LNG接收站可燃?xì)鈾z測(cè)儀表選型及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

摘要：本文以LNG接收站的可燃?xì)鈾z測(cè)儀表作為研究對(duì)象，針對(duì)罐區(qū)測(cè)量管理系統(tǒng)與可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)的選型情況進(jìn)行詳細(xì)分析，圍繞罐區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)建構(gòu)、激光可燃?xì)鈾z測(cè)器設(shè)計(jì)兩個(gè)層面，探討了可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并就其應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期為可燃?xì)鈾z測(cè)技術(shù)的研發(fā)創(chuàng)新提供參考。

關(guān)鍵詞：LNG接收站;可燃?xì)鈾z測(cè);激光檢測(cè)

引言：LNG的全稱是液化天然氣，以甲烷為主要成分，具有易燃易爆、低溫等性質(zhì)，一旦氣體泄漏即會(huì)快速蒸發(fā)形成云團(tuán)，遇明火后造成火災(zāi)、爆炸等事故，威脅生命財(cái)產(chǎn)安全。LNG接收站由LNG碼頭、儲(chǔ)罐及工藝裝置組成，鑒于可燃?xì)饩哂懈唢L(fēng)險(xiǎn)特征，因此對(duì)于可燃?xì)鈾z測(cè)預(yù)警裝置選型設(shè)計(jì)的優(yōu)化提出了迫切需求。

1 LNG接收站的儀表選型

1.1罐區(qū)測(cè)量管理系統(tǒng)

LNG罐區(qū)儀表主要由雷達(dá)液位計(jì)、十六點(diǎn)平均溫度計(jì)、液位溫度密度計(jì)、伺服液位計(jì)、罐旁顯示儀等裝置組成，其中雷達(dá)液位計(jì)基于反射定位原理進(jìn)行液位計(jì)量;十六點(diǎn)平均溫度計(jì)用于針對(duì)LED儲(chǔ)罐溫度進(jìn)行檢測(cè);液位溫度密度計(jì)用于針對(duì)LNG儲(chǔ)罐的液位高低、溫度變化情況進(jìn)行檢測(cè);伺服液位計(jì)用于監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)浮子的位置變化情況;罐旁顯示儀通過將數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)化為具體顯示信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)部工況的可視化監(jiān)測(cè)。但由于LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的可燃?xì)怏w包含多種組成成分，罐區(qū)現(xiàn)有儀表的分布狀態(tài)較為分散化，僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)單一指標(biāo)的檢測(cè)，無法使可燃?xì)怏w泄漏情況得到及時(shí)反饋，因此需依托儀表的整合與集成化管理實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)變化、液位高低浮動(dòng)情況的動(dòng)態(tài)監(jiān)督。

1.2可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

可燃?xì)怏w探測(cè)報(bào)警系統(tǒng)（GDS）主要由可燃?xì)鈾z測(cè)器、邏輯控制器與報(bào)警設(shè)備組成，利用可燃?xì)鈾z測(cè)器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)可燃?xì)庑孤舛鹊奶綔y(cè)，將泄漏信息上傳至中控室，由邏輯控制器進(jìn)行邏輯分析處理、發(fā)送控制指令，啟動(dòng)報(bào)警設(shè)備、調(diào)節(jié)開關(guān)通斷、啟動(dòng)消防系統(tǒng)，保障在可燃?xì)怏w輕度泄漏或現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生火災(zāi)的早期起到報(bào)警與防護(hù)功能。在儀表選型上，當(dāng)前國內(nèi)LNG接收站常用儀表包含半導(dǎo)體式、催化燃燒式、紅外線吸收式三種類型，綜合考慮適用檢測(cè)的氣體類型、計(jì)量精度要求、使用壽命、經(jīng)濟(jì)成本等因素，以開放式紅外線吸收式可燃?xì)鈾z測(cè)器作為最優(yōu)選擇。該檢測(cè)器基于紅外線吸收原理進(jìn)行可燃?xì)鈾z測(cè)，測(cè)量范圍較廣、精確度與可選擇性均較好，但受降雨天氣及震動(dòng)等因素的影響較大，誤報(bào)率與設(shè)備運(yùn)維的復(fù)雜性程度較高，亟待進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2可燃?xì)鈾z測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2.1罐區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)建構(gòu)

在LNG罐區(qū)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，可將傳感器均勻布設(shè)在罐區(qū)各處用于采集環(huán)境條件參數(shù)，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)的可燃?xì)怏w出現(xiàn)分層現(xiàn)象時(shí)，由傳感器將采集到的信息反饋至監(jiān)控系統(tǒng)，經(jīng)由數(shù)據(jù)匯總、分析處理后執(zhí)行對(duì)LNG儲(chǔ)罐的加熱操作，伴隨熱量的輸入使儲(chǔ)罐內(nèi)位于不同層級(jí)的物質(zhì)密度發(fā)生改變，由此加速液體的翻滾與混合，有效消除物質(zhì)分層現(xiàn)象、恢復(fù)正常液位，遏制可燃?xì)怏w泄漏問題的發(fā)生。在此過程中，通過實(shí)行對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)的分層監(jiān)測(cè)，可獲取到物質(zhì)密度、溫度等實(shí)時(shí)信息，將其匯總至計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可視化呈現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上調(diào)節(jié)閾值，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)液體的翻滾、混合處理，保障罐區(qū)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在LNG罐區(qū)庫存管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，該系統(tǒng)主要用于收集、處理儲(chǔ)罐內(nèi)的參數(shù)屬性及物料儲(chǔ)存量等數(shù)據(jù)，利用掃描儀作為信息收集裝置，結(jié)合算法程序生成運(yùn)算結(jié)果、支持信號(hào)輸出;同時(shí)，該系統(tǒng)支持多臺(tái)計(jì)算機(jī)終端進(jìn)行信號(hào)數(shù)據(jù)的同步監(jiān)測(cè)，有效提升信息處理效率^[1]。

2.2激光可燃?xì)鈾z測(cè)器設(shè)計(jì)

基于氫原子的能級(jí)躍遷原理，原子是構(gòu)成一般物質(zhì)的最小單位，在原子內(nèi)部存在若干粒子分布在高低不同的能級(jí)上，當(dāng)有某種特定能量的光子對(duì)粒子產(chǎn)生刺激時(shí)，將使位于低能級(jí)上的粒子躍遷至高能級(jí)上。由于氣體分子僅能吸收能量恰好為2個(gè)能級(jí)能量差的光子，分子結(jié)構(gòu)各異的氣體將吸收頻率存在差異的光子，因此僅需測(cè)量氣體分子吸收光譜的強(qiáng)弱，即可識(shí)別出氣體的種類，并測(cè)量出其具體的濃度值。而從朗伯比爾定律角度出發(fā)，物質(zhì)對(duì)某一波長光吸收的強(qiáng)弱與物質(zhì)濃度、厚度有關(guān)，設(shè)I、I₀分別代指入射光和透射光的強(qiáng)度，E為吸光系數(shù)，C為待測(cè)氣體濃度，L為光程，則有：

從上述公式中可知，樣品濃度與激光吸收率具有正比例關(guān)系，當(dāng)保持吸光系數(shù)、光程數(shù)值不變的情況下，通過測(cè)量激光吸收率參數(shù)的變化，即可求解出待測(cè)氣體的濃度值。

針對(duì)激光可燃?xì)鈾z測(cè)器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用單片機(jī)控制電路進(jìn)行檢測(cè)器電流的調(diào)制，調(diào)節(jié)其發(fā)射激光的波長;當(dāng)激光穿過待測(cè)可燃?xì)怏w后，經(jīng)由反射面返回檢測(cè)器中，當(dāng)待測(cè)氣體中含有具備典型特征的目標(biāo)氣體時(shí)，將與待測(cè)可燃?xì)怏w發(fā)生作用，使部分激光被氣體吸收，且激光吸收量與目標(biāo)氣體的濃度含量成正比;待檢測(cè)結(jié)束后，由檢測(cè)器將自身檢測(cè)到的激光強(qiáng)度變化值進(jìn)行返回，經(jīng)由單片機(jī)控制電路處理后轉(zhuǎn)化為信號(hào)，由信號(hào)輸出電路進(jìn)行傳輸，獲取到最終的濃度檢測(cè)結(jié)果。

將原有紅外式可燃?xì)鈾z測(cè)器與激光可燃?xì)鈾z測(cè)器的使用效果進(jìn)行比較，紅外式儀檢測(cè)器的測(cè)量距離較短，無氣體選擇性，響應(yīng)時(shí)間≤10s，分辨率為500ppm，量程為0～100% LEL，標(biāo)定周期為1a，使用壽命為3～5a;而激光式檢測(cè)儀器采用非接觸檢測(cè)方式，有特定目標(biāo)氣體，響應(yīng)時(shí)間不超過1s，分辨率為1ppm，量程為0～100% VOL可調(diào)，無需標(biāo)定，使用壽命長達(dá)5～10a。從中可以看出，采用激光吸收技術(shù)進(jìn)行可燃?xì)怏w檢測(cè)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠顯著削弱儀表使用環(huán)節(jié)的交叉干擾問題，且非接觸式檢測(cè)方式可有效規(guī)避使用者中毒、暴露的風(fēng)險(xiǎn)，具備良好的適用價(jià)值。

2.3實(shí)際應(yīng)用效果

截至2019年，我國已建成投產(chǎn)的LNG接收站共有21個(gè)，最高處理能力達(dá)680萬t/年。唐山LNG接收站自2013年投產(chǎn)以來累計(jì)氣化外輸天然氣220億m?、槽車裝車150余萬t，成為國內(nèi)氣化能力最強(qiáng)的接收站，承擔(dān)著京津冀地區(qū)保供天然氣的重任。以唐山LNG接收站槽車裝車區(qū)擴(kuò)建EPC總承包項(xiàng)目為例，當(dāng)前該接收站配套2座LNG碼頭、4座16萬m?的LNG儲(chǔ)罐、15個(gè)LNG槽車裝車撬，計(jì)劃新增15臺(tái)裝車撬^[2]。

基于《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50493-2009），該項(xiàng)目共配備18個(gè)點(diǎn)紅外可燃檢測(cè)器與2套開路式激光可燃?xì)鈾z測(cè)器，其中紅外檢測(cè)器安裝在距地面0.5m高度位置，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)地面裝車撬可燃?xì)庑孤┑臋z測(cè);激光檢測(cè)器則安裝在裝車棚下方0.2m左右，輔助完成對(duì)槽車、裝車撬可燃?xì)怏w泄漏的檢測(cè)。激光檢測(cè)器實(shí)行激光收發(fā)的一體化設(shè)計(jì)，基于反射原理將接收裝置設(shè)為大面積反射面，其光譜極窄、僅對(duì)CH₄有反應(yīng)，且電纜均集中在一端布置，具有結(jié)構(gòu)靈活、安裝便捷、光路校準(zhǔn)簡單、抗風(fēng)與抗震效果好等應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，使檢修維護(hù)工作量大幅精簡，具備良好的應(yīng)用及推廣價(jià)值。

結(jié)論：在當(dāng)前北方地區(qū)調(diào)峰保供任務(wù)日漸繁重的形勢(shì)下，LNG儲(chǔ)罐及配套設(shè)施有限、設(shè)備高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、無法保障運(yùn)維實(shí)效等問題逐漸突出，極易增加可燃?xì)怏w泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，因此還需依托技術(shù)更新提升可燃?xì)鈾z測(cè)儀表的運(yùn)行效果，為LNG接收站及相關(guān)裝置設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障，更好地實(shí)現(xiàn)滿量程檢測(cè)目標(biāo)。

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作者簡介;作者簡介：候旭光（出生年1987），男，漢族，（籍貫：河北省晉州人），本科，中級(jí)工程師，研究方向：天然氣儲(chǔ)運(yùn)。

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作者簡介：何苗（1986.06-），女，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，講師研究方向：藝術(shù)設(shè)計(jì)。