摘要：探討煤層氣液化工廠自控系統的方案和主要儀表設備的選型，特別對感煙探測器的選型進行了深入分析。

關鍵詞：  煤層氣液化；  自控系統；儀表選型；  感煙探測器；  煙霧探測器

Scheme of Automatic Control Systems and Type Selection of Instruments and Equipment at Coalbed Methane Liquefaction Plant

Abstract：The scheme of automatic control systems and type selection of main instruments and equipment at a coalbed methane liquefaction plant are discussed.The type selection of smoke detector is specially analyzed.

Key words：  coalbed methane liquefaction；  automatic control system；type selection of instrument；  smoke detector；  smog detector

煤層氣的利用方式一般為在煤礦附近建設煤層氣液化工廠，將煤層氣液化后，裝車外運。煤層氣液化工廠一般設有原料氣壓縮機房、液化工藝裝置區、LNG儲罐區、LNG充裝臺、變配電站、生產輔助用房、總控制室、綜合樓等。煤層氣液化過程復雜，安全性要求高，連續性強，因此需配備完善的自控系統。煤層氣液化自控系統包括緊急停車系統(ESD)、集散控制系統(DCS)、火氣系統(FGS)、工業電視監控系統(CCTV)，其中緊急停車系統用于緊急情況下現場設備的安全保護，集散控制系統用于工藝過程控制和運行操作，火氣系統用于火災連鎖報警，工業電視監控系統用于重要部位圖像監控。本文對自控系統的方案和主要儀表設備的選型(特別是感煙探測器)進行探討。

1 自控系統方案

緊急停車系統、集散控制系統、火氣系統、工業電視監控系統均設置在總控制室內，實行集中管理，并且可以通過Web方式進行遠程管理。

①緊急停車系統

ESD按照安全、獨立的原則，與DCS相互獨立，并且安全級別高于DCS。在生產運行正常的情況下，ESD處于靜態，不需要人為干預。當生產裝置出現緊急情況時，ESD不需要經過DCS，直接發出保護連鎖信號，對生產裝置進行安全保護，避免事故擴大造成嚴重損失。

ESD與FGS相互關聯，協調運行。當生產裝置發生泄漏、火災等緊急情況時，ESD接收FGS的信號，控制相關的設備停車。ESD應充分體現技術上的先進性、功能上的完備性、安全性和數據上的高可靠性，采用冗余控制系統對生產裝置進行連鎖控制。

②集散控制系統

DCS主要具有顯示工藝參數、記錄趨勢、記錄歷史事件、報警、連鎖控制、打印、制表及動態顯示流程畫面等功能，實現主要設備開停機控制、程控閥切換控制。當工藝參數超出正常范圍時，DCS能記憶、顯示、打印并報警，根據有關的連鎖保護規定，完成相關設備的啟動或停車，打開或關閉相關閥門，并且可以手動操作設備的啟停和調整運行狀態。

DCS主要由操作員站、現場控制站、機柜、打印設備等組成，采用冗余控制系統，以冗余環形高速工業以太網(100 Mb／s)為骨干通信網絡，采用MACS系統組態，操作平臺采用Windows。

③火氣系統

FGS探測可燃氣體的泄漏或火情，以及時采取相應措施。FGS配備的現場探測和報警設備有：可燃氣體探測器、火焰探測器、感溫／感煙探測器、高(低)溫探測器、火災報警按鈕、聲光報警裝置等。FGS按隔爆型系統設計。

在原料氣壓縮機房、液化工藝裝置區、LNG儲罐區、LNG充裝臺等危險區域設置可燃氣體探測器，探測信號傳送至FGS的控制部分，當可燃氣體濃度超標時發出報警信號。

在LNG儲罐頂部設置2支溫度檢測探頭，當2支溫度檢測探頭同時檢測到高溫信號時，將自動啟動干粉滅火系統，同時啟動ESD連鎖關閉儲罐進出液閥和LNG泵。

在LNG儲罐頂部、LNG充裝臺、液化工藝裝置區各設置2支火焰檢測探頭。當2支火焰檢測探頭同時檢測到火焰信號時，總控制室發出報警，啟動消防噴淋水系統，同時啟動ESD連鎖關閉儲罐進出液閥和LNG泵。，

在儲罐區圍堰、充裝臺的導流渠和集液池內各設置2支低溫檢測探頭。當2支低溫檢測探頭同時檢測到低溫信號時，自動啟動泡沫滅火系統，同時啟動ESD連鎖關閉儲罐進出液閥和在總控制室、變配電站內設置可編址的感煙探測器，感煙探測器可根據設置房間的防火等級調節靈敏度。

在總控制室的電纜溝、電纜橋架及充裝臺等處設置纜式感溫探測器，可根據電纜防火等級設定報警溫度為70～90℃。

廠區主要出入口裝設手動報警按鈕，現場操作人員一旦發現火情可以立即按下手動報警按鈕，現場產生聲光報警，提示現場人員按照指示燈方向撤離。從生產區內任何一點至最近的手動報警按鈕不超過30 m。

在總控制室內設置火災自動報警控制盤，接收來自總控制室、變配電站、壓縮機房、液化工藝裝置區、LNG儲罐區、充裝臺等處的火氣檢測信號，通過火災自動報警控制盤實現安全操作。火災自動報警控制盤具備如下功能：回路式及總線地址編碼式混合使用；能識別出每個探測器／開關的故障報警；能識別出每個回路及每個手動報警按鈕的故障報警；具備啟動聲、光設施的接口；具有以太網接口，可以直接與以太網交換機連接；打印并顯示帶有時間的有關火警、故障并由有關人員確認的全部報警記錄；監督并顯示系統故障；監督并顯示探測器及回路的故障，監督并顯示主回路及二次線路的斷路、電源故障；優先接收火警信號。

④工業電視監控系統

CCTV用于廠區重要部位的圖像監視，所有監視點能自動或手動調整監視范圍，并可以設置為自動跟蹤功能。監視點分布在儲罐區、儲運區、液化工藝裝置區、火炬、主要出入口等處。CCTV主要設備有：中央控制柜、硬盤錄像機、模擬顯示器、遠程控制器、固定安裝的攝像頭等。

2 主要儀表設備的選型

①溫度儀表

LNG裝置的溫度為-170～300 ℃，裝置的測溫元件全部采用Ptl00熱電阻。熱電阻均為鎧裝型，按不同的區域配置保護管。

②流量儀表

按照使用場合不同，流量儀表分別采用低溫渦輪流量計、節流孔板和本安型差壓變送器。

③壓力儀表

現場指示選用彈簧管壓力表，其中腐蝕性介質選用不銹鋼防腐型。遠傳指示選用本安型壓力變送器。

④液位儀表

就地液位指示采用磁浮子液位計和玻璃板液位計，需要報警和連鎖的液位計采用液位開關實現。遠傳指示選用防爆型差壓控制器或本安型差壓變送器。

⑤調節閥

LNG裝置的調節閥主要有低溫調節閥和常溫調節閥。冷箱內使用的低溫調節閥采用長頸型單座調節閥。常溫調節閥根據介質、壓力等選用不同結構形式的調節閥，所有的調節閥都配有閥門定位器，關鍵調節閥有閥位信號返回器和手輪裝置。

⑥低溫探測器和火焰探測器

低溫探測器選用鉑熱電阻型。火焰探測器采用紫外／紅外復合型，按隔爆型設計。

⑦感煙探測器

a.離子式感煙探測器

離子式感煙探測器的傳感器的主要部分之一是電離室。電離室內設兩個電極，電極之間施加一定的電壓。電離室中設有放射源——镅241。镅是一種人造放射性元素，元素符號為Am，原子序數為95，镅半衰期最長的同位素的相對原子質量為243。镅241不穩定，通過α衰變放射出5.48 MeV的α粒子流(僅射線)，還發射出0.06 MeV的γ射線，半衰期為433 a。α粒子體積比較大，又帶兩個正電荷，具有很強的電離作用，很容易使電離室中的空氣電離，產生離子，使空氣成為導體，允許一定的電流在兩個電極之間通過。這樣，在兩個電極間形成電流：當煙霧進入電離室后，煙霧中的微小碳粒與離子結合，減弱了離子的移動，從而減弱了空氣的導電性，兩個電極間電流減小。當電流減小到一定值時發出電信號，送后續的控制系統。

離子式感煙探測器不僅能夠探測到可見煙霧，還能探測到不可見煙霧^[1]，早期報警能力非常強。

b.散射式光電感煙探測器

散射式光電感煙探測器由外殼、迷宮、光學探測室組成。外殼起保護作用，迷宮起遮擋光線的作用，并形成煙霧進入光學探測室的通道。光學探測室是傳感器，主要由發射管、接收管、聚焦透鏡、遮光窗(形成光學暗室)等組成。

在光學探測室內，發射管、接收管成一定角度布置。發射管光路和接收管光路之間的夾角稱為散射角，是散射式光電感煙探測器的重要參數。當散射角大于90°時，稱為前向散射；當散射角小于900時，稱為后向散射。當光學探測室內沒有煙霧時，接收管接收不到發射管發出的光線。當煙霧經過迷宮，進入光學探測室后，煙霧中的微小碳粒吸收和散射發射管發出的光線，散射的方向是四面八方的，其中一部分散射光就到達了接收管。接收管接收光線后，光元件的阻抗發生變化，產生光電流，電信號送后續的控制系統。

有的散射式光電感煙探測器增設了一組反光鏡，將散射到其他方向的大部分光線經過多次反射，匯聚到接收管，增大了光線的強度，提高了光學探測室的靈敏度。有的散射式光電感煙探測器采用雙向散射，即將前向散射和后向散射結合起來。在光學探測室內設置l個發射管和2個接收管，發射管和一個接收管構成前向散射，和另一個接收管構成后向散射。這種探測器同時具備前向散射和后向散射的優點，具有較強的光響應特性^[2]。

c.減光式光電感煙探測器

對于減光式光電感煙探測器，在光學探測率內，在沒有煙霧時，接收管接收發射管發出的光線。當煙霧進入光學探測室后，充滿了發射管和接收管之間的空間。煙霧中的碳粒對發射管發出的光線產生吸收、散射作用，減少了接收管接收的光線。光線變化后，光元件的阻抗發生變化，產生光電流，電信號送后續的控制系統。煙霧越濃，碳粒濃度越高，對光線的減弱程度越大，光元件產生的光電流越大。

光電感煙探測器是通過探測粒徑較大的碳粒來感知煙霧的，不能探測到不可見煙霧(碳粒粒徑小于0.4 μm)。目前，散射式光電感煙探測器應用較多，減光式光電感煙探測器應用較少。

d.感煙探測器的選型

從探測原理、使用經驗、國內產品現狀等方面綜合分析各種類型的感煙探測器，選用離子式感煙探測器和散射式光電感煙探測器。

在離子式感煙探測器的使用過程中，镅源是密封源，封裝在探測器中，無泄漏，無污染，使用者是安全的。但需注意的是，在探測器報廢或損壞后，一定要由生產廠家收同并對镅源進行統一處理，嚴禁隨意處置。镅的半衰期很長，若散落在普通人群中，將會對人體健康產生嚴重危害^[3]。

參考文獻：

[1] 郭玲玲.火災探測器現狀及其發展趨勢[J].安防科技，2010(5)：31-34.

[2] 蘇靜.淺談光電煙霧火災探測技術[J].安防科技，2010(3)：29-31.

[3] 陳厚，牛麗萍，董惠芬.火災報警器中镅-241放射源的輻射與防護[J].中國公共衛生，l997(8)：484-485

本文作者：李念紅

作者單位：西門子電氣傳動有限公司