大型外浮顶罐充氮保护联动控制系统设计

2018-05-10蒋慧灵蒋云涛吴剑付张飞飞曾明辉

中国人民警察大学学报 2018年4期

蒋慧灵，蒋云涛，吴剑付，张飞飞，曾明辉

(1.武警学院消防工程系，河北廊坊 065000； 2.漳州市公安消防支队，福建漳州 363000； 3.铜川市公安消防支队，陕西铜川 727000； 4.福州市公安消防支队，福建福州 350000)

0 引言

随着经济快速发展，我国对石油的需求不断增加，大型油库越建越多，规模越来越大。截止到2015年，我国已建成8个国家石油储备基地，总储备库容2 860×104m3，总储备原油2 610万吨。考虑到原油储运问题，这些大型油库大多分布在雷电活动频率高的南方及南方沿海地区。并且，外浮顶结构的原油储罐本身就存在火灾隐患，主要原因是浮盘与罐壁之间的密封圈为两个密封结构所组成，下部的为一次密封，主要以软密封或机械密封为主，上部的为二次密封,主要有滑板安装和边缘安装两种形式。储罐由于施工误差和浮盘移动等原因的影响，造成一次密封与罐壁间存在间隙，二次密封因为弹力作用与罐壁紧密贴合，从而使油气存储于一、二次密封圈内，形成油气混合物[1]。一旦遭遇雷击，因在罐壁和浮盘间存在电位差，易在间隙发生放电。

表1是近年国内外发生的大型外浮顶罐火灾事故，从表中可以看出，事故都是由雷击引起的，绝大多数都发生在一、二次密封圈[1-2]。

表1 近年国内外发生的大型外浮顶罐火灾事故

目前，针对大型外浮顶罐雷电火灾，采取的措施主要有雷电预警系统和消防自动控制系统，但是两者之间相互独立，各自对油罐区进行保护，不能形成有效的联动机制，并且消防自动控制系统中未能接入可燃气体探测报警信号，不能提前采取有效的预警措施。本文提出大型外浮顶罐充氮保护联动控制系统设计这一课题，通过可燃油气探测器、氧气探测器、火焰探测器、光纤感温火灾探测器、闪电定位仪和地面电场仪等设备对油罐区进行实时监测，根据报警情况，采用对一、二次密封圈实施充氮保护的方式，开发合理的联动控制程序，降低一、二次密封圈的油气浓度，抑制火灾发生。

1 大型外浮顶罐充氮保护系统原理与组成

1.1 充氮保护系统原理

充氮保护系统选用化学性质稳定的氮气作为惰化气体，氮气不易与其他物质发生化学反应，价格低廉，生产工艺简单，可以广泛应用于隔离、阻燃、防爆等方面。经过近些年的探索，充氮保护技术广泛应用于固定顶罐和内浮顶罐，但由于外浮顶罐一、二次密封圈密封性能不佳，充氮保护很少应用于外浮顶罐。然而，曾明辉、张飞飞等通过大量试验研究证明，外浮顶罐采用充氮保护在技术上是可行的，并且设计了充氮保护系统[1-5]。

充氮保护系统的灭火原理主要是向密封圈内充入氮气，将密封圈空间内的油气混合物排挤出来，使密封圈内油气混合物浓度降低，氧化反应速率降低，使燃烧不再扩大，同时还可有效防止硫化物“自燃”。因此，在外浮顶罐上安装惰性气体释放装置，使用氮气通入，可有效提高外浮顶罐的雷电防护能力，从而实现主动防雷和防火。

1.2 充氮保护系统组成

充氮保护系统以同一个防火堤内的4个外浮顶罐为一组，充氮保护系统的成组管网布置如图1所示。氮气充入管网、油气回收管网布置在浮盘上。随着储罐的进出油，浮盘会上浮下移，为了保证油气回收管网和充氮管网的正常使用，本系统采用镀锌钢管，充氮管网立管在自动扶梯顶部处、沿浮梯下到浮盘的底部处以及浮盘上的各个连接点均设置了能转动的曲臂结构，上下两个曲臂结构能够使油气回收干管和充氮干管上下转动。浮盘上的曲臂结构为柱状结构，底部接万向轮，能使连接的充氮干管和油气回收干管左右转动，保证了充氮管网随浮盘的升降调整水平相对位置。单罐充氮系统管网布置如图2所示。按照课题组之前的试验结果，以10×104m3外浮顶罐的罐区为例，该罐直径80 m，高21.8 m，充氮干管和油气回收干管、充氮环管和油气回收环管、充氮支管和油气回收支管的管径可以分别设计为110 mm、80 mm和14 mm，进、出气孔的截面直径为14 mm[3-4]。

图1 罐区充氮保护系统组成图

图2 外浮顶罐充氮管网布置俯视图及曲臂结构位置

此外，闪电定位仪、地面电场仪分别设置在油罐区内，整个罐区共用1个闪电定位仪和1个地面电场仪。氮气机房和油气回收机房合用设置，并与控制室设置于防火堤外。

火焰探测器设置在罐顶环形通道防护栏的DN50立柱上，根据每个火焰探测器的探测周长和罐的直径可确定火焰探测器的数量为4个。光纤光栅感温火灾探测器沿着二次密封上檐，可以每隔3 m设置一个光栅节，需要安装86个光栅节。考虑在一、二次密封圈增加用电设备会增加火灾风险，系统将可燃油气探测器、氧气探测器设置在防火堤外的充氮机房中，利用吸气泵和管线实现远程实时监测。根据《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(GB 50493—2009)和国内外学者的相关研究，可燃气体探测器水平设置间距为25 m，设置在与一次密封圈垂直距离0.3 m处；氧气探测器在充氮干管和充氮环管交点处每侧各设置2个，距离分别为距交点四分之一周长和三分之一周长处，垂直方向上设置在与一次密封圈垂直距离0.3 m处。每个可燃气体探测器和氧气探测器分别对应一条探测管线，每个外浮顶罐设置10条可燃气体探测管线，4条氧气探测管线。气体浓度预警系统管网设计如图3所示。

图3 可燃油气、氧气探测管线的布置俯视图

2 充氮保护系统的联动控制设计

2.1 充氮保护联动控制设计原理

充氮保护联动控制系统的设计原理如图4所示。火灾自动报警系统、雷电预警系统将监测到的相关参数分别传输至充氮联动控制器，充氮联动控制器对得到的数据进行处理分析，当满足系统逻辑动作条件时，声光报警装置、充氮保护系统和油气回收系统会同时启动。由于一、二次密封圈内充入氮气，因此氧气浓度会逐渐降低，当氧气探测器监测到的氧气浓度达到设定的停止阈值时，声光报警装置、充氮保护系统和油气回收系统会同时停止。同时，充氮联动控制器上会显示关键参数、充氮及油气回收系统的启停信号和声光报警信号等，从而实现外浮顶罐的防雷保护、预防火灾的目的。

图4 充氮保护联动控制系统设计原理图

2.2 充氮保护联动控制系统动作阈值设计

2.2.1 气体报警系统的动作阈值设计

根据国内外学者的相关研究，结合外浮顶罐的结构特点，可燃气体爆炸下限的80%作为可燃油气报警阈值。充氮停泵的动作依据是油气的安全氧浓度，当氧气浓度低于安全氧浓度值时，无论油气的浓度是多少，油气都不会被引燃。为确保氧气浓度充分降低，可以将油气安全氧浓度10%的90%设定为氧气浓度阈值[3-4]，因此，将原油挥发气体的氧气浓度阈值9%设定为停泵的动作依据。

2.2.2 闪电距离和地面场强阈值设计

在雷电预警系统中，闪电定位仪测定闪电距离，地面电场仪测定地面电场强度。闪电距离和地面电场强度结合起来作为充氮联动控制器启动充氮系统、油气回收系统和声光报警装置的判断依据。当闪电距离或地面电场强度达到设定的预警阈值时，雷电预警系统发出预警信号。

对于雷电的预警，不论是闪电定位仪还是地面电场仪，预警均分为四个级别。闪电距离的预警级别为：大于30 km、20～30 km、10～20 km、小于10 km[1]。闪电距离越小，说明雷电发生在该区域的概率越大。地面电场强度的预警级别为：小于2 kV·m-1、2～4 kV·m-1、4～7 kV·m-1[1]、大于7 kV·m-1。地面电场强度越大，说明雷电发生在该区域的概率越大。

从雷电预警系统发出预警信号到雷电的发生，这个过程一般需要60～90 min。结合实际工程情况和本系统的逻辑动作方式，将闪电距离预警阈值设定为30 km，当闪电距离小于30 km时，雷电预警系统发出预警信号；将地面场强预警阈值设定为2 kV·m-1，当地面场强大于2 kV·m-1时，雷电预警系统发出预警信号。

2.3 充氮保护联动控制系统的动作程序设计

通过分析探测器与明火火灾、雷击火灾、热辐射火灾发展过程的对应关系，参考国内外学者的相关研究，结合实际工程情况，确定本课题大型外浮顶罐充氮保护联动控制系统的逻辑动作方式如表2和图5所示[5]。

从表2和图5可以看出大型外浮顶罐充氮保护联动控制系统的逻辑动作方式可归纳为以下两种：(1)当可燃油气探测器监测到一、二次密封圈某处的可燃油气浓度达到预警阈值，距离该处最近的火焰探测器和光纤感温火灾探测器同时报警，则认定发生明火或者热辐射火灾，声光报警、充氮保护系统、油气回收系统同时启动。由于一、二次密封圈内充入惰性气体氮气，因此氧气浓度会逐渐下降，当氧气探测器监测到的氧气浓度达到设定的停止阈值时，声光报警、充氮保护系统、油气回收系统同时停止。(2)当可燃油气探测器监测到一、二次密封圈某处的可燃油气浓度达到预警阈值，罐区内的闪电定位仪或者地面电场仪发出雷电预警信号，那么认定将要发生雷击火灾，声光报警、充氮保护系统、油气回收系统同时启动。由于一、二次密封圈内充入惰性气体氮气，因此氧气浓度会逐渐下降，当氧气探测器监测到的氧气浓度达到设定的停止阈值时，声光报警、充氮保护系统、油气回收系统同时停止。

表2 大型外浮顶罐充氮保护联动控制系统的逻辑动作方式

注：表中1表示报警，0表示正常，其中可燃油气探测器、火焰探测器和光纤感温火灾探测器是三个相邻的探测器。

图5 充氮联动控制的逻辑框图

3 充氮保护系统的联动控制数据通信与软件设计

3.1 充氮保护系统数据通信与存储

充氮保护联动控制系统的数据通信和存储主要包括读取可燃油气探测器、氧气探测器的数据，并将数据存储至数据库，及从其他数据库中读取火焰探测器、光纤感温火灾探测器、闪电定位仪和地面电场仪的数据。

为了将可燃油气探测器和氧气探测器在一、二次密封圈内监测到的油气浓度、氧气浓度等物理信号输入到充氮保护控制器，需要将可燃油气探测器、氧气探测器的输出端与数据采集模块的输入端相连接，数据采集模块会将电流信号转换成数字信号，然后通过以太网将数字信号传输至充氮联动控制器。充氮联动控制器接收到数据采集模块传输的数字信号后，应对被测气体进行气体浓度标定，得出对应数字信号与浓度的关系，并将转换公式编入充氮联动控制器内，从而将数字信号转换成具体的可燃油气浓度、氧气浓度。火焰探测器和光纤感温火灾探测器测得的数据可以直接从火灾自动报警系统的控制主机中读取出，闪电定位仪和地面电场仪的数据可以通过网络从当地的气象部门获取，若在油罐区设置了闪电定位仪和地面电场仪，则可以直接从油罐区内的雷电预警系统数据库中读取数据。

所有数据储存基于Access软件实现，语言为C Sharp。通过在Visual Studio中编写相应数据存储代码，并设置数据存储路径，与参数设置界面中的数据刷新间隔实现数据对接，数据每次刷新，即在Access表格内记录一次数据，每间隔1 s即对1～10号可燃油气探测器和1～4号氧气探测器所监测的数据记录一次。

3.2 充氮联动控制系统软件设计

充氮联动控制系统基于Visual Studio和C Sharp来开发实现充氮联动控制器的功能，该软件采用的是Windows窗口应用程序，以Windows窗口界面作为各子系统交互的媒介，主要显示开始界面、网口配置界面、参数设置界面和阈值设定界面，图6是充氮联动控制软件的整体结构示意图。

图6 充氮联动控制器整体结构示意图

图7为充氮联动控制系统软件开始界面。该软件具有操作简单方便，容易使用的优点，能够实现数据的实时接收、显示与判断，参数的校正与调整，通信网口的设置，最终充氮保护系统的启动与停止等目的。

从图7中可以看出，在开始界面内能够实现以下功能：(1)显示/选择当前控制对象；(2)选择手动或者自动的工作模式；(3)选择充氮流量大小；(4)手动启停充氮系统；(5)设备自检流程介绍；(6)实时显示可燃油气浓度、氧气浓度，闪电距离、地面场强和火焰探测器、光纤感温火灾探测器的状态(绿色表示正常，红色表示报警)；(7)网口配置，可以设置网口通信IP和端口，实现数据实时通信；(8)参数设置，在参数设置界面可以控制每个输入输出通道是否使用，可以针对实际工程中采集的信号类别设置校正值，同时还能够设置采集数据的刷新时间等参数；(9)阈值设置，通过该界面可以对可燃油气浓度阈值、氧气浓度阈值、闪电距离阈值和地面场强阈值进行设定，从而实现联动控制充氮保护系统和油气回收系统。