氣體燃料汽車加氣站安防監控系統的應用

摘 要

摘要：結合氣體燃料汽車加氣站安防監控系統的建設實踐，從加氣站工藝出發，分析了加氣站可燃氣體的理化性質，闡述了車用氣體燃料加氣站監控系統的方案。關鍵詞：氣體燃料加氣站；加氫站
摘要：結合氣體燃料汽車加氣站安防監控系統的建設實踐，從加氣站工藝出發，分析了加氣站可燃氣體的理化性質，闡述了車用氣體燃料加氣站監控系統的方案。
關鍵詞：氣體燃料加氣站；加氫站；安防監控系統
Application of Security Prevention Monitoring System in Gas-fuel Vehicle Filling Station
WU Zhu，HUO Chao-feng，FU Yu-min，LIU Xue-song
Abstract：Combined with the construction practice of security prevention monitoring system in gas-fuel vehicle filling station，the physicochemical property of combustible gas in the filling station is analyzed from the filling station process. The scheme of the security prevention monitoring system in gas-fuel vehicle filling station is expounded.
Key words：gas-fuel filling station；hydrogen filling station；security prevention monitoring system
1 概述
   2010年上海世博會在上海舉行。作為本屆世博會的最大看點之一，如何讓生活更美好，智能化城市建設是其中最重要的主題之一。智能城市的各種應用首先體現在公共安全和應急聯動上。基于全球眼等功能的智能城市公共安全監控把監控網布署到新天地、南京路等市區內主要的繁華區域和商業區及住宅區，所有的視頻監控信息都被記錄起來作為未來的犯罪記錄和證據。日常巡邏的警務人員也可以通過無線網絡查看幾個街區的實時視頻圖。
   通過后端系統的整合，將各種信息進行綜合化關聯處理，智能城市還可實現多部門的應急聯動。相關職能部門(公安、消防、交通、急救、水、電、氣、城管等)通過無線技術協同起來、統一指揮、聯合行動，從而能夠提供高效的緊急救援支持。
    作為屬易燃易爆場所的氣體燃料汽車加氣站，在世博會期間在為上海市民提供便捷、高效的清潔燃料(LPG、CNG、二甲醚、氫氣)加注服務的同時，也需提高安全監控能力。上海新奧九環車用能源股份有限公司作為目前上海最大的車用清潔能源分銷商之一，積極響應市政府號召，在下屬所有加氣站內安裝基于網絡的數字監測與安防監控系統，對加氣站進行實時監測，監控報警分析并實現與110聯動，最大程度降低火災等事故帶來的損失。
2 氣體燃料加氣站對安防監控的需求分析
    鑒于氣體燃料汽車加氣站屬于易燃易爆場所，且外來車輛及往來人流量大，視頻安防監控系統需肩負著整個氣體燃料汽車加氣站區環境的安全防范及消防監控工作，為此對站內安防監控系統提出了新的要求[1～5]。
   ① 泄漏監測
   根據氣體燃料汽車加氣站區特殊的火災危險性和可燃氣體及易燃液體泄漏監測實際需要，其消防安全監測參數主要是區域內可燃氣體濃度、成分及氣體燃料儲罐的溫度、液位、壓力等參數。此外，由于氣體燃料汽車加氣站內儲存的可燃氣體含碳量較少，燃燒較充分，在火災燃燒初期不會產生或少量產生煙氣，火災監測應著重考慮火焰探測和圖像監測問題。
    ② 加氣站工作區域監控
    視頻監控確保覆蓋站內所有關鍵區域，實時監控記錄站內每個關鍵區域信息，發現異常情況，及時處理，確保站內安全。
    ③ 基于網絡的數字視頻監控
    對于監測到的報警信息應能第一時間上報到當地消防、公安部門，實現聯動。為了讓視頻監控更為有效，應能對由于自然環境或者人為等因素的誤報警及時準確分析，降低誤報警對當地消防部門的影響。
3 氣體燃料加氣站工藝介紹
    氣體燃料加氣站主要有LPG汽車加氣站、二甲醚加注站(DME加注站)，CNG汽車加氣站、氫氣加氣站(氣態H2加氣站)，其經營的是易燃、易爆的特殊商品，根據零售經營服務的特點，要求24h服務。
3.1 LPG汽車加氣站
   ① LPG汽車加氣站簡介
   a. 加氣區
   這個區域是LPG汽車加氣站的主要經營場所，它由站房、加氣棚、加氣島3部分組成。站房主要有控制室、營業室、接待室、站長室、值班室、配電室等。
    b. 儲罐區
    這個區域是加氣站的危險區域，它包括儲罐和卸氣場地2部分。站內液化石油氣儲罐采用的是臥式儲罐，埋于地下，并采用集中布置。
    c. 車行道和停車場——加氣站的進、出口分別設置，車行道的轉彎半徑不小于9m，加氣島之間的間距不小于6m。停車場和道路路面為不發火地坪。
   ② LPG的理化性質
   LPG是丙烷、丙烯、丁烷、丁烯等組成的烴類混合物，常溫常壓下為無色、易燃、低毒氣體，添臭味劑后有特殊的臭味，氣態相對密度為1.5～2.0(比空氣重)，低溫或加壓下為棕黃色液體。液態相對密度為0.5(比水輕)，微溶于水，由液態變氣態體積擴大250～300倍，同時吸收大量熱量，出口易結冰并形成霧區。
    a. 燃燒性強，燃燒速度快，蔓延面積大。根據計算，在敞開的空間燃燒速度為100～4000m/s，蔓延面積大，只要在爆炸極限內不管逆風與否都能爆燃。
    b. 火焰溫度高，熱值大，輻射熱強。空氣中燃燒溫度可達1800℃，爆炸時可達2000℃。
    c. 爆炸速度快，破壞性強，沖擊力大。爆炸速度為2000～3000m/s，爆炸時既有物理性爆炸，又有化學性爆炸，且具有一推一拉的爆炸性、沖擊波和負壓效應的破壞性。
    d. 復燃的危險性大，即使堵住泄漏，火也已經滅了，流散在低處或管溝中的氣體遇火源仍能導致爆炸燃燒。
3.2 CNG汽車加氣站及氫氣加氣站
    由于CNG汽車加氣站與氫氣加氣站內設備組成及加氣流程相似，本文放在一起介紹。
    ① CNG汽車加氣站及氫氣加氣站簡介
    a. 加氣區
    這個區域是CNG汽車加氣站及氫氣加氣站的主要經營場所，它由站房、加氣棚、加氣島3部分組成。站房主要有控制室、營業室、接待室、站長室、值班室、配電室等。
   b. 儲氣瓶組區
   這個區域是加氣站的危險區域，它包括儲氣瓶組和卸氣場地2部分。站內壓縮天然氣及氫氣儲氣瓶組采用的是臥式瓶組，固定在地面獨立支架上，一般采用6個或9個氣瓶為1組，且儲氣瓶組間距不小于1.5m。
    c. 壓縮機區
    這個區域為加氣站氣體增壓區域，其主要功能為將外來氣體加壓儲存在站內儲氣瓶組內，以及當儲氣瓶組內壓力過低時，將儲氣瓶組內氣體加壓后，通過加氣機，加注到車輛中。
   d. 車行道和停車場地
   加氣站的進、出口分別設置，車行道的轉彎半徑不小于9m，加氣島之間不小于6m。停車場和道路路面為不發火地坪。
   ② CNG及氫氣的理化性質
   天然氣的低熱值為34.91MJ/m3，主要成分為甲烷，其密度在0℃、101.325kPa時為0.7174kg/m3，相對密度為0.5548，天然氣比空氣輕，完全燃燒時，需要大量的空氣助燃。在封閉空間內，天然氣與空氣混合后易燃、易爆，當空氣中的天然氣體積分數達到5%～15%時，遇到明火就會爆炸。
    氫氣是一種無色、無嗅、無味的氣體，在標準狀態下(溫度為0℃、壓力為101.325kPa)密度是0.08987kg/m3，是空氣的2/29倍。氫的分子運動速度最快，故具有最大的擴散度和很高的導熱性，其導熱能力是空氣的7倍。氫氣的燃點較高，為574℃，但其點火能很小，很容易著火，在微小的靜電火花下也容易著火。氫氣在空氣中(20℃、101.325kPa條件下)爆炸極限為4.0%～74.5%，爆炸極限范圍很大，加上其很小的點火能和很大的擴散度，極易遇火而發生爆炸。
    a. 易擴散性
    擴散性是指物質在空氣及其他介質中的擴散能力，燃氣的擴散能力取決于密度與擴散系數2個主要因素，燃氣擴散能力越強，火勢蔓延越快，火災燃燒面積就越大。氫氣的火焰傳播速度可達3.1m/s。
   b. 易壓縮性
   CNG汽車加氣站及氫氣加氣站通常由管道或長管拖車供氣，經過壓縮機加壓前后其壓差約為20MPa，因此在火災事故情況下的危險性遠大于普通管道燃氣。
    c. 易燃燒性
    氫氣加氣站內氫氣點火能低，其最小點火能為0.02mJ，僅為汽油最小點火能的0.1倍，而且氫氣的火焰傳播速度比碳氫燃料快得多。
   d. 易爆炸性
   在燃氣火災事故中，約有一半以上的火災都是由爆炸引起燃燒的。天然氣爆炸極限為5%～15%，氫氣的爆炸極限為4%～74.5%。兩種氣體的爆炸下限均非常低，且氫氣的爆炸極限范圍很大，因此其火災危險性也更大。
4 氣體燃料加氣站監控系統的研究
4.1 系統整體布局
氣體燃料加氣站安防監控系統主要有視頻監控系統、氣體燃料儲存容器液位和壓力監測系統、壓縮機高壓和低壓監測報警系統、可燃氣體泄漏監測報警系統、火焰探測報警系統等，見圖1。
 
    系統采用雙路電源保障供電。配電線路一路是沒有經過變壓器的220V交流電，給熒光燈和電氣設備等供電；另一路是經過變壓器后，再經過整流橋和三端穩壓管形成穩定的5V直流電，作為芯片電源。全部采用開關電源，這樣可以有效地抑制電火花的產生。備用電源用于突然斷電時使用，維持系統繼續運行一段時間。各個子系統要有各自的運行顯示輸出；聲光報警系統采用警示鈴和警示燈2種方式，以引起工作人員的注意。
    各子系統分布情況：在加氣站進出口、儲氣區域、壓縮機區域及加氣區域安裝視頻監控系統，在氣體燃料儲存容器安裝液位和壓力監測系統，在壓縮機進、出口安裝高壓和低壓監測報警系統，在儲氣區域、壓縮機區域及加氣區域安裝可燃氣體泄漏監測報警系統，在儲氣區域及加氣區域安裝火焰探測報警系統。
4.2 系統模塊簡述
   ① 視頻監控系統
   加氣站將攝像機的圖像接入本地錄像設備即嵌入式硬盤錄像機，將模擬圖像進行數字化壓縮處理后通過專線或ADSL網絡上傳至網絡監控中心。在監控中心配備一定數量的監控管理主機，執行監控、錄像、集中管理等功能。采用數字化計算機全自動監控方案對目標范圍進行實時監控、錄像和再現，視頻信息以錄像文件形式保存在系統硬盤上，可方便地再現任意時間的監控內容。
    在加氣站進出口、儲氣區域、壓縮機區域及加氣區域，安裝攝像頭進行監控。主要用于觀察來往車輛狀況，有無不安全行為和不安全狀態，減少甚至避免明火的產生，并觀察儲氣區域的安全狀態。對于發生的事故，視頻監控系統利用其回放監控和分析的功能，為事故分析提供第一手資料，并利用數字網絡，傳輸至所有站點，作為安全教育學習的典型實例，加強員工的安全意識。
    ② 儲存容器液位和壓力監測系統
    儲存容器液位和壓力監測是氣體燃料加氣站生產及安全管理的主要參數之一。第一，氣體燃料是易燃、易爆危險化學品，對防爆要求特別高；第二，儲罐液位高限為罐容的85%；第三，壓縮天然氣和氫氣的充裝壓力不得高于儲罐的運行壓力。
    ③ 壓縮機高壓和低壓監測系統
    在壓縮機進、出口安裝高壓和低壓監測系統是對壓縮機實施超壓保護，是保證壓縮機安全運行不可缺少的措施。此類安全保護裝置一般由壓縮機制造廠配套提供，通過將報警信號接入加氣站控制室的PLC，實施對壓縮機進、出口壓力的遠程監控，確保壓縮機的安全正常運行。
    ④ 可燃氣體泄漏監測報警系統
    由探測器與報警控制器組成可燃氣體監測報警系統。當可燃氣體濃度達到設定值時，空氣的電導率發生變化，通過一個簡單的信號放大電路，控制聲
光報警系統。使用氣敏傳感器將被測氣體濃度轉變為電信號輸出。
    報警控制器監測原理：催化式；監測氣體：ⅡC級T3組可燃氣體，包括烷類、醇類、烯類、酮類、汽油等；監測范圍(體積分數)：0%～100%；報警設定：爆炸下限的25%，爆炸上限的50%，可在全量程任意設定；報警輸出信號：光電耦合輸出信號，輸出觸點容量DE 24V/50mA；溫度范圍：控制器0～40℃，探測器-40～70℃；相對濕度范圍：20%～93%；探測半徑：15m。
   ⑤ 火焰探測報警系統
   火焰探測器又稱感光式火災探測器，它是用于響應火災的光特性，即擴散火焰燃燒光照強度和火焰閃爍頻率的一種火災探測器。根據火焰的光特性，目前常使用的火焰探測器有2種：一種是對波長較短的光輻射敏感的紫外探測器，另一種是對波長較長的光輻射敏感的紅外探測器。紫外火焰探測器是對火焰發射紫外光譜高敏感性的一種探測器，它使用一種固態物質作為敏感元件；紅外光探測器一般包括一個過濾裝置和透鏡系統，用來篩除不需要的波長，而將吸收進來的光能聚集在對紅外光敏感的光電管或光敏電阻上。鑒于氣體燃料加氣站內氣體燃料的火災特點，也為了避免陽光或外界的電弧等的干擾，站內火焰探測器均采用紅外、紫外雙重火焰探測器。
5 上海世博加氫站監控系統應用實例
   上海世博加氫站位于濟陽路，是目前世界上單體規模最大、儲氫量、日加氣量及加氣車輛最多的商業示范運營的加氫站，其建設、運營單位為上海新奧九環車用能源股份有限公司。上海世博加氫站為2010年上海世博會氫燃料電池汽車(100輛燃料電池觀光車、60輛燃料電池轎車、6輛燃料電池大巴車)提供氫氣加氣服務，運營時間將超過半年，且日氫氣加氣總量超過250kg。上海世博加氫站的商業示范運行將為我國新能源汽車的積極發展起到極大的推動作用。
上海世博加氫站安防監控系統結構見圖2。系統的監測范圍是容積為13m3的儲氫容器、4臺氫氣壓縮機、4臺加氫機及其周邊區域，監測參數包括儲氫容器的壓力、壓縮機溫度、儲氫區及加氫區域氫氣泄漏量，儲氫區及加氫區20m范圍紅外、紫外火焰探測信息。系統共設8個可燃氣體泄漏點，4個火焰探測點，儲氫容器壓力、壓縮機溫度2個生產參數監測點，整個系統由監控主機管理。其中，儲氫容器壓力、壓縮機溫度2個監測參數取自站內PLC控制系統；可燃氣體泄漏監測報警采用8臺氫氣可燃氣體濃度探測器，每臺加氫機上方各安裝1臺共4臺，另外2臺安裝在壓縮機區域，2臺安裝在儲氫及卸氣區域；火焰探測報警共有4個火焰探測器，其中3臺為紅外、紫外火焰探測器，分別安裝在車輛加氫頂棚一側、卸氣區域及儲氫區域，另外1臺為三重紅外火焰探測器，安裝在車輛加氫頂棚另一側。根據監測要求，圖2系統還配備了生產安全和消防安全控制裝置，以實現放散閥以及站內緊急切斷閥的自動或手動控制。上海世博加氫站網絡信息系統計算機顯示界面見圖3，網絡視頻監控圖像見圖4、5。
6 結論
    ① 氣體燃料汽車加氣站安裝基于網絡的數字安防監控系統將有效地降低火災等事故對加氣站的危害，在第一時間發出警告，為事故隱患及事故救援提供有力支持，為保護環境安全提供保障。
    ② 通過各氣體燃料汽車加氣站安防監控系統的建立，進而組成一個安防監控網絡，通過集中的報警分析中心，可極大地提高管理效率，降低誤報警等事故。
    ③ 本文結合在世博會期間開展中加強城市加氣站安防監控系統建設的實踐，考慮了監控系統硬件和軟件2大部分。系統軟件設計將監測到的數據輸入系統中更有利于監控發現隱患。信息化管理、智能化監測更有利于系統拓展，為以后加氣站安全管理提供參考。
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(本文作者：吳竺 霍超峰 傅玉敏 劉雪松 上海新奧九環車用能源股份有限公司 上海 200086)