LNG小型站安全設計引言隨著全球經濟的迅速增長和能源需求的不斷擴大，各國均有LPG的經營活動，且LPG供氣范圍很大。但是相比較而言，液化天然氣因具有在公路、鐵路、船舶上高效運輸；用途廣，可作為車用燃料、發電燃料、民用及工業燃料、化工原料；供氣設施建設投資少、見效快、方式靈活等特點1，無疑給世界LNG工業的發展提供了良好的契機。我國雖然是資源大國，但由于本土天然氣資源有限，再加以戰略角度的考慮，使得發展LNG進口項目，建設LNG小型站，彌補天然氣的不足成為目前國內城市燃氣行業較為關注的焦點。1LNG危險性分析液化天然氣(LNG，LiquefiedNaturalGas)是由天然氣轉變的另一種能源形式2。由于LNG96%以上都是甲烷，所以它和液體甲烷性質基本類似，LNG的常壓沸點是162，液體密度為430kgm3，汽化潛熱為510.25kJm3。汽化后的氣體常壓密度是0.688kgm3，與空氣混合能形成爆炸性混合物，爆炸下限為3.6%6.5%，爆炸上限為13%17%3。LNG小型站內的生產介質主要是天然氣、液化天然氣等物質，若處理不當，極易發生火災和爆炸等各類事故。從生產介質的特性角度出發，具體說來主要有：(1)在某些LNG設備中，由于其組分和密度差異引起分層，導致LNG突然大量蒸發，壓力驟升。若壓力超過設備的極限承壓能力時，會造成設備的損壞和危險介質泄漏，甚至爆炸。(2)LNG的儲存和操作都是在低溫下進行的。因此，一旦發生泄漏，低溫會造成材料性能下降，導致更加嚴重的事故，并對人體造成嚴重傷害。(3)雖然天然氣毒性較小，但其中通常含有82%98%的甲烷。一旦泄漏，會使空氣中的氧氣減少，造成人體缺氧窒息等人身傷亡事故。(4)空氣天然氣混合物的爆炸極限范圍非常窄。如果存在外部火源(火星，火焰等)，極易發生著火燃燒，甚至爆炸。同時，氣體燃燒產生的熱輻射會對人身及裝置造成極大危害。可見，對于LNG系統來說，安全是至關重要的。在設計過程中，必須通過危險分析及評估，確定與LNG裝置有關的危險，根據相關的標準和運行管理經驗，對小型站的安全設計全面把關，把人身和財產的損失風險降到最低，使整個裝置達到一個較高的安全水平。2LNG小型站安全設計2.1概述目前，我國仍未頒布針對城市燃氣LNG小型站設計的強制性規范。在已經建設或正在進行的LNG站項目中，通常是專業人員借鑒國外的標準和國內外的管理經驗，結合工程實際情況進行設計和施工。常用的國外標準主要有美國國家標準液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝卸標準、日本部頒標準一般高壓瓦斯保安法則等，國內標準主要有石油化工企業設計防火規范、城鎮燃氣設計規范、建筑滅火器配置設計規范、火災自動報警系統設計規范等。為便于討論，我們將液化天然氣事故劃分為兩類4。第一類是當危險介質泄漏、溢出時，沒有遇到著火源，沒有發生火災，即“無火災緊急事故”；另一類是泄漏時遇到著火源，立刻引起火災；或溢出的液化氣體擴散到一定范圍后，遇著火源發生燃燒爆炸，引起大面積火災，即“有火災緊急事故”。2.2無火災緊急事故及其安全對策針對無火災事故，各個主要設備所采取的安全措施有5：(1)LNG儲灌材料性能包覆在儲罐外層而外露的隔熱層應具有防火、阻燃、阻蒸汽、防水的性能，且在消防水的沖擊下不會移動，有足夠的牢度。儲罐內筒與外筒之間應填充與LNG和天然氣性能適應的不可燃隔熱材料。儲灌材料應能適應低溫性能要求，在LNG及其冷蒸汽溫度下仍能正常工作。安全間距LNG儲罐之間的最小安全距離按下表1確定。表1儲罐、用地線與儲罐之間的距離罐容積(水容積)/m3從圍堰邊緣到邊界線的最短距離/m儲罐之間的最短距離/m0.5000.51.9311.97.64.61.57.656.87.61.556.8114151.511426523相鄰儲罐直徑總和的1/4(最小1.5m)265儲罐直徑的0.7倍，但不小于30m動火設備和其他火源到任何圍堰區或儲罐排放系統的距離至少是15m。充裝容積LNG貯罐設計有一個最高液位限定值，用于防止液面過高，從溢出管排出。在充注LNG時，應考慮到液體受熱后的體積膨脹而出現液位超高的情況。如果充注的LNG相對于儲存壓力來說，是已經膨脹了的LNG，則可以充注到最高液位，反之則應留有適當的空間給液體膨脹。凈化處理貯罐在首次充注LNG之前，或需要進行內部檢修停止使用以后，要進行惰化處理。目的是要用惰性氣體將貯罐內的空氣或天然氣置換出來，避免形成天然氣與空氣的混合物。閥門配置在沒有其它有效措施防止分層現象出現時，要求貯罐的進液系統設有頂部進液閥和底部進液閥，當充注液體與貯罐中原有液體熱物性有差異時，通過不同部位的輸送，使液體均勻，減少液體分層的可能性。另外，也可以采用機械攪動或進口噴射，來達到均勻混合的目的。應配有壓力控制裝置，使罐內的壓力在允許范圍之內。設置足夠的壓力安全閥，防止儲罐超壓；設置真空安全閥，判斷罐內是否出現真空，預防貯罐出現負壓；并在壓力安全閥和真空安全閥與罐體之間還需設置有一個手動開關的截止閥，以便安全閥的檢修。在每個儲罐的液相管上設兩個緊急切斷閥，在裝置發生意外時切斷儲罐與外界的通道，防止儲罐內的LNG泄漏。儲罐內罐設安全放空閥，連通火炬，外罐設泄壓設施，放空氣體引至高點排放。多個儲罐之間的隔離閥應留有0.9m的操作距離。測量儀表每臺儲罐應配有兩套相互獨立的液位測量裝置、兩個相互獨立的鳴聲高液位報警器和壓力測量儀表。在儲灌內、外筒真空夾套安裝儀表和接頭，測量夾層空間內的絕對壓力。當現場安裝的儲罐投入運行時，應設置溫度檢測裝置，用來控制溫度或作為檢查和校正液位計的工具。抗震性能根據小型站及其周圍地區的地質和氣象資料，分析發生地震和大風雪等自然災害的潛在可能性及其特性，考慮儲罐的抗震和抵御風雪載荷的能力。(2)圍堰區在考慮LNG貯罐的規劃時，應充分考慮到貯存和裝卸LNG時，如果發生意外情況，LNG有可能泄漏或溢出，及對附近人員和重要設備具有潛在的危害性。對于小型LNG貯罐，常見方法是在貯槽周圍設置采用壓實土、混凝土、金屬等耐低溫材料建造的屏障，如堤堰、護墻或蓄液坑等。其作用是儲罐發生泄漏等事故時，可燃液體被限制在圍堰區內，不會四處流淌，防止LNG擴散；另外，如果發生火災，還能阻止火焰蔓延到周邊地區，使對周圍設施造成的危害降低到最小程度。因此，圍堰內的容積應足夠容納儲罐內的液化天然氣，它包括排放區域的任何可用容積，以及考慮到積雪置換、其它儲罐和設備而留出的余量。當儲罐工作壓力小于或等于0.1MPa時，防護欄或圍堰墻的高度和與儲罐之間的距離根據圖1確定。注明：1.尺寸x應該等于或大于尺寸Y與液化天然氣液相上部氣相壓頭之和；例外：防護欄或圍堰墻高度等于或大于最大液面高度時，x可以取任意值。2.尺寸x表示儲罐內壁到防護欄或圍堰墻內側的距離。3.尺寸Y表示最大液面高度到防護欄或圍堰墻頂部的距離。除此以外，對于有可能產生漏泄的閥門、接頭處則須設置擋板，防止LNG的噴射；下方要設置集液盤，收集漏泄的LNG，并通過排液管引入蓄液坑。(3)汽化器閥門配置汽化器組的各個汽化器都應進口、出口處設置切斷閥。為防止泄漏的LNG進入閑置汽化器組，應安裝兩個進口閥門，并采用其它安全措施排空聚集在兩個閥門之間的LNG或燃氣。在距汽化器15m的LNG管路上應安裝切斷閥，可由現場操作或遠程控制，且有一定保護措施預防閥門因外部冰凍條件而失效。每臺汽化器都應安裝安全減壓閥，在加熱汽化器正常工作時，應設置在溫度不超過60的地方。在流體管路上配置自動控制切斷閥，該閥門到汽化器的距離至少是3m，且在管路失壓(過流)、汽化器周圍區域溫度異常(發生火災)、或汽化器出口管路出現低溫時，能自動關閉。其它配置每臺加熱汽化器都應配備切斷熱源的裝置，它可由現場操作或遠程控制操作。配備與僅用于緊急情況的管路閥門配合使用的自動裝置，防止LNG或蒸汽在高于或低于外送系統溫度進入輸配系統。配置溫度檢測裝置，用來測量其LNG、蒸發氣體和熱交換流體介質的進出口溫度，確保傳熱效率。安全間距除非導熱流體介質是不可燃的，否則汽化器及其主要熱源與其它任何火源之間的距離至少是15m。整體加熱汽化器到用地線的距離至少是30m，且到以下地點的距離至少是15m：任何圍堰區內LNG、可燃制冷劑或可燃液體、或在其它任何事故泄漏源與圍堰區之間運送這幾種液體的管道；LNG、可燃液體、可燃制冷劑或可燃氣體儲罐，含有這幾種液體的不動火工藝，或轉移這些液體的裝卸設備接頭；控制大樓、辦公室、商店、用于居住或其它重要建筑物。遠程加熱汽化器、環境汽化器可以安裝在圍堰區內。布置有多個汽化器時，各汽化器之間的距離至少為1.5m。(4)壓縮機和泵材料選擇制造壓縮機和泵的材料應能夠在可能遇到的工作溫度和壓力下保證正常工作。閥門配置閥門的設置應使每臺壓縮機和泵均夠單獨進行維修保養，且出口管處應安裝減壓裝置。當泵或離心式壓縮機因操作需要而并列安裝時，每個出口管線上應安裝止回閥。泵應設置有足夠能力的泄壓閥，當用于輸送溫度低于29的液體時，應配備預冷裝置，確保泵不被損壞或造成臨時或永久失效。處理可燃氣體的壓縮機，應在可能發生氣體泄漏的點設置排氣道，并將氣體引至安全地方排放。(5)LNG管道及其組件材料選擇設計管道及組件時，應考慮到熱循環作用對材料的疲勞作用。對那些相互連接的管道、閥門、配件和其它管件，當管壁厚度不同時，特別要引起注意。因此，為減輕火災等意外事故的危害，包覆防水、隔熱、阻燃、抗極端溫度的管道隔熱材料是必要的。建議不采用鋁、銅、銅合金或其它低耐火能力的材料，鑄鐵類管道則不允許使用。連接方式公稱直徑不大于50mm的管道采用螺紋連接、焊接或法蘭連接密封結構；公稱直徑大于50mm的管道采用焊接或法蘭連接。除管材不同、設備連接或維修位置等必要位置以外，盡可能少使用螺紋連接和法蘭連接。管道系統不允許使用F型接管、螺旋焊接結構和對接焊的焊接結構。閥門配置設置切斷閥和隔離閥，用來使事故中泄漏的危險液體體積降到最小，且數量足夠，確保現場控制和遠程控制都能實現順利停止工藝和轉輸系統，或在緊急事故中完全關斷系統；設置熱膨脹閥，防止壓力過高；設置安全減壓閥，使對管道及其附件的破壞程度降到最低。在液相管道的兩個切斷閥之間設置安全閥，一旦兩個切斷閥關閉。管道內的液體受熱氣化時，安全閥自動起跳，以防超壓造成事故。氣相總管上設緊急放空裝置，一旦有誤操作或設備超壓安全閥起跳以保護氣相管道的安全。支撐系統管路支撐系統應具有耐火性和耐低溫性能。低溫管道的支撐系統有保冷措施，防止因傳熱造成的管道結冰或支撐鋼材脆化。凈化處理管路系統在首次充注LNG之前，要用氮氣或二氧化碳氣體進行惰化處理。(6)LNG裝卸設備安全間距LNG和可燃制冷劑的裝卸接口到不可控制火源、工藝區域、儲罐、控制大樓、辦公室、商店、居民樓和其它建筑物的距離至少是15m。2.3有火災緊急事故及其安全對策對于著火的LNG事故，可以根據以下原則進行處理。盡量切斷氣源，控制泄漏。對著火罐及鄰近罐和設備進行冷卻保護，避免儲罐設備受熱超壓造成更大災害。將泄漏的LNG引至事故集液池等安全地帶，再用高倍泡沫覆蓋，使其安全氣化，避免燃燒擴大。通常，消防安全設計包括以下幾個部分：(1)分布控制系統(DistributeControlSystem，DOS)DOS系統用于顯示和控制LNG裝置的溫度、壓力、液位、流量等主要和重要的控制參數6。(2)緊急關閉系統(EmergencyShutDown，ESD)ESD系統與DOS系統相互獨立，在LNG裝置發生緊急狀況時開啟，用于隔離和關斷LNG、或其它可燃來源，并關閉那些如果繼續運行可能維持或增加災情的設備。該系統應同時配備自動遙控和手動按鈕。手動按鈕宜安裝在離相關生產單元一定距離處，數量應在2個以上，并采取措施防止其受火災熱輻射的影響。(3)火災和泄漏探測報警系統可能發生可燃氣體聚集、LNG或可燃制冷劑溢流的地方和封閉的建筑物應設置火災和泄漏監控設備。在天然氣生產設備和儲罐附近要設置可燃氣體濃度檢測報警裝置，當氣體濃度達到爆炸下限的1025%時，即發出聲光警報，以便迅速采取緊急措施。在生產裝置區，除了設計可燃性氣體檢測，火焰探測器和火災報警系統，還應設置過冷檢測系統來檢測LNG是否泄漏。裝置內所有的探測信號均送入DCS系統，并設置報警值，同時，重要的信號送入ESD系統實行單元切斷或全站聯鎖停車。(4)消防水系統消防給水系統由消防泵房、消防水罐、消防管道及消火拴、消防水炮等組成，用于消防，冷卻儲灌、設備和管道，控制未燃燒的泄漏或溢流危險物。消防水供應和分配系統的設計，應滿足所有固定消防系統的同時使用需要。使它們在可能發生的最大單個事故時，保證在設計壓力和流量下供水，確保手持軟管的正常工作。連續供水時間不少于2h。需要說明的是，消防水在LNG裝置中是不能用來控制和撲滅火焰的，因為水在液體表面提高蒸氣生成速度反而會加快燃燒速度。但水的射流可以冷卻火區周圍未著火的設備、容器和管道，吸收和控制火災產生的熱量，阻止火的蔓延，還能保護消防人員和企圖進入火場關閉必需切斷氣源閥門的人員。(5)干粉滅火系統天然氣泄漏量較少時著火，可以用干粉、二氧化碳、鹵代烷滅火劑撲滅，但滅火后應立即切斷氣體來源，阻止氣體溢出，否則可能引起復燃，甚至爆炸。對付高壓流量大的天然氣火災，干粉滅火劑是最有效的。根據國外對撲滅天然氣火災的經驗，干粉連續噴放時間一般為2560秒，初步滅火后，干粉還必須間斷使用。(6)泡沫滅火系統采用高倍數泡沫滅火系統覆蓋儲罐區、管道、卸車臺泄漏及事故集液池內的LNG，使其安全氣化，避免產生危險。有條件的站內還可按規范要求設置固定式低倍數泡沫滅火系統，也可在儲罐、管道、卸車臺及重要設備上方設置泡沫噴淋滅火裝置。(7)移動式滅火器材在LNG設備和汽車槽車的關鍵位置屬于嚴重危險級別場所，應設置便攜式或車輪式滅火器，能夠撲滅發生的火災。控制室、變配電室內配置手提式二氧化碳滅火器，以保證迅速有效的撲滅初期火災。進入廠區的機動車輛應配有至少一個便攜式干粉化學滅火器，其容量不低于9kg。2.4其它總圖布置在滿足工藝流程的前提下，應合理布置功能分區，儲存區、生產及輔助區和辦公區應分開設置。綜合考慮防火間距、消防車道及防火防爆要求。電力系統應保證裝置供電系統的安全可靠性，并選擇與防爆區域等級相適應的電氣設備。電纜也應作防火處理，在發生火災后仍可以作用。安全放散站內設專用放空火炬，高30m40m，LNG儲罐、BOG儲罐、工藝管道及各生產工段的超壓泄放均引入火炬，避免在站內形成爆炸性混合物。通風措施處理LNG、可燃制冷劑和可燃氣體的建構筑物應采取通風措施，使可燃氣體或蒸汽積聚可能性降到最低。如果蒸發氣體密度大于空氣，應在蒸發氣體沉積處設置通風裝置。人員安全工作人員進行定期的培訓，使他們了解LNG的特性及LNG暴露在外能產生的危害和影響，防護用品的作用和正確的使用方法。緊急情況下需要進入對健康有害的大氣中時，工作人員除了應具備必需的防護衣外，還應裝備頭盔、面罩、手套、靴子和配備完備的呼吸用具，并存放在容易獲取的位置。由于工藝設備中的LNG及其蒸汽沒有味道，憑嗅覺檢測不到它們的存在時，需要安裝有合適的可燃氣體指示器。防雷防靜電站內生產裝置相輔助設施、工業建筑均裝設避雷同和避雷針防止雷擊。裝置區內的封閉金屬罐、塔及設備管道按規范要求作好防雷接地。建筑物耐火等級站內建、構筑物均應按建筑設計防火規范進行設計，建、構筑物及重要設備的聯合平臺，均應設置兩個以上的安全疏散口；生產裝置內的承重鋼框架、支座、裙座、管架等校規范要求涂覆耐火層保護，耐火層的耐火極限不低于1.5h。消防用電及通訊應確保站內的消防用電及通訊設施。消防控制系統、消防水泵、氣壓給水設備等主要