LNG接收站的安全分析與措施

摘 要

摘要：簡述了LNG接收站的工藝流程，對LNG接收站潛在的危險進行了分析，從危險源的探測和消防系統等方面論述了LNG接收站的安全設計。關鍵詞：LNG接收站；安全設計；安全分析Safety Analy
摘要：簡述了LNG接收站的工藝流程，對LNG接收站潛在的危險進行了分析，從危險源的探測和消防系統等方面論述了LNG接收站的安全設計。
關鍵詞：LNG接收站；安全設計；安全分析
Safety Analysis and Measures for LNG Receiving Station
QU Shunli，JIA Baoyin，ZHAO Caiyun
Abstract：The process flow of LNG receiving station is briefly introduced.The potential danger in LNG terminal station is analyzed.The safety design of LNG receiving station is discussed in asppects of dangerous source detection，fire control system and so on.
Key words：LNG receiving station；safety design；safety analysis
1 概述
    天然氣以其儲量豐富、經濟、環保等特性成為繼石油之后各國重點大力開發的化石燃料，其中以液化天然氣(LNG)的發展尤為迅速，規模也日益擴大。在未來的15年間，我國天然氣消費將從400×108m3/a達到2200×108m3/a，主要以西氣東輸、海氣上岸、進口管輸氣及LNG等方式保證天然氣資源的供應。未來3—10年，我國沿海將規劃建設8～10座接收站，屆時每年將有(2000～3000)×104t/a的LNG到岸。
    深圳大鵬灣秤頭角已成功建起我國第1個LNG接收站[1]，于2006年5月底正式投產運營。2004年9月12日，我國第一個完全由國內企業中海福建天然氣有限責任公司自主引進、建設、管理的LNG項目——福建LNG總體項目的商務合同在北京簽訂，這個項目也是中國海洋石油總公司在沿海投資建設的第2個LNG接收站。浙江省將成為我國第3個引進LNG項目的地區，浙江LNG項目由LNG接收站、輸氣干線、配套LNG電廠3部分組成。另外，在山東、江蘇、大連、秦皇島、海南等地都有正在規劃或建設的LNG接收站。我國的LNG工業已經形成了一定的規模。現階段我國大力進行的LNG接收站的建設，必將帶動LNG生產及儲運等相關技術的進步，我國LNG工業將迎來快速發展的春天[2～4]。
    LNG作為一種低溫液體，其主要危害體現在：溫度極低，氣液膨脹比大，易于與空氣形成爆炸性混合物[5～10]。
2 LNG接收站的主要工藝流程
    LNG通常由專用運輸船從生產地輸出終端運到LNG接收站碼頭后，經過碼頭卸到接收站的儲罐中。LNG進入儲罐所置換出的蒸發氣(BOG)通過回氣管道輸到運輸船的LNG儲罐中，以維持儲罐系統壓力平衡。
    根據對蒸發氣的處理方式，接收站天然氣的外輸工藝可分為直接輸出工藝和再冷凝工藝。直接輸出工藝是將蒸發氣直接壓縮到外輸壓力后送至管網。再冷凝工藝是將蒸發氣壓縮至一定壓力后，與從LNG儲罐低壓泵輸出的過冷LNG混合并進行冷量交換，使蒸發氣再冷凝，然后經高壓輸送泵加壓后送至氣化器氣化后外輸。與直接外輸工藝相比，再冷凝工藝節省了大量的壓縮功。外輸工藝的選擇主要由接收站的實際操作模式以及市場天然氣需求量決定，我國已運行的大型LNG接收站采用的主要為再冷凝工藝。目前，已形成了包括LNG生產、儲存、運輸、接收、氣化及冷量利用等完整的產、運、銷LNG工業體系[11]。
3 LNG接收站潛在的危險
3.1 翻滾現象
    翻滾現象是指兩層不同密度的LNG在儲罐內迅速上下翻動混合，瞬間產生大量蒸發氣的現象。翻滾現象發生的根本原因是儲罐中的液體密度不同，存在分層。
    無論儲罐內是均勻混合的LNG還是單一來源的LNG都會分層，滲入LNG的熱量推動自然對流，形成自然循環。溫度相對較高的LNG沿著罐壁往上流動，穿過液面，吸收熱量氣化，形成蒸氣；溫度相對較低的LNG向下回補，完成循環。
    如果有不同密度的分層出現，較輕的一層LNG可以正常對流，并通過閃蒸，將熱量釋放到罐的蒸氣空間。但是，如果底部密度較大的一層LNG的對流無法穿過上面一層LNG到達液面，底部的LNG就會形成單獨的對流格局。吸收了罐壁和罐底滲透熱的罐底的LNG無法流動到液面通過蒸發釋放熱量，造成底部LNG的熱量儲存和溫度上升。隨著外部熱量的導入，底部LNG的溫度增加，而密度下降；頂層LNG由于BOG的揮發而變重。如果兩部分接觸面的密度無法達到大致相等，那么就會一直保留這種分層的現象，當底層LNG密度低于上層LNG密度時，底部LNG就會上升，經過傳質，下部LNG上升到上部，壓力減小，成為過飽和液體，積蓄的熱量迅速釋放，產生大量的BOG，即產生翻滾現象。
   翻滾從現象來看分成兩類[12]：LNG儲罐在長期儲存中，因其中較輕的組分(主要是N2和CH4)首先蒸發，而自發形成翻滾現象；LNG儲罐中原有LNG在充裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時間(幾小時甚至幾十天)后，突然產生翻滾現象。
   根據翻滾產生的機理，可以采取以下方法防止LNG分層和翻滾：將來源不同、密度不同的LNG分別儲存于不同的儲罐中；采用儲罐內潛液泵打回流來進行循環，消除儲罐內LNG的密度差，抑制LNG的分層；儲罐內設置液位計及液位-溫度-密度等參數連續監測儀表，實時監測，避免儲罐內的分層液體的密度差較大，進而避免引起翻滾；根據LNG密度選擇正確的充注方法：密度相近時，一般從底部充注；將密度小的LNG充注到密度大的LNG儲罐中時，應該采用底部充注的辦法；將密度大的LNG充注到密度小的LNG儲罐中時，應該采用頂部充注的辦法。
3.2 管噴、冷凝錘擊效應
    與水平面垂直的充滿LNG的管子，若頂端向儲罐開口，當管內的LNG受熱達到一定程度后，會通過自噴的方式快速地將管內的LNG清空。管噴是自發的，管噴效應會導致罐內壓力快速增加，甚至可能導致放空，重復性的沖擊可能帶來破壞。
    冷凝錘擊效應經常發生在長時間帶壓作業的支管、泄放口泄壓后恢復工作壓力的瞬間。冷凝錘擊效應可導致管道局部壓力瞬間劇增，致使墊片或閥門密封破壞。
3.3 LNG槽車充裝和運輸
    運輸LNG的槽車在卸車或裝車過程中不能夠保證沒有一滴LNG泄漏，操作員在工作期間應佩戴好個人勞動防護用品，搬運和存放輸送軟管的操作員應十分小心，軟管上的臟物和摩擦會破壞軟管的完整性，同時可能會產生靜電，從而引發事故。LNG槽車等移動設備在工藝操作前，應做好接地，工藝操作結束后，應靜置一段規定時間才允許拆除接地線。
3.4 LNG泄漏
    LNG泄漏可能對人體產生以下危害：局部凍傷，如低溫凍傷、霜凍傷；一般凍傷，如體溫過低，肺部凍傷；窒息；如果蒸氣云被點燃，還存在熱輻射的危險。LNG工業的安全很難用數據來描述，因為一些無重大泄漏事故的裝置的操作年限還不夠作數量上的分析。本節主要介紹LNG泄漏點以及泄漏的危險性。
    閥門填料處的泄漏：LNG接收站的裝置溫度降低到操作溫度時，閥門金屬部分會發生收縮，這時就可能在閥門填料處發生泄漏。可以根據在閥門處是否有不正常的積霜，來判斷該閥門是否發生了泄漏。
    輸送軟管和管道組成件處的泄漏：輸送LNG的管子冷卻后發生收縮就可能在管子螺紋或法蘭連接處發生泄漏。輸送軟管需要按照國家安全標準進行年度壓力檢測。輸送軟管放空時可能同時排放液體和氣體，不可對著人或設備，也不可接觸到點火源。
    取樣管道、取樣容器和氣相管道發生泄漏：LNG接收站的取樣管道和取樣容器處發生泄漏的可能性較大，操作人員接觸到泄漏的LNG的可能性很大。天然氣氣相管道泄漏的危害性較大，因為這個區域不僅流速快、壓力高，而且存在管道材料過渡(從低溫管材過渡到常溫管材)。如果泄漏的是冷氣體，應當注意低于-107℃的蒸氣在最初泄漏的階段會比空氣重，容易引起火災以及造成人體凍傷。
    泄漏的LNG氣化時產生的危害性可分為LNG泄漏到地面和泄漏到水中兩種情況。
    當LNG傾倒至地面上時(例如事故溢出)，最初會猛烈沸騰，如果泄漏持續進行，就會在地面上形成一小池，而沸騰速度下降，最后保持一個相對穩定的沸騰速度。在最初階段，沸騰速度由地面與LNG液體之間的一層氣體的對流傳熱速度決定。當LNG溫度和地面溫度之間的差別逐漸減小時，這一層氣體就消失了。這時影響沸騰速度的主要因素是地面向LNG的熱傳遞，其他因素還有太陽輻射、LNG上方的通風對流情況。后來地面被冷凍，并保持持續低溫，那么太陽輻射和通風就成了影響LNG蒸發的主要因素。
    當LNG泄漏流進水中時，可導致LNG與水相接觸，如LNG運輸工具發生意外交通事故時，可導致LNG泄漏流進水中；又如浸沒燃燒式氣化器的內部泄漏可導致LNG與水相接觸，此時LNG與水之間有非常高的熱傳遞速率，發生快速相變，LNG將激烈地沸騰并伴隨大的響聲，噴出水霧，嚴重時會導致LNG蒸氣爆炸，由此產生的爆炸威力足以摧毀鄰近的工廠或建筑物，導致嚴重的事故[13]。
4 接收站中危險源的探測
    危險探測器可以提醒人們潛在的危險環境，比如氣體、火焰、煙霧、高溫、低溫或氧氣不足等。一個可以持續探測的系統比人工探測更具有可靠性，而且它能最大限度地探測到更嚴重的情況。
    可燃氣體探測系統在工廠內很常見，感應器應安裝在最有可能泄漏的地點。當感應器探測到空氣中可燃氣體的體積分數達到爆炸下限的10%～25%(不含25%)時，將向控制室發送警報，操作員開始進行調查并采取控制措施。當感應器探測到空氣中可燃氣體的體積分數達到爆炸下限的25%時，運行中的工廠會自動停止。按照活動區域和相應的探測器敏感度的不同，對各區域可燃氣體探測器設置不同的敏感度。氣體探測器的安裝位置，根據可對潛在的危險氣體及危害程度提供及時的警報為原則進行布置。
    火焰探測器是根據熱輻射量來探測的。火焰的熱輻射可以根據紫外線和紅外線波長范圍內不斷增長的信號來測定。當超出一定的輻射量時，就會響鈴報警。除了火焰、閃電、焊弧外，陽光反射到擋風板也會有紫外線和紅外線輻射，易導致發出虛假的警報。也可采用多功能探測器、交互型探測器和延遲報警系統等輔助系統來提高探測器的準確度。
    在一些高危設備上還需要安裝高溫探測器，高溫探測器能夠對某一部位、全部的溫度或溫度急速上升的情況作出反應，可以觸動警報，使設備關閉或啟動滅火設備。低溫探測器用來對液化天然氣或冷蒸氣的釋放作出預警，安裝在液化天然氣設備的底部或收集溢出氣體和冷蒸氣的低洼區域。
    液化天然氣的燃燒伴隨著少量的煙霧。煙霧探測器能夠探測到著火源，由于小股的煙火產生的熱量不大可能觸動高溫探測器，煙霧探測器這時起到補充作用。煙霧探測器一般安裝在電氣設備上面或靠近可能產生煙霧的區域。
    組合式氣體探測系統比較適合對含氧量的測試。便攜式氣體探測器運用一個內置式取樣泵，它具有兩個測量功能，可以同時探測易燃氣體和含氧量。當探測到氧氣含量不足時，微型的個人便攜顯示器會自動輸出監測數據并發出警報。
5 接收站消防系統
    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保護，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。接收站消防設施包括消防水系統、高倍數泡沫滅火系統、干粉滅火系統、固定式氣體滅火系統、水噴霧系統、水幕系統、滅火器等。
    接收站設置3種消防水炮，包括固定式消防水炮、遠控消防水炮、移動式消防水炮。
    在工藝區(包括BOG壓縮機房、氣化器等)、LNG槽車裝車區、計量輸出區設置固定式消防水炮。固定式消防水炮靠近被保護的工藝設備，但離被保護的設備的間距不小于15m。在碼頭前沿設置2個高架遠控消防水炮(防爆型)，能夠覆蓋碼頭上的全部裝卸工藝設施，可協助消防船或消拖兩用船，供給LNG運輸船的消防冷卻用水，滿足水量及覆蓋要求。
   接收站在LNG槽車裝車區、高壓輸出泵、氣化器、LNG罐頂的鋼結構及碼頭閥門的匯聚部分等地方設置固定式水噴霧系統。所有水噴霧系統均為自動控制，同時具有遠程手動和應急操作的功能。設置在各區域的火焰探測器探測到火災信號后，傳輸信號至火災報警控制盤，通過火災報警控制盤的連鎖控制信號啟動雨淋閥，從而開啟水噴霧系統。火災報警控制盤上設置有各水噴霧系統的遠程手動控制按鈕，可以遠程手動開啟各水噴霧系統。
   在碼頭裝卸臂前沿設置一套水幕系統，水幕系統采用自動控制，同時具有遠程手動和應急操作的功能。設置在碼頭前沿的火焰探測器探測到火災信號后，傳輸信號至火災報警控制盤，通過火災報警控制盤的連鎖控制信號啟動雨淋閥，從而開啟水幕系統。火災報警控制盤上設置有水幕系統的遠程手動控制按鈕，可以遠程手動開啟水幕系統。
   接收站在LNG罐區事故收集池、工藝裝置區事故收集池、碼頭事故收集池、槽車裝車區設置高倍數泡沫滅火系統。該系統的設置目的是控制泄漏到LNG收集池內的液化天然氣的揮發。泡沫原液選用體積分數為3%的耐海水型高倍數泡沫原液。高倍數泡沫滅火系統采用自動控制方式。每個LNG收集池設置2個可燃氣體探測器、1個低溫探測器、1個感溫探測器，當4個探測器中的2個探測器探測到有LNG泄漏到收集池后，由火災報警控制盤連鎖控制啟動雨淋閥，從而啟動高倍數泡沫滅火系統，向收集池內噴射泡沫混合液。
   另外，接收站內還有一些氣體消防設施，比如在碼頭控制室、變電所、主控室的機柜間設置氣體滅火系統；在行政樓內設置固定式水噴淋系統；在柴油罐區、事故柴油發電機房設置移動式泡沫滅火裝置；在碼頭、LNG罐區、LNG槽車裝車區、工藝裝置區和各建筑物內配置干粉、二氧化碳等手提式及推車式滅火器，以利于撲滅初起火災；在每臺LNG儲罐罐頂的釋放閥處設置固定式干粉滅火系統，用于撲滅釋放閥因天然氣釋放而導致的火災，系統設置100%的備用量。
6 結語
   LNG接收站在國外已安全、環保地運行了30余年，但是設計出既安全又經濟的LNG接收站仍是一項挑戰。未來幾年是我國LNG接收站快速發展時期，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、運行管理。
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(本文作者：曲順利 賈保印 趙彩云 中海油山東化學工程有限責任公司 山東濟南 250013)