LNG接收站可燃气检测仪表选型及优化设计研究

摘要：本文以LNG接收站的可燃气检测仪表作为研究对象，针对罐区测量管理系统与可燃气体探测报警系统的选型情况进行详细分析，围绕罐区监测系统平台建构、激光可燃气检测器设计两个层面，探讨了可燃气体探测报警装置的优化设计方案，并就其应用效果进行评价，以期为可燃气检测技术的研发创新提供参考。

关键词：LNG接收站;可燃气检测;激光检测

引言：LNG的全称是液化天然气，以甲烷为主要成分，具有易燃易爆、低温等性质，一旦气体泄漏即会快速蒸发形成云团，遇明火后造成火灾、爆炸等事故，威胁生命财产安全。LNG接收站由LNG码头、储罐及工艺装置组成，鉴于可燃气具有高风险特征，因此对于可燃气检测预警装置选型设计的优化提出了迫切需求。

1 LNG接收站的仪表选型

1.1罐区测量管理系统

LNG罐区仪表主要由雷达液位计、十六点平均温度计、液位温度密度计、伺服液位计、罐旁显示仪等装置组成，其中雷达液位计基于反射定位原理进行液位计量;十六点平均温度计用于针对LED储罐温度进行检测;液位温度密度计用于针对LNG储罐的液位高低、温度变化情况进行检测;伺服液位计用于监测储罐内浮子的位置变化情况;罐旁显示仪通过将数据信号转化为具体显示信息，实现对储罐内部工况的可视化监测。但由于LNG储罐内的可燃气体包含多种组成成分，罐区现有仪表的分布状态较为分散化，仅能实现对单一指标的检测，无法使可燃气体泄漏情况得到及时反馈，因此需依托仪表的整合与集成化管理实现对储罐内物质变化、液位高低浮动情况的动态监督。

1.2可燃气体探测报警系统

可燃气体探测报警系统（GDS）主要由可燃气检测器、逻辑控制器与报警设备组成，利用可燃气检测器进行现场可燃气泄漏浓度的探测，将泄漏信息上传至中控室，由逻辑控制器进行逻辑分析处理、发送控制指令，启动报警设备、调节开关通断、启动消防系统，保障在可燃气体轻度泄漏或现场发生火灾的早期起到报警与防护功能。在仪表选型上，当前国内LNG接收站常用仪表包含半导体式、催化燃烧式、红外线吸收式三种类型，综合考虑适用检测的气体类型、计量精度要求、使用寿命、经济成本等因素，以开放式红外线吸收式可燃气检测器作为最优选择。该检测器基于红外线吸收原理进行可燃气检测，测量范围较广、精确度与可选择性均较好，但受降雨天气及震动等因素的影响较大，误报率与设备运维的复杂性程度较高，亟待进行优化设计。

2可燃气检测器的优化设计与应用效果评价

2.1罐区监测系统平台建构

在LNG罐区的监测系统设计上，可将传感器均匀布设在罐区各处用于采集环境条件参数，当储罐内的可燃气体出现分层现象时，由传感器将采集到的信息反馈至监控系统，经由数据汇总、分析处理后执行对LNG储罐的加热操作，伴随热量的输入使储罐内位于不同层级的物质密度发生改变，由此加速液体的翻滚与混合，有效消除物质分层现象、恢复正常液位，遏制可燃气体泄漏问题的发生。在此过程中，通过实行对储罐内物质的分层监测，可获取到物质密度、温度等实时信息，将其汇总至计算机终端进行数据处理结果的可视化呈现，在此基础上调节阈值，即可实现对储罐内液体的翻滚、混合处理，保障罐区的安全稳定运行。

在LNG罐区库存管理系统的设计上，该系统主要用于收集、处理储罐内的参数属性及物料储存量等数据，利用扫描仪作为信息收集装置，结合算法程序生成运算结果、支持信号输出;同时，该系统支持多台计算机终端进行信号数据的同步监测，有效提升信息处理效率^[1]。

2.2激光可燃氣检测器设计

基于氢原子的能级跃迁原理，原子是构成一般物质的最小单位，在原子内部存在若干粒子分布在高低不同的能级上，当有某种特定能量的光子对粒子产生刺激时，将使位于低能级上的粒子跃迁至高能级上。由于气体分子仅能吸收能量恰好为2个能级能量差的光子，分子结构各异的气体将吸收频率存在差异的光子，因此仅需测量气体分子吸收光谱的强弱，即可识别出气体的种类，并测量出其具体的浓度值。而从朗伯比尔定律角度出发，物质对某一波长光吸收的强弱与物质浓度、厚度有关，设I、I₀分别代指入射光和透射光的强度，E为吸光系数，C为待测气体浓度，L为光程，则有：

从上述公式中可知，样品浓度与激光吸收率具有正比例关系，当保持吸光系数、光程数值不变的情况下，通过测量激光吸收率参数的变化，即可求解出待测气体的浓度值。

针对激光可燃气检测器进行优化设计，利用单片机控制电路进行检测器电流的调制，调节其发射激光的波长;当激光穿过待测可燃气体后，经由反射面返回检测器中，当待测气体中含有具备典型特征的目标气体时，将与待测可燃气体发生作用，使部分激光被气体吸收，且激光吸收量与目标气体的浓度含量成正比;待检测结束后，由检测器将自身检测到的激光强度变化值进行返回，经由单片机控制电路处理后转化为信号，由信号输出电路进行传输，获取到最终的浓度检测结果。

将原有红外式可燃气检测器与激光可燃气检测器的使用效果进行比较，红外式仪检测器的测量距离较短，无气体选择性，响应时间≤10s，分辨率为500ppm，量程为0～100% LEL，标定周期为1a，使用寿命为3～5a;而激光式检测仪器采用非接触检测方式，有特定目标气体，响应时间不超过1s，分辨率为1ppm，量程为0～100% VOL可调，无需标定，使用寿命长达5～10a。从中可以看出，采用激光吸收技术进行可燃气体检测装置的优化设计，能够显著削弱仪表使用环节的交叉干扰问题，且非接触式检测方式可有效规避使用者中毒、暴露的风险，具备良好的适用价值。

2.3实际应用效果

截至2019年，我国已建成投产的LNG接收站共有21个，最高处理能力达680万t/年。唐山LNG接收站自2013年投产以来累计气化外输天然气220亿m?、槽车装车150余万t，成为国内气化能力最强的接收站，承担着京津冀地区保供天然气的重任。以唐山LNG接收站槽车装车区扩建EPC总承包项目为例，当前该接收站配套2座LNG码头、4座16万m?的LNG储罐、15个LNG槽车装车撬，计划新增15台装车撬^[2]。

基于《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》（GB50493-2009），该项目共配备18个点红外可燃检测器与2套开路式激光可燃气检测器，其中红外检测器安装在距地面0.5m高度位置，用于实现对地面装车撬可燃气泄漏的检测;激光检测器则安装在装车棚下方0.2m左右，辅助完成对槽车、装车撬可燃气体泄漏的检测。激光检测器实行激光收发的一体化设计，基于反射原理将接收装置设为大面积反射面，其光谱极窄、仅对CH₄有反应，且电缆均集中在一端布置，具有结构灵活、安装便捷、光路校准简单、抗风与抗震效果好等应用优势，使检修维护工作量大幅精简，具备良好的应用及推广价值。

结论：在当前北方地区调峰保供任务日渐繁重的形势下，LNG储罐及配套设施有限、设备高负荷运转、无法保障运维实效等问题逐渐突出，极易增加可燃气体泄漏的风险，因此还需依托技术更新提升可燃气检测仪表的运行效果，为LNG接收站及相关装置设备的安全稳定运行提供保障，更好地实现满量程检测目标。

参考文献：

[1]刘海滨，侯扩.LNG接收站BOG处理工艺的选择与分析[J].商品与质量，2018，（52）：231.

[2]杨信一，刘筠竹，李硕.唐山LNG接收站浸没燃烧式气化器运行优化[J].油气储运，2018，（10）：1153-1157.

作者简介;作者简介：候旭光（出生年1987），男，汉族，（籍贯：河北省晋州人），本科，中级工程师，研究方向：天然气储运。

杨艳丽.高职院校“双师型”教师培养机制存在的问题及对策研究[J].南方农机，2020，51（07）：149.

[3]陈维华，王会强，张苑.基于胜任力理论的高职“双师型”教师能力提升策略研究[J].河北软件职业技术学院学报，2020，22（01）：28-31.

作者简介：何苗（1986.06-），女，汉族，湖北黄冈人，硕士研究生，讲师研究方向：艺术设计。