一种甲烷监测控制系统设计_陈学科.pdf

-109-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期四星推荐近年来，随着国家对科研资金投入的加大，我国科研院所实验室的基础设施改造和仪器设备购置等硬件建设方面，得到了明显的改善。但是实验室安全事故仍时有发生。对多起典型实验室事故进行统计分析，结果表明：火灾和爆炸是实验室事故的主要类型，实验室中的危险化学品、仪器设备和压力容器是引发实验室安全事故的主要危险因素。实验室安全事故的发生，不仅影响了科研院所的正常科研秩序，还给国家财产和实验人员生命健康带来了危害，因此须予以高度关注。21 世纪初期，美国成功开发了页岩油气，其储量和产量的迅速增长改变了美国油气在世界上的地位并引起了全球的强烈关注。中国油气界紧随其后迅速掀起了对中国页岩油气资源的评价和勘探开发热潮。页岩气资源极有可能成为一种未来大行其道的非常规天然气资源。甲烷作为页岩气的主要成分，无色无味，易燃易爆，其实验室开发和利用水平亟待提高，以降低引起实验安全隐患的概率。密闭实验室的甲烷的爆炸极限为 5%15.4%，遇明火易发生爆炸。当空气中甲烷浓度达 25%30%时，也可导致头晕、头痛、乏力等状况。若不及时远离，可致窒息死亡。甲烷液化温度可达-161.5，若直接接触液化的甲烷，可致冻伤。由于页岩的致密和非均质特性，页岩开发生产实验周期一般较长。在此期间甲烷会对实验设备中的胶皮套和橡胶圈发生腐蚀，而此气体相对密度较轻，一旦发生泄露，易聚集在房顶等高处，随着日积月累甲烷不断增加，带来了安全隐患。若出现较多泄漏且未得到有效的控制，气瓶内 40 升的高压甲烷会快速的充满室内，更会带来巨大的安全隐患。实验室需要有针对性的制定防护措施，最大程度上保障使用甲烷开展实验的安全，因此需要研究建立一套能够实现安全监测与自动控制于一体的甲烷监测控制系统。本文中设计的甲烷监测控制系统与一般的可调谐半导体激光吸收光谱技术的甲烷气体监测系统相比具有明显的优势。甲烷监测控制系统除了与一般的监测系统一样能提供甲烷实时监测以外，还能通过触摸屏和显示屏实时显示气体供应柜的气体压力，还能通过火焰探测仪监测室内的着火情况。控制系统能对双气瓶自动切换使用，还能在出现报警时自动关闭气源，同时打开应急排风机将室内气体及时排出。本文设计的甲烷监测控制系统以解决安全隐患为导向，争取将隐患发生的可能性降到最低。此系统中的气体侦测器能够解决实时监测甲烷浓度的问题；火焰探测仪能够解决实时监测火情的问题；全自动特殊气体供应柜能够解决更换气行业曲线开放度创新度生态度互交度持续度可替代度影响力可实现度行业关联度真实度一种甲烷监测控制系统设计陈学科 胡志明 端祥刚 朱海勇 常 进 吴振凯 许莹莹陈学科1 胡志明1 端祥刚1 朱海勇2 常 进1 吴振凯1 许莹莹11.中国石油勘探开发研究院2.上海智飞电子科技有限公司陈学科（1989），河北廊坊，本科，工程师，主要研究方向为机电设备系统集成及运维。胡志明（1977），黑龙江齐齐哈尔，硕士，高级工程师，主要从事非常规油气渗流研究工作。端祥刚（1987），安徽宿州，博士，高级工程师，主要从事非常规油气地质与渗流理论研究。朱海勇（1970），上海，硕士学位，高级工程师，主要从事安全设备研发与应用。常进（1989），女，河北廊坊，硕士，工程师，主要从事油气田开发研究。吴振凯（1994），河北沧州，博士，工程师，主要从事非常规油气提高采收率工作。许莹莹（1995），湖北荆门，博士，工程师，主要从事非常规页岩气藏渗流理论以及开发模拟工作。中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-110-四星推荐瓶时接头泄露甲烷的问题；室外显示屏能够解决手动控制的问题；声光报警灯能够解决提醒报警的问题；电路控制柜能够解决智能控制的问题；应急排风机能够解决报警时快速排出甲烷的问题；不间断排风机能够解决室内随时排出甲烷的问题；排风罩能够解决聚集甲烷的问题；大烘箱能够解决高温甲烷实验的问题；不间断电源能够解决室内停电的问题。该系统的安全监测能通过气体侦测器将室内甲烷浓度实时显示，气源控制能对双气瓶自动切换使用，自动检测控制气源，不间断电源对整个系统提供断电保护，全天候排风能不断地将室内气体及时排出。该系统能为完成国家及各类重点项目提供坚实的实验平台，可有力保障各项研究任务的安全有序进行。系统介绍甲烷监测控制系统（图1）主要甲烷监测系统和控制系统。甲烷监测系统甲烷监测系统包括气体侦测器、火焰探测仪、全自动特殊气体供应柜、室外显示屏和声光报警灯。气体侦测器气体侦测器主要用于探测甲烷浓度以及超出设定值后发出报警，气体侦测器包含 1 台气体变送器和特殊的可燃气体传感器，该结构适用于甲烷等特殊气体，气体侦测器变送器外壳有 3 个接线口。其中 2 个是电缆接线口，用于连接电源线，信号线以及继电器回路接线。底部接线口用于连接传感器。屏显信息采用液晶显示。液晶显示屏上带数字显示，柱状图显示气体浓度，单数字报警和状态显示，磁棒动作图标显示，以及上/下/退出/确认等用于参数配置的标识。气体侦测器的液晶显示屏还能够具有 3 种颜色的背光：正常，报警和故障。正常状态下，气体侦测器的液晶显示屏绿色常亮背光。当气体报警时，气体侦测器的液晶显示屏红色闪烁背光。当仪表故障时，气体侦测器的液晶显示屏黄色闪烁背光。用户可以透过玻璃看到气体侦测器变送器的显示信息。显示信息包括气体浓度值，量程，单位，报警或故障信息。火焰探测仪火焰探测仪用于各种类型的明火报警，全自动特殊气体供应柜的主要功能有气体泄漏检测控制、换瓶自动吹扫、双气瓶自动切换等。全自动特殊气体供应柜全自动特殊气体供应柜内部（图 2）的 2 瓶甲烷气是使用气，可通过全自动特殊气体供应柜的触摸屏直观地看到气体面板上的传感器数值、设备运行状态、报警信息和记录等。触摸屏控制器面板操作界面装置位于控制器的前面板，包括状态指示灯，触摸屏显示器，蜂鸣器和紧急停止按钮。控制器提供用户外部报警输入，典型的包含气体泄漏检测、火灾、远程停机。全自动控制操作系统可通过触摸屏显示来修改设备运行过程的各项参数设定。例如，传感器量程、设备部件可选项、吹扫参数、报警值等。在更换气瓶时，管路中会有残留的甲烷气跑到空气中，具有一定的安全隐患。全自动控制器为了解决这个问题提供了气源钢瓶自动切换，换瓶自动吹扫、管线自动吹扫、阀门手动模式操作。自动吹扫功能提供了安全的，并以最少人员接触和操作风险状态下的完整吹扫，设备的运行状态、传感器值、报警信息等可通过以太网方式与上位机等计算机系统进行交流。该系统还可兼容气动阀门钢瓶和钢瓶安全关阀装置的选项。在室内使用甲烷气体过程中，有时会遇到气瓶压力不足的问题，从而影响正常实验。为了解决这个问题，可以通过全自动控制器将 2 瓶甲烷中的其中 1 瓶设置为供应正常使用，另 1 瓶设置为备用，这样双气瓶自动切换功能就能在第 1 瓶气体压力不足时自动切换到第 2 瓶气体，保证了甲烷气的稳定使用。全自动特殊气体供应柜能为多个用户定义密码保护等级，可为不同用户提供各自的操作权限，它除了有非常可靠、安全和易维修的优点外，气体输送系统的模块式设计可使其在吹扫过程中最大限度地减少吹扫气体的消耗，故它也是非常经济和环保的。通过特质气体管路将甲烷从全自动特殊气体供应柜气源输送到室内用气终端，通过管路输送到甲烷实验中，用来保障实验正常开展。室外显示屏室外显示屏（图 3）装有气体监控系统，主要是查看室内报警情况，不同位置甲烷气浓度以及全自动特殊气体供应柜内的气体压力值等。在室外显示屏正常开机通电的情况下，系统会自动启动到气体监控系统主界面。进入气体监控系统后既可选择进入气体监控探测器界面，显示对应 4 个气体侦测器的实时检测值，又可选择进入气体安全舱内部管路控制图，观察气柜的状态和管路中各个位置的开关状态和气体压力值。进入气体监控系统后不但可进入趋势列表，查看相关气体压力的历史数据趋势图和实时数据趋势图，而且可以进入报警界面查看实时报警和历史报警。确认报警的权限仅管理员才有，需点击登录按钮来进行登录，登录后通过点击报警确认按钮，即可将原来红色闪烁的报警确认，使其界面不再报警，颜色变成黑色，同时当现场实时的报警值发生了变化，恢复正常状态时，确认过的报警即会立即从这个报警界面内消失。声光报警灯声光报警灯（图3）是用于发出灯光和声音的系统报警。图 1 甲烷监测控制系统-111-CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023中国科技信息 2023 年第 8 期四星推荐声光报警灯在室内甲烷浓度低时发生一级报警即黄灯亮并发出滴滴声，在室内甲烷浓度高时发生二级报警即红黄灯亮并发出急促的滴滴声，能通过声光提醒人员室内的报警情况。控制系统控制系统包括电路控制柜（图 4）、应急排风机、不间断排风机（图 5）、排风罩、惰性气体输送柜、用气终端、大烘箱（图 6）和不间断电源（图 7）。电路控制柜电路控制柜能通过可编程序控制器实现对系统的智能控制。电路控制柜是整个控制系统的硬件核心，系统的每个部分通过电线连接到这个控制柜，内部的可编程序控制器具有较强的控制功能和较强的运算能力，一旦监测到报警会在气体检测器上报警，在室外声光报警灯和显示屏上报警，并能自动切断气体供应柜内部气源，同时启动应急排风将室内气体快速排除。应急排风机应急排风机正常情况下是关闭状态，但是当甲烷监测控制系统出现报警时就会自动启动，快速将室内的甲烷气排放到室外。通过对实验室内部体积和甲烷气量的综合考量，同时还考虑了将对人身的影响，最终选择了电机功率为0.25kW-4P，转速为 1 450r/min 的低噪声轴流通风机作为应急排风机。不间断排风机不间断排风机与房顶的排风管道相连，通过不间断排风保证排风管道内基本处于负压状态，通过气体的不断流动，能够将甲烷气及时排出。通过对实验室内部体积和甲烷气量的综合考量，同时还考虑了将对人身的影响，最终选择了电机功率为 11KW-2P，转速为 2 900r/min 的高压离心式通风机作为不间断排风机。排风罩排风罩布置在实验台的正上方，主要作用是像抽油烟机一样，通过排风机将室内实验过程中多余的甲烷抽到排风管道中，经过特殊处理后排到空气中。惰性气体输送柜 惰性气体输送柜里面的 1 瓶氮气是辅助气，辅助气的作用是将全自动特殊气体供应柜的辅助压力稳定压力在 70psi左右，用来保证全自动特殊气体供应柜内部的气动阀能够正常工作。用气终端用气终端的作用是控制气源和显示气体压力值。用气终端是供气管路的终端，同时也是实验气体的始端，通过用气终端能够对整个气路进行分级控制，保障了气体的安全使用。大烘箱大烘箱主要是提供一个恒定高温、安全有效的内部环境，用于在其内部开展高温甲烷实验。大烘箱侧面装有气体侦测器，实时监测内部甲烷浓度，并与甲烷监测控制系统联动，一旦检测到甲烷浓度报警会自动启动风机向外部快速排风，保障烘箱内部安全。大烘箱是中外合作优质公司开发生产的主要产品，以空气跟电作为烘干介质，具有烘干功率强劲，干燥工艺简单，快捷高效等优点，适用于高端实验室。不间断电源不间断电源的主要作用是在短时间停电的情况下，自动将系统从市电切换到不间断电源，继续为该系统供电 4 小时，保障系统的正常运行。应用效果分析甲烷监测控制系统在中国石油勘探开发研究院实验室建成并应用，在应用过程中运行状态良好。该系统通过气体侦测器实时监测室内甲烷浓度，一旦超出设定值，马上发出报警并引起该系统的联动，会切断全自动特殊气体供应柜内的甲烷气源供应，室外报警灯会发出声光报警，室内应急排风机会自动打开，将室内的甲烷快速排出。出现报警后通过室外显示屏上的气体监控系统查看报警位置和报警原因，进行图 3 室外显示屏和声光报警灯图 2 全自动特殊气体供应柜内部中国科技信息 2023 年第 8 期CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Apr.2023-112-四星推荐有效处理后，恢复系统，继续正常运行。整套设备主要包括甲烷监测系统和控制系统。甲烷监测系统具有三大优点：实时性，实验室内气柜状态、报警、压力参数的实时检测。气体侦测器的运行状况，气体检测浓度值，报警等级的显示。可靠性，现场出现异常情况，系统联动关断气柜，并触发声光报警，监控系统语音提示并且记录报警详细内容。数据提供实时趋势、历史趋势的查询。报警提供实时报警、历史报警的查询。直观性，所有用户界面以图形方式仿真显示，系统运行情况可以直观呈现。控制系统具有三大优点：安全性，气瓶集中摆放在半开放气瓶区，与实验区分离，确保发生泄漏能自动切断气源，大概率降低风险发生，更好的保证实验室安全。易管理性，气瓶集中摆放有利于运行管理，方便气瓶更换及现场巡查。易扩展性，通过气体分配箱的分支性能，能实现气体系统使用点的灵活增减，单点调整不影响整个系统运行。结束语甲烷监测控制系统能够实现实时监测、自动换气、自动控制等功能，对实验室内甲烷浓度在线监测，双气瓶自动切换，遇到报警不仅会发出提醒，还会切断电源，同时打开应急排风，实现了系统的自动控制。甲烷监测控制系统的大烘箱能够通过气体侦测器实时监测内部甲烷浓度，在大烘箱内模拟地下高温储存环境，不仅能为开采现场提供更加精准的实验结果，还能够提高实验技术和人员能力。可以说大烘箱是开展高温甲烷实验的必备条件之一。甲烷监测控制系统既能够实现气源控制、不间断电源、全天候排风等功能，又能够为实验提供安全的气源，同时通过不间断排风及时将室内的甲烷排出，有效解决实验室内甲烷因浓度高引起的安全隐患，保障了实验的安全运行。随着国家和企业对能源安全的重视不断提高，该系统在未来会有更加广阔的应用空间。图 5 不间断排风机图 7 不间断电源图 6 大烘箱图 4 电路控制柜