GDS在罐區主動安全防護方面的應用

宋 蓓

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266100)

目前，浮頂儲罐的密封結構主要采用一次密封和二次密封，在一二次密封結構之間會形成相對密閉的環形油氣聚集空間[1]。當油罐罐壁掛油或者實施收發油作業時，隨著浮盤的升降會產生大量的可燃氣體，主要成分是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等，如果此時遇到雷擊或靜電產生的火花等可能會引起燃燒甚至爆炸[1]。因此，有必要對大型外浮頂儲罐一二次密封空間的油氣濃度進行實時監控，建立主動安全防護，做好前期預防。

外浮頂儲罐一二次密封空間的油氣濃度可以使用分析儀表、便攜式可燃氣體檢測儀表、無線可燃氣體檢測儀表等進行檢測。分析儀表通常結構復雜，需要配置預處理系統，還要考慮分析儀機柜、取樣管線的長度等，且一般來說價格較高；便攜式可燃氣體檢測儀表主要以人工攜帶為主，只能檢測某一時段油氣的濃度，無法達到預防火災的要求[2-3]；無線可燃氣體檢測儀表雖然免去了線纜敷設的麻煩，但也要考慮儀表供電、信號可靠性、通信距離等因素。因此，采用可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統(以下簡稱為GDS)監測一二次密封空間油氣濃度和氧氣濃度，當達到報警值時，現場和控制室聲光報警，再配合雷電預警系統，可以有效降低儲罐因雷擊導致的爆炸起火的事故風險。

本文結合已完成交付的項目詳述GDS在罐區主動安全防護方面的應用。

1 項目背景和目的

1.1 項目背景

某廠液體化工品罐區共計有5個，每個罐區均有4個5萬方的外浮頂儲罐，儲罐儲存介質均為原油。原油為甲B類易燃液體，具有易燃性、易沸溢性等特性，爆炸極限范圍較窄但數值較低，有一定的爆炸危險性。

該廠外浮頂儲罐的密封形式均為泡沫軟密封，5萬方儲罐(直徑60m，高度17.5m)一、二次密封的空間體積約為25方。一、二次密封油氣空間中的介質為原油的揮發氣與空氣混合形成的易爆氣體。這個油氣空間的存在，使之成為油罐安全運行中的主要危害因素之一，一旦該空間可燃氣體的濃度達到爆炸下限，此時遇到雷擊或者靜電產生的火花，可能會引起可燃氣體的爆炸或燃燒，嚴重威脅罐區的運行安全。

1.2 目的

采用GDS監測一二次密封空間油氣濃度和氧氣濃度的目的是配合罐區雷電預警系統使用，降低儲罐因雷擊導致的爆炸起火的事故風險。

目前，該廠的雷電預警系統可以預測的雷電范圍為15km，從預測到雷電產生到影響罐區的時間大概為15min。當預測到有雷電產生時，通過離心通風機往原油儲罐一、二次密封空間內注入惰性氣體，置換出可燃氣體，在雷電影響罐區之前使油氣濃度降至爆炸下限以下，從而降低儲罐因雷擊導致爆炸起火的事故風險。

2 項目方案

2.1 方案概述

以罐區為單元，XXX罐區設一臺離心通風機，風機流量Q=3600m3/h，出口壓力P=10kPa。風機風量計算按照原密封空間內油氣濃度的50%，通入惰性氣體等體積均勻置換考慮，將油氣濃度在10分鐘之內降低至爆炸下限以下。XXX罐區主管線管徑為DN250，支管管徑為DN100，每臺罐罐前支管設流量計及壓力表各一塊，流量及壓力信號遠傳到控制室，罐頂設分氣包，經分氣包后分8路DN50管線進入儲罐一、二次密封空間。分氣包前設置阻火器和止回閥。

每臺儲罐頂部一、二次密封空間內的油氣設泵吸式可燃氣體探測器及氧氣探測器，用以實時監測儲罐一、二次密封空間內的油氣濃度和氧氣濃度，并把信號傳輸至位于控制室的GDS。當雷電預警系統發生預警信號之后，根據儲罐密封空間內油氣濃度的情況，人工啟動風機，當油氣濃度低于爆炸下限LEL以下時(風機啟動10分鐘之內)，可將風機關閉。

2.2 技術原理

物質產生燃燒需要具備可燃物、點火源和助燃物，這也是燃燒的三要素。對于原油儲罐一二次密封形成的油氣空間來說，油氣是可燃物，氧氣是助燃物，而雷擊或靜電火花則是點火源。當可燃物和助燃物的濃度達到某一限值時，如果遇到雷擊或靜電火花，則會發生燃燒甚至爆炸。

GDS通過實時采集罐頂一二次密封空間的可燃氣體探測器和氧氣探測器的數值，也即可燃物和助燃物的濃度，根據安全判定規則進行分析判斷(見表1)，當超過設定值時，控制室報警，并發出驅動信號聯動相應罐區附近的現場區域聲光警報器，同時人工啟動風機向一二次密封空間注入惰性氣體，置換出可燃氣體，從而達到防火防爆的效果。

表1 安全判定規則[4]

3 項目實施

3.1 GDS

GDS由可燃氣體探測器、氧氣探測器、現場警報器、報警控制單元等組成。

可燃氣體和氧氣探測器用來檢測儲罐一二次密封空間中的油氣濃度和氧氣含量，并把信號送給GDS控制單元，控制單元根據安全判定規則進行比較分析，當達到報警值時，發出控制信號給現場區域聲光警報器，提醒操作人員應開啟風機注入惰性氣體，使一二次密封空間內的油氣濃度和氧氣含量恢復到安全狀態。

3.2 可燃氣體探測器的選型

通常對于可燃氣體的檢測一般采用催化燃燒原理，針對外浮頂儲罐一二次密封空間中氧含量低且催化燃燒方式可能成為潛在危險的工況，根據GB/T 50493-2019，本項目選用紅外光譜吸收法檢測可燃氣體濃度。

同時，考慮到常用的擴散式氣體探測器受環境溫度、風速的影響較大，本項目采用泵吸式氣體探測器，這更適合外浮頂儲罐一二次密封形成的相對密閉的油氣空間。

圖1 泵吸式氣體探測器安裝示意圖

3.3 氧氣探測器的選型

根據GB/T 50493-2019，大型外浮頂儲罐一二次密封空間中氧氣含量的測量采用電化學原理，采樣方式與可燃氣體探測器相同，采用泵吸式氣體探測器。

3.4 現場警報器的選型

現場區域聲光警報器選用隔爆型，聲壓級高于110dBA，其他技術要求見表2。

表2 現場警報器技術要求

3.5 氣體探測器探頭布置

圖2 探測器平面布置圖

每臺儲罐罐頂設8個取樣點，每個取樣點設1臺可燃氣體探測器和1臺氧氣探測器。每個罐區根據分區對角設置2臺現場區域聲光警報器。

探測器平面布置圖如圖2所示，圖中AT-XXXXA代表可燃氣體探測器，AT-XXXXB代表氧氣探測器，GJB-XXXX為接線箱。罐頂新增可燃氣體探測器和氧氣探測器信號電纜(鎧裝電纜)先接入每個儲罐罐頂板中心設置的接線箱后，輸出多芯電纜(鎧裝)沿原有橋架接至位于控制室機柜間的GDS。

4 結束語

罐區主動安全防護最關鍵的部分就是儲罐一二次密封空間中油氣濃度的檢測。本文通過項目實踐論證了采用GDS實現對一二次密封空間油氣濃度的實時監測是一種可行的選擇，通過GDS(或氣體報警控制器)聯動控制相關區域的聲光報警器，可以起到良好的預警作用，再配合罐區雷電預警系統使用，可以有效降低儲罐因雷擊導致的爆炸起火的事故風險。