摘要：在管输天然气供应不足的情况下，LNG已成为无法使用管输天然气供气城市的主要气源或过渡气源，也是许多使用管输天然气供气城市的补充气源或调峰气源。本文介绍了如何实现LNG气化站的安全运行和管理。

关键词：液化天然气（LNG）；气化站；

“十一五”规划期以来，中国天然气储产量快速增长，天然气管网基本形成，下游市场需求不断增加，市场监管机制正在建设和完善，天然气产业进入了高速发展时期。

石化工业协会的数据显示，本世纪以来，我国天然气市场进入大规模发展阶段，天然气消费量以每年两位数的速度增长。2008年我国天然气消费量807亿立方米，是2000年的3倍多。2008年国内天然气产量为760.82亿立方米，比上年增长12.3%，2009年我国天然气消费量为874.5亿立方米，同比增长11.5%。供需缺口近50亿立方米，我国成为天然气净进口国。

从保障国民经济持续安全有效发展、保障民生、促进低碳环保科学可持续发展产业、进一步改善能源结构等基本国策要求来看，中央政府将保持持续促进我国天然气产业健康、全面、快速发展的政策。预计在未来的“十二五”规划期，以天然气为主的气态能源在我国一次能源的占比将持续提升，这一比例在我国的 “十一五”规划中，由期初的2.8%，将提升到期末的5.3%目标比例。

LNG(液化天然气) LNG气化站凭借其建设周期短、投资规模小以及能迅速满足用气市场需求的优势，已逐渐在我国东南沿海众多经济发达、能源紧缺的中小城市建成，成为永久供气设施或管输天然气到达前的过渡供气设施。

针对LNG的低温深冷和易燃易爆的特性，笔者结合上海航天能源股份有限公司的SAE-LSMS系统，讨论如何能通计算机、控制器、仪表、设备等产品有效地、安全的管理LNG气化站的生产运营。

正常运行中，必须将LNG储罐的操作压力控制在允许的范围内。华南地区LNG储罐的正常工作压力范围为0.3～0.7MPa，罐内压力低于设定值时，可利用自增压气化器和自增压阀对储罐进行增压。增压上限由自增压阀的自动关闭压力确定。

若将常用的自增压阀更改为气动或电动控制阀，则可通过SCS系统（Station Control System 站控系统）对储罐的操作压力进行动态设定，故储罐的操作压力可设定范围为0.3～0.7MPa。同时储罐输出至中压管网的压力也可在0.3～0.7MPa范围内调整。

储罐的最高工作压力由设置在储罐低温气相管道上的自动减压调节阀的定压值(前压)限定。当储罐最高工作压力达到减压调节阀设定开启值时，减压阀自动开启卸压，以保护储罐安全。为保证增压阀和减压阀工作时互不干扰，增压阀的关闭压力与减压阀的开启压力不能重叠，应保证0.05MPa以上的压力差。考虑两阀的制造精度，合适的压力差应在设备调试中确定。

　　LNG在储存过程中会由于储罐的“环境漏热”而缓慢蒸发(日静态蒸发率体积分数≤0.3%)，导致储罐的压力逐步升高，最终危及储罐安全。为保证储罐安全运行，设计上采用储罐减压调节阀、压力报警手自动放散、安全阀起跳三级安全保护措施来进行储罐的超压保护。

其保护顺序为：当储罐压力上升到减压调节阀设定开启值时，减压调节阀自动打开泄放气态天然气；当减压调节阀失灵，罐内压力继续上升，达到压力报警值时，压力报警，手自动放散卸压；当减压调节阀失灵且手自动放散未开启时，安全阀起跳卸压，保证LNG储罐的运行安全。对于最大工作压力为0.80MPa的LNG储罐，设计压力为0.84MPa，减压调节阀的设定开启压力为0.76MPa，储罐报警压力为0.78MPa，安全阀开启压力为0.80MPa，安全阀排放压力为0.88MPa。

该手自动放散阀并入ESD系统（Emergency Shutdown System 紧急停车系统）中进行安全控制。

　　LNG在储存过程中可能出现分层而引起翻滚，致使LNG大量蒸发导致储罐压力迅速升高而超过设计压力，如果不能及时放散卸压，将严重危及储罐的安全。

通过SCS系统（Station Control System 站控系统）的设计可对长期储存的LNG，采取定期倒罐的方式防止其因静止而分层。

现在LNG气化站中多使用LNG卸车泵和LNG增压泵，增压烃泵有总管式增压和单元式增压之分。总体来讲对于LNG烃泵的控制基本雷同，控制流程包括预冷——排气——增压回流——增压，对于LNG增压的控制，如何防止LNG在烃泵内过热气化，如何避免大量回流导致大量气化潜热带至LNG储罐，如何匹配烃泵的输液量和下游管网对LNG需求，均是SCS系统（Station Control System 站控系统）控制的重点，图1烃泵控制工艺流程。

 

☆通过设置在安全管理系统内的ESD系统（Emergency Shutdown System 紧急停车系统），可实现：

■LNG储罐高、低液位紧急切断。在每台LNG储罐的进液管和出液管上均装配气动紧急切断阀，在紧急情况下，可在卸车台、储罐区、控制室紧急切断进出液管路。在进液管紧急切断阀的进出口管路和出液管紧急切断阀的出口管路上分别安装管道安全阀，用于紧急切断阀关闭后管道泄压。

■气化器后温度超限报警，联锁关断气化器进液管。重点是对气化器出口气体温度进行检测、报警和联锁。正常操作时，当达到额定负荷时气化器的气体出口温度比环境温度低10℃，进行主备气化器切换。当气化器结霜过多或发生故障时，通过温度检测超限报警、联锁关断气化器进液管实现对气化器的控制。

■出站阀后压力高出设定报警压力时声光报警。紧急情况时，可远程关闭出站电动阀。

☆通过设置在安全管理系统内的FGS系统（Fire and Gas System 火灾和气体报警系统），可实现：

■在LNG工艺装置区设天然气泄漏浓度探测器，当天然气其泄露浓度超越报警限值时发出声、光报警信号，并可在控制室迅速关闭进、出站电动阀，进出液低温阀，并可以根据现场情况开启消防水喷淋阀以及泡沫阀发生器。

■在LNG灌区设置低温检测，当检测LNG泄露时，可启动泡沫发生器，同时关闭进出液低温阀。

■在LNG工艺区设置红紫外火焰检测，一旦触发，及时启动泡沫发生器和消防水喷淋系统，以保护现场低温储罐和重要工艺设备。

    因LNG气化站的低温深冷、易燃易爆的特性，通过视频监控、电子围栏、电子巡更等辅助设备，协助操作管理人员监控LNG场站的人、设备也是非常的重要。

SAE-LSMS系统是上海航天能源股份有限公司结合多年的LNG气化站自控系统开发经验，定制开发的LNG气化站生产管理及安全管理系统。该系统集成了如下功能：

☆数据采集功能

采集和处理LNG站内各监测仪表的数据，如：LNG储罐的压力、液位、大气温度、进出口切断阀的阀位、气化器前后压力、温度、气体流量等，通过LSMS系统（LNG Safety Management System   LNG安全管理系统）对采集的数据进行处理后可随时查询LNG站各设备运行的情况，并形成管理报表；

☆故障及异常报警和报警处理功能

当LNG站设备出现异常时，LSMS系统（LNG Safety Management System   LNG安全管理系统）会及时监测并判断异常情况，并将报警信息迅速反馈到调度控制中心，通知调度人员到现场处理或者连锁LSMS的ESD系统(Emergency Shutdown System 紧急停车系统)。LSMS的报警信号有：

■储罐压力超限报警；

■泄漏报警；

■空温汽化器出口低温报警；

■储罐区火灾报警；

■仪表风系统报警；

当发生火情、危险气体的泄漏及LNG的泄漏，以便及时采取相应措施如隔离生产设备，启动消防泵、阀，开启泡沫或消防喷淋装置。

SAE-LSMS系统根据功用可以划分为三大系统：

☆SCS系统(Station Control System 站控系统):其主要完成正常生产过程控制；

☆SIS系统(Safety Instrument System 安全仪表系统): 其主要包含FGS系统（Fire and Gas System 火灾和气体报警系统）和ESD系统（Emergency Shutdown System 紧急停车系统）；

☆SPS系统（Security & Protection System 安全防范系统）：其主要视频监控、电子围栏、电子巡更等子系统。

系统结构见图2：SAE-LSMS安全管理系统结构图。

SCS系统主要由仪表检测及计算机监控两部分系统组成，完成所在LNG贮存气化站的数据采集、连锁保护、切断控制、流量计量等任务。其功能如下：

☆对LNG贮存气化站的工艺变量、设备状态及其它过程变量进行监测和数据处理；

☆储罐气体存量计算；

☆流量计算及数据归档；

☆显示本站的工艺流程图，数据趋势图、棒状图等；

☆工艺变量的越限或故障报警、打印。

SCS系统由中控室监控计算机、工业触摸屏、可编程控制器PLC组成工业控制系统。如果中控室监控计算机故障，工业触摸屏和PLC依然能独立和稳定工作。各工艺过程参数采用就地显示和控制室显示，通过中央控制台可监视、控制整个气化站运行的全过程，并可计算所需的技术参数，绘制所需的曲线、图形、完成各种统计报表及事故报警记录的打印。控制系统底层硬件采用PLC。控制系统硬件主要由现场检测仪表、铠装屏蔽阻燃电缆、现场防爆采集控制柜、中控PLC、工业触摸屏、上位工控机组成，图3为LNG气化站SCS系统监控画面。

FGS系统属于SIS系统(Safety Instrument System 安全仪表系统)的一部分，其核心是具有SIL3认证的三重冗余控制器。主要由仪表检测及上位监控两部分系统组成，完成所在LNG贮存气化站的监测泄露，火灾报警，与现场消防设备联动等任务。其功能如下：

☆采集并显示可燃气体及火灾探测器的工作状态；

☆检测LNG泄漏，可燃气体泄漏及火警并以声光形式对探测到的异常状态报警；

☆采集并显示消防设备及辅助设施的工作状态；

☆执行紧急切断逻辑，显示紧急切断报警信号；

☆消防设备的联动；

☆向ESD系统（Emergency Shutdown System 紧急停车系统）输出紧急停车信号。

图4为LNG气化站FGS系统监控画面，其由中控室上位监视系统、现场火灾报警按钮、声光报警器等组成。当探测设备产生报警信号后，为确保生产过程安全稳定以及事故工况的应急处理，上位监视系统上立即弹出报警区域画面。当这个区域中发生的紧急情况（火灾等）经操作员确认后，FGS系统便关闭该区域相关的工艺阀门和设备。

FGS系统提供标准的数据接口，可以和SCS系统(Station Control System 站控系统)实现数据共享。

ESD系统属于SIS系统(Safety Instrument System 安全仪表系统)的一个子系统，主要是为了确保现场关键设备能够根据工艺需要进行工作，其功能如下：

☆接收SCS系统（Station Control System 站控系统）和FGS系统（Fire and Gas System 火灾和气体报警系统）的报警信号；

☆对报警信号进行分析和表决来确定出现紧急情况时需要关停的设备；

☆现场设ESD手动按钮，紧急情况时可手动触发ESD系统；

☆根据工艺要求，将现场某些设备联锁，当不能达到工艺要求时，触发ESD系统，关断工艺设备。

ESD系统由中控室上位监视系统、可编程控制器PLC（SIL3及以上安全等级认证）、现场手动ESD按钮等组成。需要说明的是联锁触发条件必须经人工确认并复位后，系统才能恢复正常状态以保证生产的安全（如LNG储罐进出液切断阀）。

紧急关停的复位，ESD提供标准的数据接口，可以和SCS系统（Station Control System 站控系统）实现数据共享。一般会设计ESD系统和FGS系统（Fire and Gas System 火灾和气体报警系统）共用其核心控制器。

SPS系统主要包括视频监控、电子围栏、电子巡更等子系统，通过视频监控子系统可对主要设备和人进行监视和录像，同时出现事故后可及时分析，总结经验。电子围栏系统误报率非常低，且可以主动防御，性能优于红外对射式周界报警系统。当然考虑到公安部门审批因素，也可以采用以报警为主的张力围栏系统。电子巡更系统主要考虑到对核心设备的巡检需要，以确认关键设备在指定时间内必须被巡查到。

SPS系统作为生产管理的辅助系统，对安全生产起到了不可或缺的作用。

SAE-LSMS系统已成功在国内应用多年，2005年深圳美视电厂总管式增压40kfg，气化量48,000NM³/H，2007年深圳燃气集团梅林LNG应急调峰站单元式增压20kfg，气化量小时40,000NM³/H，2008年南京港华两个2500立方LNG子母罐气化站均已应用该系统。均取得了较好的效果。图5为广东潮州子母罐式LNG气化站SCS系统监控画面。

 

名词解释：

LNG： Liquefied Natural Gas 液化天然气

LSMS： LNG Safety Management System LNG安全管理系统

SCS： Station Control System 站控系统

FGS： Fire and Gas System  火灾和气体报警系统

ESD： Emergency Shutdown System  紧急停车系统

SIS： Safety Instrument System  安全仪表系统

SPS： Security & Protection System  安全防范系统

 

 

(本文作者：张铁军 上海航天能源股份有限公司)