Safety Design 0f LNG VapOrizing Station
ZHU Chang-wei‘． MA Guo—guang~． LI Gang~
(1．Southwest Petroleum Univenity，Chengdu 610500，China；2．CNOOC Gas Pipelining c0．，Ltd．，Haikou 570105，China)
關(guān)鍵詞：液化天然氣； 氣化站；儲(chǔ)罐； 安全
Key words：LNG；vaponzlng statlpn；storage tank；safety
Abstract：The hazard 0f LNG and the current development status of LNG vaporizing station in Chi—na are introduced briefly．The safety design of LNG vaporizing station is discussed in aspects 0f designstandards，general arrangement，impounding area，storage tanks，vaponzer，LNG transmission pipeline， fire control and s0 0n．
1 概述
1．1 LNG的危險(xiǎn)性
①低溫的危險(xiǎn)性：LNG的儲(chǔ)存和操作都存低溫下進(jìn)行，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)使相關(guān)沒備脆性斷裂和遇冷收縮，從而破壞設(shè)備，引發(fā)事故。并且，低溫LNG能凍傷操作人員。
②火災(zāi)危險(xiǎn)性：天然氣與空氣混合能形成爆炸性混合氣體，爆炸極限(體積分?jǐn)?shù))為5％～15％。如果存在火源，極易著火燃燒，甚至爆炸。
③對(duì)人體的危害：雖然LNG蒸氣無毒，但是如果吸進(jìn)純的LNG蒸氣，人會(huì)迅速失去知覺，幾分鐘后死亡；當(dāng)大氣中氧的含量逐漸減少時(shí)，工作人員可能警覺不到而慢慢地窒息。
1．2我國(guó)LNG氣化站的發(fā)展現(xiàn)狀
2001年，中原油田建成了我國(guó)第一座生產(chǎn)型的LNG裝置，淄博LNG氣化站同時(shí)建成投產(chǎn)，揭開了中國(guó)LNG供氣的序幕。
目前國(guó)內(nèi)已建成使用的LNG氣化站逾30座。隨著新疆廣匯LNG廠于2004年投產(chǎn)，以及廣東沿海LNG接收終端的建成投產(chǎn)，LNG供應(yīng)在我國(guó)將形成南、中、西的供應(yīng)格局。加之LNG氣化工程的關(guān)鍵設(shè)備如低溫儲(chǔ)罐、氣化器、低溫閥門及運(yùn)輸設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，可以預(yù)見，在未來5年我國(guó)將會(huì)迎來LNG氣化站建設(shè)的高峰。
2 LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)
2．1設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
設(shè)計(jì)時(shí)日可參考的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)的NF—PA59A《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝卸標(biāo)準(zhǔn)》、NFPA57《LNG汽車燃料系統(tǒng)》等；國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有：GB 50028--2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》；GB50183--2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等。
2．2總平面布置
LNG氣化站總平面布置設(shè)計(jì)要合理地確定站內(nèi)各作業(yè)區(qū)和設(shè)備的位置，以確保氣化站有一個(gè)安全的環(huán)境。對(duì)于LNG的溢出，總希望能夠預(yù)測(cè)LNG蒸氣量與溢出距離和溢出時(shí)間的函數(shù)關(guān)系，這樣可以通過溢出的流量和時(shí)間來預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的區(qū)域。
NFPA59A已經(jīng)對(duì)氣化站邊界線以外的人身和財(cái)產(chǎn)的影響做了明確的安全要求，這些要求限制了在邊界線的熱輻射量�，F(xiàn)在各種計(jì)算機(jī)軟件能夠模擬CNG儲(chǔ)存設(shè)施周圍的火災(zāi)輻射和氣體擴(kuò)散濃度，例如LNGFIRE(LNG燃燒的熱輻射模型)和DE—GAIS(氣體擴(kuò)散濃度程序)。
2．3圍堰區(qū)
圍堰區(qū)是指用混凝土、金屬等耐低溫材料在LNG儲(chǔ)罐周圍建造的堤防、防護(hù)墻或排液系統(tǒng)所圍成的區(qū)域。LNG儲(chǔ)罐周圍必須沒置圍堰區(qū)，以將儲(chǔ)罐發(fā)生事故時(shí)對(duì)周圍設(shè)施造成的危險(xiǎn)降低到最小程度。
2．4 LNG儲(chǔ)罐
LNG儲(chǔ)罐按結(jié)構(gòu)形式可分為地下儲(chǔ)罐、地上金屬儲(chǔ)罐和金屬一預(yù)應(yīng)力混凝土儲(chǔ)罐3類，地上LNG儲(chǔ)罐又分為金屬子母儲(chǔ)罐和金屬單罐2種。LNG氣化站采用何種儲(chǔ)罐，主要取決于其儲(chǔ)存量。儲(chǔ)存量為1 200～5 000 m3時(shí)可采用金屬子母儲(chǔ)罐帶壓儲(chǔ)存和常壓罐儲(chǔ)存。儲(chǔ)存量為1 200 m3以下的城市LNG氣化站，基本采用金屬單罐帶壓儲(chǔ)存。
①LNG儲(chǔ)罐的安全措施
a．為保證儲(chǔ)罐及連接部件在LNG及其冷蒸氣下能正常工作，儲(chǔ)罐材料必須滿足低溫性能要求。暴露的儲(chǔ)罐隔熱層應(yīng)防火、防水、阻燃、阻LNG蒸氣，并且在消防水的沖擊力作用下不會(huì)移動(dòng)。
b．儲(chǔ)罐之間需要有適當(dāng)?shù)膬艟啾阌谠O(shè)備的安裝、檢查和維護(hù)。NFPA59A中的表2．2．4．1明確規(guī)定了LNG儲(chǔ)罐之間的最小凈距和布置要求。
c．儲(chǔ)罐的液相管上安裝緊急切斷閥，發(fā)生意外事故時(shí)切斷儲(chǔ)罐與外界的連通，防止儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG泄漏。每臺(tái)儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)2套相互獨(dú)立的液位測(cè)量裝置，在選擇測(cè)量裝置時(shí)應(yīng)考慮密度的變化。在儲(chǔ)罐真空層設(shè)壓力儀表，用于測(cè)量真空層的絕對(duì)壓力。
d。儲(chǔ)罐應(yīng)當(dāng)設(shè)置一個(gè)高液位報(bào)警器，使操作人員有足夠的時(shí)間停止進(jìn)料。儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置高液位進(jìn)料切斷裝置，它應(yīng)與全部的控制計(jì)量?jī)x表分開設(shè)置。
e．為了避免儲(chǔ)罐內(nèi)形成空氣與天然氣的混合氣導(dǎo)致事故，儲(chǔ)罐在首次使用或停止使用進(jìn)行內(nèi)部檢修時(shí)，要進(jìn)行惰化處理。
f根據(jù)地質(zhì)、氣象等資料，分析發(fā)生地震、風(fēng)災(zāi)、雪災(zāi)等自然災(zāi)害的可能性及其特征，考慮儲(chǔ)罐的抗震和抵御風(fēng)雪載荷的能力。
②LNG渦旋現(xiàn)象的預(yù)防
渦旋現(xiàn)象 (Rollover)，也稱翻滾，通常出現(xiàn)在多組分的液化天然氣中，是由于向已裝有LNG的低溫儲(chǔ)罐內(nèi)充注新的LNG，或由于LNG中的氮優(yōu)先蒸發(fā)而使儲(chǔ)罐內(nèi)的液體發(fā)生分層而引起。在已有的一些研究中，對(duì)該問題的解釋是：密度較大的液體積聚在儲(chǔ)罐底部，而密度較小的液體處于儲(chǔ)罐頂部，底部液體因受到上面液體重力的作用，壓力高于上部液體，對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度相應(yīng)提高，且底部LNG具有一定的過冷度，蒸發(fā)速度較上部液體慢。外界熱量總是不斷由外向內(nèi)傳遞，底部液體獲得熱量，其溫度升高，密度減小，當(dāng)?shù)撞恳后w密度小于上部液體密度時(shí)，分層平衡將被破壞，形成渦旋現(xiàn)象，引起液體蒸發(fā)率劇增。
計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)發(fā)展到能夠預(yù)測(cè)渦旋發(fā)生的時(shí)間、分層和氣體釋放率，然而，渦旋發(fā)生時(shí)氣體釋放率的峰值很難精確預(yù)測(cè)。因此，為避免渦旋的發(fā)生，在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)防非常必要�？梢酝ㄟ^測(cè)量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)垂直方向上的溫度和密度來確定是否存在分層，當(dāng)分層液體之間的溫差>O．2 K，密度差>O．5 kg／m。時(shí)，一般認(rèn)為發(fā)生了分層。防止發(fā)生渦旋現(xiàn)象的方法有：
a．將不同產(chǎn)地、不同氣源的LNG分開儲(chǔ)存，可避免因密度差而引起的分層。b．根據(jù)需儲(chǔ)存的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)原有LNG的密度差異，選擇正確的充注方式。c．使用混合噴嘴和多孔管向儲(chǔ)罐中充注LNG。d．檢測(cè)LNG的蒸發(fā)速度，LNG分層會(huì)抑制LNG的蒸發(fā)速度，使出現(xiàn)渦旋前的蒸發(fā)速度比通常情況下的蒸發(fā)速度低。
③儲(chǔ)罐靜態(tài)蒸發(fā)率
儲(chǔ)罐靜態(tài)蒸發(fā)率能較為直觀地反映儲(chǔ)罐在使用時(shí)的絕熱性能，其定義為低溫絕熱壓力容器在裝有大于有效容積的1／2的低溫液體時(shí)，靜止達(dá)到熱平衡后，24 h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的低溫液體質(zhì)量和容器有效容積下低溫液體質(zhì)量的比值。LNG氣化站多采用50 m3，及100 m3帶壓LNG儲(chǔ)罐，文獻(xiàn)[5、6]對(duì)其靜態(tài)蒸發(fā)率的要求見表1。
國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出LNG儲(chǔ)罐蒸發(fā)率的上限標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)可以參考液氮的標(biāo)準(zhǔn)。
表1 立式和臥式低溫絕熱容器的靜態(tài)蒸發(fā)率
Tab．1 Static evaporation rate of vertical and horizontal．
|
|
|
液氮靜態(tài)蒸發(fā)率 |
上限 |
|
絕熱形式 |
容積 |
固定罐 |
移動(dòng)罐 |
罐式集裝箱 |
|
高真空 |
50 |
0 150 |
O 150 |
0.240 |
|
多層絕熱 |
100 |
O．095 |
|
|
50 |
0.350 |
0.240 |
0.380 |
|
真空粉末 |
100 |
0.250 |
2.5氣化器
LNG氣化器按其熱源的不同，可分為加熱氣化器、環(huán)境氣化器和工藝氣化器，其安全設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：
(1)除非導(dǎo)熱介質(zhì)不可燃，否則氣化器及其熱源與其他任何火源之間的水平凈距至少為15 m，整體加熱氣化器到圍墻的水平凈距至少為30M。
(2)氣化器到LNG、可燃制冷劑或可燃?xì)怏w儲(chǔ)罐的水平凈距至少為15 m，到控制大樓、辦公室、車間等有人的重要建筑物的水平凈距至少為15 m。
(3)站內(nèi)布置多臺(tái)加熱氣化器時(shí)，各氣化器之間的水平凈距至少為1．5 m。
(4)安裝在距LNG儲(chǔ)罐15 m之內(nèi)的任何環(huán)境氣化器或加熱氣化器，均應(yīng)在液體管道上設(shè)置自動(dòng)切斷閥，此閥應(yīng)設(shè)置在距離氣化器至少3 m處。
(5)每臺(tái)氣化器應(yīng)提供一種距氣化器至少15M的切斷熱源的方式。
(6)為防止泄漏的LNG進(jìn)入備用氣化器，可安裝2個(gè)進(jìn)口閥門，并采取安全措施排空積存在兩個(gè)閥門之間的LNG和蒸發(fā)氣體。
(7)應(yīng)設(shè)置恰當(dāng)?shù)淖詣?dòng)化設(shè)備，以避免LNG及 其蒸氣在異常情況下進(jìn)入輸配系統(tǒng)。
2．6 LNG輸送管道
在進(jìn)行LNG管道設(shè)計(jì)中，不僅要考慮低溫液體的隔熱要求，還應(yīng)特別注意因低溫引起的熱應(yīng)力、防止水蒸氣滲透、避免出現(xiàn)冷凝和結(jié)冰、管道泄漏的探測(cè)方法以及防火等問題。
LNG管道和其他低溫液體輸送管道一樣，管道的熱補(bǔ)償是一個(gè)需要細(xì)心考慮的重要問題。兩個(gè)固定點(diǎn)之間，由于冷收縮產(chǎn)生的應(yīng)力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過材料的屈服極限。通�？刹捎媒饘俨y管、管環(huán)式補(bǔ)償器以及熱膨脹系數(shù)小的管材等方法解決。
2．7氣化站的消防
消防系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)原則是：盡量切斷氣源，控制泄漏；對(duì)儲(chǔ)罐及鄰近儲(chǔ)罐的設(shè)備進(jìn)行冷卻保護(hù)，避免設(shè)備超壓造成更大的災(zāi)害；將泄漏的LNG引至安全地帶氣化，避免燃燒擴(kuò)大。根據(jù)以上原則，消防系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：
①緊急關(guān)閉系統(tǒng)
每個(gè)LNG設(shè)備上都應(yīng)裝備緊急關(guān)閉系統(tǒng)(ESD)．該系統(tǒng)可隔離或切斷LNG、可燃液體、可燃制冷劑和可燃?xì)怏w的來源，并關(guān)閉一些如繼續(xù)運(yùn)行可能加大或維持災(zāi)情的設(shè)備。
②火災(zāi)和泄漏監(jiān)控系統(tǒng)
該系統(tǒng)主要包括：設(shè)置在氣化器里的碳?xì)浠衔镄孤z測(cè)器和設(shè)置在大氣中的可燃?xì)怏w檢測(cè)器,在氣化醫(yī)、儲(chǔ)罐區(qū)、外送泵區(qū)設(shè)置的紫外線或紅外線火焰探測(cè)器，在控制室、電氣室以及消防泵房設(shè)置的煙氣檢測(cè)器以及用來檢測(cè)LNG是否泄漏的低溫檢測(cè)器。
③消防水系統(tǒng)
消防水系統(tǒng)由消防泵房、消防水池、消防給水管道及消火栓、消防水槍等組成。水可用來控制LNG產(chǎn)生大火，但不是滅火。如果將水噴到LNG表面會(huì)使LNG的蒸發(fā)率增大，從而使LNG的火勢(shì)更大。因此，不能用水直接噴淋到LNG或LNG蒸氣上。用水的目的主要是將尚未著火而火焰有可能經(jīng)過的地方淋濕，使其不易著火。
④干粉滅火系統(tǒng)
干粉滅火劑是撲滅高壓力、大流量天然氣火災(zāi)的最有效措施。由于干粉滅火劑對(duì)燃燒物的冷卻作用很小，在撲滅較大規(guī)模的火災(zāi)時(shí)，如滅火不完全或因火場(chǎng)中熾熱物的作用，容易發(fā)生復(fù)燃。
⑤泡沫滅火系統(tǒng)
泡沫滅火劑可分為化學(xué)泡沫滅火劑、空氣泡沫滅火劑、氟蛋白泡沫滅火劑、水成膜泡沫滅火劑等。LNG氣化站常采用高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)，滅火器噴出大量泡沫覆蓋在泄漏的LNG上面，減少來自空氣的熱量，有效降低LNG蒸氣產(chǎn)生的速度。
⑥移動(dòng)式滅火器材
根據(jù)《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 5014-2005的規(guī)定，生產(chǎn)區(qū)為嚴(yán)重危險(xiǎn)級(jí)場(chǎng)所，設(shè)置手式干粉滅火器和推車式干粉滅火器。控制室、變電室內(nèi)配置手提式二氧化碳滅火器，以保證迅速有效地?fù)錅绯跗诨馂?zāi)和零星火災(zāi)。
⑦其他安全措施
合理進(jìn)行功能分區(qū)，將生產(chǎn)區(qū)、輔助區(qū)合理分開；選擇與防爆等級(jí)相適應(yīng)的電氣設(shè)備，保證站區(qū)供電系統(tǒng)的安全可靠性；對(duì)站內(nèi)工作人員進(jìn)行定期培訓(xùn)，使其了解LNG特性及可能產(chǎn)生的危害和影響，了解防護(hù)用品的作用及正確使用方法；編制應(yīng)急事故處理預(yù)案等。
3結(jié)語
LNG設(shè)施在國(guó)外已安全、環(huán)保地運(yùn)行了30年，但是，設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的LNG氣化站仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。未來5年我國(guó)將建設(shè)更多更大規(guī)模的LNG氣化站，這些項(xiàng)目中將有不少選址在人口密集的地方，因此安全問題更應(yīng)引起高度重視。為適應(yīng)我國(guó)LNG工業(yè)高速發(fā)展的需要，應(yīng)盡快頒布我國(guó)的LNG設(shè)計(jì)、施工規(guī)范，以指導(dǎo)LNG應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行管理。
參考文獻(xiàn)：
[1]顧安忠，魯雪生，汪榮順，等液化天然氣技術(shù)[M]· 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．
[2]NFPA59A，液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝卸標(biāo)準(zhǔn) [s]．
[3]GB 50028--2006，城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范[s]
[4]林文勝，顧安忠，李品友．液化天然氣的分層與渦旋研究進(jìn)展[J]真空與低溫，2000，(6)：125—132·
[5]GB 18442--2001，低溫絕熱壓力容器[s]．
[6]JB 4780--2002，液化天然氣罐式集裝箱[s]．
[7]王蕾，李帆LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)[J]．煤氣與熱力，2005，25(6)：30—33
[8]王忠LNG站消防設(shè)計(jì)探討[J]消防科學(xué)與技術(shù)，2001．(4)：10一12
咨詢熱線：0755-25909848
傳真號(hào)碼：0755-25909848
位置導(dǎo)航：