1、LNG 气化站的安全设计CNG 与 LNG 系列 2009-11-13 14:01 阅读 13 评论 0 字号： 大 中 小 1 概述1.1 LNG 的危险性1 低温的危险性：LNG 的储存和操作都在低温下进行，一旦发生泄漏，会使相关设备脆性断裂和遇冷收缩，从而破坏设备，引发事故。并且，低温 LNG 能冻伤操作人员。 火灾危险性：天然气与空气混合能形成爆炸性混合气体，爆炸极限(体积分数) 为 5%15%。如果存在火源，极易着火燃烧，甚至爆炸。 对人体的危害：虽然 LNG 蒸气无毒，但是如果吸进纯的 LNG 蒸气，人会迅速失去知觉，几分钟后死亡；当大气中氧的含量逐渐减少时，工作人员可能警觉不到而
2、慢慢地窒息。1.2 我国 LNG 气化站的发展现状2001 年，中原油田建成了我国第一座生产型的 LNG 装置，淄博 LNG 气化站同时建成投产，揭开了中国 LNG 供气的序幕。目前国内已建成使用的 LNG 气化站逾 30 座。随着新疆广汇 LNG 厂于 2004 年投产，以及广东沿海 LNG 接收终端的建成投产，LNG 供应在我国将形成南、中、西的供应格局。加之 LNG 气化工程的关键设备如低温储罐、气化器、低温阀门及运输设备的国产化，可以预见，在未来 5 年我国将会迎来LNG 气化站建设的高峰。2 LNG 气化站的安全设计2.1 设计标准设计时可参考的国外标准主要有美国的 NFPA59A液
3、化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准、NFPA57LNG 汽车燃料系统等；国内标准有：GB 500282006城镇燃气设计规范；GB501832004石油天然气工程设计防火规范，建筑设计防火规范等。2.2 总平面布置1、2LNG 气化站总平面布置设计要合理地确定站内各作业区和设备的位置，以确保气化站有一个安全的环境。对于 LNG 的溢出，总希望能够预测 LNG 蒸气量与溢出距离和溢出时间的函数关系，这样可以通过溢出的流量和时间来预测可能产生危险的区域。NFPA59A 已经对气化站边界线以外的人身和财产的影响做了明确的安全要求，这些要求限制了在边界线的热辐射量。现在各种计算机软件能够模拟 LN
4、G 储存设施周围的火灾辐射和气体扩散浓度，例如 LNGFIRE(LNG 燃烧的热辐射模型)和 DEGAIS(气体扩散浓度程序) 。2.3 围堰区围堰区是指用混凝土、金属等耐低温材料在 LNG 储罐周围建造的堤防、防护墙或排液系统所围成的区域。LNG 储罐周围必须设置围堰区，以将储罐发生事故时对周围设施造成的危险降低到最小程度。2.4 LNG 储罐LNG 储罐按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属-预应力混凝土储罐 3 类，地上 LNG储罐又分为金属子母储罐和金属单罐 2 种。LNG 气化站采用何种储罐，主要取决于其储存量。储存量为1200 5000 m3 时可采用金属子母储罐带压储存和常
5、压罐储存。储存量为 1200 m3 以下的城市 LNG 气化站，基本采用金属单罐带压储存。 LNG 储罐的安全措施2、3a. 为保证储罐及连接部件在 LNG 及其冷蒸气下能正常工作，储罐材料必须满足低温性能要求。暴露的储罐隔热层应防火、防水、阻燃、阻 LNG 蒸气，并且在消防水的冲击力作用下不会移动。b. 储罐之间需要有适当的净距便于设备的安装、检查和维护。NFPA59A 中的表 2.2.4.1 明确规定了 LNG 储罐之间的最小净距和布置要求2。c. 储罐的液相管上安装紧急切断阀，发生意外事故时切断储罐与外界的连通，防止储罐内的LNG 泄漏。每台储罐应设 2 套相互独立的液位测量装置，在选择
6、测量装置时应考虑密度的变化。在储罐真空层设压力仪表，用于测量真空层的绝对压力。d. 储罐应当设置一个高液位报警器，使操作人员有足够的时间停止进料。储罐应设置高液位进料切断装置，它应与全部的控制计量仪表分开设置。e. 为了避免储罐内形成空气与天然气的混合气导致事故，储罐在首次使用或停止使用进行内部检修时，要进行惰化处理。f. 根据地质、气象等资料，分析发生地震、风灾、雪灾等自然灾害的可能性及其特征，考虑储罐的抗震和抵御风雪载荷的能力。 LNG 涡旋现象的预防涡旋现象4(Rollover)，也称翻滚，通常出现在多组分的液化天然气中，是由于向已装有 LNG 的低温储罐中充注新的 LNG，或由于 LN
7、G 中的氮优先蒸发而使储罐内的液体发生分层而引起。在已有的一些研究中，对该问题的解释是：密度较大的液体积聚在储罐底部，而密度较小的液体处于储罐顶部，底部液体因受到上面液体重力的作用，压力高于上部液体，对应的蒸发温度相应提高，且底部 LNG 具有一定的过冷度，蒸发速度较上部液体慢。外界热量总是不断由外向内传递，底部液体获得热量，其温度升高，密度减小，当底部液体密度小于上部液体密度时，分层平衡将被破坏，形成涡旋现象，引起液体蒸发率剧增。计算机模型已经发展到能够预测涡旋发生的时间、分层和气体释放率，然而，涡旋发生时气体释放率的峰值很难精确预测。因此，为避免涡旋的发生，在设计时预防非常必要。可以通过测
8、量 LNG 储罐内垂直方向上的温度和密度来确定是否存在分层，当分层液体之问的温差0.2 K，密度差0.5 kg/m3 时，一般认为发生了分层。防止发生涡旋现象的方法有1：a. 将不同产地、不同气源的 LNG 分开储存，可避免因密度差而引起的分层。 b. 根据需储存的LNG 与储罐内原有 LNG 的密度差异，选择正确的充注方式。c. 使用混合喷嘴和多孔管向储罐中充注LNG。d. 检测 LNG 的蒸发速度，LNG 分层会抑制 LNG 的蒸发速度，使出现涡旋前的蒸发速度比通常情况下的蒸发速度低。 储罐静态蒸发率储罐静态蒸发率能较为直观地反映储罐在使用时的绝热性能，其定义为低温绝热压力容器在装有大于有
9、效容积的 1/2 的低温液体时，静止达到热平衡后，24 h 内自然蒸发损失的低温液体质量和容器有效容积下低温液体质量的比值。LNG 气化站大多采用 50 m3 及 100 m3 带压 LNG 储罐，文献5、6 对其静态蒸发率的要求见表 1。国家现行标准中没有给出 LNG 储罐蒸发率的上限标准，设计时可以参考液氮的标准。表 1 立式和卧式低温绝热容器的静态蒸发率2.5 气化器LNG 气化器按其热源的不同，可分为加热气化器、环境气化器和工艺气化器，其安全设计主要考虑以下因素13 ： 除非导热介质不可燃，否则气化器及其热源与其他任何火源之间的水平净距至少为 15 m，整体加热气化器到围墙的水平净距至
10、少为 30 m。 气化器到 LNG、可燃制冷剂或可燃气体储罐的水平净距至少为 15 m，到控制大楼、办公室、车间等有人的重要建筑物的水平净距至少为 15 m。 站内布置多台加热气化器时，各气化器之间的水平净距至少为 1.5 m。 安装在距 LNG 储罐 15 m 之内的任何环境气化器或加热气化器，均应在液体管道上设置自动切断阀，此阀应设置在距离气化器至少 3 m 处。 每台气化器应提供一种距气化器至少 15 m 的切断热源的方式。 为防止泄漏的 LNG 进入备用气化器，可安装 2 个进口阀门，并采取安全措施排空积存在两个阀门之间的 LNG 和蒸发气体。 应设置恰当的自动化设备，以避免 LNG
11、及其蒸气在异常情况下进入输配系统。2.6 LNG 输送管道在进行 LNG 管道设计中，不仅要考虑低温液体的隔热要求，还应特别注意因低温引起的热应力、防止水蒸气渗透、避免出现冷凝和结冰、管道泄漏的探测方法以及防火等问题。LNG 管道和其他低温液体输送管道一样，管道的热补偿是一个需要细心考虑的重要问题。两个固定点之问，由于冷收缩产生的应力可能远远超过材料的屈服极限。通常可采用金属波纹管、管环式补偿器以及热膨胀系数小的管材等方法解决 H。2.7 气化站的消防消防系统的安全设计原则是：尽量切断气源，控制泄漏；对储罐及邻近储罐的设备进行冷却保护，避免设备超压造成更大的灾害；将泄漏的 LNG 引至安全地带
12、气化，避免燃烧扩大。根据以上原则，消防系统安全设计主要包括以下几个部分3 、7、8 ： 紧急关闭系统每个 LNG 设备上都应装备紧急关闭系统(ESD)，该系统可隔离或切断 LNG、可燃液体、可燃制冷剂和可燃气体的来源，并关闭一些如继续运行可能加大或维持灾情的设备。 火灾和泄漏监控系统该系统主要包括：设置在气化器里的碳氢化合物泄漏检测器和设置在大气中的可燃气体检测器，在气化区、储罐区、外送泵区设置的紫外线或红外线火焰探测器，在控制室、电气室以及消防泵房设置的烟气检测器以及用来检测 LNG 是否泄漏的低温检测器。 消防水系统消防水系统由消防泵房、消防水池、消防给水管道及消火栓、消防水枪等组成。水可
13、用来控制LNG 产生大火，但不是灭火。如果将水喷到 LNG 表面，会使 LNG 的蒸发率增大，从而使 LNG 的火势更大。因此，不能用水直接喷淋到 LNG 或 LNG 蒸气上。用水的目的主要是将尚未着火而火焰有可能经过的地方淋湿，使其不易着火。 干粉灭火系统干粉灭火剂是扑灭高压力、大流量天然气火灾的最有效措施。由于干粉灭火剂对燃烧物的冷却作用很小，在扑灭较大规模的火灾时，如灭火不完全或因火场中炽热物的作用，容易发生复燃。 泡沫灭火系统泡沫灭火剂可分为化学泡沫灭火剂、空气泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂、水成膜泡沫灭火剂等。LNG 气化站常采用高倍数泡沫灭火系统，灭火器喷出大量泡沫覆盖在泄漏的 LN
14、G 上面，减少来自空气的热量，有效降低 LNG 蒸气产生的速度。 移动式灭火器材根据建筑灭火器配置设计规范(GB 501402005)的规定，生产区为严重危险级场所，设置手提式干粉灭火器和推车式干粉灭火器。控制室、变电室内配置手提式二氧化碳灭火器，以保证迅速有效地扑灭初期火灾和零星火灾。 其他安全措施合理进行功能分区，将生产区、辅助区合理分开；选择与防爆等级相适应的电气设备，保证站区供电系统的安全可靠性；对站内工作人员进行定期培训，使其了解 LNG 特性及可能产生的危害和影响，了解防护用品的作用及正确使用方法；编制应急事故处理预案等。3 结语LNG 设施在国外已安全、环保地运行了 30 年，但是，设计出既安全又经济的 LNG 气化站仍是一项挑战。未来 5 年我国将建设更多更大规模的 LNG 气化站，这些项目中将有不少选址在人口密集的地方，因此安全问题更应引起高度重视。为适应我国 LNG 工业高速发展的需要，应尽快颁布我国的 LNG 设计、施工规范，以指导 LNG 应用领域的设计、施工和运行管理。
