LNG接收站FG&C系统的研究与设计

刘 溢

(中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

LNG接收站FG&C系统的研究与设计

刘 溢

(中国石化工程建设有限公司，北京100101)

分析了液化天然气(LNG)接收站主要风险，介绍了LNG接收站火灾、气体、低温检测系统(FG&C)的构成和设计，应用FG&C系统实现自动报警，以提高LNG接收站的安全设计水平。

液化天然气 FG&C系统 防火分区 安全 检测 报警

1 LNG接收站工艺介绍

接收站接卸LNG远洋运输船运来的LNG后，经船带泵增压送至LNG储罐。输出时LNG经罐内泵送至BOG再冷凝器，与经压缩机压缩的BOG混合后通过高压泵送至气化器气化。气化后的天然气经计量通过输气管道送至各地用户。LNG接收站的工艺流程见图1。

2 LNG主要危险及有害性分析

LNG的危险特性主要包括以下几种。

a)低温特性。LNG的常压沸点约为-160 ℃，温度极低。装置中低温设备(管线)如果保冷失效，可能造成人员低温冻伤，严重则可至死亡。

b)蒸发特性。LNG以液体形式储存在绝热的储罐中。任何传入储罐的热量都将导致一定量液体蒸发而生成气体，形成BOG。BOG组成主要是CH4。在常温常压下，1体积的LNG能转化成约600体积的气体。

c)火灾爆炸危险性。在正常生产过程中，LNG在密闭容器和管线内，不与空气接触，可避免火灾、爆炸事故。但在LNG储运过程中若发生泄漏则可能引起的火灾爆炸事故主要有池火、喷射火、闪火、蒸气云爆炸等。

3 FG&C检测系统的必要性及优势

现代化的生产不仅需要对人员及装置负责，也要对环境负责，这就要求有及时、可靠、可用的控制系统进行监测和保护，原来各自独立的传统报警方式已经不能满足安全管理的需求。如果能实现检测、报警、喷淋保护的自动化，就可以实现对风险的控制。

火灾、气体、低温检测系统(FG&C)在火灾和泄漏发生时，能准确探测火灾、可燃气体、低温LNG泄漏的程度和事故地点，然后触发相应的报警设备，并且根据事故发生的严重性确定报警和关断输出等级，从而控制和避免灾难的发生,降低对设备及人员的伤害。表1比较了传统报警系统与FG&C系统的差异[1]。

安全控制系统的可靠度通常是利用需求失败概率值PFD来表示。表2给出了安全度等级SIL与其可靠度的关系。

图1 LNG接收站工艺流程

FG&C系统传统报警器冗余,系统安全等级可达SIL2、SIL3可靠性高传统PLC,无冗余,可靠性差有容错能力,误动作少无容错能力,误动作多可以和DCS或其他系统通讯,上传数据速度快通常不能和DCS等系统通讯,即使可以通讯,速度慢可在计算机画面显示,弹出式显示,观察方便多个盘面显示方式,观察不方便有安全认证无安全认证自诊断功能,维修方便需要频繁维护一次性投入高,扩容和维护费用低一次性投入低,扩容和维护费用高监控范围广,可将各个区域子系统连接成一个装置的总系统监控范围小,一般为一个区域或独立的装置

表2 安全度等级与可靠度及需求失败概率的关系

注：在IEC标准中明确规定了4级的安全控制系统只适用于核工业及火车安全系统，不适用于石油化工的工艺过程。

由表2可以看出，FG&C系统相较于传统的报警系统，拥有更高的可靠性，能够更有效地降低潜在风险。

图2是一个典型的过程工业安全防护层[2]，其中FG&C系统与SIS系统平行位于安全控制层，且相对独立。但FG&C的可靠度较高，所以当SIS系统失效时，FG&C系统仍能够对泄漏和火情进行检测，并启动消防设施进行救护，指导人员逃生。

虽然FG&C系统具备诸多优势，但没有国家标准支持，该系统还未得到广泛应用。目前石油化工装置是将气体检测报警与火灾报警系统分开设置，仍采用普遍的民用型火灾报警器结合DCS系统进行气体检测和报警。

图2 典型的过程工业安全防护层

由于LNG接收站的工艺较简单，物料较单一，因此可将FG&C系统应用于LNG接收站，通过在设计与运行过程中逐步总结经验，为FG&C系统的普及奠定基础。

4 FG&C系统的组成和设计

4.1 FG&C系统的结构及功能

a)FG&C系统主要结构：①不同类型的火焰、气体、感温、感烟、低温检测器；②手动火灾报警按钮；③手动控制灭火设施；④自动控制灭火设施；⑤电视监视；⑥现场声光报警及室内报警；⑦由硬线连至FG&C系统的控制盘。

b)FG&C系统功能：①在控制室、装置区及相关设施内有声光报警，及时提醒潜在危险；②可自动或手动启动消防设施，如消防水泵、水喷淋等；③需要时可输出信号至ESD系统。

FG&C系统的硬件与其它控制和安全系统隔离，不需要借助其它系统的操作来实现自己的功能。FG&C系统和SIS系统的功能应独立，停车应由SIS系统触发。FG&C系统不得用于装置的停车。

4.2 FG&C系统的设计原则

FG&C系统的设计原则是利用检测器检测到现场泄漏或火灾后，按照FG&C系统原因/影响逻辑图，通过现场声光报警及控制室内报警提醒潜在危险环境，比如低温、气体泄漏、火灾等，然后自动实现消防联动及电视监视等功能。FG&C系统可以持续自动检测，比人工检测更可靠，它能有效且及时地发现装置中存在的隐患，保证了在危险情况失去控制之前，利用相关的保护动作将危险降到最低。

FG&C系统设计初期，接收站需分割成多个防火分区。每个防火分区都有实体边界，例如防火堤、装置界区和道路。检测/报警/保护措施主要根据不同防火分区设置，防火分区的设置原则如下。

a)从功能性上进行划分：工艺处理区、储罐区、气体外输区、建筑物等。

b)通过一些边界条件进行划分：如火焰速率、墙壁、道路、管廊、被动防火保护区域。

c)可燃、易燃物品的存储情况。

d)防止火灾进一步蔓延和加剧的隔离区域。

e)被动消防设施设置情况。

f)防火分区的区域面积应考虑该区域消防用水是否满足需求。

在此基础上，再识别每个防火分区的危险因素，然后确定检测器及现场报警的种类、数量、位置。

4.2.1可燃气体检测器

可燃气体检测器的目的是检测气体泄漏的情况，并发生响应，使现场人员及时得知潜在危险。可燃气体检测器的选型和布置应尽量缩短响应时间，且不能因外界因素的影响而产生误动作。检测器的设置位置需考虑到气体的特性、通风情况、大气条件及扩散条件。其设置位置应能快速地检测到泄漏。

常用气体检测器有催化燃烧型检测器(点式)、红外气体检测器(开路式)、电化学型检测器、热传导型检测器及半导体型检测器等。烃类可燃气体通常选用催化燃烧型检测器，若在缺氧及高腐蚀性场所宜选用红外气体检测器。

在一般情况下，可燃气体检测器的设置需考虑冗余，以避免检测器故障引起误报。有时也可考虑点式和开路式检测器结合的设置提高冗余。

开路式红外气体检测器可设置在开放区域及其周边，在无遮挡和尽量空旷的位置，检测效果更好。开路式红外检测器的距离也不宜过远，以免发生误报。

可燃气体检测器应安装在无冲击、无振动、无强电磁场干扰、易于检修的场所。

可燃气体检测有两个独立的报警设定值，如在室外装置区，一级报警值设定值为25% LEL，二级报警设定值为50% LEL。

4.2.2火焰探测器

对于火灾发展迅速，产生大量热、烟和火焰的场所，可选用火焰探测器进行检测。其对明火的响应比感温和感烟探测器快得多。适合设置在开阔空间或明火易蔓延的场所。其安装需避免有太阳直射或有阻挡的区域内，避免误报。

火焰探测器主要是通过区分不同波长来进行探测，一般可分为红外、紫外、红外/紫外结合探测器。红外探测器适用于烃含量较高且火焰迅速增长的环境。红外探测器适用于有强烈火焰辐射和少量烟、热的场所，对火灾初期有阴燃阶段的情况不宜选用。

紫外探测器容易受到阳光直射、闪点及紫外线的干扰，若存在以上干扰，应尽量避免使用。

红外/紫外结合探测器，即可快速检测出火焰，也可减少误报产生，其探测的响应速度更快且精度更高。

4.2.3低温探测器

由于LNG的低温特性，需设置低温探测器进行检测。

低温探测器包括温度感测探头、光纤系统、传感器。该探测器最适宜用于测量低温的LNG。该探测器的机械性能只需要简单的安装和维护。在LNG接收站中考虑在大量聚集泄漏出LNG的区域进行设置，如集液池、LNG储罐罐间等。

4.2.4手动火灾报警按钮

每个防火分区应设置手动火灾报警按钮。从一个防火分区内的任何位置到最邻近的报警按钮距离不宜过远。按钮宜设置在疏散通道及装置出入口处，以保证人员能方便启动按钮。

室外报警按钮应放置在红色可击碎的玻璃盒内，其安装位置需尽量显眼，如需要可做标志指示。

4.2.5电视监视系统

为满足生产操作、消防监视、安全保卫及企业管理的需要，需设置电视监视系统。电视监视系统由前端摄像机、视频编码器、客户端工作站、视频管理服务器、存储磁盘阵列、存储服务器、网络交换机等设备组成。

电视监视系统设置应覆盖防火区内的所有位置，危险发生时，控制室人员能立刻观察到现场情况，并及时做出响应。

4.2.6现场声光报警

现场声光报警的目的是根据检测结果及手动报警按钮的启动，及时警告现场及控制室人员，避免人员靠近危险区域，尽快采取相应措施以降低事故影响。

各防火分区内，不同类型的探测器至少配备一个声光报警器，应选用不同的闪光及警铃实现报警。

5 结语

a)FG&C检测系统能够及时发现装置中的危险隐患，减少事故的扩大，对于不涉及低温物质的装置，可以考虑采用与FG&C结构及原理类似的安全控制系统，如火气系统。

b)FG&C系统的设备应像SIS系统一样，具备安全验证。

c)虽然FG&C系统的硬件及软件可靠性要求较高，逻辑程序较复杂，但其与普通控制系统相比较安全性更高、可靠性更好、误动作更少，使检测、报警、控制、消防保护一体化。

d)在设计过程中，还需不断总结经验，使现场检测报警设备布置及逻辑控制更完善、更合理。

[1] 刘景辉，李俊丽.火气系统论述[J].石油化工自动化，2008(5):21-24.

[2] 靳俊芳.石油化工企业中火气系统设计浅析[J].自动化与仪器仪表，2010(5):105-107.

StudyandDesignoftheFG&CSystemintheLNGTerminal

Liu Yi

(SINOPEC Engineering Incorporation, Beijing, 100101)

This paper Analyzes the main risks of LNG receiving station, and introduces the constitution and the design of LNG receiving station fire, gas and low temperature test system (FG&C), automatic alarming, for the purpose of improving engineering design level of safety on the LNG terminal.

LNG；FG&C system；fire zone；safety；detection；alarm

2015-12-30

刘溢，助理工程师，2011年毕业于华东理工大学化学工程与工艺专业，学士学位，就职于中国石化工程建设有限公司，主要从事炼油工艺方面的安全设计工作。