安全监测系统在液化天然气运输装备上的应用

梁沁宜,郑 涛,拜雪玲,侯 军,李照明,左红磊

(1.中车西安车辆有限公司,陕西 西安 710086;2.中国铁路西安局集团有限公司,陕西 西安 710086)

液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)属于低温液体,运输设备需采用压力容器,储运过程中温度通常在-166～-120 ℃之间[1],一旦泄漏对周边生物会产生低温冻伤的风险,汽化后则存在爆炸的可能性,因此运输过程的安全性极其重要。为提高液化天然气的运输安全性,可采用物联网技术和安全监测系统,通过信息传感设备,按照约定的协议,利用罐内介质信息进行通信,在运输全过程中对运输设备及其装运介质状态进行智能化检测、定位和监管等,做到安全预防。

1 国内外现状

1.1 国内现状

我国目前装运LNG的移动设备主要是汽车罐车,铁路罐车、罐式集装箱等铁路或水路移动运输装备已完成试制,且加装了测量罐内介质压力、液位等信息安全监测系统,尚未正式投入运用。

1.2 国外现状

日本较早开始通过铁路运输LNG,在1973—1975年间制造了4辆LNG铁路罐车,从2000年开始采用集装箱进行LNG铁路运输,如图1所示,集装箱分为20 ft、30 ft和40 ft 3种规格,其中以30 ft集装箱为主[2]。北美主要采用铁路机车用LNG燃料罐车,如图2所示,也可采用液态乙烯罐车运输LNG。瑞典和挪威曾采用集装箱进行LNG铁路运输。2016年德国与捷克共和国合作研制了欧洲第一款LNG铁路罐车,如图3所示。俄罗斯拥有少量铁路机车用LNG燃料罐车,也研制了LNG铁路罐车,但均未大批量商业化运营。这些LNG运输装备上均未加装监测罐内介质状态信息等功能的安全监测系统。

图1 日本LNG罐式集装箱

图2 加拿大铁路机车用LNG燃料罐车

图3 德国与捷克共和国合作研制的LNG铁路罐车

2 安全监测系统的要求

根据物联网技术的基本原理,结合LNG运输装备的运用工况和安全监测系统的结构特点,整套系统应遵循低功耗、小型化、轻量化的设计原则,且不影响运输装备自身的行车安全,在使用工况、试验、维护等方面的具体要求如下。

2.1 使用工况

2.1.1 适用温度范围

安全监测系统的各电气设备应能满足LNG运输装备使用的环境温度要求。

2.1.2 供电要求

LNG铁路罐车、罐式集装箱自身不带电源,安全监测系统的运行须配备合适的供电设施。

2.1.3 电气防爆要求

LNG汽化后的主要成分是甲烷,爆炸极限为5%～15%(体积百分比),遇到电子装置打火时存在爆炸的可能性[3],装运LNG的运输装备一旦发生泄漏将处于爆炸性气体环境,因而加装的电气设备必须满足相应的防爆要求。

根据相关防爆标准[4-7]的规定,天然气属于ⅡA类爆炸性气体;电气设备的最高表面温度应不超过天然气的点燃温度(650 ℃),温度组别为T1;罐内液体表面以上空间划为0区,以密闭装卸口和通气口为中心、半径为1.5 m的球形空间划为1区,以密闭装卸口为中心、半径为4.5 m的球形并延至地面的空间和以通气口为中心、半径为3 m的球形空间划为2区;0区用电气设备应满足本安型(ia)防爆要求,1区用电气设备可采用0区用电气设备或满足本安型(i)、隔爆型(d)、正压型(p)、充砂型(q)、油浸型(o)、增安型(e)和浇封型(m)中任一种防爆要求的设备,2区用电气设备可采用0区或1区用电气设备或满足“n”型防爆要求的设备。根据电气设备所安装区域的防爆要求,选择具有相应防爆等级的设备。

2.1.4 特殊工况

除以上要求外,安全监测系统还须满足LNG运输装备运用的特殊工况要求,如抗振动和冲击、抗射频干扰等要求。

2.2 试验

根据安全监测系统的具体结构特点,进行性能试验、高温试验、低温试验、恒定湿热试验、静电放电试验、射频干扰试验、绝缘试验、振动和冲击试验、低温存储试验等相关试验。

2.3 维护

安全监测系统的各电气设备应便于拆卸,易于检修,供电设施的供电时间不少于运输装备的最短检修周期。

3 在LNG铁路罐车/罐式集装箱上的应用

3.1 车辆简介

LNG铁路罐车分为GYA70B和GYA70C2种车型,如图4、图5所示,均采用中梁结构,用于铁路运输LNG。GYA70B型罐车主要由罐体装配、加排系统装配、底架装配、罐与底架装配、制动装配、钩缓装配、转向架、操作间、安全监测系统等组成,GYA70C型罐车在GYA70B型罐车的基础上增设了押运间。编组方式为6辆重(空)罐车(含带押运间车辆)以内编为1组,其中仅有一辆罐车同时带有操作间和押运间,其余罐车均不带押运间,只有操作间[8]。

图4 GYA70B型LNG铁路罐车

图5 GYA70C型LNG铁路罐车

LNG罐式集装箱为40 ft标准罐式箱,主要由罐体、框架、加排系统、安全监测系统等四部分组成,如图6所示,可供铁路运输LNG。

图6 LNG罐式集装箱

3.2 安全监测系统

LNG铁路罐车/罐式集装箱安全监测系统利用传感器对罐内介质的压力、液位进行检测并显示,通过短程无线的方式将该组内各辆车检测到的数据进行集中显示,实现运输全过程押运人员对各车辆介质信息的监测。该系统主要由检测传输设备、车载监控设备及其配套软件等组成。

3.2.1 检测传输设备

检测传输设备主要由压力传感器、差压式液位传感器和无线设备等组成,安装在LNG铁路罐车/罐式集装箱的操作间/阀门箱内。

压力传感器、差压式液位传感器的量程范围分别为0～1 MPa、0～15 kPa,精度均不低于0.5%FS,有唯一的ID地址,防爆等级为ExiaⅡCT4Ga,防护等级为IP67,具有数显、无线传输、防雷和休眠功能,通过螺纹连接与罐体上引出的接管相连。采用一次性电池供电,电压为DC 3.6 V,与传感器集成在一起,供电时间不少于1年,采用插接件连接,拆装方便、快捷。

无线设备采用车载专用天线,安装在操作间/阀门箱的外侧顶部,发射功率不大于6 W,传输距离不小于240 m,一次运输过程的数据传输成功率不低于90%,有效数据不低于95%,用于将压力、液位等数据信息通过本地短程无线方式传送到该组车辆的押运间/押运车内。

3.2.2 车载监控设备

LNG铁路罐车/罐式集装箱车载监控设备主要包括数采主机、电源和无线设备等,安装在押运间/押运车内。

LNG铁路罐车押运间无供电设备,需配备电源为数采主机供电,电源采用可充电电池,电压为DC 12 V。LNG罐式集装箱车载监控设备利用押运车上的电源设施为其供电,电压为AC 220 V,含DC 12 V外接电池接口。

数采主机为该组车辆信息的集中显示装置,并预留远程无线传输的数据扩展接口,主要具有以下功能:

(1) 数据显示功能。能够监测该组内各车辆装运介质的压力、液位信息。

(2) 调节采样、上传周期的功能。若此次传输失败,系统会自动重复,与下次数据一起传输,直至发送成功。

(3) 异常报警功能。在罐内介质压力超常、传感器电量不足、电源电量不足等异常情况下以声光形式报警。

(4) 押运管理功能。可输入装运介质密度、车号、始发站、终点站、押运时间、押运人、发车前检测到的介质压力和液位信息等。

(5) 数据存储、导出和历史数据查询功能。

LNG铁路罐车数显主机和电源均采用隔爆型防爆设计,防爆等级为ExdⅡBT6Gb。LNG罐式集装箱车载监控设备安装在押运车上,无防爆要求。

4 在LNG联运罐式集装箱上的应用

4.1 车辆简介

LNG联运罐式集装箱为40 ft标准箱,主要由罐体、框架、侧部加排系统、安全监测系统等四部分组成,如图7所示,可供铁路、公路、水路以及多式联运来运输LNG。

图7 LNG联运罐式集装箱

4.2 安全监测系统

LNG联运罐式集装箱安全监测系统采用传感器件对罐内介质的压力、液位、温度等信息进行检测,定位设备获取罐箱位置,通过远程无线的方式将各罐箱的检测数据传输到监控中心进行集中显示,实现运输全过程工作人员对各罐箱位置和装运介质信息的监测。该系统主要由多参量变送器、温度传感器、天线设备及其配套软件等组成。

4.2.1 多参量变送器

多参量变送器采用一体化集成设计,主要由传感器件、电源模块、控制模块、存储模块等组成,有唯一的ID地址,防爆等级为ExiaⅡBT1,防护等级为IP67,能够检测罐内介质压力和液位、环境温度、罐箱位置和加速度,显示电池电量和时间,对检测到的数据进行分析、处理并上传,具有数显、无线传输、防雷、休眠等功能,安装在LNG联运罐式集装箱的阀门箱内。高低压传感器件选用单晶硅,压力和液位的量程范围分别为0～1.6 MPa和0～15 kPa,测量精度均不低于0.5%FS。电源采用一次性电池,与其他模块分仓封装,带短路保护,数据传输周期为30 min时,电池容量满足2年使用要求,与主机之间采用插接方式连接,便于拆装、检修。

4.2.2 温度传感器

温度传感器采用铂电阻,量程范围为-200～100 ℃,最大允许测量误差为±1 ℃,通过专用测温管路从外壳经夹层插入内容器。

4.2.3 天线设备

天线设备主要由GSM天线和GPRS天线组成,通过数字化无线通信的传输方式上传数据,通信制式支持2G/3G/4G。

该系统与LNG铁路罐车/罐式集装箱的主要区别在于能够实现远程无线传输,主要具有以下功能:

(1) 检测功能。测量罐内介质压力和温度、环境温度,并显示液位信息。

(2) 定位功能。

(3) 罐箱加速度显示功能。

(4) 采样、上传周期可调。

(5) 远程无线传输、设置和升级功能。在监控中心监测罐箱的各项指标,设置相关控制参数,升级固件程序及校表。

(6) 异常报警功能。

(7) 数据存储、导出和历史数据查询功能。

(8) 电脑和手机App均可查询罐箱信息。

5 目前存在的问题

安全监测系统应用于LNG运输装备能够提高运输安全性,做到安全预防,但是实际应用中仍存在一些问题,主要有以下两方面:

(1)运用管理。LNG运输装备安全监测系统的应用还牵涉通信、监管和维修等方面。远程无线传送信息在铁路货车领域尚无运用经验,在尚未建立通信基站的地区无法进行通信,不能实现远程无线传送信息的功能。安全监测系统的运用和监测信息的管理还需制定具体的监管措施。整套系统的维护和检修,尤其是防爆产品,需由专业机构或专业人士操作。

(2)产品标准化。安全监测系统的一些部件(如监测主机)是供货商按照LNG运输装备的特定要求专门研制的产品,无统一标准,各家产品不一致,接口不统一,通信协议不同,无法相互通信,标准化、系列化、通用化水平低。

6 结论

通过对加装于LNG运输装备的安全监测系统进行分析发现,该系统能够应用于LNG铁路罐车/罐式集装箱、联运罐式集装箱,实现工作人员对罐内介质状态及车辆信息的监测,提高运输安全性,做到安全预防。但该系统的实际应用过程中还需在运用管理和产品标准化方面进行进一步规范。