摘要：探討煤層氣液化工廠自控系統(tǒng)的方案和主要儀表設(shè)備的選型，特別對(duì)感煙探測(cè)器的選型進(jìn)行了深入分析。

關(guān)鍵詞：  煤層氣液化；  自控系統(tǒng)；儀表選型；  感煙探測(cè)器；  煙霧探測(cè)器

Scheme of Automatic Control Systems and Type Selection of Instruments and Equipment at Coalbed Methane Liquefaction Plant

Abstract：The scheme of automatic control systems and type selection of main instruments and equipment at a coalbed methane liquefaction plant are discussed.The type selection of smoke detector is specially analyzed.

Key words：  coalbed methane liquefaction；  automatic control system；type selection of instrument；  smoke detector；  smog detector

煤層氣的利用方式一般為在煤礦附近建設(shè)煤層氣液化工廠，將煤層氣液化后，裝車外運(yùn)。煤層氣液化工廠一般設(shè)有原料氣壓縮機(jī)房、液化工藝裝置區(qū)、LNG儲(chǔ)罐區(qū)、LNG充裝臺(tái)、變配電站、生產(chǎn)輔助用房、總控制室、綜合樓等。煤層氣液化過(guò)程復(fù)雜，安全性要求高，連續(xù)性強(qiáng)，因此需配備完善的自控系統(tǒng)。煤層氣液化自控系統(tǒng)包括緊急停車系統(tǒng)(ESD)、集散控制系統(tǒng)(DCS)、火氣系統(tǒng)(FGS)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)(CCTV)，其中緊急停車系統(tǒng)用于緊急情況下現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的安全保護(hù)，集散控制系統(tǒng)用于工藝過(guò)程控制和運(yùn)行操作，火氣系統(tǒng)用于火災(zāi)連鎖報(bào)警，工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)用于重要部位圖像監(jiān)控。本文對(duì)自控系統(tǒng)的方案和主要儀表設(shè)備的選型(特別是感煙探測(cè)器)進(jìn)行探討。

1 自控系統(tǒng)方案

緊急停車系統(tǒng)、集散控制系統(tǒng)、火氣系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)均設(shè)置在總控制室內(nèi)，實(shí)行集中管理，并且可以通過(guò)Web方式進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

①緊急停車系統(tǒng)

ESD按照安全、獨(dú)立的原則，與DCS相互獨(dú)立，并且安全級(jí)別高于DCS。在生產(chǎn)運(yùn)行正常的情況下，ESD處于靜態(tài)，不需要人為干預(yù)。當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時(shí)，ESD不需要經(jīng)過(guò)DCS，直接發(fā)出保護(hù)連鎖信號(hào)，對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行安全保護(hù)，避免事故擴(kuò)大造成嚴(yán)重?fù)p失。

ESD與FGS相互關(guān)聯(lián)，協(xié)調(diào)運(yùn)行。當(dāng)生產(chǎn)裝置發(fā)生泄漏、火災(zāi)等緊急情況時(shí)，ESD接收FGS的信號(hào)，控制相關(guān)的設(shè)備停車。ESD應(yīng)充分體現(xiàn)技術(shù)上的先進(jìn)性、功能上的完備性、安全性和數(shù)據(jù)上的高可靠性，采用冗余控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)裝置進(jìn)行連鎖控制。

②集散控制系統(tǒng)

DCS主要具有顯示工藝參數(shù)、記錄趨勢(shì)、記錄歷史事件、報(bào)警、連鎖控制、打印、制表及動(dòng)態(tài)顯示流程畫(huà)面等功能，實(shí)現(xiàn)主要設(shè)備開(kāi)停機(jī)控制、程控閥切換控制。當(dāng)工藝參數(shù)超出正常范圍時(shí)，DCS能記憶、顯示、打印并報(bào)警，根據(jù)有關(guān)的連鎖保護(hù)規(guī)定，完成相關(guān)設(shè)備的啟動(dòng)或停車，打開(kāi)或關(guān)閉相關(guān)閥門，并且可以手動(dòng)操作設(shè)備的啟停和調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)。

DCS主要由操作員站、現(xiàn)場(chǎng)控制站、機(jī)柜、打印設(shè)備等組成，采用冗余控制系統(tǒng)，以冗余環(huán)形高速工業(yè)以太網(wǎng)(100 Mb／s)為骨干通信網(wǎng)絡(luò)，采用MACS系統(tǒng)組態(tài)，操作平臺(tái)采用Windows。

③火氣系統(tǒng)

FGS探測(cè)可燃?xì)怏w的泄漏或火情，以及時(shí)采取相應(yīng)措施。FGS配備的現(xiàn)場(chǎng)探測(cè)和報(bào)警設(shè)備有：可燃?xì)怏w探測(cè)器、火焰探測(cè)器、感溫／感煙探測(cè)器、高(低)溫探測(cè)器、火災(zāi)報(bào)警按鈕、聲光報(bào)警裝置等。FGS按隔爆型系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

在原料氣壓縮機(jī)房、液化工藝裝置區(qū)、LNG儲(chǔ)罐區(qū)、LNG充裝臺(tái)等危險(xiǎn)區(qū)域設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器，探測(cè)信號(hào)傳送至FGS的控制部分，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

在LNG儲(chǔ)罐頂部設(shè)置2支溫度檢測(cè)探頭，當(dāng)2支溫度檢測(cè)探頭同時(shí)檢測(cè)到高溫信號(hào)時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)干粉滅火系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)ESD連鎖關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)出液閥和LNG泵。

在LNG儲(chǔ)罐頂部、LNG充裝臺(tái)、液化工藝裝置區(qū)各設(shè)置2支火焰檢測(cè)探頭。當(dāng)2支火焰檢測(cè)探頭同時(shí)檢測(cè)到火焰信號(hào)時(shí)，總控制室發(fā)出報(bào)警，啟動(dòng)消防噴淋水系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)ESD連鎖關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)出液閥和LNG泵。，

在儲(chǔ)罐區(qū)圍堰、充裝臺(tái)的導(dǎo)流渠和集液池內(nèi)各設(shè)置2支低溫檢測(cè)探頭。當(dāng)2支低溫檢測(cè)探頭同時(shí)檢測(cè)到低溫信號(hào)時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)泡沫滅火系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)ESD連鎖關(guān)閉儲(chǔ)罐進(jìn)出液閥和在總控制室、變配電站內(nèi)設(shè)置可編址的感煙探測(cè)器，感煙探測(cè)器可根據(jù)設(shè)置房間的防火等級(jí)調(diào)節(jié)靈敏度。

在總控制室的電纜溝、電纜橋架及充裝臺(tái)等處設(shè)置纜式感溫探測(cè)器，可根據(jù)電纜防火等級(jí)設(shè)定報(bào)警溫度為70～90℃。

廠區(qū)主要出入口裝設(shè)手動(dòng)報(bào)警按鈕，現(xiàn)場(chǎng)操作人員一旦發(fā)現(xiàn)火情可以立即按下手動(dòng)報(bào)警按鈕，現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生聲光報(bào)警，提示現(xiàn)場(chǎng)人員按照指示燈方向撤離。從生產(chǎn)區(qū)內(nèi)任何一點(diǎn)至最近的手動(dòng)報(bào)警按鈕不超過(guò)30 m。

在總控制室內(nèi)設(shè)置火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制盤，接收來(lái)自總控制室、變配電站、壓縮機(jī)房、液化工藝裝置區(qū)、LNG儲(chǔ)罐區(qū)、充裝臺(tái)等處的火氣檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警控制盤實(shí)現(xiàn)安全操作?；馂?zāi)自動(dòng)報(bào)警控制盤具備如下功能：回路式及總線地址編碼式混合使用；能識(shí)別出每個(gè)探測(cè)器／開(kāi)關(guān)的故障報(bào)警；能識(shí)別出每個(gè)回路及每個(gè)手動(dòng)報(bào)警按鈕的故障報(bào)警；具備啟動(dòng)聲、光設(shè)施的接口；具有以太網(wǎng)接口，可以直接與以太網(wǎng)交換機(jī)連接；打印并顯示帶有時(shí)間的有關(guān)火警、故障并由有關(guān)人員確認(rèn)的全部報(bào)警記錄；監(jiān)督并顯示系統(tǒng)故障；監(jiān)督并顯示探測(cè)器及回路的故障，監(jiān)督并顯示主回路及二次線路的斷路、電源故障；優(yōu)先接收火警信號(hào)。

④工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)

CCTV用于廠區(qū)重要部位的圖像監(jiān)視，所有監(jiān)視點(diǎn)能自動(dòng)或手動(dòng)調(diào)整監(jiān)視范圍，并可以設(shè)置為自動(dòng)跟蹤功能。監(jiān)視點(diǎn)分布在儲(chǔ)罐區(qū)、儲(chǔ)運(yùn)區(qū)、液化工藝裝置區(qū)、火炬、主要出入口等處。CCTV主要設(shè)備有：中央控制柜、硬盤錄像機(jī)、模擬顯示器、遠(yuǎn)程控制器、固定安裝的攝像頭等。

2 主要儀表設(shè)備的選型

①溫度儀表

LNG裝置的溫度為-170～300 ℃，裝置的測(cè)溫元件全部采用Ptl00熱電阻。熱電阻均為鎧裝型，按不同的區(qū)域配置保護(hù)管。

②流量?jī)x表

按照使用場(chǎng)合不同，流量?jī)x表分別采用低溫渦輪流量計(jì)、節(jié)流孔板和本安型差壓變送器。

③壓力儀表

現(xiàn)場(chǎng)指示選用彈簧管壓力表，其中腐蝕性介質(zhì)選用不銹鋼防腐型。遠(yuǎn)傳指示選用本安型壓力變送器。

④液位儀表

就地液位指示采用磁浮子液位計(jì)和玻璃板液位計(jì)，需要報(bào)警和連鎖的液位計(jì)采用液位開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)傳指示選用防爆型差壓控制器或本安型差壓變送器。

⑤調(diào)節(jié)閥

LNG裝置的調(diào)節(jié)閥主要有低溫調(diào)節(jié)閥和常溫調(diào)節(jié)閥。冷箱內(nèi)使用的低溫調(diào)節(jié)閥采用長(zhǎng)頸型單座調(diào)節(jié)閥。常溫調(diào)節(jié)閥根據(jù)介質(zhì)、壓力等選用不同結(jié)構(gòu)形式的調(diào)節(jié)閥，所有的調(diào)節(jié)閥都配有閥門定位器，關(guān)鍵調(diào)節(jié)閥有閥位信號(hào)返回器和手輪裝置。

⑥低溫探測(cè)器和火焰探測(cè)器

低溫探測(cè)器選用鉑熱電阻型。火焰探測(cè)器采用紫外／紅外復(fù)合型，按隔爆型設(shè)計(jì)。

⑦感煙探測(cè)器

a.離子式感煙探測(cè)器

離子式感煙探測(cè)器的傳感器的主要部分之一是電離室。電離室內(nèi)設(shè)兩個(gè)電極，電極之間施加一定的電壓。電離室中設(shè)有放射源——镅241。镅是一種人造放射性元素，元素符號(hào)為Am，原子序數(shù)為95，镅半衰期最長(zhǎng)的同位素的相對(duì)原子質(zhì)量為243。镅241不穩(wěn)定，通過(guò)α衰變放射出5.48 MeV的α粒子流(僅射線)，還發(fā)射出0.06 MeV的γ射線，半衰期為433 a。α粒子體積比較大，又帶兩個(gè)正電荷，具有很強(qiáng)的電離作用，很容易使電離室中的空氣電離，產(chǎn)生離子，使空氣成為導(dǎo)體，允許一定的電流在兩個(gè)電極之間通過(guò)。這樣，在兩個(gè)電極間形成電流：當(dāng)煙霧進(jìn)入電離室后，煙霧中的微小碳粒與離子結(jié)合，減弱了離子的移動(dòng)，從而減弱了空氣的導(dǎo)電性，兩個(gè)電極間電流減小。當(dāng)電流減小到一定值時(shí)發(fā)出電信號(hào)，送后續(xù)的控制系統(tǒng)。

離子式感煙探測(cè)器不僅能夠探測(cè)到可見(jiàn)煙霧，還能探測(cè)到不可見(jiàn)煙霧^[1]，早期報(bào)警能力非常強(qiáng)。

b.散射式光電感煙探測(cè)器

散射式光電感煙探測(cè)器由外殼、迷宮、光學(xué)探測(cè)室組成。外殼起保護(hù)作用，迷宮起遮擋光線的作用，并形成煙霧進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室的通道。光學(xué)探測(cè)室是傳感器，主要由發(fā)射管、接收管、聚焦透鏡、遮光窗(形成光學(xué)暗室)等組成。

在光學(xué)探測(cè)室內(nèi)，發(fā)射管、接收管成一定角度布置。發(fā)射管光路和接收管光路之間的夾角稱為散射角，是散射式光電感煙探測(cè)器的重要參數(shù)。當(dāng)散射角大于90°時(shí)，稱為前向散射；當(dāng)散射角小于900時(shí)，稱為后向散射。當(dāng)光學(xué)探測(cè)室內(nèi)沒(méi)有煙霧時(shí)，接收管接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線。當(dāng)煙霧經(jīng)過(guò)迷宮，進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室后，煙霧中的微小碳粒吸收和散射發(fā)射管發(fā)出的光線，散射的方向是四面八方的，其中一部分散射光就到達(dá)了接收管。接收管接收光線后，光元件的阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生光電流，電信號(hào)送后續(xù)的控制系統(tǒng)。

有的散射式光電感煙探測(cè)器增設(shè)了一組反光鏡，將散射到其他方向的大部分光線經(jīng)過(guò)多次反射，匯聚到接收管，增大了光線的強(qiáng)度，提高了光學(xué)探測(cè)室的靈敏度。有的散射式光電感煙探測(cè)器采用雙向散射，即將前向散射和后向散射結(jié)合起來(lái)。在光學(xué)探測(cè)室內(nèi)設(shè)置l個(gè)發(fā)射管和2個(gè)接收管，發(fā)射管和一個(gè)接收管構(gòu)成前向散射，和另一個(gè)接收管構(gòu)成后向散射。這種探測(cè)器同時(shí)具備前向散射和后向散射的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的光響應(yīng)特性^[2]。

c.減光式光電感煙探測(cè)器

對(duì)于減光式光電感煙探測(cè)器，在光學(xué)探測(cè)率內(nèi)，在沒(méi)有煙霧時(shí)，接收管接收發(fā)射管發(fā)出的光線。當(dāng)煙霧進(jìn)入光學(xué)探測(cè)室后，充滿了發(fā)射管和接收管之間的空間。煙霧中的碳粒對(duì)發(fā)射管發(fā)出的光線產(chǎn)生吸收、散射作用，減少了接收管接收的光線。光線變化后，光元件的阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生光電流，電信號(hào)送后續(xù)的控制系統(tǒng)。煙霧越濃，碳粒濃度越高，對(duì)光線的減弱程度越大，光元件產(chǎn)生的光電流越大。

光電感煙探測(cè)器是通過(guò)探測(cè)粒徑較大的碳粒來(lái)感知煙霧的，不能探測(cè)到不可見(jiàn)煙霧(碳粒粒徑小于0.4 μm)。目前，散射式光電感煙探測(cè)器應(yīng)用較多，減光式光電感煙探測(cè)器應(yīng)用較少。

d.感煙探測(cè)器的選型

從探測(cè)原理、使用經(jīng)驗(yàn)、國(guó)內(nèi)產(chǎn)品現(xiàn)狀等方面綜合分析各種類型的感煙探測(cè)器，選用離子式感煙探測(cè)器和散射式光電感煙探測(cè)器。

在離子式感煙探測(cè)器的使用過(guò)程中，镅源是密封源，封裝在探測(cè)器中，無(wú)泄漏，無(wú)污染，使用者是安全的。但需注意的是，在探測(cè)器報(bào)廢或損壞后，一定要由生產(chǎn)廠家收同并對(duì)镅源進(jìn)行統(tǒng)一處理，嚴(yán)禁隨意處置。镅的半衰期很長(zhǎng)，若散落在普通人群中，將會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害^[3]。

參考文獻(xiàn)：

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本文作者：李念紅

作者單位：西門子電氣傳動(dòng)有限公司