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LNG氣化站的安全設計
( 更新時間:1/7/2010   瀏覽人數:2635 )
LNG的危險性
  ①低溫的危險性:LNG的儲存和操作都存低溫下進行,一旦發生泄漏,會使相關沒備脆性斷裂和遇冷收縮,從而破壞設備,引發事故。并且,低溫LNG能凍傷操作人員。
      ②火災危險性:天然氣與空氣混合能形成爆炸性混合氣體,爆炸極限(體積分數)為5%~15%。如果存在火源,極易著火燃燒,甚至爆炸。
③對人體的危害:雖然LNG蒸氣無毒,但是如果吸進純的LNG蒸氣,人會迅速失去知覺,幾分鐘后死亡;當大氣中氧的含量逐漸減少時,工作人員可能警覺不到而慢慢地窒息。
1.2我國LNG氣化站的發展現狀
    2001年,中原油田建成了我國第一座生產型的LNG裝置,淄博LNG氣化站同時建成投產,揭開了中國LNG供氣的序幕。
    目前國內已建成使用的LNG氣化站逾30座。隨著新疆廣匯LNG廠于2004年投產,以及廣東沿海LNG接收終端的建成投產,LNG供應在我國將形成南、中、西的供應格局。加之LNG氣化工程的關鍵設備如低溫儲罐、氣化器、低溫閥門及運輸設備的國產化,可以預見,在未來5年我國將會迎來LNG氣化站建設的高峰。
2 LNG氣化站的安全設計
2.1設計標準
設計時日可參考的國外標準主要有美國的NF—PA59A《液化天然氣(LNG)生產、儲存和裝卸標準》、NFPA57《LNG汽車燃料系統》等;國內標準有:GB 50028--2006《城鎮燃氣設計規范》;GB50183--2004《石油天然氣工程設計防火規范》,《建筑設計防火規范》等。
2.2總平面布置
   LNG氣化站總平面布置設計要合理地確定站內各作業區和設備的位置,以確保氣化站有一個安全的環境。對于LNG的溢出,總希望能夠預測LNG蒸氣量與溢出距離和溢出時間的函數關系,這樣可以通過溢出的流量和時間來預測可能產生危險的區域。
   NFPA59A已經對氣化站邊界線以外的人身和財產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。現在各種計算機軟件能夠模擬CNG儲存設施周圍的火災輻射和氣體擴散濃度,例如LNGFIRE(LNG燃燒的熱輻射模型)和DE—GAIS(氣體擴散濃度程序)。
2.3圍堰區   
   圍堰區是指用混凝土、金屬等耐低溫材料在LNG儲罐周圍建造的堤防、防護墻或排液系統所圍成的區域。LNG儲罐周圍必須沒置圍堰區,以將儲罐發生事故時對周圍設施造成的危險降低到最小程度。
2.4 LNG儲罐
   LNG儲罐按結構形式可分為地下儲罐、地上金屬儲罐和金屬一預應力混凝土儲罐3類,地上LNG儲罐又分為金屬子母儲罐和金屬單罐2種。LNG氣化站采用何種儲罐,主要取決于其儲存量。儲存量為1 200~5 000 m3時可采用金屬子母儲罐帶壓儲存和常壓罐儲存。儲存量為1 200 m3以下的城市LNG氣化站,基本采用金屬單罐帶壓儲存。
  ①LNG儲罐的安全措施
    a.為保證儲罐及連接部件在LNG及其冷蒸氣下能正常工作,儲罐材料必須滿足低溫性能要求。暴露的儲罐隔熱層應防火、防水、阻燃、阻LNG蒸氣,并且在消防水的沖擊力作用下不會移動。
    b.儲罐之間需要有適當的凈距便于設備的安裝、檢查和維護。NFPA59A中的表2.2.4.1明確規定了LNG儲罐之間的最小凈距和布置要求。
    c.儲罐的液相管上安裝緊急切斷閥,發生意外事故時切斷儲罐與外界的連通,防止儲罐內的LNG泄漏。每臺儲罐應設2套相互獨立的液位測量裝置,在選擇測量裝置時應考慮密度的變化。在儲罐真空層設壓力儀表,用于測量真空層的絕對壓力。
    d。儲罐應當設置一個高液位報警器,使操作人員有足夠的時間停止進料。儲罐應設置高液位進料切斷裝置,它應與全部的控制計量儀表分開設置。
    e.為了避免儲罐內形成空氣與天然氣的混合氣導致事故,儲罐在首次使用或停止使用進行內部檢修時,要進行惰化處理。
    f根據地質、氣象等資料,分析發生地震、風災、雪災等自然災害的可能性及其特征,考慮儲罐的抗震和抵御風雪載荷的能力。
  ②LNG渦旋現象的預防
   渦旋現象 (Rollover),也稱翻滾,通常出現在多組分的液化天然氣中,是由于向已裝有LNG的低溫儲罐內充注新的LNG,或由于LNG中的氮優先蒸發而使儲罐內的液體發生分層而引起。在已有的一些研究中,對該問題的解釋是:密度較大的液體積聚在儲罐底部,而密度較小的液體處于儲罐頂部,底部液體因受到上面液體重力的作用,壓力高于上部液體,對應的蒸發溫度相應提高,且底部LNG具有一定的過冷度,蒸發速度較上部液體慢。外界熱量總是不斷由外向內傳遞,底部液體獲得熱量,其溫度升高,密度減小,當底部液體密度小于上部液體密度時,分層平衡將被破壞,形成渦旋現象,引起液體蒸發率劇增。
    計算機模型已經發展到能夠預測渦旋發生的時間、分層和氣體釋放率,然而,渦旋發生時氣體釋放率的峰值很難精確預測。因此,為避免渦旋的發生,在設計時預防非常必要??梢醞ü飭縇NG儲罐內垂直方向上的溫度和密度來確定是否存在分層,當分層液體之間的溫差>O.2 K,密度差>O.5 kg/m。時,一般認為發生了分層。防止發生渦旋現象的方法有:
    a.將不同產地、不同氣源的LNG分開儲存,可避免因密度差而引起的分層。b.根據需儲存的LNG與儲罐內原有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罐中充注LNG。d.檢測LNG的蒸發速度,LNG分層會抑制LNG的蒸發速度,使出現渦旋前的蒸發速度比通常情況下的蒸發速度低。
  ③儲罐靜態蒸發率
  儲罐靜態蒸發率能較為直觀地反映儲罐在使用時的絕熱性能,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,靜止達到熱平衡后,24 h內自然蒸發損失的低溫液體質量和容器有效容積下低溫液體質量的比值。LNG氣化站多采用50 m3,及100 m3帶壓LNG儲罐,文獻[5、6]對其靜態蒸發率的要求見表1。
    國家現行標準中沒有給出LNG儲罐蒸發率的上限標準,設計時可以參考液氮的標準。
 
    表1  立式和臥式低溫絕熱容器的靜態蒸發率
Tab.1 Static evaporation rate of vertical and horizontal.

 

 

  液氮靜態蒸發率

上限

絕熱形式

容積

  固定罐

移動罐

罐式集裝箱

  高真空

    50

  0 150

 O 150

    0.240

  多層絕熱

    100

  O095

 

    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、環境氣化器和工藝氣化器,其安全設計主要考慮以下因素:
    (1)除非導熱介質不可燃,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、可燃制冷劑或可燃氣體儲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)站內布置多臺加熱氣化器時,各氣化器之間的水平凈距至少為1.5 m。
   (4)安裝在距LNG儲罐15 m之內的任何環境氣化器或加熱氣化器,均應在液體管道上設置自動切斷閥,此閥應設置在距離氣化器至少3 m處。
    (5)每臺氣化器應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進入備用氣化器,可安裝2個進口閥門,并采取安全措施排空積存在兩個閥門之間的LNG和蒸發氣體。
   (7)應設置恰當的自動化設備,以避免LNG及  其蒸氣在異常情況下進入輸配系統。
2.6 LNG輸送管道
    在進行LNG管道設計中,不僅要考慮低溫液體的隔熱要求,還應特別注意因低溫引起的熱應力、防止水蒸氣滲透、避免出現冷凝和結冰、管道泄漏的探測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,管道的熱補償是一個需要細心考慮的重要問題。兩個固定點之間,由于冷收縮產生的應力可能遠遠超過材料的屈服極限。通??剎捎媒鶚舨ㄎ乒?、管環式補償器以及熱膨脹系數小的管材等方法解決。
2.7氣化站的消防
    消防系統的安全設計原則是:盡量切斷氣源,控制泄漏;對儲罐及鄰近儲罐的設備進行冷卻?;?,避免設備超壓造成更大的災害;將泄漏的LNG引至安全地帶氣化,避免燃燒擴大。根據以上原則,消防系統安全設計主要包括以下幾個部分:
    ①緊急關閉系統
    每個LNG設備上都應裝備緊急關閉系統(ESD).該系統可隔離或切斷LNG、可燃液體、可燃制冷劑和可燃氣體的來源,并關閉一些如繼續運行可能加大或維持災情的設備。
    ②火災和泄漏監控系統
    該系統主要包括:設置在氣化器里的碳氫化合物泄漏檢測器和設置在大氣中的可燃氣體檢測器,在氣化醫、儲罐區、外送泵區設置的紫外線或紅外線火焰探測器,在控制室、電氣室以及消防泵房設置的煙氣檢測器以及用來檢測LNG是否泄漏的低溫檢測器。
    ③消防水系統
  消防水系統由消防泵房、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產生大火,但不是滅火。如果將水噴到LNG表面會使LNG的蒸發率增大,從而使LNG的火勢更大。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過的地方淋濕,使其不易著火。
    ④干粉滅火系統
    干粉滅火劑是撲滅高壓力、大流量天然氣火災的最有效措施。由于干粉滅火劑對燃燒物的冷卻作用很小,在撲滅較大規模的火災時,如滅火不完全或因火場中熾熱物的作用,容易發生復燃。
    ⑤泡沫滅火系統
    泡沫滅火劑可分為化學泡沫滅火劑、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泡沫滅火系統,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蒸氣產生的速度。
    ⑥移動式滅火器材
    根據《建筑滅火器配置設計規范》(GB 5014-2005的規定,生產區為嚴重危險級場所,設置手式干粉滅火器和推車式干粉滅火器??刂剖?、變電室內配置手提式二氧化碳滅火器,以保證迅速有效地撲滅初期火災和零星火災。
    ⑦其他安全措施
    合理進行功能分區,將生產區、輔助區合理分開;選擇與防爆等級相適應的電氣設備,保證站區供電系統的安全可靠性;對站內工作人員進行定期培訓,使其了解LNG特性及可能產生的危害和影響,了解防護用品的作用及正確使用方法;編制應急事故處理預案等。
3結語
    LNG設施在國外已安全、環保地運行了30年,但是,設計出既安全又經濟的LNG氣化站仍是一項挑戰。未來5年我國將建設更多更大規模的LNG氣化站,這些項目中將有不少選址在人口密集的地方,因此安全問題更應引起高度重視。為適應我國LNG工業高速發展的需要,應盡快頒布我國的LNG設計、施工規范,以指導LNG應用領域的設計、施工和運行管理。
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