數字化液化天然氣接收站綜合實驗平臺開發

王海清， 陳韜婕， 劉祥妹

(中國石油大學(華東) 安全科學與工程系， 山東 青島 266580)

數字化液化天然氣接收站綜合實驗平臺開發

王海清， 陳韜婕， 劉祥妹

(中國石油大學(華東) 安全科學與工程系， 山東 青島 266580)

設計了數字化液化天然氣(LNG)接收站綜合教學實驗平臺，集成了DCS、SIS、FGS和報警管理等多層面立體安全技術屏障技術，實現了模擬開車啟動運行、操作卸船、氣化外輸、站內循環與操作倒罐5種模式，并創新開展了不同工藝單元泄漏場景模擬及其相應的安全與應急實驗對策，包括壓力保護系統、模擬報警泛濫的管理和氣體探測等實驗內容。通過該數字化綜合實驗平臺的建設，對探索在國際化工程教育的視野下，如何達成先進教學實驗平臺與培養方案、課程體系建設之間的互動影響，提供了重要的微觀案例與技術實現基礎。

液化天然氣； 綜合實驗平臺； 安全工程； 儀表化安防系統

0 引 言

2011年國務院學位委員會第二十八次會議通過的《學位授予和人才培養學科目錄》，將安全科學與工程學科列為一級學科，這一事件對于進一步推進安全科學與工程學科及相關專業發展，優化安全人才知識結構，為提高安全科學與工程學科人才培養質量帶來新的契機[1]。

安全工程專業的快速發展，極大地促進了我國安全工程學科建設和安全工程專業技術人員的培養。但是由于存在人才培養模式單一，即絕大部分院校的安全工程專業人才教授偏重理論知識的問題，使得該培養模式下的人才其無法很好地滿足社會對于安全工程專業日益增長的需求。故應提高安全專業人員的質量，不斷完善高等院校安全工程專業的人才培養模式。實驗教學是實踐教學的重要環節，課程設置也應滿足培養學生知識結構的要求,在工程技術基礎知識及行業安全工程領域開設實驗項目。安全工程實驗室既應滿足本科生基礎課程教學的需要，又要滿足安全工程學科發展的科研主攻方向的要求[2]。

傳統的實驗教學模式存在以下弊端：① 大部分的實驗是驗證性實驗，不利于培養學生的創新性思維；② 實驗室對外開放交流不夠，導致學科建設、學術領域的最新信息不能及時地引入到學生的實踐環節中來；③ 未充分利用現有資源整合實驗室，缺乏綜合性實驗平臺[3-5]。結合國內外部分高校的實驗教學模式，本文將現代過程安全管理技術(儀表化安防技術)與化工工藝單元結合，設計了數字化液化天然氣(LNG)接收站綜合教學實驗平臺，創新開展了不同工藝單元泄漏場景模擬及其相應的安全與應急實驗對策，包括壓力保護系統、模擬報警泛濫的管理和氣體探測等實驗內容。

1 數字化LNG接收終端實驗裝置的設計

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)，通常由專用運輸船從生產地輸出終端運到目的地接收終端，經再氣化后外輸至用戶。LNG接收站的工藝方案分為直接輸出式和再冷凝式兩種，兩種工藝方案的主要區別在于對儲罐蒸發氣(BOG)的處理方式不同。直接輸出式是利用壓縮機將LNG 儲罐的蒸發氣壓縮增壓至低壓用戶所需壓力后與低壓氣化器出來的氣體混合外輸；再冷凝式是將儲罐內的蒸發氣經壓縮機增壓后，進入再冷凝器，與由LNG儲罐泵出的LNG 進行冷量交換，使蒸發氣在再冷凝器中液化，再經高壓泵增壓后進入高壓氣化器氣化外輸。再冷凝工藝可以利用LNG 的冷量，減少蒸發氣體壓縮功的消耗，從而節省能量，比直接輸出工藝更加先進、合理[6]。

LNG接收終端實驗裝置是為本科多門安全專業課程提供實踐性認識和安全技術措施的操作平臺。該實驗平臺很好地將LNG接收終工藝與安全控制系統結合起來，由LNG接收終端實驗裝置及控制系統兩部分組成。包括LNG接收站的卸船工藝、儲存工藝、低壓/高壓輸送工藝、再冷凝工藝、火炬放空工藝、氣化外輸工藝功能模塊及輔助設施(如控制工藝、排污工藝、充氣工藝、后臺管理工藝等)。該平臺有利于學生對LNG終端接收工藝及自動控制系統運行機理的理解，提高了實驗教學效果[7-8]。由于國內大型LNG 接收終端運行時間不長，缺乏經驗，很多技術需要借鑒及摸索，因此，實驗裝置的建設可為國外大型LNG 接收終端運行技術的吸收、消化提供硬件基礎，也可為LNG終端控制提供實驗研究平臺。

設計LNG接收終端實驗裝置的主要功能如圖1所示，其中一些功能模塊做過必要的近似處理，如卸載功能等[7]。根據圖1所示的實際LNG接收終端的液化天然氣的輸入和天然氣的輸出狀況，LNG接收的操作可分為以下幾種模式[9-10]。

(1) 開車啟動運行模式。通過用少量LNG試運行該系統平臺，打開處于卸料總管線、處于進料管線以及處于進氣管線上的截止閥，觀察各個工藝系統中的儀表變化情況，并記錄數據。

(2) 操作卸船模式。打開處于卸料總管線上、進料管線上、處于進氣管線上的截止閥，開啟卸船泵，采用較小的卸船流量來預冷卸料臂及卸料管線，以避免產生較多的蒸發氣；關閉上進液閥，逐漸增加流量到設定值，進行卸料；隨著LNG輸出，船內氣相壓力會逐漸下降，為維持其氣相壓力值一定，利用儲罐內產生的部分BOG加壓后，經蒸發氣回流管線及蒸發氣回流臂送至船內，補充船內氣壓；卸料完成后，利用N2分液罐內的氮氣吹掃殘留在卸料臂、卸料管線上的LNG；開啟低壓輸送泵、高壓輸送泵，打開回流管線上用于保護泵的最小流量閥，關閉循環管線上的球閥，將儲罐內LNG輸送至下一級，在輸送管線上的LNG被分成兩路：一路LNG經過流量調節閥進入再冷凝器液化BOG，另一路LNG則與從再冷凝器出來的LNG混合直接被輸送至高壓輸送泵；開啟汽化器，將LNG送至汽化器進行氣化，送至下游用戶；在該操作過程中，要注意觀察各工藝系統中儀表的變化情況，并記錄數據。

(3) 氣化外輸模式。關閉卸船泵、處于卸料總管線上的截止閥、處于蒸發氣回流管線上的截止閥，打開處于循環管線上的截止閥，其他設備的狀態與卸船--正常輸出模式相同，注意觀察各工藝系統中儀表的變化情況，并記錄數據。

(4) 站內循環模式。關閉卸船泵、處于卸料總管線上的截止閥、處于進料管線上的截止閥、處于蒸發氣回流管線上的截止閥、進氣管線上的截止閥、壓縮機、低壓輸送泵、高壓輸送泵以及汽化器，開啟循環管線上的截止閥、進料管線上的截止閥，用少量的LNG循環保持系統的冷態，蒸發氣用作火炬長明燈燃料氣，多余的蒸發氣則排放到火炬系統，注意觀察各工藝系統中儀表的變化情況，并記錄數據。

圖1 LNG接收終端工藝流程圖

(5) 操作倒罐模式。開啟倒罐泵、打開回流管線上用于保護泵的最小流量閥、處于倒罐管線上的截止閥，關閉回流管線上用于保護泵的最小流量閥、處于倒罐管線上的截止閥，實現兩個儲罐之間的倒罐；在此操作過程中，注意觀察各工藝系統中儀表的變化情況，并記錄數據。

本實驗裝置的實景如圖2所示。

(a)(b)

圖2 模擬LNG接收站實驗裝置

2 儀表化安防系統的設計

儀表化安防技術是安全技術與計算機技術、儀表自動化技術和信息技術的集成應用，是技術安全(Technical Safety)的代表領域之一。代表性技術主要包括工藝安全管理PSM與風險降低技術、報警系統設計及生命周期管理、安全儀表系統與功能實現、火氣系統FGS設計基礎以及探測系統的優化設計等[11]。儀表化安防系統在化工工藝裝置中的應用趨勢，表現為控制系統集成化，以及安全儀表系統的智能化。歐美發達國家在現階段儀表自動化實驗裝置的開發、研制已經形成了產業和規模。伴隨著我國國民經濟和教育事業的高速發展，教學設備產業面臨著新的機遇和挑戰。國內的一些高等院校、公司和企業近幾年都在研究、探索儀表自動化實驗裝置[12]。學生可通過相關的實驗裝置來學習掌握相關安全技術方法，從而來辨別工作場所的危害并且設置恰當的保護層。

新型儀表自動化實驗裝置具有利用組態軟件技術和計算機技術實現對儀表的監控以及操作過程的監視；控制對象組件全部源于企業，高于企業，真實性、直觀性、綜合性強；被控參數全面，涵蓋了工業生產過程中常見的液位、壓力、流量及溫度等典型參數；控制參數和控制方案多樣化，通過不同工藝管路、動力源、執行器、控制器以及被控參數的組合可構成多種典型的過程控制系統實驗項目[12]等特點。

本實驗裝置設計中參照了國內外儀表化安防系統實驗裝置，以及IEC61508、IEC61511、ANSI/ISA-84.01、DIN V 19250、NFPA- 85等相關標準，結合現今儀表化安防系統的發展趨勢，為解決實驗教學在國際化合作中缺乏綜合性實驗平臺、不能反映現代過程安全管理的技術要求等亟待解決問題，設計了集成DCS、SIS、FGS和報警管理等多層面立體安全技術屏障技術的數字系統，應用于LNG接收終端實驗裝置中。

2.1 DCS系統

DCS 系統采用橫河CENTUM VP R5 系統完成控制和顯示需要，包含現場控制站(FCS)、人機接口站(HIS)兩部分。具有雙冗余和可靠性、Windows操作系統、多顯示器環境的系統架構特點，且可用于大規模裝置的可測量性；具備統一的操作和監事環境以及控制功能。

CENTUM VP 提供用于監視、控制、操作、計算、邏輯功能以及順序控制的功能塊。這些功能塊不僅可以用于執行連續控制，而且可以用于執行先進控制、復雜的順序控制、批量控制以及其他的控制，從而滿足不同的用戶需求。通過這些控制塊的組合使用，工廠系統的設計可以在小型和大型之間靈活變動。其功能分為系統集成、先進單元儀表、批量控制、并行工程組態、在線維護、虛擬測試6大塊。

2.2 SIS、FGS系統

SIS 、FGS系統采用橫河Prosafe-RS 系統實現控制需要。ProSafe-RS采用與CENTUM VP相同的結構和技術。除了這些技術之外，每塊ProSafe-RS控制器卡、輸入卡和輸出卡在內部特別采用了雙重化的結構以達到更高的安全等級，適用于SIL3的應用場合。此外，ProSafe-RS對超過99%的部件進行自診斷，因此可以快速檢測故障，使得故障的修復也可在一個允許的期限內完成，從而最小限度的影響工藝過程。

ProSafe-RS優勢不僅體現在非常高的安全性和可用性方面，而且還體現在能夠與CENTUM VP真正緊密集成。ProSafe-RS可以直接到CENTUM VP的控制網絡V net上，SIS和DCS功能間的數據交換不需要網關或接口硬件，而且安全控制器間的安全通信在DCS和SIS的集成配置中得到了實現和認證。ProSafe-RS和DCS之間的通信通過了TüV認證。

通過DCS和SIS之間的集成，操作人員可以從CENTUM VP的操作員站上的一個窗口中，看到整個全廠的信息，而不再是分別監控SIS和DCS。由于信息的集中顯示，操作人員可以更快地預測和判斷工藝過程是否接近到了緊急狀況。對于工藝過程信息的集中顯示不僅有助于快速監控，而且還可以避免錯誤判斷和誤操作。ProSafe-RS的這些優勢可以提高整個工廠的安全性。

DCS、SIS、FGS一體化平臺的總體規劃統配置圖，如圖3所示。

圖3 數字化LNG接收站安全教學實驗與科研綜合平臺總體規劃統配置圖

2.3 報警管理系統

報警系統是指一系列硬件和軟件的統稱，用于檢測報警的狀態，將信息傳遞給管理員，同時記錄報警狀態的變化[13]。先進報警系統(Advanced Alarm Management System)技術可以為操作員提供更多的信息支持，并處理更復雜的報警情況，以滿足用戶對安全標準的要求。

采用橫河先進報警管理系統，涵蓋了報警系統的規定、設計、運行、維護、監控和檢測。通過該報警系統實現報警優先級的設定及報警合理化，抑制報警泛濫的現象。設置報警系統關鍵性能指標KPI(Key Performance Indicators)，對報警系統的各方面性能進行評估分析。過程報告-報警點界面如圖4所示。

3 綜合實驗平臺的應用方案規劃

數字化LNG接收站安全教學實驗與科研綜合平臺，為了讓學生認識LNG接收終端各個工藝系統：卸船系統、儲存系統、輸送系統、汽化系統等；熟悉并操控LNG接收終端五種操作模式；熟悉LNG儲罐的壓力控制系統；理解PI&D圖，將生產流程與PI&D圖上的設備一一對應；了解生產中報警的各種類別，識別LNG

圖4 過程報告-報警點界面

接收終端綜合實驗平臺中的報警類型；初步了解報警管理中的基本操作，設置了模擬LNG接收終端泄漏事故及安全控制系統、模擬LNG接收終端壓力保護系統、報警系統的基本響應操作、模擬報警泛濫的管理和操作、報警系統KPI的計算和分析，兩大類共5個實驗。

3.1 模擬LNG接收終端泄漏事故及安全控制系統

將LNG接收終端處于操作卸船的工作模式，人為將卸料臂與岸上的卸料管線錯位，或打開管線上的電子閥，以此模擬泄漏事故，進行事故分析及處理。

3.2 模擬LNG接收終端壓力保護系統

將LNG接收終端處于操作卸船的工作模式，通過控制LNG儲罐的壓力控制系統，人為關閉進料管線上的截止閥；關閉下進液閥，打開上進液閥，以模擬翻滾；將真空補氣閥全開，以模擬破真空補氣閥失效，以此模擬LNG接收終端超壓事故。通過人為將去火炬的控制閥全開，關閉進氣管線上的截止閥，以此模擬LNG接收終端低壓事故，最終進行事故分析及處理。

3.3 報警系統的基本響應操作

將LNG接收終端處于操作卸船的工作模式，模擬泄漏、超壓事故，觸發壓力報警，確認并讀取報警信息根據報警類型，判定事故原因及解決措施，由負責“現場操作”的同學進行操作。根據“中控室”和現場相關檢測儀表信息，判斷故障是否得到解決，并記錄響應操作是否正確。最后匯總記錄數據，將報警管理軟件中的數據導出到Excel中。

3.4 模擬報警泛濫的管理和操作

將LNG接收終端處于操作卸船的工作模式，進入報警編輯頁面，創建操作員自設報警。模擬泄漏和超壓事故，當某個報警反復出現，其他報警也在不斷產生，且無法及時響應的時候，選擇抑制特定報警。負責信息記錄的同學對操作員抑制報警的行為進行判斷，如果被抑制的報警產生頻率小于5次/10 min，或累計出現次數小于5次，則視為不恰當的抑制，同時是操作錯誤，加以分別記錄。持續20 min后將自設報警的優先級設置為中優先級，再次進行實驗。實驗完成后，匯總并記錄數據，將報警管理軟件中的數據導出到Excel中。

3.5 報警系統KPI的計算和分析

將實驗得到的報警數據導出到Excel表格中，打開KPI分析計算軟件，導入數據。使用KPI分析軟件計算出主要KPI指標，記錄報警參數。查閱ISA 18.2中各個KPI的標準值，據此評價報警系統性能狀況。

4 實驗室應急管理模式探索

高校安全工程實驗教學工作具有工作量大、學科覆蓋面寬、設計和儀器品種多、型號單一以及參與實驗的學生人次多、流動性大等特點。盡管實驗教學的內容比較固定，人們對可能發生的事故有一定的準備，但是，由于參加實驗的學生人數多，流動大，且其實驗經驗、安全意識比較欠缺，這樣勢必增加了事故發生的隱患[14]。

高校安全工程實驗室要貫徹落實“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全管理方針，要堅持科學發展觀，遵循“預防、減弱、控制”的安全技術措施等級順序的原則，針對安全工程專業實驗室的特點和常見事故類型，在提高認識，加強責任心；加強安全培訓，提高實驗室管理人員的安全技術水平；規范實驗操作，加強安全標準化建設；及時更新和配備合適的消防設備[15-16]。

鑒于LNG屬于易燃易爆物品，且具有腐蝕性和強烈的刺激性，故還需設計完善的應急管理模式，包括應急預案的編撰，實驗室安全標識、安全防護裝置的設置等，以此達到與國際標準對接，滿足專業認證和國際化培養等要求。

本實驗室主要存在LNG泄漏、LNG儲罐超壓、漏電等危害事件，可能造成火災爆炸、人員觸電等后果，故針對上述危害事件設計應急方案。針對上述危害事件設置了ESD系統等自動控制系統、火炬系統等泄放裝置以及消防用具等相關防護裝置作為應急響應裝置，保障師生的安全。

5 結 語

本文設計的數字化液化天然氣接收站綜合實驗平臺集成了DCS、SIS、FGS和報警管理等多層面立體安全技術屏障技術，實現了模擬開車啟動運行、操作卸船、氣化外輸、站內循環與操作倒罐5種模式，設置了模擬LNG接收終端泄漏事故及安全控制系統、模擬LNG接收終端壓力保護系統、報警系統的基本響應操作、模擬報警泛濫的管理和操作、報警系統KPI的計算和分析5個實驗，便于學生更好地理解LNG終端接收工藝及自動控制系統的運行機理。有效地解決了實驗教學在國際化合作中缺乏綜合性實驗平臺、不能反映現代過程安全管理的技術要求等問題，有利于培養具有國際化視野的高素質人才。為探索在國際化工程教育的視野下，如何達成先進教學實驗平臺與培養方案、課程體系建設之間的互動影響，提供了重要的微觀案例與技術實現基礎。

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Development of Comprehensive Experimental Platform for LNG Receiving Terminal Demanded by Safety Engineering International Education

WANGHaiqing,CHENTaojie,LIUXiangmei

(Department of Safety Science and Engineering, China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, Shandong， China)

The construction of safety engineering experimental education in oil and gas and the field of chemical industry, increasingly presents the developing mode of the combination in international culture exchange and digital safety technology. To solve the problem about lack of comprehensive experiment platform for international cooperation and not reflecting technical requirements about the modern process safety management in experimental teaching, this paper designed the comprehensive experimental platform for digital natural gas (LNG) receiving terminal that integrates DCS, SIS, FGS and alarm management, multi-level stereoscopic technology of safety technology barrier. The simulation of five modes which are starting up of running, unloading operation, gasification outside the transmission, the circulation in station, and pouring operation was realized. The stimulation of leakage scenarios in different process units and their corresponding experimental safety and emergency response, including pressure protection system, the management of stimulation alarm floods, gas detection, etc was carried out innovately. Through the construction of the digital comprehensive experimental platform, exploration in the context of an international engineering education, we established the advanced teaching experiment platform and training programs, and realized the interaction of curriculum system construction The reform can provide an important microscopic case and the technical implementation foundation.

liquid natural gas; comprehensive experiment platform; safety engineering; instrumentation safety system

2016-06-20

中國石油大學(華東)教學改革重點項目(JY-A201404)

王海清(1974-)，男，山東青島人，教授，研究方向為安全儀表系統，HAZOP/LOPA，報警管理和可靠性RAM分析等。

E-mail：wanghaiqing@upc.edu.cn

G 482

A

1006-7167(2017)06-0249-06