LNG氣化站ESD控制系統(tǒng)設計分析

摘 要

摘要：探討了LNG氣化站ESD控制系統(tǒng)設計應遵循的規(guī)范、檢測點設置、連鎖關系、系統(tǒng)組成與可靠性措施、現(xiàn)場儀表選型及其他注意事項。關鍵詞：LNG氣化站；緊急停車裝置(ESD)控制系統(tǒng)
摘要：探討了LNG氣化站ESD控制系統(tǒng)設計應遵循的規(guī)范、檢測點設置、連鎖關系、系統(tǒng)組成與可靠性措施、現(xiàn)場儀表選型及其他注意事項。
關鍵詞：LNG氣化站；緊急停車裝置(ESD)控制系統(tǒng)；連鎖；檢測點設置
Design Analysis of ESD Control System at LNG Vaporizing Station
LI Yang，LI Leizuo，MA Junfeng，SUN Zhongfei，YANG Ying
Abstract：The code to be followed，the monitoring point setting，the chain relation，the system composition and reliability measures，the field instrument type selection and other matters needing attention in design of emergency shutdown device(ESD)control system at LNG vaporizing station are introduced.
Key words：LNG vaporizing station；emergency shutdown device(ESD)control system；chain；monitoring point setting
1 概述
   近年來LNG氣化站的應用日益廣泛[1～3]，氣化站作為調峰氣源或城市備用氣源，具有安裝簡便、設備成熟、投資省、占地小、建設期短、設備運行安全等特點，在無管輸氣地區(qū)已得到較為廣泛的應用。本文結合相關規(guī)范及設計經驗，對LNG氣化站的緊急停車裝置(Emergency Shutdown Device，ESD)進行探討。
2 LNG氣化站工藝流程及布置
    由液化天然氣(LNG)槽車或集裝箱罐車運送來的液化天然氣，通過卸車口將車內的液體卸進LNG儲罐，儲罐互相切換使用。槽車或集裝箱罐車由自增壓系統(tǒng)或站區(qū)專用罐車增壓系統(tǒng)升壓至約0.6MPa，通過壓差卸液，每臺儲罐可同時滿足兩臺槽車(集裝箱罐車)進液。儲存期間壓力保持在0.2MPa，可隨時補充液體。使用時，打開一臺儲罐的自增壓系統(tǒng)，升壓至約0.6MPa，然后開啟出液閥，將LNG輸送到空溫式氣化器進行氣化。
    當一臺儲罐內液體達到液位低限時，另一臺儲罐再升壓至0.6MPa，切換到該儲罐繼續(xù)供氣。切換下來的儲罐通過自動降壓放空系統(tǒng)將氣體排放至空溫式BOG加熱器加熱后送入輸配管網使用，將罐內壓力泄放，又可以接受槽車或集裝箱罐車運送來的液化天然氣。
    LNG儲罐的進出液總管上設有連通管，既可用于LNG儲罐間的倒罐，又可對LNG液相管進行冷循環(huán)，保持管道處于低溫狀態(tài)。
    儲罐儲存期間產生的BOG氣體，由超壓放空系統(tǒng)收集至空溫式BOG加熱器，加熱后進入輸配管網使用。
    站內設有緊急放空系統(tǒng)(EAG)，LNG儲罐和管道上的安全放散氣體匯集到EAG總管，經空溫式EAG加熱器后，至放散塔排放。
    站內設置氮氣瓶組，為氣動閥門提供氣源。
    站內平面分LNG儲罐區(qū)、工藝裝置區(qū)、控制室等。
3 設計遵循的規(guī)范
    ESD控制系統(tǒng)是一種經專門機構認證、具有一定安全等級、用于降低生產過程風險的安全保護系統(tǒng)。它不僅能夠響應生產過程因超出安全極限而帶來的危險，而且能夠檢測和處理自身的故障，從而按預定的條件或程序，使生產過程處于安全狀態(tài)，以確保人員、設備及場區(qū)的安全。
    對于LNG氣化站的ESD控制系統(tǒng)，國內適用的規(guī)范主要有：GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》、GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》、GB/T 20368—2006《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》等。
   ① 《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》
   GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》適用于液化天然氣總儲存容積不大于2000m3的城鎮(zhèn)液化天然氣供應站工程設計。本規(guī)范對于ESD控制系統(tǒng)的要求如下：
    第9.4.19條：儲罐區(qū)、氣化裝置區(qū)域或有可能發(fā)生液化天然氣泄漏的區(qū)域內應設置低溫檢測報警裝置和相關的連鎖裝置，報警顯示器應設置在值班室或儀表室等有值班人員的場所。
    第9.4.20條：爆炸危險場所應設置燃氣濃度檢測報警器。報警濃度應取爆炸下限的20%，報警顯示器應設置在值班室或儀表室等有值班人員的場所。
    第9.4.21條：液化天然氣氣化站內應設置事故切斷系統(tǒng)，事故發(fā)生時，應切斷或關閉液化天然氣或可燃氣體來源，還應關閉正在運行可能使事故擴大的設備。
    液化天然氣氣化站內設置的事故切斷系統(tǒng)應具有手動、自動或手動自動同時啟用的功能，手動啟動器應設置在事故時方便到達的地方，并與所保護設備的間距不小于15m。手動啟動器應具有明顯的功能標志。
    ② 《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》
    GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》適用于液化天然氣供氣站以及小型天然氣液化站，本規(guī)范對于ESD控制系統(tǒng)的要求如下：
    第10.4.3條：火災和氣體泄漏檢測裝置，應按以下原則配置：
    1 裝置區(qū)、罐區(qū)以及其他存在潛在危險需要經常觀測處，應設火焰探測報警裝置。相應配置適量的現(xiàn)場手動報警按鈕。
    2 裝置區(qū)、罐區(qū)以及其他存在潛在危險需要經常觀測處，應設連續(xù)檢測可燃氣體濃度的探測報警裝置。
    3 裝置區(qū)、罐區(qū)、集液池以及其他存在潛在危險需要經常觀測處，應設連續(xù)檢測液化天然氣泄漏的低溫檢測報警裝置。
    4 探測器和報警器的信號盤應設置在其保護區(qū)的控制室或操作室內。
    第10.4.6條：液化天然氣站場應配有移動式高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)。液化天然氣儲罐總容量大于或等于3000m3的站場，集液池應配固定式全淹沒高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)，并應與低溫探測報警裝置聯(lián)鎖。系統(tǒng)的設計應符合現(xiàn)行國家標準《高倍數(shù)、中倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)設計規(guī)范》GB 50196的有關規(guī)定。
    第10.4.8條：液化天然氣設施應配有緊急停機系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可切斷液化天然氣、可燃液體、可燃冷卻劑或可燃氣體源，能停止導致事故擴大的運行設備。該系統(tǒng)應能手動或自動操作，當設自動操作系統(tǒng)時應同時具有手動操作功能。
    第10.4.9條：站內必須有書面的應急程序，明確在不同事故情況下操作人員應采取的措施和如何應對，而且必須備有一定數(shù)量的防護服和至少2個手持可燃氣體探測器。
    ③ 《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》
    GB/T 20368—2006《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》適用于天然氣液化和液化天然氣(LNG)儲存、氣化、轉運、裝卸和卡車運輸設施的維護，以及人員培訓。還適用于所有LNG儲罐，包括真空絕熱系統(tǒng)儲罐。本規(guī)范對于ESD控制系統(tǒng)的要求如下：
    第9.2.1條：各LNG設施應包括事故切斷(ESD)系統(tǒng)，當該系統(tǒng)運行時，就會切斷或關閉LNG、易燃液體、易燃致冷劑或可燃氣體來源并關閉繼續(xù)運行將加劇或延長事故的設備。任何設備除滿足本標準指示的要求外，應允許滿足ESD系統(tǒng)的要求，如在本標準其他章節(jié)規(guī)定的閥和控制系統(tǒng)。
    第9.2.2條：如果關閉設備引起附加危險或導致設備的重大機械傷害，在易燃液體繼續(xù)泄放影響得到控制時，允許從ESD系統(tǒng)中取消該設備及輔機的關斷功能。
    第9.2.3條：ESD系統(tǒng)應具有失效保護設計或應安裝、布置、或保護，當正常控制系統(tǒng)故障或事故時.失效的可能最小。沒有失效保護設計的ESD系統(tǒng)。應將被控制設備15m(50ft)以內的所有組件，按下述方法之一防護：
    a) 安裝在或布置在不可能暴露于火的地方。
    b) 暴露在火中時，至少保護10min不失效。
    第9.2.5條：ESD系統(tǒng)應能手動、自動或手動自動同時啟動，要根據9.1.2完成的評價結果來確定。手動啟動器應位于事故時能到達的地區(qū)，至少離所保護設備15m(50ft)，并應顯著地標出其設計功能。
    第9.3.2條：不間斷控制的低溫傳感器或可燃氣體檢測系統(tǒng)應在廠內，且當工廠不是常年有人值守時，應在經常有人的地方發(fā)出警報?？扇細怏w檢測系統(tǒng)應在測到氣體和蒸氣不高于爆炸下限的25%時，發(fā)出聲光警報。
    第9.3.3條：火焰探測器應在廠內，當工廠不是常年有人值守時，應在經常有人的地方發(fā)出警報。另外，如按9.1.2評價要求確定，火焰探測器應能起動部分ESD系統(tǒng)。
4 檢測點的設置及連鎖關系
    一般設計做法是，設計總儲存容積小于等于2000m3的LNG氣化站的ESD控制系統(tǒng)遵循GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》，僅設置儲罐的進出液閥門的連鎖、可燃氣體泄漏檢測裝置及低溫檢測裝置，并且與消防設施的連鎖關系均設置為手動處理?？們Υ嫒莘e大于2000m3的LNG氣化站的ESD控制系統(tǒng)遵循GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》，站內設置全套的ESD控制系統(tǒng)，并與消防噴淋進行自動連鎖控制。所有具有LNG儲罐，并具有生產、儲存、裝卸功能的LNG站，均需執(zhí)行GB/T 20368—2006《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》。
    ① 執(zhí)行GB 50028—2006
    根據GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》，站內設置的ESD控制系統(tǒng)檢測點如下：
    LNG儲罐區(qū)：可燃氣體濃度檢測；環(huán)境溫度檢測；帶緊急切斷功能的氣動閥狀態(tài)顯示及控制；集液池液位開關檢測。
    工藝裝置區(qū)：可燃氣體濃度檢測；氣化器前閥門狀態(tài)；進氣化器總管帶緊急切斷功能的氣動閥狀態(tài)顯示及控制；氣化器后溫度檢測。
   連鎖關系為：
   站內可燃氣體濃度檢測探頭報警時，在現(xiàn)場及控制室以聲光方式報警。當站內任意兩臺可燃氣體濃度檢測探頭同時報警時，除了在控制室及現(xiàn)場用聲光方式報警外，由控制人員進一步確認后，人工關閉所有儲罐進液閥門和用于緊急切斷的閥門。
    站內任意兩臺低溫檢測探頭同時報警時，由控制人員進一步確認后，人工關閉所有儲罐進液閥門和用于緊急切斷的閥門。
    集液池位于儲罐區(qū)內，安裝低溫檢測報警探頭、高低液位開關。正常工況下，當集液池高液位的液位開關輸出信號時，連鎖打開潛水泵電源，集液池向外面排洪溝排水；當?shù)鸵何坏囊何婚_關輸出信號時，連鎖關閉潛水泵電源，停止向外面排洪溝排水。泄漏工況下，儲罐區(qū)泄漏的液化天然氣經由導流渠流入集液池，此時集液池處安裝的低溫檢測探頭報警，則啟動ESD控制系統(tǒng)連鎖關閉潛水泵電源。
    氣化器后管道設置兩臺溫度變送器，此兩臺溫度變送器中有任意一臺讀數(shù)異常，經過控制人員進一步確認后，關閉氣化器前帶緊急切斷功能的氣動閥，氣化器停止工作。
    ② 執(zhí)行GB 50183—2004
    根據GB 50183—2004《石油天然氣工程設計防火規(guī)范》，ESD控制系統(tǒng)檢測點如下：
    LNG儲罐區(qū)：可燃氣體濃度檢測；環(huán)境溫度檢測；帶緊急切斷功能的氣動閥狀態(tài)顯示及控制；紅外/紫外火焰探測器；全站停車用緊急停車按鈕(按下緊急停車按鈕時現(xiàn)場聲光報警器報警)；集液池液位開關檢測。
    工藝裝置區(qū)：可燃氣體濃度檢測；氣化器前閥門狀態(tài)；進氣化器總管帶緊急切斷功能的氣動閥狀態(tài)顯示及控制；氣化器后溫度檢測；紅外/紫外火焰探測器；全站停車用緊急停車按鈕(安裝于卸車位置附近，按下緊急停車按鈕時現(xiàn)場聲光報警器報警)。
    控制室：全站停車用緊急停車按鈕。
    儀表風總管：全站停車用緊急切斷閥門。
    連鎖關系為：
    站內可燃氣體濃度檢測探頭報警時，在現(xiàn)場及控制室用聲光方式報警。當站內任意兩臺可燃氣體濃度檢測探頭同時報警時，除了在控制室及現(xiàn)場用聲光方式報警外，由控制人員進一步確認后，人工關閉所有儲罐進液閥門和用于緊急切斷的閥門。
    站內任意兩臺低溫檢測探頭同時報警時，由控制人員進一步確認后，人工關閉所有儲罐進液閥門和用于緊急切斷的閥門。
    集液池安裝低溫報警探頭、高低液位開關。正常工況下，當集液池高液位的液位開關輸出信號時，連鎖打開潛水泵電源，集液池向外面排洪溝排水；當?shù)鸵何坏囊何婚_關輸出信號時，連鎖關閉潛水泵電源，停止向外面排洪溝排水。泄漏工況下，集液池處低溫檢測探頭報警，則啟動ESD控制系統(tǒng)連鎖關閉潛水泵電源、儲罐進出液閥、LNG泵，并啟動泡沫滅火系統(tǒng)對集液池進行泡沫覆蓋。
    氣化器后管道設置兩臺溫度變送器，此兩臺溫度變送器中有任意一臺讀數(shù)異常，經過控制人員進一步確認后關閉氣化器前閥門。
    任意兩臺火災報警探頭報警后，由控制人員進一步確認后按下緊急切斷閥關閉及緊急停車按鈕，關閉所有儲罐進液閥門，此時全站聲光報警，提醒站區(qū)人員及時撤離；儲罐區(qū)將連鎖啟動消防噴淋水系統(tǒng)，對罐體進行噴淋降溫。如罐區(qū)為子母罐，應在儲罐頂部設置2臺溫度檢測探頭，當2臺溫度檢測探頭同時檢測到高溫信號時，自動啟動干粉滅火系統(tǒng)，同時啟動ESD控制系統(tǒng)連鎖關閉儲罐進出液閥和LNG泵。
   ③ 執(zhí)行GB/T 20368—2006
   根據GB/T 20368—2006《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝運》，儲罐區(qū)ESD控制系統(tǒng)檢測點如下：可燃氣體濃度檢測；環(huán)境溫度低溫檢測；帶緊急切斷功能的氣動閥狀態(tài)顯示及控制；紅外/紫外火焰探測器檢測；全站停車用緊急停車按鈕(按下緊急停車按鈕時現(xiàn)場聲光報警器報警)；集液池液位開關檢測等。
   連鎖關系為：
   站內可燃氣體濃度檢測探頭報警時，在現(xiàn)場及控制室用聲光方式報警。當站內任意兩臺可燃氣體濃度檢測探頭同時報警時，除了在控制室及現(xiàn)場用聲光方式報警外，由控制人員進一步確認后，人工關閉所有儲罐進液閥門和用于緊急切斷的閥門。
    站內任意兩臺低溫檢測探頭同時報警時，由控制人員進一步確認后，人工關閉所有儲罐進液閥門和用于緊急切斷的閥門。
    集液池安裝低溫報警探頭、高低液位開關。正常工況下，當集液池高液位的液位開關輸出信號時，連鎖打開潛水泵電源，集液池向外面排洪溝排水；當?shù)鸵何坏囊何婚_關輸出信號時，連鎖關閉潛水泵電源，停止向外面排洪溝排水。泄漏工況下，儲罐區(qū)泄漏的液化天然氣經由導流渠流入集液池，此時集液池處安裝的低溫檢測探頭報警，則啟動ESD控制系統(tǒng)連鎖關閉潛水泵電源、儲罐進出液閥。
    任意兩臺火災報警探頭報警后，由控制人員進一步確認后按下緊急切斷閥關閉及緊急停車按鈕，關閉所有儲罐進液閥門，并進行全站聲光報警，提醒站區(qū)人員及時撤離。
5 系統(tǒng)組成與選型原則
5.1 ESD控制系統(tǒng)
    ESD控制系統(tǒng)為緊急切斷系統(tǒng)，因此自身的可靠性極為重要，除在現(xiàn)場單獨設置ESD控制系統(tǒng)的儀表外，在控制室內也要單獨設置PLC控制。系統(tǒng)基本組成可分為3部分：現(xiàn)場傳感器單元、控制室PLC邏輯運算單元(指控制室全部ESD控制設備)、現(xiàn)場最終執(zhí)行單元。
    現(xiàn)場傳感器單元采用可燃氣體濃度檢測探頭、低溫檢測探頭、火災報警探頭等。需ESD控制系統(tǒng)進行控制的儀表，均接至控制室PLC邏輯運算單元，做到ESD控制系統(tǒng)的儀表系統(tǒng)與過程控制系統(tǒng)的完全分開。
    控制室PLC邏輯運算單元指為ESD控制系統(tǒng)配備的PLC控制器，自動進行周期性故障診斷?；谧栽\斷測試的ESD控制系統(tǒng)具有特殊的硬件設計，借助于可靠性診斷測試技術保證可靠性。
    現(xiàn)場最終執(zhí)行單元是指現(xiàn)場控制用的電磁閥、緊急停車按鈕等。由于上述電磁閥和按鈕在正常工況下是靜態(tài)的，很難確認上述電磁閥和按鈕是否有自身故障，因此執(zhí)行單元儀表的可靠度等級的選擇十分重要。若系統(tǒng)中有可靠的不間斷電源時，可與系統(tǒng)共用該電源，但電源開關(配電箱)應單獨設置；若采用直流穩(wěn)壓電源時，穩(wěn)壓電源應單獨冗余設置，不宜與其他儀表單元共用，且穩(wěn)壓電源的電源輸入應來自UPS電源設備。
    保證ESD控制系統(tǒng)安全可靠的具體措施如下：
    ① 現(xiàn)場開關儀表選用常閉觸點，工藝生產正常時，觸點閉合，達到報警或連鎖極限時觸點斷開，觸發(fā)連鎖或報警動作。
   ② 電磁閥采用正常勵磁，報警或連鎖沒有動作時，電磁閥線圈帶電，觸點閉合，電磁閥所控制的氣動閥門打開；報警或連鎖動作時，電磁閥線圈失電，觸點斷開，電磁閥所控制的氣動閥門關閉。
   ③ 通往電氣配電室的開關觸點應用中間繼電器與現(xiàn)場隔離，其勵磁電路應為故障安全型?？刂蒲b置的故障安全是指當其自身出現(xiàn)故障而不是工藝或設備超過極限指標時，控制裝置應能判斷出裝置的故障，并能安全停車，從而確保設備和人身的安全。
   ④ ESD控制系統(tǒng)采用如下冗余容錯結構：
   a. 采用冗余配置，可以自動地檢測故障，切換到后備設備。
   b. 對失效的控制系統(tǒng)元件能進行識別和補償，并能夠在繼續(xù)完成指定的任務、不中斷過程控制的情況下進行修復。
5.2 可燃氣體濃度探測器
    其選型為隔爆型，帶現(xiàn)場顯示單元、現(xiàn)場聲光報警器、防浪涌單元，輸出帶HART協(xié)議的4～20mA信號，測量相對誤差為±3%。
5.3 火災報警探測器
    火災報警探測器采用紫外/紅外復合型，防爆型式為隔爆型，水平視角為120°，垂直視角為90°，響應時間＜5s。
5.4 帶緊急切斷功能的氣動閥
    儲罐的進、出口閥門、空溫式氣化器進口閥門均設置為帶緊急切斷功能(控制氣路用電磁閥)的氣動閥，此閥事故時需關閉。由于控制氣動閥氣路用的電磁閥距控制室距離一般較遠，因此需選用交流220V供電的兩位三通的防爆型電磁閥。
5.5 其他
    站內重要手動閥門、氣動閥門均設置行程開關，用以監(jiān)測閥門開關狀態(tài)。
    為了在事故狀態(tài)下控制事態(tài)，在卸車區(qū)、儲罐區(qū)、門衛(wèi)室、控制室各設置一個緊急停車按鈕。緊急停車按鈕分兩級控制。第一級，當生產事故時，按動任意一處緊急停車按鈕，將廠區(qū)內所有緊急切斷閥關閉，停止各設備的工作。第二級，當發(fā)生火災時，關閉廠區(qū)內所有緊急切斷閥并通過站內廣播或事故信息系統(tǒng)對現(xiàn)場工作人員進行播報，引導現(xiàn)場人員及時撤離，同時啟動消防水泵。
6 電纜敷設方式
    由于LNG儲罐區(qū)地面為混凝土，為檢修及布線施工方便，LNG儲罐區(qū)電纜采用封閉的電纜橋架內敷設的方式，主橋架沿工藝主管道并與工藝主管道保持規(guī)范要求的間距平行敷設，至各罐體附近均穿鍍鋅焊接鋼管架空敷設。
    工藝裝置區(qū)地面為花磚，故工藝裝置區(qū)電纜均采用直埋敷設，與其他專業(yè)管線及電纜交叉和平行時均保持規(guī)范要求的間距。如有LNG儲罐區(qū)電纜途經工藝裝置區(qū)時，應將電纜在工藝裝置區(qū)進行直埋敷設，并做好電纜入地處的固定和接地。
7 接地及防浪涌
    ESD控制系統(tǒng)是一個特殊用電系統(tǒng)，它包括以下幾種接地[4]：系統(tǒng)工作地(接地電阻小于4Ω)，直流工作地(信號屏蔽地、邏輯地等接地電阻小于2Ω)，安全保護地(接地電阻小于4Ω)。這幾種接地在安裝時難以分開，對這一系統(tǒng)建議等電位連接，接地電阻取最小值，應小于2Ω。
    為避免或減少雷擊給自控設備造成的損失，確保整個系統(tǒng)安全可靠地工作，設計時需考慮接入防浪涌單元，采取如下措施：
    ① 選用帶}良涌保護裝置的一次儀表。
    ② 站內接地設有防浪涌裝置，地線接地電阻小于2Ω。
    ③ 在系統(tǒng)外接電源處加防浪涌單元。
    ④ 所有儀表接入控制室ESD系統(tǒng)機柜的輸入/輸出模塊前均加裝防浪涌單元。
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(本文作者：李洋 李磊祚 馬俊峰 孫中飛楊穎 中國市政工程華北設計研究總院 天津 300074)