LNG气化站ESD控制系统设计分析_工程实践

摘要

摘要：探讨了LNG气化站ESD控制系统设计应遵循的规范、检测点设置、连锁关系、系统组成与可靠性措施、现场仪表选型及其他注意事项。关键词：LNG气化站；紧急停车装置(ESD)控制系统

摘要：探讨了LNG气化站ESD控制系统设计应遵循的规范、检测点设置、连锁关系、系统组成与可靠性措施、现场仪表选型及其他注意事项。

关键词：LNG气化站；紧急停车装置(ESD)控制系统；连锁；检测点设置

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

近年来LNG气化站的应用日益广泛^[1～3]，气化站作为调峰气源或城市备用气源，具有安装简便、设备成熟、投资省、占地小、建设期短、设备运行安全等特点，在无管输气地区已得到较为广泛的应用。本文结合相关规范及设计经验，对LNG气化站的紧急停车装置(Emergency Shutdown Device，ESD)进行探讨。

2 LNG气化站工艺流程及布置

由液化天然气(LNG)槽车或集装箱罐车运送来的液化天然气，通过卸车口将车内的液体卸进LNG储罐，储罐互相切换使用。槽车或集装箱罐车由自增压系统或站区专用罐车增压系统升压至约0.6MPa，通过压差卸液，每台储罐可同时满足两台槽车(集装箱罐车)进液。储存期间压力保持在0.2MPa，可随时补充液体。使用时，打开一台储罐的自增压系统，升压至约0.6MPa，然后开启出液阀，将LNG输送到空温式气化器进行气化。

当一台储罐内液体达到液位低限时，另一台储罐再升压至0.6MPa，切换到该储罐继续供气。切换下来的储罐通过自动降压放空系统将气体排放至空温式BOG加热器加热后送入输配管网使用，将罐内压力泄放，又可以接受槽车或集装箱罐车运送来的液化天然气。

LNG储罐的进出液总管上设有连通管，既可用于LNG储罐间的倒罐，又可对LNG液相管进行冷循环，保持管道处于低温状态。

储罐储存期间产生的BOG气体，由超压放空系统收集至空温式BOG加热器，加热后进入输配管网使用。

站内设有紧急放空系统(EAG)，LNG储罐和管道上的安全放散气体汇集到EAG总管，经空温式EAG加热器后，至放散塔排放。

站内设置氮气瓶组，为气动阀门提供气源。

站内平面分LNG储罐区、工艺装置区、控制室等。

3 设计遵循的规范

ESD控制系统是一种经专门机构认证、具有一定安全等级、用于降低生产过程风险的安全保护系统。它不仅能够响应生产过程因超出安全极限而带来的危险，而且能够检测和处理自身的故障，从而按预定的条件或程序，使生产过程处于安全状态，以确保人员、设备及场区的安全。

对于LNG气化站的ESD控制系统，国内适用的规范主要有：GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》、GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》、GB/T 20368—2006《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》等。

① 《城镇燃气设计规范》

GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》适用于液化天然气总储存容积不大于2000m³的城镇液化天然气供应站工程设计。本规范对于ESD控制系统的要求如下：

第9.4.19条：储罐区、气化装置区域或有可能发生液化天然气泄漏的区域内应设置低温检测报警装置和相关的连锁装置，报警显示器应设置在值班室或仪表室等有值班人员的场所。

第9.4.20条：爆炸危险场所应设置燃气浓度检测报警器。报警浓度应取爆炸下限的20%，报警显示器应设置在值班室或仪表室等有值班人员的场所。

第9.4.21条：液化天然气气化站内应设置事故切断系统，事故发生时，应切断或关闭液化天然气或可燃气体来源，还应关闭正在运行可能使事故扩大的设备。

液化天然气气化站内设置的事故切断系统应具有手动、自动或手动自动同时启用的功能，手动启动器应设置在事故时方便到达的地方，并与所保护设备的间距不小于15m。手动启动器应具有明显的功能标志。

② 《石油天然气工程设计防火规范》

GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》适用于液化天然气供气站以及小型天然气液化站，本规范对于ESD控制系统的要求如下：

第10.4.3条：火灾和气体泄漏检测装置，应按以下原则配置：

1 装置区、罐区以及其他存在潜在危险需要经常观测处，应设火焰探测报警装置。相应配置适量的现场手动报警按钮。

2 装置区、罐区以及其他存在潜在危险需要经常观测处，应设连续检测可燃气体浓度的探测报警装置。

3 装置区、罐区、集液池以及其他存在潜在危险需要经常观测处，应设连续检测液化天然气泄漏的低温检测报警装置。

4 探测器和报警器的信号盘应设置在其保护区的控制室或操作室内。

第10.4.6条：液化天然气站场应配有移动式高倍数泡沫灭火系统。液化天然气储罐总容量大于或等于3000m³的站场，集液池应配固定式全淹没高倍数泡沫灭火系统，并应与低温探测报警装置联锁。系统的设计应符合现行国家标准《高倍数、中倍数泡沫灭火系统设计规范》GB 50196的有关规定。

第10.4.8条：液化天然气设施应配有紧急停机系统。通过该系统可切断液化天然气、可燃液体、可燃冷却剂或可燃气体源，能停止导致事故扩大的运行设备。该系统应能手动或自动操作，当设自动操作系统时应同时具有手动操作功能。

第10.4.9条：站内必须有书面的应急程序，明确在不同事故情况下操作人员应采取的措施和如何应对，而且必须备有一定数量的防护服和至少2个手持可燃气体探测器。

③ 《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》

GB/T 20368—2006《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》适用于天然气液化和液化天然气(LNG)储存、气化、转运、装卸和卡车运输设施的维护，以及人员培训。还适用于所有LNG储罐，包括真空绝热系统储罐。本规范对于ESD控制系统的要求如下：

第9.2.1条：各LNG设施应包括事故切断(ESD)系统，当该系统运行时，就会切断或关闭LNG、易燃液体、易燃致冷剂或可燃气体来源并关闭继续运行将加剧或延长事故的设备。任何设备除满足本标准指示的要求外，应允许满足ESD系统的要求，如在本标准其他章节规定的阀和控制系统。

第9.2.2条：如果关闭设备引起附加危险或导致设备的重大机械伤害，在易燃液体继续泄放影响得到控制时，允许从ESD系统中取消该设备及辅机的关断功能。

第9.2.3条：ESD系统应具有失效保护设计或应安装、布置、或保护，当正常控制系统故障或事故时.失效的可能最小。没有失效保护设计的ESD系统。应将被控制设备15m(50ft)以内的所有组件，按下述方法之一防护：

a) 安装在或布置在不可能暴露于火的地方。

b) 暴露在火中时，至少保护10min不失效。

第9.2.5条：ESD系统应能手动、自动或手动自动同时启动，要根据9.1.2完成的评价结果来确定。手动启动器应位于事故时能到达的地区，至少离所保护设备15m(50ft)，并应显著地标出其设计功能。

第9.3.2条：不间断控制的低温传感器或可燃气体检测系统应在厂内，且当工厂不是常年有人值守时，应在经常有人的地方发出警报。可燃气体检测系统应在测到气体和蒸气不高于爆炸下限的25%时，发出声光警报。

第9.3.3条：火焰探测器应在厂内，当工厂不是常年有人值守时，应在经常有人的地方发出警报。另外，如按9.1.2评价要求确定，火焰探测器应能起动部分ESD系统。

4 检测点的设置及连锁关系

一般设计做法是，设计总储存容积小于等于2000m³的LNG气化站的ESD控制系统遵循GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》，仅设置储罐的进出液阀门的连锁、可燃气体泄漏检测装置及低温检测装置，并且与消防设施的连锁关系均设置为手动处理。总储存容积大于2000m³的LNG气化站的ESD控制系统遵循GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》，站内设置全套的ESD控制系统，并与消防喷淋进行自动连锁控制。所有具有LNG储罐，并具有生产、储存、装卸功能的LNG站，均需执行GB/T 20368—2006《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》。

① 执行GB 50028—2006

根据GB 50028—2006《城镇燃气设计规范》，站内设置的ESD控制系统检测点如下：

LNG储罐区：可燃气体浓度检测；环境温度检测；带紧急切断功能的气动阀状态显示及控制；集液池液位开关检测。

工艺装置区：可燃气体浓度检测；气化器前阀门状态；进气化器总管带紧急切断功能的气动阀状态显示及控制；气化器后温度检测。

连锁关系为：

站内可燃气体浓度检测探头报警时，在现场及控制室以声光方式报警。当站内任意两台可燃气体浓度检测探头同时报警时，除了在控制室及现场用声光方式报警外，由控制人员进一步确认后，人工关闭所有储罐进液阀门和用于紧急切断的阀门。

站内任意两台低温检测探头同时报警时，由控制人员进一步确认后，人工关闭所有储罐进液阀门和用于紧急切断的阀门。

集液池位于储罐区内，安装低温检测报警探头、高低液位开关。正常工况下，当集液池高液位的液位开关输出信号时，连锁打开潜水泵电源，集液池向外面排洪沟排水；当低液位的液位开关输出信号时，连锁关闭潜水泵电源，停止向外面排洪沟排水。泄漏工况下，储罐区泄漏的液化天然气经由导流渠流入集液池，此时集液池处安装的低温检测探头报警，则启动ESD控制系统连锁关闭潜水泵电源。

气化器后管道设置两台温度变送器，此两台温度变送器中有任意一台读数异常，经过控制人员进一步确认后，关闭气化器前带紧急切断功能的气动阀，气化器停止工作。

② 执行GB 50183—2004

根据GB 50183—2004《石油天然气工程设计防火规范》，ESD控制系统检测点如下：

LNG储罐区：可燃气体浓度检测；环境温度检测；带紧急切断功能的气动阀状态显示及控制；红外/紫外火焰探测器；全站停车用紧急停车按钮(按下紧急停车按钮时现场声光报警器报警)；集液池液位开关检测。

工艺装置区：可燃气体浓度检测；气化器前阀门状态；进气化器总管带紧急切断功能的气动阀状态显示及控制；气化器后温度检测；红外/紫外火焰探测器；全站停车用紧急停车按钮(安装于卸车位置附近，按下紧急停车按钮时现场声光报警器报警)。

控制室：全站停车用紧急停车按钮。

仪表风总管：全站停车用紧急切断阀门。

连锁关系为：

站内可燃气体浓度检测探头报警时，在现场及控制室用声光方式报警。当站内任意两台可燃气体浓度检测探头同时报警时，除了在控制室及现场用声光方式报警外，由控制人员进一步确认后，人工关闭所有储罐进液阀门和用于紧急切断的阀门。

站内任意两台低温检测探头同时报警时，由控制人员进一步确认后，人工关闭所有储罐进液阀门和用于紧急切断的阀门。

集液池安装低温报警探头、高低液位开关。正常工况下，当集液池高液位的液位开关输出信号时，连锁打开潜水泵电源，集液池向外面排洪沟排水；当低液位的液位开关输出信号时，连锁关闭潜水泵电源，停止向外面排洪沟排水。泄漏工况下，集液池处低温检测探头报警，则启动ESD控制系统连锁关闭潜水泵电源、储罐进出液阀、LNG泵，并启动泡沫灭火系统对集液池进行泡沫覆盖。

气化器后管道设置两台温度变送器，此两台温度变送器中有任意一台读数异常，经过控制人员进一步确认后关闭气化器前阀门。

任意两台火灾报警探头报警后，由控制人员进一步确认后按下紧急切断阀关闭及紧急停车按钮，关闭所有储罐进液阀门，此时全站声光报警，提醒站区人员及时撤离；储罐区将连锁启动消防喷淋水系统，对罐体进行喷淋降温。如罐区为子母罐，应在储罐顶部设置2台温度检测探头，当2台温度检测探头同时检测到高温信号时，自动启动干粉灭火系统，同时启动ESD控制系统连锁关闭储罐进出液阀和LNG泵。

③ 执行GB/T 20368—2006

根据GB/T 20368—2006《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》，储罐区ESD控制系统检测点如下：可燃气体浓度检测；环境温度低温检测；带紧急切断功能的气动阀状态显示及控制；红外/紫外火焰探测器检测；全站停车用紧急停车按钮(按下紧急停车按钮时现场声光报警器报警)；集液池液位开关检测等。

连锁关系为：

站内任意两台低温检测探头同时报警时，由控制人员进一步确认后，人工关闭所有储罐进液阀门和用于紧急切断的阀门。

集液池安装低温报警探头、高低液位开关。正常工况下，当集液池高液位的液位开关输出信号时，连锁打开潜水泵电源，集液池向外面排洪沟排水；当低液位的液位开关输出信号时，连锁关闭潜水泵电源，停止向外面排洪沟排水。泄漏工况下，储罐区泄漏的液化天然气经由导流渠流入集液池，此时集液池处安装的低温检测探头报警，则启动ESD控制系统连锁关闭潜水泵电源、储罐进出液阀。

任意两台火灾报警探头报警后，由控制人员进一步确认后按下紧急切断阀关闭及紧急停车按钮，关闭所有储罐进液阀门，并进行全站声光报警，提醒站区人员及时撤离。

5 系统组成与选型原则

5.1 ESD控制系统

ESD控制系统为紧急切断系统，因此自身的可靠性极为重要，除在现场单独设置ESD控制系统的仪表外，在控制室内也要单独设置PLC控制。系统基本组成可分为3部分：现场传感器单元、控制室PLC逻辑运算单元(指控制室全部ESD控制设备)、现场最终执行单元。

现场传感器单元采用可燃气体浓度检测探头、低温检测探头、火灾报警探头等。需ESD控制系统进行控制的仪表，均接至控制室PLC逻辑运算单元，做到ESD控制系统的仪表系统与过程控制系统的完全分开。

控制室PLC逻辑运算单元指为ESD控制系统配备的PLC控制器，自动进行周期性故障诊断。基于自诊断测试的ESD控制系统具有特殊的硬件设计，借助于可靠性诊断测试技术保证可靠性。

现场最终执行单元是指现场控制用的电磁阀、紧急停车按钮等。由于上述电磁阀和按钮在正常工况下是静态的，很难确认上述电磁阀和按钮是否有自身故障，因此执行单元仪表的可靠度等级的选择十分重要。若系统中有可靠的不间断电源时，可与系统共用该电源，但电源开关(配电箱)应单独设置；若采用直流稳压电源时，稳压电源应单独冗余设置，不宜与其他仪表单元共用，且稳压电源的电源输入应来自UPS电源设备。

保证ESD控制系统安全可靠的具体措施如下：

① 现场开关仪表选用常闭触点，工艺生产正常时，触点闭合，达到报警或连锁极限时触点断开，触发连锁或报警动作。

② 电磁阀采用正常励磁，报警或连锁没有动作时，电磁阀线圈带电，触点闭合，电磁阀所控制的气动阀门打开；报警或连锁动作时，电磁阀线圈失电，触点断开，电磁阀所控制的气动阀门关闭。

③ 通往电气配电室的开关触点应用中间继电器与现场隔离，其励磁电路应为故障安全型。控制装置的故障安全是指当其自身出现故障而不是工艺或设备超过极限指标时，控制装置应能判断出装置的故障，并能安全停车，从而确保设备和人身的安全。

④ ESD控制系统采用如下冗余容错结构：

a. 采用冗余配置，可以自动地检测故障，切换到后备设备。

b. 对失效的控制系统元件能进行识别和补偿，并能够在继续完成指定的任务、不中断过程控制的情况下进行修复。

5.2 可燃气体浓度探测器

其选型为隔爆型，带现场显示单元、现场声光报警器、防浪涌单元，输出带HART协议的4～20mA信号，测量相对误差为±3%。

5.3 火灾报警探测器

火灾报警探测器采用紫外/红外复合型，防爆型式为隔爆型，水平视角为120°，垂直视角为90°，响应时间＜5s。

5.4 带紧急切断功能的气动阀

储罐的进、出口阀门、空温式气化器进口阀门均设置为带紧急切断功能(控制气路用电磁阀)的气动阀，此阀事故时需关闭。由于控制气动阀气路用的电磁阀距控制室距离一般较远，因此需选用交流220V供电的两位三通的防爆型电磁阀。

5.5 其他

站内重要手动阀门、气动阀门均设置行程开关，用以监测阀门开关状态。

为了在事故状态下控制事态，在卸车区、储罐区、门卫室、控制室各设置一个紧急停车按钮。紧急停车按钮分两级控制。第一级，当生产事故时，按动任意一处紧急停车按钮，将厂区内所有紧急切断阀关闭，停止各设备的工作。第二级，当发生火灾时，关闭厂区内所有紧急切断阀并通过站内广播或事故信息系统对现场工作人员进行播报，引导现场人员及时撤离，同时启动消防水泵。

6 电缆敷设方式

由于LNG储罐区地面为混凝土，为检修及布线施工方便，LNG储罐区电缆采用封闭的电缆桥架内敷设的方式，主桥架沿工艺主管道并与工艺主管道保持规范要求的间距平行敷设，至各罐体附近均穿镀锌焊接钢管架空敷设。

工艺装置区地面为花砖，故工艺装置区电缆均采用直埋敷设，与其他专业管线及电缆交叉和平行时均保持规范要求的间距。如有LNG储罐区电缆途经工艺装置区时，应将电缆在工艺装置区进行直埋敷设，并做好电缆入地处的固定和接地。

7 接地及防浪涌

ESD控制系统是一个特殊用电系统，它包括以下几种接地^[4]：系统工作地(接地电阻小于4Ω)，直流工作地(信号屏蔽地、逻辑地等接地电阻小于2Ω)，安全保护地(接地电阻小于4Ω)。这几种接地在安装时难以分开，对这一系统建议等电位连接，接地电阻取最小值，应小于2Ω。

为避免或减少雷击给自控设备造成的损失，确保整个系统安全可靠地工作，设计时需考虑接入防浪涌单元，采取如下措施：

① 选用带}良涌保护装置的一次仪表。

② 站内接地设有防浪涌装置，地线接地电阻小于2Ω。

③ 在系统外接电源处加防浪涌单元。

④ 所有仪表接入控制室ESD系统机柜的输入/输出模块前均加装防浪涌单元。

参考文献：

[1] 李龙.LNG气化站安全生产风险管理分析[J].煤气与热力，2009，29(1)：B16-B19.

[2] 郑桂友，于京春，刘尚书，等.LNG气化站的设计[J].煤气与热力，2009，29(7)：B01-B03.

[3] 李健胡.液化天然气接收站气化厂主工艺设备方案选择[J].煤气与热力，2011，31(1)：A39-A42.

[4] 叶明，吴友香.L-CNG汽车加气站的雷电防护[J].煤气与热力，2011，31(1)：B01-B03.

(本文作者：李洋李磊祚马俊峰孙中飞杨颖中国市政工程华北设计研究总院天津 300074)