安全監測系統在液化天然氣運輸裝備上的應用

梁沁宜,鄭 濤,拜雪玲,侯 軍,李照明,左紅磊

(1.中車西安車輛有限公司,陜西 西安 710086;2.中國鐵路西安局集團有限公司,陜西 西安 710086)

液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)屬于低溫液體,運輸設備需采用壓力容器,儲運過程中溫度通常在-166～-120 ℃之間[1],一旦泄漏對周邊生物會產生低溫凍傷的風險,汽化后則存在爆炸的可能性,因此運輸過程的安全性極其重要。為提高液化天然氣的運輸安全性,可采用物聯網技術和安全監測系統,通過信息傳感設備,按照約定的協議,利用罐內介質信息進行通信,在運輸全過程中對運輸設備及其裝運介質狀態進行智能化檢測、定位和監管等,做到安全預防。

1 國內外現狀

1.1 國內現狀

我國目前裝運LNG的移動設備主要是汽車罐車,鐵路罐車、罐式集裝箱等鐵路或水路移動運輸裝備已完成試制,且加裝了測量罐內介質壓力、液位等信息安全監測系統,尚未正式投入運用。

1.2 國外現狀

日本較早開始通過鐵路運輸LNG,在1973—1975年間制造了4輛LNG鐵路罐車,從2000年開始采用集裝箱進行LNG鐵路運輸,如圖1所示,集裝箱分為20 ft、30 ft和40 ft 3種規格,其中以30 ft集裝箱為主[2]。北美主要采用鐵路機車用LNG燃料罐車,如圖2所示,也可采用液態乙烯罐車運輸LNG。瑞典和挪威曾采用集裝箱進行LNG鐵路運輸。2016年德國與捷克共和國合作研制了歐洲第一款LNG鐵路罐車,如圖3所示。俄羅斯擁有少量鐵路機車用LNG燃料罐車,也研制了LNG鐵路罐車,但均未大批量商業化運營。這些LNG運輸裝備上均未加裝監測罐內介質狀態信息等功能的安全監測系統。

圖1 日本LNG罐式集裝箱

圖2 加拿大鐵路機車用LNG燃料罐車

圖3 德國與捷克共和國合作研制的LNG鐵路罐車

2 安全監測系統的要求

根據物聯網技術的基本原理,結合LNG運輸裝備的運用工況和安全監測系統的結構特點,整套系統應遵循低功耗、小型化、輕量化的設計原則,且不影響運輸裝備自身的行車安全,在使用工況、試驗、維護等方面的具體要求如下。

2.1 使用工況

2.1.1 適用溫度范圍

安全監測系統的各電氣設備應能滿足LNG運輸裝備使用的環境溫度要求。

2.1.2 供電要求

LNG鐵路罐車、罐式集裝箱自身不帶電源,安全監測系統的運行須配備合適的供電設施。

2.1.3 電氣防爆要求

LNG汽化后的主要成分是甲烷,爆炸極限為5%～15%(體積百分比),遇到電子裝置打火時存在爆炸的可能性[3],裝運LNG的運輸裝備一旦發生泄漏將處于爆炸性氣體環境,因而加裝的電氣設備必須滿足相應的防爆要求。

根據相關防爆標準[4-7]的規定,天然氣屬于ⅡA類爆炸性氣體;電氣設備的最高表面溫度應不超過天然氣的點燃溫度(650 ℃),溫度組別為T1;罐內液體表面以上空間劃為0區,以密閉裝卸口和通氣口為中心、半徑為1.5 m的球形空間劃為1區,以密閉裝卸口為中心、半徑為4.5 m的球形并延至地面的空間和以通氣口為中心、半徑為3 m的球形空間劃為2區;0區用電氣設備應滿足本安型(ia)防爆要求,1區用電氣設備可采用0區用電氣設備或滿足本安型(i)、隔爆型(d)、正壓型(p)、充砂型(q)、油浸型(o)、增安型(e)和澆封型(m)中任一種防爆要求的設備,2區用電氣設備可采用0區或1區用電氣設備或滿足“n”型防爆要求的設備。根據電氣設備所安裝區域的防爆要求,選擇具有相應防爆等級的設備。

2.1.4 特殊工況

除以上要求外,安全監測系統還須滿足LNG運輸裝備運用的特殊工況要求,如抗振動和沖擊、抗射頻干擾等要求。

2.2 試驗

根據安全監測系統的具體結構特點,進行性能試驗、高溫試驗、低溫試驗、恒定濕熱試驗、靜電放電試驗、射頻干擾試驗、絕緣試驗、振動和沖擊試驗、低溫存儲試驗等相關試驗。

2.3 維護

安全監測系統的各電氣設備應便于拆卸,易于檢修,供電設施的供電時間不少于運輸裝備的最短檢修周期。

3 在LNG鐵路罐車/罐式集裝箱上的應用

3.1 車輛簡介

LNG鐵路罐車分為GYA70B和GYA70C2種車型,如圖4、圖5所示,均采用中梁結構,用于鐵路運輸LNG。GYA70B型罐車主要由罐體裝配、加排系統裝配、底架裝配、罐與底架裝配、制動裝配、鉤緩裝配、轉向架、操作間、安全監測系統等組成,GYA70C型罐車在GYA70B型罐車的基礎上增設了押運間。編組方式為6輛重(空)罐車(含帶押運間車輛)以內編為1組,其中僅有一輛罐車同時帶有操作間和押運間,其余罐車均不帶押運間,只有操作間[8]。

圖4 GYA70B型LNG鐵路罐車

圖5 GYA70C型LNG鐵路罐車

LNG罐式集裝箱為40 ft標準罐式箱,主要由罐體、框架、加排系統、安全監測系統等四部分組成,如圖6所示,可供鐵路運輸LNG。

圖6 LNG罐式集裝箱

3.2 安全監測系統

LNG鐵路罐車/罐式集裝箱安全監測系統利用傳感器對罐內介質的壓力、液位進行檢測并顯示,通過短程無線的方式將該組內各輛車檢測到的數據進行集中顯示,實現運輸全過程押運人員對各車輛介質信息的監測。該系統主要由檢測傳輸設備、車載監控設備及其配套軟件等組成。

3.2.1 檢測傳輸設備

檢測傳輸設備主要由壓力傳感器、差壓式液位傳感器和無線設備等組成,安裝在LNG鐵路罐車/罐式集裝箱的操作間/閥門箱內。

壓力傳感器、差壓式液位傳感器的量程范圍分別為0～1 MPa、0～15 kPa,精度均不低于0.5%FS,有唯一的ID地址,防爆等級為ExiaⅡCT4Ga,防護等級為IP67,具有數顯、無線傳輸、防雷和休眠功能,通過螺紋連接與罐體上引出的接管相連。采用一次性電池供電,電壓為DC 3.6 V,與傳感器集成在一起,供電時間不少于1年,采用插接件連接,拆裝方便、快捷。

無線設備采用車載專用天線,安裝在操作間/閥門箱的外側頂部,發射功率不大于6 W,傳輸距離不小于240 m,一次運輸過程的數據傳輸成功率不低于90%,有效數據不低于95%,用于將壓力、液位等數據信息通過本地短程無線方式傳送到該組車輛的押運間/押運車內。

3.2.2 車載監控設備

LNG鐵路罐車/罐式集裝箱車載監控設備主要包括數采主機、電源和無線設備等,安裝在押運間/押運車內。

LNG鐵路罐車押運間無供電設備,需配備電源為數采主機供電,電源采用可充電電池,電壓為DC 12 V。LNG罐式集裝箱車載監控設備利用押運車上的電源設施為其供電,電壓為AC 220 V,含DC 12 V外接電池接口。

數采主機為該組車輛信息的集中顯示裝置,并預留遠程無線傳輸的數據擴展接口,主要具有以下功能:

(1) 數據顯示功能。能夠監測該組內各車輛裝運介質的壓力、液位信息。

(2) 調節采樣、上傳周期的功能。若此次傳輸失敗,系統會自動重復,與下次數據一起傳輸,直至發送成功。

(3) 異常報警功能。在罐內介質壓力超常、傳感器電量不足、電源電量不足等異常情況下以聲光形式報警。

(4) 押運管理功能?？奢斎胙b運介質密度、車號、始發站、終點站、押運時間、押運人、發車前檢測到的介質壓力和液位信息等。

(5) 數據存儲、導出和歷史數據查詢功能。

LNG鐵路罐車數顯主機和電源均采用隔爆型防爆設計,防爆等級為ExdⅡBT6Gb。LNG罐式集裝箱車載監控設備安裝在押運車上,無防爆要求。

4 在LNG聯運罐式集裝箱上的應用

4.1 車輛簡介

LNG聯運罐式集裝箱為40 ft標準箱,主要由罐體、框架、側部加排系統、安全監測系統等四部分組成,如圖7所示,可供鐵路、公路、水路以及多式聯運來運輸LNG。

圖7 LNG聯運罐式集裝箱

4.2 安全監測系統

LNG聯運罐式集裝箱安全監測系統采用傳感器件對罐內介質的壓力、液位、溫度等信息進行檢測,定位設備獲取罐箱位置,通過遠程無線的方式將各罐箱的檢測數據傳輸到監控中心進行集中顯示,實現運輸全過程工作人員對各罐箱位置和裝運介質信息的監測。該系統主要由多參量變送器、溫度傳感器、天線設備及其配套軟件等組成。

4.2.1 多參量變送器

多參量變送器采用一體化集成設計,主要由傳感器件、電源模塊、控制模塊、存儲模塊等組成,有唯一的ID地址,防爆等級為ExiaⅡBT1,防護等級為IP67,能夠檢測罐內介質壓力和液位、環境溫度、罐箱位置和加速度,顯示電池電量和時間,對檢測到的數據進行分析、處理并上傳,具有數顯、無線傳輸、防雷、休眠等功能,安裝在LNG聯運罐式集裝箱的閥門箱內。高低壓傳感器件選用單晶硅,壓力和液位的量程范圍分別為0～1.6 MPa和0～15 kPa,測量精度均不低于0.5%FS。電源采用一次性電池,與其他模塊分倉封裝,帶短路保護,數據傳輸周期為30 min時,電池容量滿足2年使用要求,與主機之間采用插接方式連接,便于拆裝、檢修。

4.2.2 溫度傳感器

溫度傳感器采用鉑電阻,量程范圍為-200～100 ℃,最大允許測量誤差為±1 ℃,通過專用測溫管路從外殼經夾層插入內容器。

4.2.3 天線設備

天線設備主要由GSM天線和GPRS天線組成,通過數字化無線通信的傳輸方式上傳數據,通信制式支持2G/3G/4G。

該系統與LNG鐵路罐車/罐式集裝箱的主要區別在于能夠實現遠程無線傳輸,主要具有以下功能:

(1) 檢測功能。測量罐內介質壓力和溫度、環境溫度,并顯示液位信息。

(2) 定位功能。

(3) 罐箱加速度顯示功能。

(4) 采樣、上傳周期可調。

(5) 遠程無線傳輸、設置和升級功能。在監控中心監測罐箱的各項指標,設置相關控制參數,升級固件程序及校表。

(6) 異常報警功能。

(7) 數據存儲、導出和歷史數據查詢功能。

(8) 電腦和手機App均可查詢罐箱信息。

5 目前存在的問題

安全監測系統應用于LNG運輸裝備能夠提高運輸安全性,做到安全預防,但是實際應用中仍存在一些問題,主要有以下兩方面:

(1)運用管理。LNG運輸裝備安全監測系統的應用還牽涉通信、監管和維修等方面。遠程無線傳送信息在鐵路貨車領域尚無運用經驗,在尚未建立通信基站的地區無法進行通信,不能實現遠程無線傳送信息的功能。安全監測系統的運用和監測信息的管理還需制定具體的監管措施。整套系統的維護和檢修,尤其是防爆產品,需由專業機構或專業人士操作。

(2)產品標準化。安全監測系統的一些部件(如監測主機)是供貨商按照LNG運輸裝備的特定要求專門研制的產品,無統一標準,各家產品不一致,接口不統一,通信協議不同,無法相互通信,標準化、系列化、通用化水平低。

6 結論

通過對加裝于LNG運輸裝備的安全監測系統進行分析發現,該系統能夠應用于LNG鐵路罐車/罐式集裝箱、聯運罐式集裝箱,實現工作人員對罐內介質狀態及車輛信息的監測,提高運輸安全性,做到安全預防。但該系統的實際應用過程中還需在運用管理和產品標準化方面進行進一步規范。