1.1 LNG的危險(xiǎn)性
① 低溫的危險(xiǎn)性：LNG的儲(chǔ)存和操作都在低溫下進(jìn)行，一旦發(fā)生泄漏，會(huì)使相關(guān)設(shè)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(wú)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)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(lái)5年我國(guó)將會(huì)迎來(lái)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)可參考的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)的NFPA59A《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(guò)溢出的流量和時(shí)間來(lái)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。現(xiàn)在各種計(jì)算機(jī)軟件能夠模擬LNG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DEGAIS(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)罐周圍必須設(shè)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-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1200～5000 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1200 m3以下的城市LNG氣化站，基本采用金屬單罐帶壓儲(chǔ)存。
① LNG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[2]。
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。
② LNG渦旋現(xiàn)象的預(yù)防
渦旋現(xiàn)象[4](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)罐中充注新的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(wèn)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(guò)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^(guò)測(cè)量LNG儲(chǔ)罐內(nèi)垂直方向上的溫度和密度來(lái)確定是否存在分層，當(dāng)分層液體之問(wèn)的溫差＞0.2 K，密度差＞0.5 kg/m3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[1]：
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氣化站大多采用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
絕熱形式
容積/m3
液氮靜態(tài)蒸發(fā)率(上限)/%
固定罐
移動(dòng)罐
罐式集裝箱
高真空多層絕熱
50
0.150
0.150
0.240
100
0.095
真空粉末
50
0.035
0.240
0.380
100
0.025
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[1～3]：
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30 m。
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15 m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(wèn)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(wèn)題。兩個(gè)固定點(diǎn)之問(wèn)，由于冷收縮產(chǎn)生的應(yīng)力可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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H]。
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[3、7、8]：
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(lái)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，在氣化區(qū)、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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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 50140—2005)的規(guī)定，生產(chǎn)區(qū)為嚴(yán)重危險(xiǎn)級(jí)場(chǎng)所，設(shè)置手提式干粉滅火器和推車式干粉滅火器?？刂剖摇⒆冸娛覂?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(yǔ)
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(lái)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(wèn)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。
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