摘要：随着城市化建设的加快、燃气用户日益增多，导致各地城市燃气公司供应压力越来越大，特别是在冬季为确保民生和工业生产，城市燃气公司供应量往往是捉襟见肘。为了解决这种窘况，燃气公司建设LNG储配站正如火如荼。当然，作为LNG站的配套自控系统也必不可少；且自控系统在LNG站运营中也发挥着辅助决策、安全保障等重要作用，并在实际运行中也取得了满意的控制效果。
关键词：LNG站自控系统；阀门连锁
前言：由于近两年来国家政策和地方政府环保要求，禁止使用煤炭、和实行煤改气冬季清洁能源供暖政策。偏远地区和农村等地管道燃气建设还未建设到位，因此LNG气化站建设如雨后春笋。作为LNG站重要一环的自控系统作用重大，它不仅可以辅助生产运营，而且还在保障安全生产方面发挥着极其重要的作用。
1 LNG的特性
LNG（Liquefied Natural Gas），即液化天然气。LNG是通过在常压下将气态的天然气冷却至-162℃环境下，使之凝结成液体。他的主要成分是甲烷（CH4），LNG 常温常压下极易蒸发成为气态，NG密度比空气小爆炸极限为5%至14%。与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热源和明火极易燃烧爆炸，与氟、氯等接触会发生剧烈的化学反应。
2 LNG气化站自控系统存在的问题与需求
安全第一、预防为主、综合治理，是我国安全生产的基本方针。
由于燃气自动化在我国起步较晚，一些早期建设的燃气场站（LNG站、门站）紧急停车系统不完善、安全联锁保护缺失，甚至没有PLC控制系统，仅仅是通过二次显示仪表柜显示现场变送器数据。除了PLC核心系统外，可燃气体泄露报警系统、视频监控系统以及周界入侵检测系统在LNG站安全生产方面也起着很大的作用。
近几年安全生产事故频出，例如2019年江苏盐城 3.21安全生产事故。在该事故调查发现有关安全隐患问题清单中，江苏天嘉宜化工有限公司有13项问题，其中5项是关于自控系统内容。5项自控系统安全内容如下：
1.硝化装置设置联锁后未及时修订、变更操作规程。
2.部分二硝化釜的DCS和SIS压力变送器共用一个压力取压点。
3.构成二级重大危险源的苯罐区、甲醇罐区未设置罐根部紧急切断阀。
4.部分二硝化釜补充氢管线切断阀走副线，联锁未投用。
5.现场询问的操作员工不清楚装置可燃气体报警设置情况和报警后的应急处置措施，硝化车间可燃气体报警仪无现场光报警功能。
3 LNG气化储配站自控系统设计
3.1 PLC系统设计
系统采取全面的安全保护措施，系统具有严格的人员权限控制逻辑，建立合理的数据安全及系统安全策略，具有高度的安全性和保密性。对接入系统的设备和用户，进行严格的接入认证，以保证接入的安全性。系统支持对关键设备、关键数据、关键程序模块采取备份、冗余措施，有较强的容错和系统恢复能力，确保系统长期正常运行。PLC系统采取冗余型、模块化、集散型、分布式系统构造和控制方式，从系统设计的结构形式和控制方式的角度来提高系统总体的可靠性，分散故障风险，降低系统出现整体故障的可能性。
3.1.1 PLC系统的基本设计要求
LNG气化储配站PLC系统涉及到LNG储罐压力控制、液位监控、漏气报警、流量加臭、消防报警等一系列控制过程，系统结构复杂。在整个PLC系统的设计中，必须全方位地考虑系统的设计需求，确保系统能够安全可靠地运行。LNG气化储配站PLC系统的基本设计要求包含以下：
1.实现LNG气化储配站的数据、状态采集。
2.连锁保护（液位超限，燃气泄漏切断阀门）、阀门控制。
3.流量计连锁自动加臭。
4.消防水泵的联动（保护）。
5.可燃气体泄漏报警功能。
6.防护堤潜水泵手自动运行。
3.1.2控制系统的硬件选型
（1）PLC系统的硬件结构选用热备冗余的，模块化的，具有扩展性。具有数据采集及处理、数据存储、天然气流量计算、逻辑控制等能力。能通过可编程的通信接口与第三方的计算机监测系统或智能仪表进行数据交换。
（2）PLC系统全面支持Modbus TCP通讯协议、Modbus RTU工业串行通讯协议、RS232/485串行通讯协议、HART协议，以及Profibus现场总线协议。
（3）PLC系统所选用的模板是可热插拔型模板。
（4）PLC系统支持完全在线下载，减少操作停工时间。
3.1.3工艺区采集设备选型
（1）变送器系列
1.压力变送器及液位差压变送器采用ROSEMOUNT/3051系列和SIEMENS/DSIII系列智能性产品，产品具有相关的计量认证和防爆安全认证。采用隔爆型，根据测量介质选择相应的防爆等级和温度组别。
2.测量低温工艺参数的变送器，测量隔离膜片及传感器灌充液具有耐低温（-200℃）性能。
3.变送器防水防尘防护等级要求为IP65以上。
4.变送器输出为4-20mA/HART协议输出。带数字显示表头。
5.变送器具有防雷配置。
（2）防爆铂电阻
LNG为易燃、易爆气体，如果是同普通的铂电阻非常不安全，极易引起环境气体爆炸。因此，必须使用隔爆热电偶做温度传感器。防爆铂电阻采用国产优质品牌，带不锈钢护套的PT100，且三线制电阻信号输出至现场防爆采集箱内。
（3）燃气探测报警器
1.燃气探测器检测介质为CH4，两段式报警（防爆型）。
2.燃气报警控制器安装在控制室内，独立安装，与燃气探测器配套供货。燃气探测报警控制器采用的产品，质量符合《石油化工企业可燃性气体和有毒气体检测报警设计规范SH3063-1999》和《可燃气体探测器技术要求和实验方法GB15322-94》等国家相关标准。
（4）压力表和温度计
压力表和温度计采用国产优质品牌，同时考虑测量低温LNG介质的特殊性要求，气化器前后的管道安装不锈钢材质压力表。
3.2上位机系统软件功能设计
（1）登录
输入用户名和密码登录系统。为了保证系统用户账户的安全性，系统用户密码要求不少于16位以上中英文字符。
（2）数据采集控制功能
SCADA系统定时自动巡测各个测站，定时时间间隔可任意选择。系统采集软件支持TCP/IP、GSM、GPRS、CDMA、4G等多种通信方式，与现场RTU进行通信，执行遥测功能，把现场RTU采集到的数据（包括模拟量、脉冲量和开关量）传送到中心台计算机上，操作员可以通过图形画面实时显示采集到的最新数据。SCADA系统控制操作命令通过采集控制驱动程序，能向现场的RTU发送遥控指令，现场RTU设备根据指令，对现场设备的开、停进行控制，并把遥控结果返回给中心台。
（3）数据传输功能
系统数据通信协议采用OPC、TCP/IP、MODBUS等标准通信协议，支持有线、无线GSM/CDMA/CDMA等多种方式与现场设备，或其他的系统进行通信。这些标准协议的采用保证了用户不被局限在某个硬件和软件生产厂商的产品上，便于系统今后的扩展和维护。
同时系统标准的数据传输功能为其它管理系统如模拟仿真系统、MIS、GIS、Call Center 等提供接口，进行数据交换、数据共享，实现与GIS、MIS 或Call Center 等系统的集成。
（4）显示功能
调度中心对采集到的各种数据，在显示屏上以画面、报表、图像的形式动态显示系统的工艺过程、参数、设备工况。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
显示屏幕上可以显示当前监测的数据，亦可显示历史数据（趋势曲线），显示时，可以通过颜色变化、百分比、色标填充等手段增强画面的可视性。
（5）数据分析功能
调度中心系统是整个系统的管理中枢，而调度人员又是调度中心系统的执行者，因此如果调度系统能够为调度人员提供一些参考信息，帮助调度人员更加科学、合理管理整个管网的运行，将会节约能源，减少不必要的浪费，增加经济效益。例如，根据现场上传的运行数据，经过计算分析，可以得出高峰段用气量。
（6）数据应用处理（趋势曲线、报表、打印功能）
调度系统对存放在数据库中的数据，可进行最大值、最小值、平均值、偏差值、累积值和其它各种特殊的运算处理。并可根据需要，生成各类报表、趋势曲线、实用图表，包括即时报表、日报、月报、年报、各类趋势曲线、棒（饼）状图等等。系统具备报表自动生成功能，即操作人员利用系统提供的实用程序，通过简单的人机对话或定时功能，可以录入天气情况、值班人员、交接班日志、当日班故障分析及处理等信息，就可完成各类报表的制作工作，并具有定时打印和随机打印的功能。
（7）报警功能
实时报警：当故障发生时，发出声光警报，显示故障点和故障状态，可按照报警等级做出相应反应，记录故障的信息，并在显示画面上提示处理故障的方法。
模拟量报警包括：高峰值报警值、低峰值报警值；
开关量报警包括：开报警、关报警、开转关、关转开、状态转换五种；
历史报警：可以自动将报警和操作信息存入标准的SQL数据库中（以服务方式运行）。通过ODBC方式可以查询任意时间段的报警记录。
（8）数据库管理功能
系统在定时完毕后，把采集到的定时数据自动存盘，形成SCADA历史数据库文件；系统可对历史数据进行查看、检索、修改，同时对数据丢失的站点参数可在数据查询时进行人工录入。
（9）操作权限
系统具有多级操作权限，统一级别的用户具有相同的权利。比如对于一些控制功能，必须具有一定级别的操作员才能够进行操作。
本调度系统的工作站划分多个操作权限。系统管理员：系统所有画面的浏览、操作、数据输入及系统的修改和维护。
调度人员：系统画面的浏览、操作和数据输入。
其他人员：系统画面的浏览。具体的用户名称和密码将由用户预设。
3.3视频监控系统设计
3.3.1视频监控系统的结构设计
视频监控系统分为三部分，第一部分在各需要监控的重点要部位安装监控前端设备（防爆区域选用防爆枪机）；第二部分为传输网络，主要完成前端设备信号的传输到监控中心第三部分为监控中心设备，主要安装视频工作站、硬盘录像机系统等。在中心控制室内可以通过高清监视器，实现对各个监视点图像进行监视。
前端摄像部分要安装在监视现场，它要包括高清网络红外高速球摄像机、高清网络防爆摄像机，所有摄像机含摄像机、镜头、防护罩、支架、防雷器等设备，满足LNG储配站环境应用的实际需求。
系统可以选择不同的图像保存方式：定期定时保存、报警触发保存、手工操作现场保存等：用户可以根据实际需要来选择图像保存方式。
3.3.2视频监控系统的功能设计
视频监控系统，通过网络硬盘录像机（或视频工作站）等设备，实现以下功能：
1）监视功能：在监示器上对整个厂区内生产构筑物进行监视。
2）控制功能：可通过控制键盘对任一摄像机的云台、镜头等进行操作控制；可将所有的监视图像编成序列，进行自动循环显示；还能进行分组切换。
3）录像功能：可采用立即录像、定时录像和视频报警触发录像，将每路视频信号录制成文件进行保存。用户可以将录像文件以光盘刻录的方式加以保存。
4）录像检索及回放功能：可通过设定时间、日期、线路等检索条件，在硬盘录像中查找以前录制的文件。并能进行回放，回放可选择两路同时或单路回放，回放的速度可调，回放时可进行快进、快退、暂停、停止等操作。
5）安全功能：具有密码保护的功能，通过对不同级别的用户赋予不同的操作权限，防止非授权人员进行误操作。
6）网络发送功能：支持局域网视频图像传输，其它客户端计算机可查看现场图像。
7）盘满自动覆盖功能：当前的硬盘存满后，自动删除最早的录像文件。
8）图像汉字叠功能：监视器能同时显示图象和汉字（图像的必要信息）。
9）扩展功能：在不影响原有设备的使用基础上，可根据需求增加监控点，软件基本不变。
10）报警联动功能：报警装置启动时，报警点附近的摄像机将快速联动，对准相关区域。
3.4电子围栏系统设计
为了最大程度保障周界的安全和适应新形势下的要求，LNG储配站采用知名品牌广拓的先进可靠的脉冲电子围栏安全防范设备，相信在人防和技防的紧密结合下，将充分发挥先进的现代科学技术防范手段的积极作用，大大提高安全系数。
3.4.1电子围栏系统设计
电子围栏系统，就是在周界设置脉冲电子围栏探测器，形成一道电子围墙进行防范和管理。电子围栏系统是第一道防线，也是最重要的一道防线。担负着基地的安全与保卫工作。当有人非法翻越围墙或破坏，探测器可立即将警情传送到管理中心，管理中心对报警信号进行接收和处理，电脑上弹出的高速铁路入侵区域的监控画面；同时，外接的录播喇叭开始发出声音驱赶；中心值班人员通知巡逻中的保安人员立刻赶往现场处理。中心保安人员在现场处理完毕后，对报警主机及探测器的报警状态进行恢复。现场报警同时也能警号报警，提醒附近职工注意，协助保安人员。
当今世界安全防范技术现代化发展的方向是将视频监控、周界报警、门禁系统、入侵探测、出入口控制、巡更系统等，与电脑数码控制系统集成在一起，形成一个现代化、多功能、全天候的动态综合安全管理系统。
电子围栏作为安防系统的第一道防线，作用十分重要，已从单体的报警再确认，发展成威慑阻挡加报警。但国内目前在技术和应用水平上与国外相比相差甚远，所使用的产品只能报警，无阻挡功能。
3.4.2报警原理
短路报警
从脉冲主机上发射出分为正负两个回路的高压脉冲，正高压在正5000V至正10000V的高压脉冲电，负高压在负5000V至负10000V的高压脉冲电，正负相间，任何一根线和大地之间都有5000V以上的电压差，任何相邻两根线都有将近10000V的电压差。
断路报警
当触碰任何一根围栏导线的时候都会受到脉冲电的打击，同时碰触到两根围栏线更会受到电击，防范非常严密.当入侵者试图剪断围栏 强行进入则会发生报警。换个角度讲，围栏上运行的脉冲电压在5000V---10000V之间，报警电压直是3000V和10000V，当外界扰动或者破坏，使围栏电压泄露，泄露到3000V以下或者电压升高10000V以上则会发生报警.
报警接收采用总线通讯方式。在控制中心显示报警信息，中心接收到报警信号，值守人员通过报警的声音提示，可以在第一时间了解现场所发生的一切情况，保证及时告警，中心管理人员通知巡逻中的保安人员或临近报警区域的保安立刻赶往现场处理。中心保安人员在现场处理完毕后，及时对现场探测器的报警状态进行。
4结语
综上所述，随着液化天然气在生产生活中的使用率提升，液化天然气气化站的机械化自动控制化水平也在不断上升，为了更好地进行液化天然气加工，需要实现液化天然气气化站的自动化控制。在实现气化站控制自动化的同时，保证气化站的人员和财产安全，做到安全高效的生产。
参考文献：
[1]大型台车式电阻炉预测模糊温度控制系统[J].陶凌，黄润. 南昌大学学报（理科版）.2008（02）
[2]应用LNG进行城市天然气调峰的研究[J].刘军. 上海煤气.2006（05）
[3]城市天然气调峰的探讨[J].徐正康，张宝金，乔珩. 煤气与热力.2005（04）
[4]LNG气化站的设计[J]胡炯华 有色冶金设计与研究
[5]LNG储罐的建造技术[J]李建军 焊接技术
论文作者:李仕杰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/14
标签：系统论文; 功能论文; 围栏论文; 现场论文; 操作论文; 数据论文; 脉冲论文; 《基层建设》2019年第28期论文;