摘要：探讨煤层气液化工厂自控系统的方案和主要仪表设备的选型，特别对感烟探测器的选型进行了深入分析。

关键词：  煤层气液化；  自控系统；仪表选型；  感烟探测器；  烟雾探测器

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

煤层气的利用方式一般为在煤矿附近建设煤层气液化工厂，将煤层气液化后，装车外运。煤层气液化工厂一般设有原料气压缩机房、液化工艺装置区、LNG储罐区、LNG充装台、变配电站、生产辅助用房、总控制室、综合楼等。煤层气液化过程复杂，安全性要求高，连续性强，因此需配备完善的自控系统。煤层气液化自控系统包括紧急停车系统(ESD)、集散控制系统(DCS)、火气系统(FGS)、工业电视监控系统(CCTV)，其中紧急停车系统用于紧急情况下现场设备的安全保护，集散控制系统用于工艺过程控制和运行操作，火气系统用于火灾连锁报警，工业电视监控系统用于重要部位图像监控。本文对自控系统的方案和主要仪表设备的选型(特别是感烟探测器)进行探讨。

1 自控系统方案

紧急停车系统、集散控制系统、火气系统、工业电视监控系统均设置在总控制室内，实行集中管理，并且可以通过Web方式进行远程管理。

①紧急停车系统

ESD按照安全、独立的原则，与DCS相互独立，并且安全级别高于DCS。在生产运行正常的情况下，ESD处于静态，不需要人为干预。当生产装置出现紧急情况时，ESD不需要经过DCS，直接发出保护连锁信号，对生产装置进行安全保护，避免事故扩大造成严重损失。

ESD与FGS相互关联，协调运行。当生产装置发生泄漏、火灾等紧急情况时，ESD接收FGS的信号，控制相关的设备停车。ESD应充分体现技术上的先进性、功能上的完备性、安全性和数据上的高可靠性，采用冗余控制系统对生产装置进行连锁控制。

②集散控制系统

DCS主要具有显示工艺参数、记录趋势、记录历史事件、报警、连锁控制、打印、制表及动态显示流程画面等功能，实现主要设备开停机控制、程控阀切换控制。当工艺参数超出正常范围时，DCS能记忆、显示、打印并报警，根据有关的连锁保护规定，完成相关设备的启动或停车，打开或关闭相关阀门，并且可以手动操作设备的启停和调整运行状态。

DCS主要由操作员站、现场控制站、机柜、打印设备等组成，采用冗余控制系统，以冗余环形高速工业以太网(100 Mb／s)为骨干通信网络，采用MACS系统组态，操作平台采用Windows。

③火气系统

FGS探测可燃气体的泄漏或火情，以及时采取相应措施。FGS配备的现场探测和报警设备有：可燃气体探测器、火焰探测器、感温／感烟探测器、高(低)温探测器、火灾报警按钮、声光报警装置等。FGS按隔爆型系统设计。

在原料气压缩机房、液化工艺装置区、LNG储罐区、LNG充装台等危险区域设置可燃气体探测器，探测信号传送至FGS的控制部分，当可燃气体浓度超标时发出报警信号。

在LNG储罐顶部设置2支温度检测探头，当2支温度检测探头同时检测到高温信号时，将自动启动干粉灭火系统，同时启动ESD连锁关闭储罐进出液阀和LNG泵。

在LNG储罐顶部、LNG充装台、液化工艺装置区各设置2支火焰检测探头。当2支火焰检测探头同时检测到火焰信号时，总控制室发出报警，启动消防喷淋水系统，同时启动ESD连锁关闭储罐进出液阀和LNG泵。，

在储罐区围堰、充装台的导流渠和集液池内各设置2支低温检测探头。当2支低温检测探头同时检测到低温信号时，自动启动泡沫灭火系统，同时启动ESD连锁关闭储罐进出液阀和在总控制室、变配电站内设置可编址的感烟探测器，感烟探测器可根据设置房间的防火等级调节灵敏度。

在总控制室的电缆沟、电缆桥架及充装台等处设置缆式感温探测器，可根据电缆防火等级设定报警温度为70～90℃。

厂区主要出入口装设手动报警按钮，现场操作人员一旦发现火情可以立即按下手动报警按钮，现场产生声光报警，提示现场人员按照指示灯方向撤离。从生产区内任何一点至最近的手动报警按钮不超过30 m。

在总控制室内设置火灾自动报警控制盘，接收来自总控制室、变配电站、压缩机房、液化工艺装置区、LNG储罐区、充装台等处的火气检测信号，通过火灾自动报警控制盘实现安全操作。火灾自动报警控制盘具备如下功能：回路式及总线地址编码式混合使用；能识别出每个探测器／开关的故障报警；能识别出每个回路及每个手动报警按钮的故障报警；具备启动声、光设施的接口；具有以太网接口，可以直接与以太网交换机连接；打印并显示带有时间的有关火警、故障并由有关人员确认的全部报警记录；监督并显示系统故障；监督并显示探测器及回路的故障，监督并显示主回路及二次线路的断路、电源故障；优先接收火警信号。

④工业电视监控系统

CCTV用于厂区重要部位的图像监视，所有监视点能自动或手动调整监视范围，并可以设置为自动跟踪功能。监视点分布在储罐区、储运区、液化工艺装置区、火炬、主要出入口等处。CCTV主要设备有：中央控制柜、硬盘录像机、模拟显示器、远程控制器、固定安装的摄像头等。

2 主要仪表设备的选型

①温度仪表

LNG装置的温度为-170～300 ℃，装置的测温元件全部采用Ptl00热电阻。热电阻均为铠装型，按不同的区域配置保护管。

②流量仪表

按照使用场合不同，流量仪表分别采用低温涡轮流量计、节流孔板和本安型差压变送器。

③压力仪表

现场指示选用弹簧管压力表，其中腐蚀性介质选用不锈钢防腐型。远传指示选用本安型压力变送器。

④液位仪表

就地液位指示采用磁浮子液位计和玻璃板液位计，需要报警和连锁的液位计采用液位开关实现。远传指示选用防爆型差压控制器或本安型差压变送器。

⑤调节阀

LNG装置的调节阀主要有低温调节阀和常温调节阀。冷箱内使用的低温调节阀采用长颈型单座调节阀。常温调节阀根据介质、压力等选用不同结构形式的调节阀，所有的调节阀都配有阀门定位器，关键调节阀有阀位信号返回器和手轮装置。

⑥低温探测器和火焰探测器

低温探测器选用铂热电阻型。火焰探测器采用紫外／红外复合型，按隔爆型设计。

⑦感烟探测器

a.离子式感烟探测器

离子式感烟探测器的传感器的主要部分之一是电离室。电离室内设两个电极，电极之间施加一定的电压。电离室中设有放射源——镅241。镅是一种人造放射性元素，元素符号为Am，原子序数为95，镅半衰期最长的同位素的相对原子质量为243。镅241不稳定，通过α衰变放射出5.48 MeV的α粒子流(仅射线)，还发射出0.06 MeV的γ射线，半衰期为433 a。α粒子体积比较大，又带两个正电荷，具有很强的电离作用，很容易使电离室中的空气电离，产生离子，使空气成为导体，允许一定的电流在两个电极之间通过。这样，在两个电极间形成电流：当烟雾进入电离室后，烟雾中的微小碳粒与离子结合，减弱了离子的移动，从而减弱了空气的导电性，两个电极间电流减小。当电流减小到一定值时发出电信号，送后续的控制系统。

离子式感烟探测器不仅能够探测到可见烟雾，还能探测到不可见烟雾^[1]，早期报警能力非常强。

b.散射式光电感烟探测器

散射式光电感烟探测器由外壳、迷宫、光学探测室组成。外壳起保护作用，迷宫起遮挡光线的作用，并形成烟雾进入光学探测室的通道。光学探测室是传感器，主要由发射管、接收管、聚焦透镜、遮光窗(形成光学暗室)等组成。

在光学探测室内，发射管、接收管成一定角度布置。发射管光路和接收管光路之间的夹角称为散射角，是散射式光电感烟探测器的重要参数。当散射角大于90°时，称为前向散射；当散射角小于900时，称为后向散射。当光学探测室内没有烟雾时，接收管接收不到发射管发出的光线。当烟雾经过迷宫，进入光学探测室后，烟雾中的微小碳粒吸收和散射发射管发出的光线，散射的方向是四面八方的，其中一部分散射光就到达了接收管。接收管接收光线后，光元件的阻抗发生变化，产生光电流，电信号送后续的控制系统。

有的散射式光电感烟探测器增设了一组反光镜，将散射到其他方向的大部分光线经过多次反射，汇聚到接收管，增大了光线的强度，提高了光学探测室的灵敏度。有的散射式光电感烟探测器采用双向散射，即将前向散射和后向散射结合起来。在光学探测室内设置l个发射管和2个接收管，发射管和一个接收管构成前向散射，和另一个接收管构成后向散射。这种探测器同时具备前向散射和后向散射的优点，具有较强的光响应特性^[2]。

c.减光式光电感烟探测器

对于减光式光电感烟探测器，在光学探测率内，在没有烟雾时，接收管接收发射管发出的光线。当烟雾进入光学探测室后，充满了发射管和接收管之间的空间。烟雾中的碳粒对发射管发出的光线产生吸收、散射作用，减少了接收管接收的光线。光线变化后，光元件的阻抗发生变化，产生光电流，电信号送后续的控制系统。烟雾越浓，碳粒浓度越高，对光线的减弱程度越大，光元件产生的光电流越大。

光电感烟探测器是通过探测粒径较大的碳粒来感知烟雾的，不能探测到不可见烟雾(碳粒粒径小于0.4 μm)。目前，散射式光电感烟探测器应用较多，减光式光电感烟探测器应用较少。

d.感烟探测器的选型

从探测原理、使用经验、国内产品现状等方面综合分析各种类型的感烟探测器，选用离子式感烟探测器和散射式光电感烟探测器。

在离子式感烟探测器的使用过程中，镅源是密封源，封装在探测器中，无泄漏，无污染，使用者是安全的。但需注意的是，在探测器报废或损坏后，一定要由生产厂家收同并对镅源进行统一处理，严禁随意处置。镅的半衰期很长，若散落在普通人群中，将会对人体健康产生严重危害^[3]。

参考文献：

[1] 郭玲玲.火灾探测器现状及其发展趋势[J].安防科技，2010(5)：31-34.

[2] 苏静.浅谈光电烟雾火灾探测技术[J].安防科技，2010(3)：29-31.

[3] 陈厚，牛丽萍，董惠芬.火灾报警器中镅-241放射源的辐射与防护[J].中国公共卫生，l997(8)：484-485

本文作者：李念红

作者单位：西门子电气传动有限公司