气瓶充装系统中安全预警、安全控制系统的设计

2018-03-30彭启兵徐元梅

上海化工 2018年12期

陈伟彭启兵徐元梅

南京特种气体厂股份有限公司（江苏南京 211113）

近几年，我国气瓶充装行业得到了快速的发展，在快速发展的同时，也面临着严峻的挑战。由于气体大多数具有令人窒息、易燃、易爆、腐蚀等危险性质，再加上气瓶充装过程中涉及高压操作，稍有不慎极易引发安全生产事故。通过有效的安全设计，提升气瓶充装过程的安全性，对推动气瓶充装行业安全、稳定、健康、快速地发展具有重要意义。

1 气瓶充装系统中安全预警、安全控制系统

气瓶充装系统包括原料储罐、充装泵（压缩机）、汽化器、充装管道以及安全附件等。要确保气瓶充装活动的安全，就必须通过设计将安全预警、安全控制系统引入气瓶充装系统的各个环节。

1.1 原料储罐超装联锁系统

原料储罐是用来储存气体原料的装置，常见的有盛装液化石油气、液氨的一般压力容器和盛装液氧、液氮的真空绝热压力容器。为了避免原料储罐超装引发的安全隐患，我国对原料储罐最大充装量有着严格的限制。GB/T 18442.3—2011《固定式真空绝热深冷压力容器第3部分：设计》规定：充装非易爆介质的液相容积应不大于内容器几何容积的95%，充装易爆介质的液相容积应不大于内容器几何容积的90%。TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定：储存液化气体的压力容器应当规定设计存量，装量系统不得大于0.95%，建议预警液位设置不高于内几何容积的90%。

在安全设计阶段，会在原料储罐进料系统上加装高液位报警功能，同时针对液化石油气、液氨等有毒和易燃介质储罐设置高高液位自动联锁切断装置，一旦原料储罐液位到达设定预警液位，在触发高液位报警的同时，将卸料泵或卸料压缩机联锁停机，由此来杜绝原料超装引发的安全生产事故。[1]

1.2 汽化器出口低温联锁系统

汽化器是深冷液化气体在其中加热至汽化的设备。汽化器通常利用吸收的外界大气环境的热量，将深冷液化气体汽化后充装进入气瓶。当环境温度较低或汽化器长时间使用后，深冷液化气体在汽化器中无法有效地汽化后，深冷液化气体会直接进入钢瓶中。由于深冷液化气体气液比较大。以液态氧为例，1体积的液态氧可转换为800体积的气态氧，因此，当深冷液化气体进入钢瓶后会迅速汽化膨胀，导致钢瓶超压爆炸。

我国相关标准对汽化器出口温度均有严格要求，如： GB 16912—2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》规定：低温液体汽化器出口应设有温度过低报警联锁装置，汽化器出口的气体温度不低于-10℃；GB 27550—2011《气瓶充装站安全技术条件》要求“汽化器的出口温度低于-30℃”；GB/T 14194—2017《压缩气体气瓶充装规定》要求“汽化器气体出口至充装管道的温度不得低于-30℃”。

在安全设计阶段，会在汽化器出口管道上加装温控模块与充装泵联锁。当汽化器出口温度达到设定的安全预警值时，低温泵联锁停运，确保深冷气体有效汽化后进入钢瓶。

1.3 压缩气体气瓶超压切断系统

常见的氧气、氮气、氩气、氢气、氦气均属于压缩气体。压缩气体充装过程中均使用压力来计量气瓶的充装量，一旦压缩气体气瓶充装压力过高（超过其设计压力），就存在爆炸的风险。GB/T 14194—2017要求“（压缩气体）充装压力不大于气瓶水压试验压力的三分之二”。

在安全设计阶段，会在汽化器出口管道上安装电接点压力表，当充装管道压力达到设定的安全预警值时，电接点压力表输出信号，低温泵联锁停运，确保气瓶无超装危险。

1.4 液化气体气瓶超装切断系统

常见的液氨、液氯和液化石油气均属于液化气体，液化气体充装量通常不得大于气瓶容积与充装系数乘积的计算值。因液化气体可压缩性较小而膨胀性又较大，所以气瓶因超装造成气瓶内“满液”时，满液钢瓶的温度只要上升1℃，瓶内压力就可增加1～2 MPa，若温度升高 5～15℃，则瓶内压力会急剧增加，导致钢瓶爆炸。

为杜绝液化气体超装，我国相关标准对液化气体充装计量衡器均有严格要求：GB 14193—2009《液化气体气瓶充装规定》要求“衡器应设置有气瓶超装报警或自动切断气源的联锁装置”；GB 27550—2011要求“液化石油气、液氯和液氨气体充装站应配备具有在超装时自动切断功能的计量衡器”。

在安全设计阶段，瓶装液化气体充装应优先选择具有自动切断功能的整套计量衡器。在无法进行设备选型时，也可以采用计量衡器与充装泵或自动阀进行联锁的方式，当液化气体充装达到设定的安全预警值时，计量衡器会发出声光报警，并输出信号使充装系统联锁停机，从而有效避免液化气体超装现象。

1.5 远程紧急切断系统

紧急切断装置一般由紧急切断阀、过流控制、远程控制系统以及易熔自动切断装置组成，在遇到突发情况时，可以远程操作控制阀门关闭或者打开，避免事故扩大。

气瓶充装站原料储罐介质具有令人窒息、易燃、易爆、腐蚀等危险性质，一旦发生安全事故，人员无法有效靠近。GB/T 18442.6—2011《固定式真空绝热深冷压力容器第6部分：安全防护》和GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》对远程紧急切断系统具有严格的要求。

在安全设计阶段，通常会在原料储罐上安装紧急切断装置。一旦发生安全生产事故，可由手控、自控、过流或周围温度超过易熔合金元件使其自动熔断等方式关闭紧急切断阀，确保原料储罐介质能远程关闭，降低原料的储存风险。

1.6 气体泄漏报警联锁系统

常见有毒气体有液氯、氨气；可燃气体有液化石油气、氢气、溶解乙炔；氧化性气体有氧气、氧化亚氮；可窒息气体有氮气、氩气、二氧化碳等。这些气体一旦大面积泄露且集聚，极易引发安全生产事故。GB 50493—2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》要求“液氨储存、装卸的场所区域内应按照要求设置有毒气体检测报警仪”。GB 27550—2011也要求“有毒可燃气体的充装站和氧气及可窒息气体的充装站，应设置相应的气体危险浓度检测报警装置”。

在安全设计阶段，通常要根据气体不同的性质，在场所中设置相应的气体浓度报警仪。一旦发生泄漏，现场气体浓度报警仪将立即启动声光预警，有效缩短应急时间。同时，针对涉氨和易燃气体的场所，应设置用于消防灭火和液氨泄漏稀释吸收的消防喷淋系统，并与场所内气体泄漏报警仪联锁。当局部气体浓度达到安全预警值时，气体泄漏报警仪发出声光报警的同时，联锁自动喷淋控制阀开启，消防水通过管道和喷淋头喷洒水雾，有效吸收氨气和灭火，避免突发情况下事故进一步扩大。

1.7 控制参数、预警信息远程传输系统

气瓶充装站中涉及的控制参数和预警信息主要包括场所液位、温度、压力、浓度、现场视频及事故预警信息等。根据《危险化学品重大危险源监督管理暂行规定》（国家安全生产监督管理总局令第40号）和《国家安全监管总局关于印发遏制危险化学品和烟花爆竹重特大事故工作意见的通知》（安监总管三〔2016〕62号）等文件要求，应对重点监管的危险化学品及重大危险源配备重点控制参数（温度、压力、液位、流量、组分等信息）不间断采集和监测系统，配备可燃气体和有毒气体泄漏检测报警装置以及火灾自动检测及报警系统，并具备信息远传、连续记录、事故预警、信息存储等功能。

在安全设计阶段，从企业安全生产管理的要求出发，将原料储罐液位、温度、压力、浓度、现场视频及事故预警功能远传至24 h值班室，确保值班室对现场实现无间断信息采集、记录和远程操控，提升气瓶充装站现场安全管理。