LNG小型站安全设计.doc

LNG小型站安全设计引言随着全球经济的迅速增长和能源需求的不断扩大，各国均有LPG的经营活动，且LPG供气范围很大。但是相比较而言，液化天然气因具有在公路、铁路、船舶上高效运输；用途广，可作为车用燃料、发电燃料、民用及工业燃料、化工原料；供气设施建设投资少、见效快、方式灵活等特点1，无疑给世界LNG工业的发展提供了良好的契机。我国虽然是资源大国，但由于本土天然气资源有限，再加以战略角度的考虑，使得发展LNG进口项目，建设LNG小型站，弥补天然气的不足成为目前国内城市燃气行业较为关注的焦点。1LNG危险性分析液化天然气(LNG，LiquefiedNaturalGas)是由天然气转变的另一种能源形式2。由于LNG96%以上都是甲烷，所以它和液体甲烷性质基本类似，LNG的常压沸点是162，液体密度为430kgm3，汽化潜热为510.25kJm3。汽化后的气体常压密度是0.688kgm3，与空气混合能形成爆炸性混合物，爆炸下限为3.6%6.5%，爆炸上限为13%17%3。LNG小型站内的生产介质主要是天然气、液化天然气等物质，若处理不当，极易发生火灾和爆炸等各类事故。从生产介质的特性角度出发，具体说来主要有：(1)在某些LNG设备中，由于其组分和密度差异引起分层，导致LNG突然大量蒸发，压力骤升。若压力超过设备的极限承压能力时，会造成设备的损坏和危险介质泄漏，甚至爆炸。(2)LNG的储存和操作都是在低温下进行的。因此，一旦发生泄漏，低温会造成材料性能下降，导致更加严重的事故，并对人体造成严重伤害。(3)虽然天然气毒性较小，但其中通常含有82%98%的甲烷。一旦泄漏，会使空气中的氧气减少，造成人体缺氧窒息等人身伤亡事故。(4)空气天然气混合物的爆炸极限范围非常窄。如果存在外部火源(火星，火焰等)，极易发生着火燃烧，甚至爆炸。同时，气体燃烧产生的热辐射会对人身及装置造成极大危害。可见，对于LNG系统来说，安全是至关重要的。在设计过程中，必须通过危险分析及评估，确定与LNG装置有关的危险，根据相关的标准和运行管理经验，对小型站的安全设计全面把关，把人身和财产的损失风险降到最低，使整个装置达到一个较高的安全水平。2LNG小型站安全设计2.1概述目前，我国仍未颁布针对城市燃气LNG小型站设计的强制性规范。在已经建设或正在进行的LNG站项目中，通常是专业人员借鉴国外的标准和国内外的管理经验，结合工程实际情况进行设计和施工。常用的国外标准主要有美国国家标准液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准、日本部颁标准一般高压瓦斯保安法则等，国内标准主要有石油化工企业设计防火规范、城镇燃气设计规范、建筑灭火器配置设计规范、火灾自动报警系统设计规范等。为便于讨论，我们将液化天然气事故划分为两类4。第一类是当危险介质泄漏、溢出时，没有遇到着火源，没有发生火灾，即“无火灾紧急事故”；另一类是泄漏时遇到着火源，立刻引起火灾；或溢出的液化气体扩散到一定范围后，遇着火源发生燃烧爆炸，引起大面积火灾，即“有火灾紧急事故”。2.2无火灾紧急事故及其安全对策针对无火灾事故，各个主要设备所采取的安全措施有5：(1)LNG储灌材料性能包覆在储罐外层而外露的隔热层应具有防火、阻燃、阻蒸汽、防水的性能，且在消防水的冲击下不会移动，有足够的牢度。储罐内筒与外筒之间应填充与LNG和天然气性能适应的不可燃隔热材料。储灌材料应能适应低温性能要求，在LNG及其冷蒸汽温度下仍能正常工作。安全间距LNG储罐之间的最小安全距离按下表1确定。表1储罐、用地线与储罐之间的距离罐容积(水容积)/m3从围堰边缘到边界线的最短距离/m储罐之间的最短距离/m0.5000.51.9311.97.64.61.57.656.87.61.556.8114151.511426523相邻储罐直径总和的1/4(最小1.5m)265储罐直径的0.7倍，但不小于30m动火设备和其他火源到任何围堰区或储罐排放系统的距离至少是15m。充装容积LNG贮罐设计有一个最高液位限定值，用于防止液面过高，从溢出管排出。在充注LNG时，应考虑到液体受热后的体积膨胀而出现液位超高的情况。如果充注的LNG相对于储存压力来说，是已经膨胀了的LNG，则可以充注到最高液位，反之则应留有适当的空间给液体膨胀。净化处理贮罐在首次充注LNG之前，或需要进行内部检修停止使用以后，要进行惰化处理。目的是要用惰性气体将贮罐内的空气或天然气置换出来，避免形成天然气与空气的混合物。阀门配置在没有其它有效措施防止分层现象出现时，要求贮罐的进液系统设有顶部进液阀和底部进液阀，当充注液体与贮罐中原有液体热物性有差异时，通过不同部位的输送，使液体均匀，减少液体分层的可能性。另外，也可以采用机械搅动或进口喷射，来达到均匀混合的目的。应配有压力控制装置，使罐内的压力在允许范围之内。设置足够的压力安全阀，防止储罐超压；设置真空安全阀，判断罐内是否出现真空，预防贮罐出现负压；并在压力安全阀和真空安全阀与罐体之间还需设置有一个手动开关的截止阀，以便安全阀的检修。在每个储罐的液相管上设两个紧急切断阀，在装置发生意外时切断储罐与外界的通道，防止储罐内的LNG泄漏。储罐内罐设安全放空阀，连通火炬，外罐设泄压设施，放空气体引至高点排放。多个储罐之间的隔离阀应留有0.9m的操作距离。测量仪表每台储罐应配有两套相互独立的液位测量装置、两个相互独立的鸣声高液位报警器和压力测量仪表。在储灌内、外筒真空夹套安装仪表和接头，测量夹层空间内的绝对压力。当现场安装的储罐投入运行时，应设置温度检测装置，用来控制温度或作为检查和校正液位计的工具。抗震性能根据小型站及其周围地区的地质和气象资料，分析发生地震和大风雪等自然灾害的潜在可能性及其特性，考虑储罐的抗震和抵御风雪载荷的能力。(2)围堰区在考虑LNG贮罐的规划时，应充分考虑到贮存和装卸LNG时，如果发生意外情况，LNG有可能泄漏或溢出，及对附近人员和重要设备具有潜在的危害性。对于小型LNG贮罐，常见方法是在贮槽周围设置采用压实土、混凝土、金属等耐低温材料建造的屏障，如堤堰、护墙或蓄液坑等。其作用是储罐发生泄漏等事故时，可燃液体被限制在围堰区内，不会四处流淌，防止LNG扩散；另外，如果发生火灾，还能阻止火焰蔓延到周边地区，使对周围设施造成的危害降低到最小程度。因此，围堰内的容积应足够容纳储罐内的液化天然气，它包括排放区域的任何可用容积，以及考虑到积雪置换、其它储罐和设备而留出的余量。当储罐工作压力小于或等于0.1MPa时，防护栏或围堰墙的高度和与储罐之间的距离根据图1确定。注明：1.尺寸x应该等于或大于尺寸Y与液化天然气液相上部气相压头之和；例外：防护栏或围堰墙高度等于或大于最大液面高度时，x可以取任意值。2.尺寸x表示储罐内壁到防护栏或围堰墙内侧的距离。3.尺寸Y表示最大液面高度到防护栏或围堰墙顶部的距离。除此以外，对于有可能产生漏泄的阀门、接头处则须设置挡板，防止LNG的喷射；下方要设置集液盘，收集漏泄的LNG，并通过排液管引入蓄液坑。(3)汽化器阀门配置汽化器组的各个汽化器都应进口、出口处设置切断阀。为防止泄漏的LNG进入闲置汽化器组，应安装两个进口阀门，并采用其它安全措施排空聚集在两个阀门之间的LNG或燃气。在距汽化器15m的LNG管路上应安装切断阀，可由现场操作或远程控制，且有一定保护措施预防阀门因外部冰冻条件而失效。每台汽化器都应安装安全减压阀，在加热汽化器正常工作时，应设置在温度不超过60的地方。在流体管路上配置自动控制切断阀，该阀门到汽化器的距离至少是3m，且在管路失压(过流)、汽化器周围区域温度异常(发生火灾)、或汽化器出口管路出现低温时，能自动关闭。其它配置每台加热汽化器都应配备切断热源的装置，它可由现场操作或远程控制操作。配备与仅用于紧急情况的管路阀门配合使用的自动装置，防止LNG或蒸汽在高于或低于外送系统温度进入输配系统。配置温度检测装置，用来测量其LNG、蒸发气体和热交换流体介质的进出口温度，确保传热效率。安全间距除非导热流体介质是不可燃的，否则汽化器及其主要热源与其它任何火源之间的距离至少是15m。整体加热汽化器到用地线的距离至少是30m，且到以下地点的距离至少是15m：任何围堰区内LNG、可燃制冷剂或可燃液体、或在其它任何事故泄漏源与围堰区之间运送这几种液体的管道；LNG、可燃液体、可燃制冷剂或可燃气体储罐，含有这几种液体的不动火工艺，或转移这些液体的装卸设备接头；控制大楼、办公室、商店、用于居住或其它重要建筑物。远程加热汽化器、环境汽化器可以安装在围堰区内。布置有多个汽化器时，各汽化器之间的距离至少为1.5m。(4)压缩机和泵材料选择制造压缩机和泵的材料应能够在可能遇到的工作温度和压力下保证正常工作。阀门配置阀门的设置应使每台压缩机和泵均够单独进行维修保养，且出口管处应安装减压装置。当泵或离心式压缩机因操作需要而并列安装时，每个出口管线上应安装止回阀。泵应设置有足够能力的泄压阀，当用于输送温度低于29的液体时，应配备预冷装置，确保泵不被损坏或造成临时或永久失效。处理可燃气体的压缩机，应在可能发生气体泄漏的点设置排气道，并将气体引至安全地方排放。(5)LNG管道及其组件材料选择设计管道及组件时，应考虑到热循环作用对材料的疲劳作用。对那些相互连接的管道、阀门、配件和其它管件，当管壁厚度不同时，特别要引起注意。因此，为减轻火灾等意外事故的危害，包覆防水、隔热、阻燃、抗极端温度的管道隔热材料是必要的。建议不采用铝、铜、铜合金或其它低耐火能力的材料，铸铁类管道则不允许使用。连接方式公称直径不大于50mm的管道采用螺纹连接、焊接或法兰连接密封结构；公称直径大于50mm的管道采用焊接或法兰连接。除管材不同、设备连接或维修位置等必要位置以外，尽可能少使用螺纹连接和法兰连接。管道系统不允许使用F型接管、螺旋焊接结构和对接焊的焊接结构。阀门配置设置切断阀和隔离阀，用来使事故中泄漏的危险液体体积降到最小，且数量足够，确保现场控制和远程控制都能实现顺利停止工艺和转输系统，或在紧急事故中完全关断系统；设置热膨胀阀，防止压力过高；设置安全减压阀，使对管道及其附件的破坏程度降到最低。在液相管道的两个切断阀之间设置安全阀，一旦两个切断阀关闭。管道内的液体受热气化时，安全阀自动起跳，以防超压造成事故。气相总管上设紧急放空装置，一旦有误操作或设备超压安全阀起跳以保护气相管道的安全。支撑系统管路支撑系统应具有耐火性和耐低温性能。低温管道的支撑系统有保冷措施，防止因传热造成的管道结冰或支撑钢材脆化。净化处理管路系统在首次充注LNG之前，要用氮气或二氧化碳气体进行惰化处理。(6)LNG装卸设备安全间距LNG和可燃制冷剂的装卸接口到不可控制火源、工艺区域、储罐、控制大楼、办公室、商店、居民楼和其它建筑物的距离至少是15m。2.3有火灾紧急事故及其安全对策对于着火的LNG事故，可以根据以下原则进行处理。尽量切断气源，控制泄漏。对着火罐及邻近罐和设备进行冷却保护，避免储罐设备受热超压造成更大灾害。将泄漏的LNG引至事故集液池等安全地带，再用高倍泡沫覆盖，使其安全气化，避免燃烧扩大。通常，消防安全设计包括以下几个部分：(1)分布控制系统(DistributeControlSystem，DOS)DOS系统用于显示和控制LNG装置的温度、压力、液位、流量等主要和重要的控制参数6。(2)紧急关闭系统(EmergencyShutDown，ESD)ESD系统与DOS系统相互独立，在LNG装置发生紧急状况时开启，用于隔离和关断LNG、或其它可燃来源，并关闭那些如果继续运行可能维持或增加灾情的设备。该系统应同时配备自动遥控和手动按钮。手动按钮宜安装在离相关生产单元一定距离处，数量应在2个以上，并采取措施防止其受火灾热辐射的影响。(3)火灾和泄漏探测报警系统可能发生可燃气体聚集、LNG或可燃制冷剂溢流的地方和封闭的建筑物应设置火灾和泄漏监控设备。在天然气生产设备和储罐附近要设置可燃气体浓度检测报警装置，当气体浓度达到爆炸下限的1025%时，即发出声光警报，以便迅速采取紧急措施。在生产装置区，除了设计可燃性气体检测，火焰探测器和火灾报警系统，还应设置过冷检测系统来检测LNG是否泄漏。装置内所有的探测信号均送入DCS系统，并设置报警值，同时，重要的信号送入ESD系统实行单元切断或全站联锁停车。(4)消防水系统消防给水系统由消防泵房、消防水罐、消防管道及消火拴、消防水炮等组成，用于消防，冷却储灌、设备和管道，控制未燃烧的泄漏或溢流危险物。消防水供应和分配系统的设计，应满足所有固定消防系统的同时使用需要。使它们在可能发生的最大单个事故时，保证在设计压力和流量下供水，确保手持软管的正常工作。连续供水时间不少于2h。需要说明的是，消防水在LNG装置中是不能用来控制和扑灭火焰的，因为水在液体表面提高蒸气生成速度反而会加快燃烧速度。但水的射流可以冷却火区周围未着火的设备、容器和管道，吸收和控制火灾产生的热量，阻止火的蔓延，还能保护消防人员和企图进入火场关闭必需切断气源阀门的人员。(5)干粉灭火系统天然气泄漏量较少时着火，可以用干粉、二氧化碳、卤代烷灭火剂扑灭，但灭火后应立即切断气体来源，阻止气体溢出，否则可能引起复燃，甚至爆炸。对付高压流量大的天然气火灾，干粉灭火剂是最有效的。根据国外对扑灭天然气火灾的经验，干粉连续喷放时间一般为2560秒，初步灭火后，干粉还必须间断使用。(6)泡沫灭火系统采用高倍数泡沫灭火系统覆盖储罐区、管道、卸车台泄漏及事故集液池内的LNG，使其安全气化，避免产生危险。有条件的站内还可按规范要求设置固定式低倍数泡沫灭火系统，也可在储罐、管道、卸车台及重要设备上方设置泡沫喷淋灭火装置。(7)移动式灭火器材在LNG设备和汽车槽车的关键位置属于严重危险级别场所，应设置便携式或车轮式灭火器，能够扑灭发生的火灾。控制室、变配电室内配置手提式二氧化碳灭火器，以保证迅速有效的扑灭初期火灾。进入厂区的机动车辆应配有至少一个便携式干粉化学灭火器，其容量不低于9kg。2.4其它总图布置在满足工艺流程的前提下，应合理布置功能分区，储存区、生产及辅助区和办公区应分开设置。综合考虑防火间距、消防车道及防火防爆要求。电力系统应保证装置供电系统的安全可靠性，并选择与防爆区域等级相适应的电气设备。电缆也应作防火处理，在发生火灾后仍可以作用。安全放散站内设专用放空火炬，高30m40m，LNG储罐、BOG储罐、工艺管道及各生产工段的超压泄放均引入火炬，避免在站内形成爆炸性混合物。通风措施处理LNG、可燃制冷剂和可燃气体的建构筑物应采取通风措施，使可燃气体或蒸汽积聚可能性降到最低。如果蒸发气体密度大于空气，应在蒸发气体沉积处设置通风装置。人员安全工作人员进行定期的培训，使他们了解LNG的特性及LNG暴露在外能产生的危害和影响，防护用品的作用和正确的使用方法。紧急情况下需要进入对健康有害的大气中时，工作人员除了应具备必需的防护衣外，还应装备头盔、面罩、手套、靴子和配备完备的呼吸用具，并存放在容易获取的位置。由于工艺设备中的LNG及其蒸汽没有味道，凭嗅觉检测不到它们的存在时，需要安装有合适的可燃气体指示器。防雷防静电站内生产装置相辅助设施、工业建筑均装设避雷同和避雷针防止雷击。装置区内的封闭金属罐、塔及设备管道按规范要求作好防雷接地。建筑物耐火等级站内建、构筑物均应按建筑设计防火规范进行设计，建、构筑物及重要设备的联合平台，均应设置两个以上的安全疏散口；生产装置内的承重钢框架、支座、裙座、管架等校规范要求涂覆耐火层保护，耐火层的耐火极限不低于1.5h。消防用电及通讯应确保站内的消防用电及通讯设施。消防控制系统、消防水泵、气压给水设备等主要用电设备应有备用电源、站内控制中心应设外线报警电话或与消防队直通的专线电话。3结论纵观世界LNG工业的发展历程，我国尚处于起步阶段，特别是国内尚未颁布关于LNG站设计和施工的行业规范，在工程设计中普遍以美国、欧洲、日本等标准作为参考，但这样的做法存在很多问题。主要表现在：从总体状况看，国内厂家生产的设备质量略低于国外。因此，常用的美国防火协会标准NFPA59A等是否符合我国城市燃气行业的运行管理现状。强制性行业标准的空缺，使得LNG站在设计和工程建设中都可能因为资金投入等各种因素，留下供气系统未来运行的安全隐患。国内已有企业具备生产LNG及其相关设备的能力，但如何在投入使用前对其产品进行安全质量测评等方面没有可操作的依据。部分厂家一味追求先进技术、高质量，是否会因各别产品质量过程而造成浪费等。笔者认为，在关注中国进口LNG项目，探讨LNG工艺流程及节能措施，开发LNG新产品、新技术、新设备的同时，应首先着眼于我国城市燃气行业现状，本着安全供气的原则，制定和颁布可靠、可行、可依的行业规范才是重中之重。参考文献：1刘新领.液化天然气供气站的建设J.煤气与热力，2002，22(1)：35362李帆.城市天然气工程M.20023王忠.LNG站消防设计探讨J.消防科学与技术，2001，(4)：10124夏松湖.压缩和液化天然气储存与输配系统消纺安全技术J.5NFPA59A.StandardfortheProduction,Storage,andHandlingofLiquefiedNaturalGas(LNG)M.20016向宇.LNG装置的危险分析及安全设计探讨J.上海煤气，2002，(5)：4045第 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