL。

4.2.2火焰探測器

對于火災發(fā)展迅速，產(chǎn)生大量熱、煙和火焰的場所，可選用火焰探測器進行檢測。其對明火的響應比感溫和感煙探測器快得多。適合設置在開闊空間或明火易蔓延的場所。其安裝需避免有太陽直射或有阻擋的區(qū)域內(nèi)，避免誤報。

火焰探測器主要是通過區(qū)分不同波長來進行探測，一般可分為紅外、紫外、紅外/紫外結合探測器。紅外探測器適用于烴含量較高且火焰迅速增長的環(huán)境。紅外探測器適用于有強烈火焰輻射和少量煙、熱的場所，對火災初期有陰燃階段的情況不宜選用。

紫外探測器容易受到陽光直射、閃點及紫外線的干擾，若存在以上干擾，應盡量避免使用。

紅外/紫外結合探測器，即可快速檢測出火焰，也可減少誤報產(chǎn)生，其探測的響應速度更快且精度更高。

4.2.3低溫探測器

由于LNG的低溫特性，需設置低溫探測器進行檢測。

低溫探測器包括溫度感測探頭、光纖系統(tǒng)、傳感器。該探測器最適宜用于測量低溫的LNG。該探測器的機械性能只需要簡單的安裝和維護。在LNG接收站中考慮在大量聚集泄漏出LNG的區(qū)域進行設置，如集液池、LNG儲罐罐間等。

4.2.4手動火災報警按鈕

每個防火分區(qū)應設置手動火災報警按鈕。從一個防火分區(qū)內(nèi)的任何位置到最鄰近的報警按鈕距離不宜過遠。按鈕宜設置在疏散通道及裝置出入口處，以保證人員能方便啟動按鈕。

室外報警按鈕應放置在紅色可擊碎的玻璃盒內(nèi)，其安裝位置需盡量顯眼，如需要可做標志指示。

4.2.5電視監(jiān)視系統(tǒng)

為滿足生產(chǎn)操作、消防監(jiān)視、安全保衛(wèi)及企業(yè)管理的需要，需設置電視監(jiān)視系統(tǒng)。電視監(jiān)視系統(tǒng)由前端攝像機、視頻編碼器、客戶端工作站、視頻管理服務器、存儲磁盤陣列、存儲服務器、網(wǎng)絡交換機等設備組成。

電視監(jiān)視系統(tǒng)設置應覆蓋防火區(qū)內(nèi)的所有位置，危險發(fā)生時，控制室人員能立刻觀察到現(xiàn)場情況，并及時做出響應。

4.2.6現(xiàn)場聲光報警

現(xiàn)場聲光報警的目的是根據(jù)檢測結果及手動報警按鈕的啟動，及時警告現(xiàn)場及控制室人員，避免人員靠近危險區(qū)域，盡快采取相應措施以降低事故影響。

各防火分區(qū)內(nèi)，不同類型的探測器至少配備一個聲光報警器，應選用不同的閃光及警鈴實現(xiàn)報警。

5 結語

a)FG&C檢測系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)裝置中的危險隱患，減少事故的擴大，對于不涉及低溫物質的裝置，可以考慮采用與FG&C結構及原理類似的安全控制系統(tǒng)，如火氣系統(tǒng)。

b)FG&C系統(tǒng)的設備應像SIS系統(tǒng)一樣，具備安全驗證。

c)雖然FG&C系統(tǒng)的硬件及軟件可靠性要求較高，邏輯程序較復雜，但其與普通控制系統(tǒng)相比較安全性更高、可靠性更好、誤動作更少，使檢測、報警、控制、消防保護一體化。

d)在設計過程中，還需不斷總結經(jīng)驗，使現(xiàn)場檢測報警設備布置及邏輯控制更完善、更合理。

[1] 劉景輝，李俊麗.火氣系統(tǒng)論述[J].石油化工自動化，2008(5):21-24.

[2] 靳俊芳.石油化工企業(yè)中火氣系統(tǒng)設計淺析[J].自動化與儀器儀表，2010(5):105-107.

StudyandDesignoftheFG&CSystemintheLNGTerminal

Liu Yi

(SINOPEC Engineering Incorporation, Beijing, 100101)

This paper Analyzes the main risks of LNG receiving station, and introduces the constitution and the design of LNG receiving station fire, gas and low temperature test system (FG&C), automatic alarming, for the purpose of improving engineering design level of safety on the LNG terminal.

LNG；FG&C system；fire zone；safety；detection；alarm

2015-12-30

劉溢，助理工程師，2011年畢業(yè)于華東理工大學化學工程與工藝專業(yè)，學士學位，就職于中國石化工程建設有限公司，主要從事煉油工藝方面的安全設計工作。