GDS在罐区主动安全防护方面的应用

宋 蓓

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266100)

目前，浮顶储罐的密封结构主要采用一次密封和二次密封，在一二次密封结构之间会形成相对密闭的环形油气聚集空间[1]。当油罐罐壁挂油或者实施收发油作业时，随着浮盘的升降会产生大量的可燃气体，主要成分是甲烷、乙烷、丙烷及丁烷等，如果此时遇到雷击或静电产生的火花等可能会引起燃烧甚至爆炸[1]。因此，有必要对大型外浮顶储罐一二次密封空间的油气浓度进行实时监控，建立主动安全防护，做好前期预防。

外浮顶储罐一二次密封空间的油气浓度可以使用分析仪表、便携式可燃气体检测仪表、无线可燃气体检测仪表等进行检测。分析仪表通常结构复杂，需要配置预处理系统，还要考虑分析仪机柜、取样管线的长度等，且一般来说价格较高；便携式可燃气体检测仪表主要以人工携带为主，只能检测某一时段油气的浓度，无法达到预防火灾的要求[2-3]；无线可燃气体检测仪表虽然免去了线缆敷设的麻烦，但也要考虑仪表供电、信号可靠性、通信距离等因素。因此，采用可燃气体和有毒气体检测报警系统(以下简称为GDS)监测一二次密封空间油气浓度和氧气浓度，当达到报警值时，现场和控制室声光报警，再配合雷电预警系统，可以有效降低储罐因雷击导致的爆炸起火的事故风险。

本文结合已完成交付的项目详述GDS在罐区主动安全防护方面的应用。

1 项目背景和目的

1.1 项目背景

某厂液体化工品罐区共计有5个，每个罐区均有4个5万方的外浮顶储罐，储罐储存介质均为原油。原油为甲B类易燃液体，具有易燃性、易沸溢性等特性，爆炸极限范围较窄但数值较低，有一定的爆炸危险性。

该厂外浮顶储罐的密封形式均为泡沫软密封，5万方储罐(直径60m，高度17.5m)一、二次密封的空间体积约为25方。一、二次密封油气空间中的介质为原油的挥发气与空气混合形成的易爆气体。这个油气空间的存在，使之成为油罐安全运行中的主要危害因素之一，一旦该空间可燃气体的浓度达到爆炸下限，此时遇到雷击或者静电产生的火花，可能会引起可燃气体的爆炸或燃烧，严重威胁罐区的运行安全。

1.2 目的

采用GDS监测一二次密封空间油气浓度和氧气浓度的目的是配合罐区雷电预警系统使用，降低储罐因雷击导致的爆炸起火的事故风险。

目前，该厂的雷电预警系统可以预测的雷电范围为15km，从预测到雷电产生到影响罐区的时间大概为15min。当预测到有雷电产生时，通过离心通风机往原油储罐一、二次密封空间内注入惰性气体，置换出可燃气体，在雷电影响罐区之前使油气浓度降至爆炸下限以下，从而降低储罐因雷击导致爆炸起火的事故风险。

2 项目方案

2.1 方案概述

以罐区为单元，XXX罐区设一台离心通风机，风机流量Q=3600m3/h，出口压力P=10kPa。风机风量计算按照原密封空间内油气浓度的50%，通入惰性气体等体积均匀置换考虑，将油气浓度在10分钟之内降低至爆炸下限以下。XXX罐区主管线管径为DN250，支管管径为DN100，每台罐罐前支管设流量计及压力表各一块，流量及压力信号远传到控制室，罐顶设分气包，经分气包后分8路DN50管线进入储罐一、二次密封空间。分气包前设置阻火器和止回阀。

每台储罐顶部一、二次密封空间内的油气设泵吸式可燃气体探测器及氧气探测器，用以实时监测储罐一、二次密封空间内的油气浓度和氧气浓度，并把信号传输至位于控制室的GDS。当雷电预警系统发生预警信号之后，根据储罐密封空间内油气浓度的情况，人工启动风机，当油气浓度低于爆炸下限LEL以下时(风机启动10分钟之内)，可将风机关闭。

2.2 技术原理

物质产生燃烧需要具备可燃物、点火源和助燃物，这也是燃烧的三要素。对于原油储罐一二次密封形成的油气空间来说，油气是可燃物，氧气是助燃物，而雷击或静电火花则是点火源。当可燃物和助燃物的浓度达到某一限值时，如果遇到雷击或静电火花，则会发生燃烧甚至爆炸。

GDS通过实时采集罐顶一二次密封空间的可燃气体探测器和氧气探测器的数值，也即可燃物和助燃物的浓度，根据安全判定规则进行分析判断(见表1)，当超过设定值时，控制室报警，并发出驱动信号联动相应罐区附近的现场区域声光警报器，同时人工启动风机向一二次密封空间注入惰性气体，置换出可燃气体，从而达到防火防爆的效果。

表1 安全判定规则[4]

3 项目实施

3.1 GDS

GDS由可燃气体探测器、氧气探测器、现场警报器、报警控制单元等组成。

可燃气体和氧气探测器用来检测储罐一二次密封空间中的油气浓度和氧气含量，并把信号送给GDS控制单元，控制单元根据安全判定规则进行比较分析，当达到报警值时，发出控制信号给现场区域声光警报器，提醒操作人员应开启风机注入惰性气体，使一二次密封空间内的油气浓度和氧气含量恢复到安全状态。

3.2 可燃气体探测器的选型

通常对于可燃气体的检测一般采用催化燃烧原理，针对外浮顶储罐一二次密封空间中氧含量低且催化燃烧方式可能成为潜在危险的工况，根据GB/T 50493-2019，本项目选用红外光谱吸收法检测可燃气体浓度。

同时，考虑到常用的扩散式气体探测器受环境温度、风速的影响较大，本项目采用泵吸式气体探测器，这更适合外浮顶储罐一二次密封形成的相对密闭的油气空间。

图1 泵吸式气体探测器安装示意图

3.3 氧气探测器的选型

根据GB/T 50493-2019，大型外浮顶储罐一二次密封空间中氧气含量的测量采用电化学原理，采样方式与可燃气体探测器相同，采用泵吸式气体探测器。

3.4 现场警报器的选型

现场区域声光警报器选用隔爆型，声压级高于110dBA，其他技术要求见表2。

表2 现场警报器技术要求

3.5 气体探测器探头布置

图2 探测器平面布置图

每台储罐罐顶设8个取样点，每个取样点设1台可燃气体探测器和1台氧气探测器。每个罐区根据分区对角设置2台现场区域声光警报器。

探测器平面布置图如图2所示，图中AT-XXXXA代表可燃气体探测器，AT-XXXXB代表氧气探测器，GJB-XXXX为接线箱。罐顶新增可燃气体探测器和氧气探测器信号电缆(铠装电缆)先接入每个储罐罐顶板中心设置的接线箱后，输出多芯电缆(铠装)沿原有桥架接至位于控制室机柜间的GDS。

4 结束语

罐区主动安全防护最关键的部分就是储罐一二次密封空间中油气浓度的检测。本文通过项目实践论证了采用GDS实现对一二次密封空间油气浓度的实时监测是一种可行的选择，通过GDS(或气体报警控制器)联动控制相关区域的声光报警器，可以起到良好的预警作用，再配合罐区雷电预警系统使用，可以有效降低储罐因雷击导致的爆炸起火的事故风险。