无线技术在浮顶储罐一二次密封层间油气监测中的应用.pdf

第 5 1 卷第 l期 2 0 1 5 年 2月 石油化工自动化 AUTOM AT1 0N I N PE TR _ CH E M I CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 5 1 ，No ． 1 Fe b r u a r y ，2 0 1 5 无线技术在浮顶储罐一二次密封 层间油气监测 中的应用 刘铁川 ， 徐业蓬 中石化 管道储运公 司 ， 江苏 徐州 2 2 1 0 0 8 摘要 在浮顶储罐火灾事故中， 一、 二次密封层间的可燃气体体积分数过高是导致雷击火灾的重要原因之一。在大多数罐区 操作中， 密封层中可燃气体检测工作主要以人工携带便携式可燃气检测仪抽检为主。通过对浮顶储罐一、 二次密封层间可燃气 体监测技术 的探讨 ， 提出了使用无线 网络技术进行可燃气体监测的方案， 并对无线系统 的网络结构 、 检测 仪器 、 通信 网络 、 通信 设备 、 管理 软件等进行 了介绍 。提出了可燃气体稀释 的方法 负压稀释 法、 惰性气体稀释法 ， 并 对 比了两种方 法的优缺点 。经 在储库储罐上试用 ， 其监测准确率达 9 0 ～9 5 ， 解决 了浮顶储罐密封层间气体监测的难题 。 关键词 浮顶储罐可燃气检测无线 中图分类号 T N 9 2 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 7 7 3 2 4 2 0 1 5 0 1 0 0 5 6 0 3 Ap pl i c a t i o n o f W i r e l e s s Te c h no l o g y i n Oi l a nd Ga s Co n c e nt r a t i o n M o n i t o r i n g an d De t e c t i n g b e t we e n 1 a n d 2 。 S e a l i ng I nt e r l a m i n a t i o n f o r Fl o a t i ng Ro o f Ta n k Li u Ti e e h u a n，Xu Ye p e n g S i n o p e c P i p e l i n e S t o r a g e Tr a n s p o r t a t i o n Co ．Lt d ．，Xu z h o u ，2 2 1 0 0 8，Ch i n a Ab s t r a c t Hi g h c o n c e n t r a t i o n o f c o mb u s t i b l e g a s i n 1 a n d 2 “ s e a l i n g i n t e r l a mi n a t i o n i s o n e o f t h e ma i n r e a s o n s c a u s i n g t h u n d e r s t r u c k f i r e i n f l o a t i n g r o o f t a n k f i r e a c c i d e n t s ．I n mo s t t a n k f a r m o p e r a t i o n， c o mb u s t i b l e g a s d e t e c t i o n i s ma i n l y c o n d u c t e d ma n u a l l y wi t h p o r t a b l e c o mb u s t i b l e g a s d e t e c t o r ． Th e s c h e me f o r c o mb u s t i b l e g a s mo n i t o r i n g a n d d e t e c t i n g wi t h wi r e l e s s n e t wo r k t e c h n o l o g y i s p u t f o r wa r d t h r o u g h d i s c u s s i o n o n mo n i t o r i n g a n d d e t e c t i n g t e c h n o l o g y o f c o mb u s t i b l e g a s b e t we e n 1 a n d 2 s e a l i n g i n t e r l a mi n a t i o n ． Th e n e t wo r k s t r u c t u r e ，d e t e c t i n g i n s t r u me n t s ， c o mmu n i c a t i o n s n e t wo r k，c o mmu n i c a t i o n e q u i p me n t s a n d ma n a g e me n t s o f t wa r e o f wi r e l e s s s y s t e m a r e i n t r o d u c e d ．Co mb u s t i b l e g a s d i l u t i o n me t h o d s o f n e g a t i v e p r e s s u r e a n d i n e r t g a s a r e p u t f o r wa r d ． Th e a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f a b o v e t WO me t h o d s a r e c o mp a r e d ．T h e mo n i t o r i n g a n d d e t e c t i n g a c c u r a t e r a t e i s a s h i g h a s 9 0 7 o ～ 9 5 wi t h o n e s t o r a g e t a n k i n a wa r e h o u s e ． Th e mo n i t o r i n g a n d d e t e c t i n g p r o b l e ms f o r c o mb u s t i b l e g a s b e t we e n s e a l i n g i n t e r l a mi n a t i o n o f f l o a t i n g r o o f t a n k a r e s o l v e d ． Ke y wo r d s f l o a t i n g r o o f t a n k s ；c o mb u s t i b l e g a s ；d e t e c t i o n；wi r e l e s s 中国是一个 能源 消耗 大 国， 据专 家预测 ， 到 2 0 2 0年中国石油消费量将达到 4 5 0 Mt以上， 按照 目前 的消费量计算 ， 中国需要建立的石油储备量约 在 7 0 Mt 。因此 ， 库区的可燃气体安全监测非常重 要 ， 尤其是浮顶储罐的一 、 二次密封层 中的可燃气 体浓度监测 ， 更是亟待解决的难题 。通过有效的可 燃气体浓度监测 ， 可 以提早 发现事故隐患 ， 采取恰 当措施 ， 杜绝事故发生 。 1 浮顶储罐存在的安全隐患 浮顶储罐， 特别是原油储罐， 发生火灾事故的 原因除人为原因外 ， 很大的因素是雷击起火 。大型 浮顶金属油罐的雷击事故较多 ， 虽然雷击是主要原 因， 设备的安全设计存在缺 陷， 浮船上下运动 和储 罐壁的变形， 监测手段落后也是主要原因。油罐浮 顶边缘的一、 二次密封处 ， 是造成雷击起火的主要 部位， 发生雷击的情况下， 遇到挥发出的可燃气， 可 能引燃储罐 ， 给库区安全管理带来极大的隐患。因 此 ， 迫切需要实时可靠地监测 出一 、 二次密封层问 稿件收到 日期 2 0 1 4 0 9 0 2 ， 修改稿收到 日期 2 0 1 4 1 0 1 4 。 作者简介 刘铁川 ， 男 ， 1 9 9 2年毕业于 中石油廊坊管 道学院油气储 运专业 ， 现主要负责输油生产安全环保工作 ， 任工程师 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 刘铁川等．无线技术在浮顶储罐一二次密封层间油气临测中的应用 5 7 可燃气体浓度 ， 进而采取必要的技 术措施和对策 ， 降低可燃气体浓度 ， 使其无法达到爆炸极限 ， 消除 密封空间产生爆炸 的条件是避免油罐雷击火灾 的 重要措施 。储罐一 、 二次密封如图 1 所示 。 图 1 储罐一二次密封示意 浮顶储罐二次密封装置的主要作用是避免外 界条件 风力、 阳光 、 沙石、 雨 、 雪等 对一次密封装 置 的破坏 ， 减少油气损耗 ， 降低对大气的污染。一、 二次密封层都不能完全阻止油气挥发 ， 随着长时间 的积累。 一 、 二次密封层之间可燃 气体浓度可能 为 较高数值 ， 甚至超过爆炸极限， 威胁着储罐的安全。 现代储罐的防雷措施 、 设计水平和建造技术都已十 分完善 ， 但仍不能完全消除雷击火灾的发生 。实时 监测密封层处的可燃气体浓度， 及时采取应对措施 成为防止密封层火灾事故的有效手段 。 2 可燃气体监测系统的构成和功能 目前在大多数罐区操作中， 密封层 中可燃气体 检测主要以人工携带便携式可燃 气检测仪采取抽 检方式为主， 这种方式具有 时间取样 的特点 ， 检测 无线数据接收器 无缉路由器 、 一 交 褴控软件 l 一 ～～ 一一 数据只代表极小段时间被检空间可燃气体浓度 ， 一 般检测问隔在一周以上 ， 检测频率无法达到安全防 范火灾的作用 。同时由于人工抽检的工作方式 ， 往 往要 2 ～3人配合完成 ， 造成人力资源的浪费， 也存 在人身安全隐患。采用在线式可燃气体监测 系统 可 以有效解决实时监测的问题 ， 无需人为参与 。常 规在线式可燃气体监测系统采用有线通信方式 ， 需 要施工、 布线 ， 施工周期长 ， 费用高 ， 后期维护工作 量大。对于浮顶储罐这种活动场合使用有线连接 ， 容易产生断线等故障， 影响安全生产 。一种具有无 线通信能力 的新型可燃气体检测仪的推出， 解决 了 线缆敷设带来的诸 多问题 ， 实现了在线实时监测 、 数据远程传输 、 远程报警 ， 统一进入中心控制室 。 2 ． 1 无线可燃气体监测系统网络结构 系统 由前 端的可燃气体检测仪 、 本安 型供 电 系统 、 路由器 、 无线 数据接 收器 和安 全管 理软 件 平 台组成 ， 如 图 2所示 。一般 情况 下 ， 根 据储 罐 容量 ， 可以在 浮顶 四周安 装 4 ～6台可燃 气体 检 测仪 ， 通过对一 、 二次密封层 间气体 采样 ， 检 测出 该点可燃气体浓度 ， 通过无线 网络将检测数 据发 送到监控主机 。检测仪使用太 阳能 系统供 电， 储 存 电能的电池组安装在检测仪 附近， 太 阳能 电池 板可 以使用长导线安装在易 于接 收阳光的地方 。 在与主机距离较远 的情况下 ， 为 了保证通 信稳 定 可靠 ， 可以使用无线路 由器 中转检测 数据。采用 路 由通信方式后 ， 该 系统的通信距离可 以覆 盖 国 内绝大多数库 区。 图 2 无线 可燃 气体监 测 系统 示意 2 ． 2无线可燃气体检测仪 无线可燃气体检测仪是一种将无线数据通信 功能与可燃气体检测仪可靠结合 在一起 的气体检 测装置 ， 它采用催化燃烧式传感器 ， 对绝大多数可 燃气体都能检测 。检测仪可现场显示 、 声光报警 ， 并可将检测数据通过 无线上传至主机 。因催化燃 烧式检测仪功耗较大， 需要加装外置供 电装置。外 置供电装置由本安型可充 电电池组和本安型太 阳 能 电池板组成 。可充电电池组在充满电的情况下 ， 可为检测仪提供连续 2 0 d全天候的正常工作。太 阳能电池板为可充电电池组不断地提供能源， 确保 了检测系统持续稳定工作 。整个前端检测 系统为 本安设计 ， 可以工作在防爆级别最高的 0区。 2 ． 3 通信网络 监测系统的检测仪和数据接收主机间使用微 功率无线网络通信。这是一个基于 Z i g B e e网络协 议 的 Me s h网络 ， 各检测仪之 间可 以 自行组 网， 可 靠连接 。这种 灵活 的组 网方 式可 以有效 地避 免 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 石油化工 自动化 第 5 1 卷 因障碍物的阻挡而造成 的通信 中断， 让系统更 加 稳定可靠 。Me s h网络 的多级 路 由功能还可 以扩 展网络的通 信范 围， 通 过几次路 由， 主机 可 以可 靠读取 1 k m外的检测仪数据， 使无线发射功率 仅几十毫 瓦的无线设 备通信 范 围覆盖 面积达 十 余平方公里 。 为了拓展 网络通信范围， 也可以使用 Me s h路 由器， 它在做网络路 由的同时， 还可 以显示接收到 主机的信号强度 ， 这对于建立路 由点、 检测仪安放 具有指导作用 。 2 ． 4 无线数据接收器 无线数据接 收器是用 于监控 无线设 备 、 接收 无线 网络 中仪 器数 据 的设 备 。为 了使 同一 区域 可以容纳大量 的无线设备 ， 且 区域 内的多个无线 网络互 不 干 扰 ， 使 用 P AN I D进 行 区分 。不 同 P AN I D网络中的设备不能通信 ， 同一 P AN I D网 络中只能有一个 接收 主机。无线数 据接 收器 提 供以太 网接 口和 串行接 口， 可以方便地接入 网络 和后 台监控管理软件 。接入 以太 网后 ， 一 台配有 安全监控 软件 的主机就可 以 同时监控 多 台无 线 数据接 收器的数据 。 2 ． 5 安全管理软件 无线检测设备配合后台安全管理软件 ， 可以实 现检测点可燃气浓度实时监控 ， 同步报警和多级监 控 ， 报警点位置、 设备状态、 气体浓度等信息清晰明 确 。软件具备 以下几项基本功能 1 地理信息系统 GI S 功能。系统支持监控 地区 GI S ， we b G I s等 ， 支持地 图的放大 、 缩小 、 平 移等操作。检测设备在地 图上可用图标加实物图 像或单独图标表示 。仪器状态可通过 图标颜色轻 易辨别 ， 点击 图标可以看到详细仪器信息。 2 仪器管理。仪器窗口列 出所有在线仪器状 态、 名称 、 编号及实时读数 ， 在软件 中可以对某些仪 器的读数单位 、 报警限值等进行更改 。 3 数据存储及分析 。软件 自动将接收的数据 分类存人数据库 ， 供后期分析存档。数据记 录的周 期可灵活设置 ， 库中数据可以通过过滤等手段轻松 查找需要 的信息。 4 远程查看 。对于一些特殊的场合 ， 不仅需 要现场查看检测仪数据 ， 还需要在远程监控中心查 看数据。数据转发 和远程查 看功能可 以轻松地实 现多级 监 控， 只要 在 2台 电脑 上设 置相 应 软件 即可 。 5 二次开发接 口。软件提供二次开发接 口， 可以方便地将监控数据提供给第三方软件使用 ， 因 而可以构建大型多功能软件平 台。 3 采取 措施 采用了先进的无线气体监测技术后 ， 控制室计 算机屏幕上会实时显示气体浓度值 ， 一旦数值超过 报警阈值， 就会发出报警信号。值守人员接到报警 信号后 ， 需要对报警来源进行判断 ， 采取相应措施 。 及时准确地给出报警信号是无线可燃气体监测 系统有效防止火灾爆炸事故发生的前提。如果引入 自动的气体稀释控制装置 ， 则可以在无人值守的情 况下 自动降低一、 二次密封层 中可燃气体浓度， 使其 达到低限报警值 2 5 L E L 以下。根据系统设定的 报警限值 ， 可以准确地控制机械阀门将可燃气体浓 度降至安全值以下。通常采取两种办法 1 负压稀释法。当即将到达爆炸下限值时， 打 开气泵将一、 二次密封层之间的高浓度可燃气体吸 出放散 ， 由于密封层问出现负压 ， 密封层外的空气 由 缝隙进入一、 二次密封层间， 使可燃气浓度降低。 2 惰性气体稀释法。当即将到达爆炸下 限值 时， 使用惰性气体 ， 例如氮气吹人一、 二次密封层之 间， 稀释内部可燃气体 ， 这在火灾发生时也可 以起 到灭火 的作用。 以上两种办法各有优缺点 ， 但都可以达到无人 值守 、 自动降低可燃气体浓度的 目的。先进可靠 的 气体监测技术加上有效的气体稀释方法 ， 有效保护 了国家财产免受损失 ， 保证 了生产安全。该系统在 原油及成品油储运行业具有很高的推广价值 。 4 结束语 无线监测可燃气体浓度新技术在某储库储罐 上进行试用 ， 监测准确率 达 9 0 ～9 5 ， 解决了浮 顶储罐密封层间气体监测的难题 ， 为大型浮顶储罐 安全运行提供 了保障。 参考 文献 [1] 曾茹 ， 李荔霞．国内石油储 运业现状及安全建议 E J ； ． 安全健 康和环境 ， 2 0 1 1 1 1 8 1 0 ． [ 2] 郎需庆 ， 高鑫 ， 宫宏 ， 等． 降低大 型浮顶储罐密封 圈内油气浓 度的研究E J 3 ． 石油天然气学报 ， 2 0 0 8 0 4 6 1 8 6 1 9 ． [ 3] 郎需庆 ， 宫宏 ， 刘全桢 ， 等． 浮顶 储油罐密封泄漏 机理与泄漏 控制E J 3 ． 安全 、 健康和环境 ， 2 0 0 7 ， 7 1 0 1 7 1 9 ． [ 4] 王振国． 外浮顶油罐 一二次 密封油 气空 间火灾分 析[ J I ． 消 防科学与技术 ， 2 0 0 7 ， 2 6 0 6 6 5 4 6 5 5 ． [ 5 ] 孙新宇， 李晓明， 彭仁海． 油罐安全运行与管理[ M] ． 北京 中国石化 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 6 ] 储祥平， 宋晓东． 储罐自动化系统研究与应用[ J 3 ． 油气储 运 ， 2 0 0 7 ， 2 6 0 5 5 9 6 1 ． [7] 张城 ， 靳 涛． 易燃 液化 气 体 罐 区火 灾 爆 炸事 故 故 障 树 分 析E J ] ． 安全、 健康 和环境 ， 2 0 1 0 ，1 0 1 0 3 9 4 1 ． [8] 宋贤生 ， 刘全桢， 宫宏 ， 等． 大型罐区油气扩散规律的 C F D数值 模拟研究口] ． 中国安全生产科学技术 ， 2 0 0 8 ， 4 0 2 8 6 9 0 ． 下转第 6 6页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 石油化工 自动化 第 5 1 卷 作 市区总控中心 现场 作业区 传统方式 物联 网变送器 AI 调度 系统工作方式 图 2 多站 点协 同工作 方式 示意 2 ． 1 分级控制 按级别大小可分为厂级、 区级 、 队级 、 站级 。站 级主要完成数据监测及上一级下发的指令 ； 队级 、 区级除了完成上级指令的下达和下级数据的上传 ， 同时在其级别 内实现智能调度 ； 厂级属于现阶段最 高级调度系统 ， 其主要功能包括 接收下级上传数 据 ， 控制下级调度系统 ； 安装有人机界面， 可 以实现 各级采油点的实时液位监控 ， 输油管道压力、 输油 泵状态及启停控制 ， 自动巡检以及各类报警 ， 实时 数据 、 历史数据查询 ， 图表分析等。 2 ． 2 分 时控 制 各级调度系统采用轮询方式对其下一级调度 系统进行调度 ， 如果某级轮询到紧急事件 ， 将通过 中断方式将数据直接传送至厂级调度系统， 厂级调 度系统根据事件优先级进行处理。此分时、 分级调 度缩短了各站点的轮询时间 ， 增大了各个站点 的轮 询频率 ， 保证事件能够在第一时间得到处理 。 2 ． 3 工作方式及其他功能 1 调度系统采用轮询方式查询各个储油罐液 位以及输油管 网压力， 首先开启液位最高的储油罐 对应的输油泵 ， 当液位低 于稠 油下限时关停输 油 泵 。若某条输油支路压力过高， 则在此条输油管线 所连接 的储油罐 内寻找 已经开启输油泵的站点 ， 关 停储油罐液位较低 的输油泵 ， 以稳定输油 管网压 力， 保证输油管线的高效安全运行。 2 当调度系统发现异常数据 时， 在调度 系统 能解决范围内的， 调度 系统处理 ； 若非调度 系统能 够解决的事件则报警 ， 提出人工干预 ， 同时系统正 作 常运行 。报警事件解决后 ， 系统消除报警 。 3 调度系统还具有冬季盘泵 功能， 当系统检 查到环境温度低于一定值后 ， 调度系统将对其管辖 范围内的输油泵进行盘泵 ， 即无论输油罐液位是否 达到泵开启 的上限， 都会间隔启动 。 3 结束语 物联 网变送器AI 调动系统在输油管网的应 用 ， 解决了长期以来依赖人工观察储油罐液位 、 开 启输油泵的缺陷， 大幅减少了人工巡井次数 ， 减小 了人工劳动强度 ， 提高 了劳动效率 。 参考文献 [ 1] 郭瑞祥． P L C控制 系统在油 田生产 中的应用 [ J ] ． 电子技术 与软件工程 ， 2 0 1 4 O 8 2 5 2 2 5 3 ． [ 2] 尤立华．S C ADA系统 在克乌管 道原油 密闭输 送工 艺的应 用 口] ． 仪器仪表用户 ， 2 0 1 4 0 2 5 7 5 8 ． [3 ] 韩京 清． 非线 性 P I D控 制 器 [ J ] ．自动 化学 报 ， 1 9 9 4 0 4 48 74 9 0 ． [4 ] 吴宏鑫 ， 沈少萍． P I D控制的应用 与理论依据 E J ] ． 控制 工程 ， 2 0 0 3 01 3 7 4 2 ． [ 5 ] 孙其博， 刘杰， 黎葬， 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