强常伟 方东 白元飞

陕西省天然气股份有限公司

摘要：天然气压缩机房属于典型的防爆重点区域，其安全运行直接关系到站场及人员生命财产安全。本文从本质安全的角度出发，基于“门禁联锁+可燃气体检测+视频监控”三重监测体系，设计一套智能化防爆风机自动联锁系统，实现压缩机房的实时监测、自动通风与远程控制。当检测到人员进入或燃气泄漏时，系统自动启动防爆风机排气，维持室内天然气浓度低于爆炸下限的25%LEL，减少燃气浓度积聚，提升天然气压缩机房的本质安全水平。

关键词：天然气压缩机房；防爆；本质安全；门禁联锁；气体检测；自动排风

天然气作为一种清洁高效的能源，在我国能源结构中占有重要地位。随着天然气管网的不断扩展与输气规模的持续增长，输气场站的安全运行问题日益凸显。

压缩机房作为场站内增压输送的核心单元，其内部设备密集、管线复杂，长期处于高压、高速运行状态，存在密封点泄漏、设备老化、操作失误等多种风险源。天然气主要成分为甲烷，属于易燃易爆气体，其爆炸下限约为5%VOL，一旦在有限空间内积聚并达到爆炸范围，遇点火源即可引发严重事故。目前，多数传统压缩机房的安全防护仍依赖于定期人工巡检、分散安装的可燃气体报警器以及自然通风等方式。这些方式普遍存在响应滞后、覆盖不全、依赖人员经验等问题，难以实现实时、精准的风险管控。特别是在无人值守或巡检间隔期间，安全隐患无法被及时发现与处置，事故风险显著升高。

近年来，随着工业物联网、传感器技术、人工智能及自动控制技术的快速发展，构建智能化、集成化、自动化的安全监测与控制系统已成为可能。在此背景下，本研究旨在从设计与工程应用角度出发，研发一套适用于天然气压缩机房本质安全的防爆系统。该系统集成门禁管理、可燃气体实时监测与智能视频分析等功能，通过逻辑联锁实现防爆风机的自动启停，从而在泄漏发生初期或人员进入危险区域时迅速响应，维持环境安全，真正实现从“人防”到“技防”的转变。

1  防爆系统内容

1.1  系统总体设计思路

系统设计遵循“多重探测、智能判断、自动响应、冗余可靠”的原则，以提升压缩机房的主动防护能力为核心目标。系统以高性能PLC作为中央控制单元，负责实时采集、处理来自门禁系统、多路可燃气体检测仪及AI视频监控摄像头的信号，并依据预设的安全逻辑执行相应的控制指令（图 1）。

图 1 系统总体逻辑框架

系统具备三种主要工作模式。

（1）全自动模式。系统根据探测信号自动判断并执行风机启停，无需人工干预。

（2）远程手动模式。监控中心操作人员可根据实时数据或视频画面，远程手动控制风机运行。

（3）现场应急模式。机房现场设置紧急启动/停止按钮，用于特殊情况下的本地操作。

系统设计还充分考虑了冗余与可靠性：关键传感器（如气体探测器）采用冗余布置；PLC程序具有自诊断与故障报警功能；通信链路具备断线续传与备用通道。

1.2  防爆风机启动逻辑与计算分析

（1）气体泄漏稀释时间计算。当压缩机房内出现泄漏时，风机应在最短时间内将天然气浓度稀释至安全值（LEL）以下。其理论稀释时间由式（1）计算：

其中：t稀释时间，s；V机房体积，m³；C0泄漏后初始浓度，%；CS安全浓度，%；COUT外部空气浓度，约0%；Q风机换气量，m³/s。

假设某压缩机房体积V=6500 m³，考虑中等泄漏速率场景，当系统检测到气体泄漏后浓度3%VOL，即60%LEL，属于高风险状态。考虑风管阻力、布置等因素，风机有效换气量Q=60 m³/s，则稀释至1%所需时间：t=[6500×(3-1)]/[60×(1-0)]=216 s。即防爆风机（单个防爆风机排气量10 m³/s，共6台）启动后约3.6 min即可将浓度降至安全值以下。

计算结果表明，从系统触发到启动风机，并在理想混合状态下，约需3.6 min即可将室内平均天然气浓度从3%降至1%以下。该计算需结合场所实际体积、风机换气量等因素综合考虑。实际应用中，需考虑泄漏点位置、气体扩散不均匀性等因素，适当增加安全系数。

（2）联锁响应逻辑分析。系统的核心在于其精确、可靠的联锁控制逻辑。所有感知信号输入PLC后，由内部程序进行综合判断，输出相应的控制与报警指令。具体控制逻辑如表 1所示。

表 1 系统联锁响应逻辑列表

1.3  系统硬件组成与通信结构

系统的可靠性建立在关键硬件设备的合理选型与稳定通信之上。所有安装在爆炸性环境内的设备均需满足相应的防爆等级要求（表 2）。

表 2 系统硬件组成与通信结构列表

系统通信网络采用工业以太环网为主干，连接PLC与监控服务器。现场防爆区域的传感器与执行器通过本安或隔爆方式接入现场I/O柜，再通过屏蔽电缆与PLC通信。关键数据链路采用双冗余设计，提高系统可用性。

2  系统运行结果与分析

2.1  运行结果与验证

运行结果表明，系统极大地提升了压缩机房安全监控的实时性、准确性和自动化水平。特别是在模拟泄漏试验中，能在3 s内启动防爆风机，响应时间大幅度缩短，气体浓度下降率明显，报警响应延时大幅降低，验证了设计的有效性和工程实用性（表 3）。

表 3 系统运行结果统计

2.2  系统创新性分析

（1）多源信号融合触发机制。突破单一检测方式的局限性，将“人员出入管理”“环境气体监测”与“视觉行为分析”三类异构信号进行融合。PLC通过算法综合判断，例如：仅气体瞬时微超限但无人员且视频无异常，可能为探测器误报，系统仅记录不启动风机；而当人员进入伴随气体浓度上升趋势，则立即触发最高级别响应。这种融合机制大大提高了系统判断的准确性与可靠性，减少了误动作。

（2）智能联锁与远程可控双模式。系统并非完全僵化的自动控制，而是设计了灵活的双模式。在日常，依靠自动联锁实现无人化安全值守；在检修、调试等特殊工况下，监控人员可远程接管控制，或现场人员使用应急按钮，实现了自动化与人工干预的结合，兼顾了安全管理的可靠性与操作灵活性。

（3）可计算安全模型。将气体扩散与稀释的理论计算公式直接嵌入系统设计阶段，用于指导风机选型、数量配置和安全响应时间的预估。这使得安全系统从“经验设计”迈向“模型化、定量化设计”，提升了工程设计的科学性与经济性，为安全系统的标准化、模块化推广奠定了基础。

3  结论

本文针对天然气压缩机房这一高危场所，深入研究了其防爆本质安全提升的关键技术与系统实现方案，得出以下结论。

（1）构建了高效的多维感知与联动控制体系。将门禁联锁、分布式可燃气体检测与AI智能视频监控技术进行深度融合，设计并实现了一套以PLC为核心的自动联锁控制系统。该系统能够全方位、实时地感知机房内人员活动与气体环境状态，实现了从风险感知到主动防护的快速闭环。

（2）显著提升了应急响应速度与安全可靠性。引入气体泄漏稀释理论模型进行前期计算，通过强制快速排风，能有效防止可燃气体积聚，将室内浓度持续控制在爆炸下限以下，从根本上降低了燃爆风险。

（3）具备良好的行业推广价值。设计理念与技术架构不仅适用于天然气压缩机房，也可经过适应性调整，推广至石油化工、煤化工等存在易燃易爆气体风险的各类封闭或半封闭场所，对推动相关行业本质安全水平的整体提升具有积极的示范意义。

作者简介：强常伟，本科，高级工，输气工，研究方向为天然气输气场站本质安全，主要从事天然气场站安全管理、压缩机运行维保等工作。联系方式：13429728455，402340738@qq.com。