数字化液化天然气接收站综合实验平台开发

王海清， 陈韬婕， 刘祥妹

(中国石油大学(华东) 安全科学与工程系， 山东 青岛 266580)

数字化液化天然气接收站综合实验平台开发

王海清， 陈韬婕， 刘祥妹

(中国石油大学(华东) 安全科学与工程系， 山东 青岛 266580)

设计了数字化液化天然气(LNG)接收站综合教学实验平台，集成了DCS、SIS、FGS和报警管理等多层面立体安全技术屏障技术，实现了模拟开车启动运行、操作卸船、气化外输、站内循环与操作倒罐5种模式，并创新开展了不同工艺单元泄漏场景模拟及其相应的安全与应急实验对策，包括压力保护系统、模拟报警泛滥的管理和气体探测等实验内容。通过该数字化综合实验平台的建设，对探索在国际化工程教育的视野下，如何达成先进教学实验平台与培养方案、课程体系建设之间的互动影响，提供了重要的微观案例与技术实现基础。

液化天然气； 综合实验平台； 安全工程； 仪表化安防系统

0 引 言

2011年国务院学位委员会第二十八次会议通过的《学位授予和人才培养学科目录》，将安全科学与工程学科列为一级学科，这一事件对于进一步推进安全科学与工程学科及相关专业发展，优化安全人才知识结构，为提高安全科学与工程学科人才培养质量带来新的契机[1]。

安全工程专业的快速发展，极大地促进了我国安全工程学科建设和安全工程专业技术人员的培养。但是由于存在人才培养模式单一，即绝大部分院校的安全工程专业人才教授偏重理论知识的问题，使得该培养模式下的人才其无法很好地满足社会对于安全工程专业日益增长的需求。故应提高安全专业人员的质量，不断完善高等院校安全工程专业的人才培养模式。实验教学是实践教学的重要环节，课程设置也应满足培养学生知识结构的要求,在工程技术基础知识及行业安全工程领域开设实验项目。安全工程实验室既应满足本科生基础课程教学的需要，又要满足安全工程学科发展的科研主攻方向的要求[2]。

传统的实验教学模式存在以下弊端：① 大部分的实验是验证性实验，不利于培养学生的创新性思维；② 实验室对外开放交流不够，导致学科建设、学术领域的最新信息不能及时地引入到学生的实践环节中来；③ 未充分利用现有资源整合实验室，缺乏综合性实验平台[3-5]。结合国内外部分高校的实验教学模式，本文将现代过程安全管理技术(仪表化安防技术)与化工工艺单元结合，设计了数字化液化天然气(LNG)接收站综合教学实验平台，创新开展了不同工艺单元泄漏场景模拟及其相应的安全与应急实验对策，包括压力保护系统、模拟报警泛滥的管理和气体探测等实验内容。

1 数字化LNG接收终端实验装置的设计

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)，通常由专用运输船从生产地输出终端运到目的地接收终端，经再气化后外输至用户。LNG接收站的工艺方案分为直接输出式和再冷凝式两种，两种工艺方案的主要区别在于对储罐蒸发气(BOG)的处理方式不同。直接输出式是利用压缩机将LNG 储罐的蒸发气压缩增压至低压用户所需压力后与低压气化器出来的气体混合外输；再冷凝式是将储罐内的蒸发气经压缩机增压后，进入再冷凝器，与由LNG储罐泵出的LNG 进行冷量交换，使蒸发气在再冷凝器中液化，再经高压泵增压后进入高压气化器气化外输。再冷凝工艺可以利用LNG 的冷量，减少蒸发气体压缩功的消耗，从而节省能量，比直接输出工艺更加先进、合理[6]。

LNG接收终端实验装置是为本科多门安全专业课程提供实践性认识和安全技术措施的操作平台。该实验平台很好地将LNG接收终工艺与安全控制系统结合起来，由LNG接收终端实验装置及控制系统两部分组成。包括LNG接收站的卸船工艺、储存工艺、低压/高压输送工艺、再冷凝工艺、火炬放空工艺、气化外输工艺功能模块及辅助设施(如控制工艺、排污工艺、充气工艺、后台管理工艺等)。该平台有利于学生对LNG终端接收工艺及自动控制系统运行机理的理解，提高了实验教学效果[7-8]。由于国内大型LNG 接收终端运行时间不长，缺乏经验，很多技术需要借鉴及摸索，因此，实验装置的建设可为国外大型LNG 接收终端运行技术的吸收、消化提供硬件基础，也可为LNG终端控制提供实验研究平台。

设计LNG接收终端实验装置的主要功能如图1所示，其中一些功能模块做过必要的近似处理，如卸载功能等[7]。根据图1所示的实际LNG接收终端的液化天然气的输入和天然气的输出状况，LNG接收的操作可分为以下几种模式[9-10]。

(1) 开车启动运行模式。通过用少量LNG试运行该系统平台，打开处于卸料总管线、处于进料管线以及处于进气管线上的截止阀，观察各个工艺系统中的仪表变化情况，并记录数据。

(2) 操作卸船模式。打开处于卸料总管线上、进料管线上、处于进气管线上的截止阀，开启卸船泵，采用较小的卸船流量来预冷卸料臂及卸料管线，以避免产生较多的蒸发气；关闭上进液阀，逐渐增加流量到设定值，进行卸料；随着LNG输出，船内气相压力会逐渐下降，为维持其气相压力值一定，利用储罐内产生的部分BOG加压后，经蒸发气回流管线及蒸发气回流臂送至船内，补充船内气压；卸料完成后，利用N2分液罐内的氮气吹扫残留在卸料臂、卸料管线上的LNG；开启低压输送泵、高压输送泵，打开回流管线上用于保护泵的最小流量阀，关闭循环管线上的球阀，将储罐内LNG输送至下一级，在输送管线上的LNG被分成两路：一路LNG经过流量调节阀进入再冷凝器液化BOG，另一路LNG则与从再冷凝器出来的LNG混合直接被输送至高压输送泵；开启汽化器，将LNG送至汽化器进行气化，送至下游用户；在该操作过程中，要注意观察各工艺系统中仪表的变化情况，并记录数据。

(3) 气化外输模式。关闭卸船泵、处于卸料总管线上的截止阀、处于蒸发气回流管线上的截止阀，打开处于循环管线上的截止阀，其他设备的状态与卸船--正常输出模式相同，注意观察各工艺系统中仪表的变化情况，并记录数据。

(4) 站内循环模式。关闭卸船泵、处于卸料总管线上的截止阀、处于进料管线上的截止阀、处于蒸发气回流管线上的截止阀、进气管线上的截止阀、压缩机、低压输送泵、高压输送泵以及汽化器，开启循环管线上的截止阀、进料管线上的截止阀，用少量的LNG循环保持系统的冷态，蒸发气用作火炬长明灯燃料气，多余的蒸发气则排放到火炬系统，注意观察各工艺系统中仪表的变化情况，并记录数据。

图1 LNG接收终端工艺流程图

(5) 操作倒罐模式。开启倒罐泵、打开回流管线上用于保护泵的最小流量阀、处于倒罐管线上的截止阀，关闭回流管线上用于保护泵的最小流量阀、处于倒罐管线上的截止阀，实现两个储罐之间的倒罐；在此操作过程中，注意观察各工艺系统中仪表的变化情况，并记录数据。

本实验装置的实景如图2所示。

(a)(b)

图2 模拟LNG接收站实验装置

2 仪表化安防系统的设计

仪表化安防技术是安全技术与计算机技术、仪表自动化技术和信息技术的集成应用，是技术安全(Technical Safety)的代表领域之一。代表性技术主要包括工艺安全管理PSM与风险降低技术、报警系统设计及生命周期管理、安全仪表系统与功能实现、火气系统FGS设计基础以及探测系统的优化设计等[11]。仪表化安防系统在化工工艺装置中的应用趋势，表现为控制系统集成化，以及安全仪表系统的智能化。欧美发达国家在现阶段仪表自动化实验装置的开发、研制已经形成了产业和规模。伴随着我国国民经济和教育事业的高速发展，教学设备产业面临着新的机遇和挑战。国内的一些高等院校、公司和企业近几年都在研究、探索仪表自动化实验装置[12]。学生可通过相关的实验装置来学习掌握相关安全技术方法，从而来辨别工作场所的危害并且设置恰当的保护层。

新型仪表自动化实验装置具有利用组态软件技术和计算机技术实现对仪表的监控以及操作过程的监视；控制对象组件全部源于企业，高于企业，真实性、直观性、综合性强；被控参数全面，涵盖了工业生产过程中常见的液位、压力、流量及温度等典型参数；控制参数和控制方案多样化，通过不同工艺管路、动力源、执行器、控制器以及被控参数的组合可构成多种典型的过程控制系统实验项目[12]等特点。

本实验装置设计中参照了国内外仪表化安防系统实验装置，以及IEC61508、IEC61511、ANSI/ISA-84.01、DIN V 19250、NFPA- 85等相关标准，结合现今仪表化安防系统的发展趋势，为解决实验教学在国际化合作中缺乏综合性实验平台、不能反映现代过程安全管理的技术要求等亟待解决问题，设计了集成DCS、SIS、FGS和报警管理等多层面立体安全技术屏障技术的数字系统，应用于LNG接收终端实验装置中。

2.1 DCS系统

DCS 系统采用横河CENTUM VP R5 系统完成控制和显示需要，包含现场控制站(FCS)、人机接口站(HIS)两部分。具有双冗余和可靠性、Windows操作系统、多显示器环境的系统架构特点，且可用于大规模装置的可测量性；具备统一的操作和监事环境以及控制功能。

CENTUM VP 提供用于监视、控制、操作、计算、逻辑功能以及顺序控制的功能块。这些功能块不仅可以用于执行连续控制，而且可以用于执行先进控制、复杂的顺序控制、批量控制以及其他的控制，从而满足不同的用户需求。通过这些控制块的组合使用，工厂系统的设计可以在小型和大型之间灵活变动。其功能分为系统集成、先进单元仪表、批量控制、并行工程组态、在线维护、虚拟测试6大块。

2.2 SIS、FGS系统

SIS 、FGS系统采用横河Prosafe-RS 系统实现控制需要。ProSafe-RS采用与CENTUM VP相同的结构和技术。除了这些技术之外，每块ProSafe-RS控制器卡、输入卡和输出卡在内部特别采用了双重化的结构以达到更高的安全等级，适用于SIL3的应用场合。此外，ProSafe-RS对超过99%的部件进行自诊断，因此可以快速检测故障，使得故障的修复也可在一个允许的期限内完成，从而最小限度的影响工艺过程。

ProSafe-RS优势不仅体现在非常高的安全性和可用性方面，而且还体现在能够与CENTUM VP真正紧密集成。ProSafe-RS可以直接到CENTUM VP的控制网络V net上，SIS和DCS功能间的数据交换不需要网关或接口硬件，而且安全控制器间的安全通信在DCS和SIS的集成配置中得到了实现和认证。ProSafe-RS和DCS之间的通信通过了TüV认证。

通过DCS和SIS之间的集成，操作人员可以从CENTUM VP的操作员站上的一个窗口中，看到整个全厂的信息，而不再是分别监控SIS和DCS。由于信息的集中显示，操作人员可以更快地预测和判断工艺过程是否接近到了紧急状况。对于工艺过程信息的集中显示不仅有助于快速监控，而且还可以避免错误判断和误操作。ProSafe-RS的这些优势可以提高整个工厂的安全性。

DCS、SIS、FGS一体化平台的总体规划统配置图，如图3所示。

图3 数字化LNG接收站安全教学实验与科研综合平台总体规划统配置图

2.3 报警管理系统

报警系统是指一系列硬件和软件的统称，用于检测报警的状态，将信息传递给管理员，同时记录报警状态的变化[13]。先进报警系统(Advanced Alarm Management System)技术可以为操作员提供更多的信息支持，并处理更复杂的报警情况，以满足用户对安全标准的要求。

采用横河先进报警管理系统，涵盖了报警系统的规定、设计、运行、维护、监控和检测。通过该报警系统实现报警优先级的设定及报警合理化，抑制报警泛滥的现象。设置报警系统关键性能指标KPI(Key Performance Indicators)，对报警系统的各方面性能进行评估分析。过程报告-报警点界面如图4所示。

3 综合实验平台的应用方案规划

数字化LNG接收站安全教学实验与科研综合平台，为了让学生认识LNG接收终端各个工艺系统：卸船系统、储存系统、输送系统、汽化系统等；熟悉并操控LNG接收终端五种操作模式；熟悉LNG储罐的压力控制系统；理解PI&D图，将生产流程与PI&D图上的设备一一对应；了解生产中报警的各种类别，识别LNG

图4 过程报告-报警点界面

接收终端综合实验平台中的报警类型；初步了解报警管理中的基本操作，设置了模拟LNG接收终端泄漏事故及安全控制系统、模拟LNG接收终端压力保护系统、报警系统的基本响应操作、模拟报警泛滥的管理和操作、报警系统KPI的计算和分析，两大类共5个实验。

3.1 模拟LNG接收终端泄漏事故及安全控制系统

将LNG接收终端处于操作卸船的工作模式，人为将卸料臂与岸上的卸料管线错位，或打开管线上的电子阀，以此模拟泄漏事故，进行事故分析及处理。

3.2 模拟LNG接收终端压力保护系统

将LNG接收终端处于操作卸船的工作模式，通过控制LNG储罐的压力控制系统，人为关闭进料管线上的截止阀；关闭下进液阀，打开上进液阀，以模拟翻滚；将真空补气阀全开，以模拟破真空补气阀失效，以此模拟LNG接收终端超压事故。通过人为将去火炬的控制阀全开，关闭进气管线上的截止阀，以此模拟LNG接收终端低压事故，最终进行事故分析及处理。

3.3 报警系统的基本响应操作

将LNG接收终端处于操作卸船的工作模式，模拟泄漏、超压事故，触发压力报警，确认并读取报警信息根据报警类型，判定事故原因及解决措施，由负责“现场操作”的同学进行操作。根据“中控室”和现场相关检测仪表信息，判断故障是否得到解决，并记录响应操作是否正确。最后汇总记录数据，将报警管理软件中的数据导出到Excel中。

3.4 模拟报警泛滥的管理和操作

将LNG接收终端处于操作卸船的工作模式，进入报警编辑页面，创建操作员自设报警。模拟泄漏和超压事故，当某个报警反复出现，其他报警也在不断产生，且无法及时响应的时候，选择抑制特定报警。负责信息记录的同学对操作员抑制报警的行为进行判断，如果被抑制的报警产生频率小于5次/10 min，或累计出现次数小于5次，则视为不恰当的抑制，同时是操作错误，加以分别记录。持续20 min后将自设报警的优先级设置为中优先级，再次进行实验。实验完成后，汇总并记录数据，将报警管理软件中的数据导出到Excel中。

3.5 报警系统KPI的计算和分析

将实验得到的报警数据导出到Excel表格中，打开KPI分析计算软件，导入数据。使用KPI分析软件计算出主要KPI指标，记录报警参数。查阅ISA 18.2中各个KPI的标准值，据此评价报警系统性能状况。

4 实验室应急管理模式探索

高校安全工程实验教学工作具有工作量大、学科覆盖面宽、设计和仪器品种多、型号单一以及参与实验的学生人次多、流动性大等特点。尽管实验教学的内容比较固定，人们对可能发生的事故有一定的准备，但是，由于参加实验的学生人数多，流动大，且其实验经验、安全意识比较欠缺，这样势必增加了事故发生的隐患[14]。

高校安全工程实验室要贯彻落实“安全第一、预防为主、综合治理”的安全管理方针，要坚持科学发展观，遵循“预防、减弱、控制”的安全技术措施等级顺序的原则，针对安全工程专业实验室的特点和常见事故类型，在提高认识，加强责任心；加强安全培训，提高实验室管理人员的安全技术水平；规范实验操作，加强安全标准化建设；及时更新和配备合适的消防设备[15-16]。

鉴于LNG属于易燃易爆物品，且具有腐蚀性和强烈的刺激性，故还需设计完善的应急管理模式，包括应急预案的编撰，实验室安全标识、安全防护装置的设置等，以此达到与国际标准对接，满足专业认证和国际化培养等要求。

本实验室主要存在LNG泄漏、LNG储罐超压、漏电等危害事件，可能造成火灾爆炸、人员触电等后果，故针对上述危害事件设计应急方案。针对上述危害事件设置了ESD系统等自动控制系统、火炬系统等泄放装置以及消防用具等相关防护装置作为应急响应装置，保障师生的安全。

5 结 语

本文设计的数字化液化天然气接收站综合实验平台集成了DCS、SIS、FGS和报警管理等多层面立体安全技术屏障技术，实现了模拟开车启动运行、操作卸船、气化外输、站内循环与操作倒罐5种模式，设置了模拟LNG接收终端泄漏事故及安全控制系统、模拟LNG接收终端压力保护系统、报警系统的基本响应操作、模拟报警泛滥的管理和操作、报警系统KPI的计算和分析5个实验，便于学生更好地理解LNG终端接收工艺及自动控制系统的运行机理。有效地解决了实验教学在国际化合作中缺乏综合性实验平台、不能反映现代过程安全管理的技术要求等问题，有利于培养具有国际化视野的高素质人才。为探索在国际化工程教育的视野下，如何达成先进教学实验平台与培养方案、课程体系建设之间的互动影响，提供了重要的微观案例与技术实现基础。

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Development of Comprehensive Experimental Platform for LNG Receiving Terminal Demanded by Safety Engineering International Education

WANGHaiqing,CHENTaojie,LIUXiangmei

(Department of Safety Science and Engineering, China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, Shandong， China)

The construction of safety engineering experimental education in oil and gas and the field of chemical industry, increasingly presents the developing mode of the combination in international culture exchange and digital safety technology. To solve the problem about lack of comprehensive experiment platform for international cooperation and not reflecting technical requirements about the modern process safety management in experimental teaching, this paper designed the comprehensive experimental platform for digital natural gas (LNG) receiving terminal that integrates DCS, SIS, FGS and alarm management, multi-level stereoscopic technology of safety technology barrier. The simulation of five modes which are starting up of running, unloading operation, gasification outside the transmission, the circulation in station, and pouring operation was realized. The stimulation of leakage scenarios in different process units and their corresponding experimental safety and emergency response, including pressure protection system, the management of stimulation alarm floods, gas detection, etc was carried out innovately. Through the construction of the digital comprehensive experimental platform, exploration in the context of an international engineering education, we established the advanced teaching experiment platform and training programs, and realized the interaction of curriculum system construction The reform can provide an important microscopic case and the technical implementation foundation.

liquid natural gas; comprehensive experiment platform; safety engineering; instrumentation safety system

2016-06-20

中国石油大学(华东)教学改革重点项目(JY-A201404)

王海清(1974-)，男，山东青岛人，教授，研究方向为安全仪表系统，HAZOP/LOPA，报警管理和可靠性RAM分析等。

E-mail：wanghaiqing@upc.edu.cn

G 482

A

1006-7167(2017)06-0249-06