天然氣液化工廠GDS系統工程設計探討

向曉燕

（陜西省燃氣設計院有限公司，西安 710043）

0 引言

天然氣液化工廠，其原料是以天然氣、煤層氣等以甲烷為主要成分的氣體，產品是液化天然氣（LNG），副產品是重烴。本文以日處理原料氣300×104m3液化工廠為例。

天然氣液化工廠工藝過程基本包括預處理（凈化）、液化、儲存、裝卸及輔助系統等。凈化單元脫除原料氣中CO2、H2S、H2O、Hg、芳香烴等雜質；液化和制冷系統采用MRC（混合冷劑）循環制冷，混合冷劑由5 種成分組成，包括氮氣、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷；液化天然氣儲存在LNG 常壓儲罐；重烴存儲在重烴儲罐。生產、儲存過程中涉及到的危險化學品主要有天然氣、液化天然氣、乙烯、丙烷、異戊烷和重烴，其中天然氣、乙烯、丙烷為易燃氣體，異戊烷、重烴為易燃液體，均具有易燃、易爆性。泄漏的可燃氣體（或蒸氣）能與空氣形成爆炸性混合物，達到爆炸極限后，遇明火、電火花、靜電火花等會引起火災或爆炸。因為氣體泄漏導致火災或爆炸發生的安全生產事故往往會給國家和人民生命財產造成不可挽回的損失，所以天然氣液化工廠設置可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統（GDS）就顯得尤為重要。

1 GDS系統

根據原國家安監總局發布的相關指導意見及現行國家標準，GDS 系統應獨立于其它系統單獨設置[1]。GDS 系統應由氣體探測器、區域警報器、報警控制單元等組成，可燃氣體的檢測報警信號應送至有人值守的中控室。可燃氣體的檢測報警采用兩級報警，可燃氣體的二級報警信號及報警控制單元的故障信號送至消防控制室的火災報警控制器。可燃氣體探測器參與消防聯動時，探測器信號先接至專用的可燃氣體報警控制器，再上傳至消防控制室的火災報警控制器。可燃氣體探測器參與安全聯鎖時，探測器信號接至SIS 系統。可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統配置圖如圖1。

圖1 可燃氣體和有毒氣體檢測報警系統配置圖Fig.1 Configuration of combustible gas and toxic gas detection and alarm system

2 可燃氣體探測器

1）可燃氣體探測器的選型

可燃氣體探測器作為整個系統的輸入端，是整個系統能否有效發揮監控作用的關鍵因素[2]。可燃氣體探測器的選用與環境條件、被測介質的理化性質、探測器的技術性能等密切相關。

常用的可燃氣體探測器分為多種類型：以安裝方式分為固定式、移動式和便攜式；以布置方式分為點式（擴散型與吸入型）、線式（開路式）和面式（紅外成像式）；以檢測原理分為催化燃燒型、紅外光型、電化學型、半導體型、熱傳導型、光致電離型、激光型和噪聲型等。

天然氣液化工廠實際生產過程中，工藝裝置分單元布置，裝置內的設備、建筑物之間要考慮防火間距要求，設備布置相對比較分散，場所空間情況復雜。所以，天然氣液化工廠可燃氣體探測器多選用固定的點式探測器。

探測器檢測元件的檢測原理主要依據被測介質的化學特性、溫度特性及物理特性等來選擇，廣泛使用的有催化燃燒型探測器、紅外光型探測器、電化學型探測器。它們的共同特點是檢測元件直接與泄漏氣體接觸，只有當泄漏氣體接觸到探測器時才能探測到，規范要求探測器的響應時間不超過30s。催化燃燒型探測器由于有催化劑促進燃燒反應，不能在含硫和鹵化物等能使催化劑中毒的環境中使用，催化燃燒型探測器必須在有氧環境中使用[3]。電化學型探測器應注意環境溫度過高過低都會引起電解質的物理變化，從而影響測量結果。3 種不同檢測原理探測器的性能比較見表1。

表1 探測器性能比較表Table 1 Detector performance comparison

探測器選型時，應充分考慮檢測氣體的特性、儀表的性價比，并結合工程實際應用環境、業主的需求等眾多因素，力求達到最佳的檢測效果且經濟合理。

天然氣液化工廠可燃氣體主要是烴類可燃氣體，催化燃燒型探測器是GDS 系統的首選。環境氧氣檢測采用電化學型探測器，探測器均帶一體化聲光報警器。探測器的輸出信號選用4mA～20mA 的DC 信號，可燃氣體的測量范圍為0%LEL～100%LEL，環境氧氣的測量范圍為0%VOL～25%VOL。

探測器布線型式有多線制和總線制兩種。多線制的探測器采用三芯線，兩根電源線，一根信號線，電源負極和信號線公用。多線制是點對點的傳輸，探測器之間是相對獨立的，每個探測器與報警控制單元之間都有獨立的信號回路，即使某一回路故障也僅對該回路產生影響。多線制的缺點是布線復雜，布線量多。總線制的探測器采用四芯線，兩根電源線，兩根信號線。總線制有一條稱為主線的總線，所有的探測器都并聯到主線上，每個探測器有自己的獨立地址編碼，報警控制單元采用串行通訊的方式，通過不同的地址編碼訪問每個探測器。總線制的缺點是由于節點眾多，信號故障率較高，總線或任意支線發生故障時，整個系統可能就會癱瘓。天然氣液化工廠對安全性有極高要求，建議布線型式采用多線制。

需要臨時檢測可燃氣體的場所，如環境濕度過高、環境溫度過低、檢（維）修作業、受限空間作業、動火作業等，配備移動式可燃氣體探測器。現場還應配備便攜式可燃氣體探測器，以便巡檢操作人員進入爆炸性氣體環境時隨身攜帶。

固定式可燃氣體探測器通常選用隔爆型（除0 區外），便攜式可燃氣體探測器選用本質安全型。固定式可燃氣體探測器若選用本安型，探測器的工作電流較大，需配置特定安全柵[4]。探測器的防護等級不低于IP65。

2）探測器的布置

可燃氣體探測器的布置是一項復雜且細致的工作。可燃氣體檢測點應根據地理條件、環境氣候、廠區總體布局、氣體理化性質、釋放源特性和操作巡檢路線等條件，選擇氣體易于積聚，便于采樣和適于安裝的位置布置[5]。釋放源的位置需結合設備、管道及閥門等的實際布置進行釋放源的分析與分類，并考慮巡檢及維修要求后最終確定。存在釋放源的場所應設置探測器，探測器應靠近釋放源，且在氣體、蒸氣易于積聚的地點。

天然氣液化工廠，露天或敞開式廠房的設備區域內，以釋放源為中心，探測器的水平檢測半徑按10m 考慮；封閉式廠房或局部通風不良的設備區域內，探測器的水平檢測半徑按5m 考慮。檢測氣體為甲烷時，探測器的水平檢測半徑統一按5m 考慮。

天然氣液化工廠在凈化裝置區、液化裝置區、冷劑儲存區、壓縮機廠房、LNG 儲罐區、汽車裝卸站、火炬、導熱油爐、鍋爐房、分析化驗室、中控室新風口等區域均設置可燃氣體探測器；在空壓制氮站設置氧氣探測器；在現場分析小屋設置可燃氣體探測器和氧氣探測器。

壓縮機廠房的可燃氣體探測器與壓縮機廠房的事故排風機聯鎖，分析化驗室的可燃氣體探測器與分析化驗室的事故排風機聯鎖。當可燃氣體探測器探測到氣體濃度達到一級報警設定值時，GDS 系統報警并聯鎖啟動相應的事故排風機。

鍋爐房的可燃氣體探測器與鍋爐房的事故排風機及進氣電磁閥聯鎖。當可燃氣體探測器探測到氣體濃度達到一級報警設定值時，GDS 系統報警并聯鎖啟動相應的事故排風機；當可燃氣體探測器探測到氣體濃度達到二級報警設定值時，GDS 系統報警并聯鎖關閉相應的與之聯動的電磁閥，切斷氣源。

中控室新風口的可燃氣體探測器與進風管道電動密閉閥及新風機聯鎖。當可燃氣體探測器探測到氣體濃度達到一級報警設定值時，GDS 系統報警并聯鎖關閉進風管道電動密閉閥及新風機。

3）探測器的安裝

探測器是直接接觸可燃性氣體的部分，其安裝位置是否合適直接關系到探測器能否正常發揮作用。在滿足規范要求的前提下，安裝位置也應充分考慮合理性，為后期使用、維護及周期檢定提供便利。

探測器的安裝高度根據泄漏氣體的密度而定。泄漏氣體介質重于空氣的，探測器安裝高度距所在地坪0.3m～0.6m；泄漏氣體介質輕于空氣的，探測器安裝高度高出釋放源1.0m～2.0m；封閉廠房內最高點設置的探測器，安裝高度低于房內最高點0.3m；環境氧氣探測器的安裝高度距所在地坪1.5m～2.0m。

3 區域警報器

區域警報器采用隔爆型聲光報警器，根據生產裝置單元的報警分區合理設置。區域警報器的啟動信號應采用第二級報警設定值信號，報警信號聲級應高于110dBA[6]。

天然氣液化工廠生產裝置單元主要包括凈化裝置區、液化裝置區、冷劑儲存區、壓縮機廠房、汽車裝卸站等區域，區域警報器主要布置在生產裝置區的出入口、壓縮機廠房等封閉房間的門口、高噪聲區（噪聲大于85dBA），且應位于工作或巡檢人員易于察覺的地點。區域警報器安裝高度距所在地坪不低于2.2m，區域警報器的防護等級不低于IP65。

4 報警控制單元

GDS 系統報警控制單元可以采用PLC 控制器、專用氣體報警控制器、DCS 控制器及SIS 控制器。探測器信號不用于消防聯動時，GDS 報警控制單元不需要取得SIL 認證，也不需要取得消防產品型式檢測報告[7]。

在GDS 系統的工程設計中，需根據裝置的規模和特點、業主的安全管理要求、生產裝置的檢測點數量和檢測報警系統的技術要求，綜合考慮報警控制單元的設計方案。

GDS 系統報警控制單元應具備如下功能：為探測器、區域警報器供電；接收探測器的輸出信號、顯示和記錄被檢測氣體的濃度，發出聲光報警信號；具有順序事件記錄（SOE）功能；具有故障智能診斷功能，能夠識別探測器故障、回路斷線及短路故障。

天然氣液化工廠，可燃氣體探測器數量眾多且監控范圍較大，為便于集中監測管理，全廠設置一套GDS 系統，報警控制單元設置在中控室。GDS 系統報警控制單元采用DCS 控制器，設置獨立的操作站，并配置區域報警模擬盤。建議GDS 系統與工廠主裝置分散型控制系統（DCS 系統）采用同品牌、型號的控制系統，方便系統間通信，且可以減少備品備件的數量，便于后期維護。將所有監控場所探測器的點位平面布置圖存入系統，報警時可快速明確報警點位信息，便于操作人員及時、準確地做出安全響應。

GDS 系統的CPU、通信接口、電源按1:1 冗余配置，I/O 卡件必須符合G3 防腐標準，能在腐蝕性工業環境中運行。GDS 系統的關鍵回路選用冗余I/O 配置，GDS 系統的I/O 必須支持回路監測功能。GDS 系統必須支持冗余的網絡連接控制器和操作員站，支持與DCS 系統之間的冗余通信。

5 系統供電

根據相關規范要求，GDS 系統的電源供電按一級用電負荷中的重要負荷供電。天然氣液化工廠采用不間斷電源（UPS）對報警控制單元提供優質可靠電源，供電電壓為220VAC、50Hz，后備電池的供電時間不小于30min。GDS系統報警控制單元為現場可燃氣體探測器、區域警報器等供電，供電電壓為24VDC。

6 結束語

在工程設計中，GDS 系統應是一個有機整體，氣體探測器、區域警報器及報警控制設備的設置等都應嚴格執行相關標準的規定[8]。

在進行工程設計時，應針對項目特點，有針對性地提出探測器選型、安裝布置、系統配置方案，既有效地發揮其監測功能，又減少用戶的經濟投入，在一定程度上保證運營維護的方便。