LNG供氣站安全設(shè)計
發(fā)布時間：2021-12-17 05:39:56 來源：上海華千電氣有限公司
摘 要：在LNG供氣站設(shè)計中，安全是一個主要的考慮因素，各專業(yè)設(shè)計必須符合相應(yīng)的規(guī)范。作者對此類設(shè)施的安全問題提出了獨到、全面的見解。
關(guān)鍵詞：LNG供氣站；設(shè)計：安全
1944年美國俄亥俄州克利夫蘭市的一個調(diào)峰站的LNG儲罐發(fā)生事故，時至今日，LNG安全標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過了一個相當(dāng)漫長的歷程。當(dāng)時，那個LNG儲罐僅僅運行了幾個月就突然破裂，溢出120萬加侖(相當(dāng)于4542m3)的液化天然氣。由于防護堤不能滿足要求而被淹沒，爾后液化天然氣流進街道和下水道。液化天然氣在下水道氣化引起爆炸，將古力蓋拋向空中，下水管線炸裂。部分低溫天然氣滲透到附近住宅地下室，又被熱水器上的點火器引爆，將房子炸壞。很多人被圍困在家中，有些人試圖沖出去，但沒能逃離燃燒的街道和高溫困境。10個小時后，火災(zāi)才得到控制。此次爆炸波及14個街區(qū)，財產(chǎn)損失巨大，其中有200輛轎車完全毀壞和136人喪生。
事故調(diào)查小組沒有查明儲罐失事原因，追溯事故發(fā)生的一年前，在該罐交付使用期間，靠近罐底產(chǎn)生了一道裂縫。人們沒有去調(diào)查裂縫的成因，只是對該罐進行了簡單的修補后即投入運行?，F(xiàn)在人們認識到，導(dǎo)致該罐失事的原因是內(nèi)罐上某處出現(xiàn)了裂縫，溢出的液體充滿了內(nèi)殼和外壁之間的空間，而且氣化后導(dǎo)致壓力過大。
過去對密閉的空間的設(shè)計與現(xiàn)在不同，沒有采取泄壓措施。另外，過去用來制作內(nèi)罐的材料是3.5鎳鋼，它不適宜低溫工作，現(xiàn)在通常改用9鎳鋼。
這起事故對液化天然氣工業(yè)是一個極大的挫折，20年之后，該工業(yè)才得以恢復(fù)。在燃氣工業(yè)中斷的這些年頭，各種研究機構(gòu)和設(shè)備供應(yīng)商作進一步調(diào)查，并開發(fā)丁天然氣應(yīng)用技術(shù)、設(shè)備和材料，在這些領(lǐng)域所取得的重大進步，實際上部分應(yīng)歸功于使低溫工業(yè)受益非淺的美國空間計劃。這些研究成果現(xiàn)在已經(jīng)被世界上幾個正在運行的LNG設(shè)施所證實，并創(chuàng)造了一個史無前例的長達30年的安全紀(jì)錄。
影響設(shè)備和供氣站設(shè)計的安全因素有：
-安全標(biāo)準(zhǔn)
-平面布置
-控制方式
-儲罐
-消防
-停車
1安全標(biāo)準(zhǔn)
由于那個LNG儲罐的失事，天然氣液化和儲存在第一次商業(yè)冒險中宣告失敗，為滿足調(diào)峰站的需要，燃氣工業(yè)轉(zhuǎn)向LPG。人們對克利夫蘭市災(zāi)難仍然記憶猶新，燃氣工業(yè)迅速制定了LPG設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)。1948年出版了《NFPA59公用液化石油氣站》，1957年出版了《APl2510海上和管道終端，天然氣凝縮油廠，提煉廠和罐區(qū)建造液化石油氣裝置的設(shè)計和施工》。
當(dāng)時，盡管技術(shù)已有進步，人們進行了多年的認真研究，但是，LNG設(shè)施設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的安全和技術(shù)性尚需進一步提高。
六十年代初期，人們對LNG重新產(chǎn)生興趣。由美國消防協(xié)會(NFPA)建議并起草了LNG設(shè)施設(shè)計新標(biāo)準(zhǔn)。在這首個綜合性標(biāo)準(zhǔn)里，制定出了液化天然氣的設(shè)計、選址、施工和設(shè)備運行以及液化天然氣的儲存、氣化、輸送和處理的要求。這些要求均包含在《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和處理標(biāo)準(zhǔn)，NFPA59A》中。
《NFPA59A》的編制工作自1960年開始著手進行，并在1967年被美國燃氣協(xié)會(NFPA)正式采納。一年后美國石油協(xié)會(APl)采納了《APl2510A石油終端、天然氣加工廠、提煉廠和其它工廠的LNG裝置的設(shè)計和施工》。
同年美國石油協(xié)會又采納了《附錄QAPl620大型焊接液化天然氣低壓儲罐設(shè)計和施工的推薦標(biāo)準(zhǔn)》，其中論述的低溫應(yīng)用的設(shè)計和選材。
六十年代后期，由于LNG工業(yè)進入一個新的增長期，NFPA標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍需要擴展。人們丌始著手進行《APl2510A》的合并吸收工作，以便重新編氣《NFPA》，1971年的版本是擴展范圍后的第一版。隨后又進行了多次修訂。
詳細評論LNG安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不是本文的目的，不過這里仍要提到在NFPA59A十，影響LNG供氣站安全設(shè)計的一些關(guān)鍵因素：
-站場防止LNG溢出和泄漏的措施
-海上運輸和接收的要求
-攔截區(qū)的要求
-儲罐防護堤的要求
-儲罐、氣化器和工藝設(shè)備的間距
-材質(zhì)，混凝土種類
-隔熱
-安全泄壓，儲罐赳壓保護
-氣化器，泵和壓縮機設(shè)備
-消防，叫燃氣體檢測和火災(zāi)探測器
-ESD(緊急停工)系統(tǒng)
LNG供氣站的安全原則是預(yù)防、檢測和控制。
預(yù)防是指要密切注視劉沒施安全運行所必需的設(shè)計特性。在工程設(shè)計階段，些設(shè)計上具能夠發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患扦提出保證安全的相應(yīng)措施。它們包括：初步危險分析(PHA)，操作危險性分析(HAZOP)、風(fēng)險定量評估(QRA)、氣體擴散研究和突變分析。
假如發(fā)生事故，早期檢訓(xùn)和響應(yīng)能將使安傘隱患減全最小。各種探測器應(yīng)被合理地安裝在整個供氣站內(nèi)，用來檢測火災(zāi)和I。NG泄漏事故。
其中包括碼頭卸船區(qū)，儲罐防護堤內(nèi)和防護堤附近的卸車管線等位置。這些地力任何一處發(fā)生泄漏。在控制室內(nèi)都會發(fā)山聲音報警。
將氣體和感煙探測器安裝在建筑物內(nèi)，從控制室的閉路電視上可以對全廠進行監(jiān)控。
自卸車平臺的管道、碼頭和陸上的管道系統(tǒng)發(fā)生LLN(；泄漏，可以收集起來送至管網(wǎng)下面的混凝土集液溝內(nèi)。一般來講，該液溝是通向位于海岸又靠近碼頭的集液池內(nèi)。LNG管網(wǎng)和裝置周圍的集液溝能夠容納10分鐘內(nèi)的管道最大泄漏量。
1.1初步危險分析(PHA)，操作危險性分析(HAZOP)和風(fēng)險定量評估(ORA)
初步危險分析(PHA)纖常被用在方案階段或裝置初步設(shè)計和設(shè)備布置的前期，用來預(yù)測這些潛在危險對操作人員、公眾，工廠設(shè)施和環(huán)境的影響。一次初步危險分析并不能排除作進一步危險評估，事實上，它只是以后的危險評估研究的一個開端。
在工程建設(shè)的后階段通常要進行更詳細的HAZOP研究。在工程初期使用PHA技術(shù)主要有兩個優(yōu)點：它能夠鑒別出潛在的危險，并用最小的投資和措施來預(yù)防危險；它能夠幫助設(shè)計小組明確或拓展用于整個工廠生產(chǎn)的運行目標(biāo)。QRA的目的是明確LNG供氣站潛在的主要危險，QRA對了廠的平面布置有重要的影響。
對氣化站而言，LNG的各種泄漏情況被認為呈潛在的引起爆炸的原因。例如：
-管線泄漏/破裂(高壓和低壓氣體或液體管線)
-在氣化器和冷卻器和換熱器(在壓縮機，燃氣加熱器)發(fā)生管束破裂
-由于超壓導(dǎo)致罐或容器破裂/毀壞
-閥門和PSVs(壓力安全閥)發(fā)斗堵塞
-泵或壓縮機密封泄漏/失效
-停電或儀器失靈
2平面布置
為了確定能保護邊界線以外的人身和財產(chǎn)安全的初步半面布置，必需進行氣體擴散和火焰輻射研究，這對位于居民區(qū)附近的供氣站成為重要。
發(fā)生LNG泄漏事故的十要危險是火災(zāi)和熱輻別。如果在匯漏事故的早期階段沒有遇到明火，則沸騰的LNG產(chǎn)生的氣體與空氣混合時被帶到下風(fēng)側(cè)。這個氣閉一直存在爆炸的可能性，直至空氣將具稀釋到爆炸下限以下。
對供氣站邊界線以外的人身和財產(chǎn)的影響，NFPA59A已經(jīng)做了明確的安全要求。這些要求限制了在邊界線的輻射量，同時將可燃氣體散發(fā)到邊界線以外的可能性降到最低?，F(xiàn)在各種計算機程序能夠模擬LNG儲存設(shè)施周圍的火災(zāi)輻射和氣體擴散危險。可燃氣體研究機構(gòu)無償提供如：LNGFIRE和DEGAIS(氣體擴散濃度)的程序，這兩個軟件都可從互聯(lián)網(wǎng)下載。
DEGADIS能預(yù)測在溢流事故中氣體擴散的距離。而LNGFIRE能計算LNG儲存設(shè)施火災(zāi)輻射距離，采用的方法是建立在公共的可獲得數(shù)據(jù)和LNG火災(zāi)經(jīng)驗介紹的基礎(chǔ)上。這兩個程序發(fā)表在NFPA59A(1996)上。
在LNG特性中，一個固有的安全因素是甲烷含量高。在空氣溫度為700F(21℃)時，它的臨界浮力溫度為-1660F(-110℃)。在這個溫度以上時，甲烷比空氣輕，將從泄漏處上升飄走。同其他成分(如LPG)相比，甲烷也有一個較寬的爆炸范圍(5-15)。盡管下限較高，但由于它的自然浮力和快速的擴散，積存可燃混合氣體的可能性很小。盡管如此，氣體擴散研究是必需的，并且是擴大區(qū)域規(guī)劃成果的一個關(guān)鍵部分。
3控制方式
根據(jù)每個項目的特定要求、操作靈活性和客戶的需要，每一個供氣站都是不盡相同，不同的設(shè)備和控制流程都有相當(dāng)大的差異。因此，這個例子僅代表諸多可能出現(xiàn)的流程之一，目的是用來舉例說明而已，圖中所示的僅是主要的控制回路和儀表。盡管這個控制流程是比較簡單的，但是為了安全操作，針對以下日常有潛在危險的工序卸車和氣化，進行了詳盡設(shè)計。
3.1LNG卸車
在日常操作中，各種不穩(wěn)定狀態(tài)時有發(fā)生，這就是潛在的危險。如果卸車管線中存在這種情況，將會導(dǎo)致兩種結(jié)果：急冷和水擊。
不僅對于初次啟動，而且在每次卸車操作時，發(fā)生急冷都是危險的，尤其是在沒有裝再回流管線的情況下(在此篇文章發(fā)表之前，在1998/99年冬季PTQ上發(fā)表的《降低LNG供氣站運行成本》一文中對回流管線已作介紹)。
這些管線在卸車期間保持卸車管線冷卻，從而避免了需要在每次卸車前冷卻卸車。
冷卻的一個結(jié)果是撓曲現(xiàn)象。它是由于在管道的頂部和底部形成溫度梯度，導(dǎo)致管道在支架間撓曲，由于應(yīng)力高，撓曲現(xiàn)象可以導(dǎo)致事故。在卸車前可以．通過正確的冷卻工藝來避免這個現(xiàn)象的發(fā)生。通過冷氣對輸送管線進行預(yù)冷卻，可以將對管線的熱沖擊降到最小。氣體預(yù)冷卻管線工藝，包括用LNG填充管道和用閃蒸氣對儲罐進行第一次增壓。這包括將流體從儲罐后面通過頂部填充管線和輸送管線連接起來，然后通過冷卻旁通到氣體回流管線并通過集氣管到氣體壓縮機。
另一個經(jīng)常發(fā)生的不穩(wěn)定的狀態(tài)是由于水擊造成的。水擊是由于流體的流速突然發(fā)生改變。改變流體的流速需要一個瞬時的流體壓力。由于快速關(guān)閉或開啟閥門或停泵將導(dǎo)致這些變化可能發(fā)生。就設(shè)計而言，需要對這些事件進行一個完整的沖擊分析。
各種計算機程序可以在配管設(shè)計時計算水擊的沖擊力。對于減小壓力波動，使其保持在管道安裝允許的應(yīng)力范圍內(nèi)，閥門關(guān)閉次數(shù)是一個重要的變量。因此，閥門的操作對于管道安全設(shè)計和運行產(chǎn)生重要的影響。
3.2LNG氣化
由于氣化器操作自身潛在的危險，在火焰加熱器里，易揮發(fā)的液體在高壓下進行氣化，所以應(yīng)采取多種安全措施來防止這些潛在的危險。
通過可燃氣體、火災(zāi)報警和ESD系統(tǒng)，也可通過燃氣管線上的高溫開關(guān)和所有外送泵失靈的信號來關(guān)閉所有運行的氣化器。每一個氣化器也有獨立的關(guān)閉系統(tǒng)，由以下條件驅(qū)動：
-送風(fēng)故障失靈
-煙道溫度高
-出口溫度低或高
-出口壓力高
-燃氣壓力低
-煙道中的可燃氣體
具備以上任何條件，氣化器停車驅(qū)動系統(tǒng)將聯(lián)鎖，切斷氣化器的主燃氣管線，并放空，關(guān)閉氣化器的LNG進出口管線的切斷閥。如果所有的氣化器被停車，那么所有運行的LNG外送泵也被停車，并關(guān)閉人口閥。
4儲罐
目前應(yīng)用的絕大多數(shù)LNG儲罐可分為兩類：單容積和全容積，兩種儲罐的結(jié)構(gòu)如圖3所示。
近年來，大部分LNG儲罐設(shè)計成全容積式。單容積和全容積儲罐都是雙壁儲罐，然而，在事故狀態(tài)下，兩種儲罐容納液體和氣體的能力是不同的。
在單容積儲罐設(shè)計中，外部儲罐僅為容納氣體設(shè)計。在這種結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部儲罐的事故將導(dǎo)致外部儲罐的事故。常規(guī)的內(nèi)置儲罐是用9％鎳鋼制造，而外置罐用碳鋼制造。外置儲罐的設(shè)計是用來隔離和容納氣體(不是液體)，因此這種結(jié)構(gòu)需要兩級容器。
全容積儲罐的內(nèi)置儲罐與單容積儲罐的設(shè)計是一樣的，都是自立式9鎳鋼罐。然而，周圍的預(yù)應(yīng)力混凝土罐是用來容納氣體和液體。常規(guī)的混凝土罐也有一個碳鋼襯層，并有一個狹窄的9鎳鋼襯板來保護底部邊角免受熱沖擊。在內(nèi)外罐之間用珍珠巖隔熱材料填充。
4.1儲罐安全措施
LNG儲罐具有很多安全設(shè)計特征，例如：
-儲罐周圍的混凝土墻能容納全部或更多的LNG儲罐存儲量
-儲罐的所有開口例如液體輸入和輸出管線以及儀表安裝都穿過頂蓋，也就是說，在預(yù)應(yīng)力混凝土外殼和9％鎳鋼底部沒有開口
-壓力和動態(tài)變送器以及熱電偶檢測儲罐的各個部分。任何不正常的運行狀態(tài)都將被檢測和報警-全廠運行聯(lián)鎖設(shè)計用來防止儲罐不安全工作和過滿以及超壓
-壓力控制閥和PSVs
4.2翻滾
在LNG儲存中，翻滾是一個主要的安全問題。通過進一步研究，該現(xiàn)象已被人們很好地認識，在儲罐中它將引起大量的氣體突然轉(zhuǎn)變并導(dǎo)致罐結(jié)構(gòu)破壞，因輸送到儲罐的LNG成分不同而導(dǎo)致的分層引起翻滾。由于熱量損失，超過一個周期的時間，LNG的底層將變的特別熱。當(dāng)這個過飽和底層(由于靜壓頭不會氣化)因溫度相同而突然升到頂部時，將會迅速產(chǎn)生大量的氣體。
計算機模型已經(jīng)發(fā)展到能夠預(yù)測突變發(fā)生的時間、分層和氣體釋放率。然而，在突變時的氣體釋放率峰值很難精確預(yù)測。因此，為避免突變的發(fā)生，在設(shè)計時預(yù)防是必要的。
顯然，要避免突變的一個方法是只卸到空罐里或通過分離等濃度液體。但此法將成倍增大儲罐的投資，事實上這個選擇已經(jīng)受到限制。
使用的一些類似方法是把不同品質(zhì)的LNG分開儲存，使用人口噴射器促進LNG混合；通過泵將剩余部分進行再循環(huán)頂部進入濃度大的，底部進入濃度小的。
對于這些方法每一種都有其局限性，應(yīng)根據(jù)項目的具體情況，經(jīng)過仔細的思考后再做決定。
5消防
一個完整的LNG供氣站消防包括控制部分的設(shè)計和安裝，將火災(zāi)可能性降到最小的邏輯聯(lián)鎖設(shè)計，快速探測和遏制火災(zāi)。其中的一些設(shè)計內(nèi)容包括：
-火焰和可燃氣體探測器以及自動隔離和停車聯(lián)鎖。
-服務(wù)于儲罐和構(gòu)筑物以及所有主要設(shè)備自動噴頭和手動系統(tǒng)
-為防止安全停車失敗，在整個裝置上安裝自動和手動切斷閥來隔離火災(zāi)。
-在供氣站消防中使用的兩種單獨的系統(tǒng)是：化學(xué)干粉消防系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)。
5.1化學(xué)干粉滅火系統(tǒng)
有些獨立的干粉滅火系統(tǒng)，在壓縮氮氣的推動下，固體碳酸氫鈉用來保護供氣站的重要區(qū)域。依靠這種設(shè)備，有五種激活方法：
-自動紫外線感應(yīng)器
-自動伺服設(shè)備
-來自被保護裝置或附近的就地氣源
-化學(xué)干粉滅火器手動機械裝置
-來自主控盤的遠傳氣源
5.2雨淋系統(tǒng)
海水被用作LNG供氣站選定區(qū)域的消防水。水源通過一個帶立式消防水泵的人口裝置送到消防水環(huán)形管路系統(tǒng)。當(dāng)壓力低于60psig(0．4MPa表壓)時，泵自動啟動。噴淋系統(tǒng)則連到這個環(huán)路上。
從生活水系統(tǒng)中通過一個穩(wěn)壓泵來維持系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在100psig(0．67MPa表壓)。
雨淋閥由空氣感溫探頭(HAD)控制安裝在被保護建筑內(nèi)的每一個系統(tǒng)。所有雨淋系統(tǒng)雨淋閥的控制氣源由閥門附近存放的氮氣鋼瓶提供。
5.3可燃氣體檢測系統(tǒng)
有兩個可燃氣體檢測系統(tǒng)：在氣化器里的碳氫化合物泄漏檢測和大氣中可燃氣體檢測。
每個氣化器安裝一個氧含量和燃燒分析儀，來取樣、分析和記錄煙道氣體中氧和碳氫化合物的含量。
5.4紫外線火災(zāi)探測系統(tǒng)
每個紫外線探測器都是一個單獨系統(tǒng)，它能對碳氫化合物引發(fā)的火焰進行探測。該探測器暴露在陽光、白熾燈光、熒光或水銀光、電或電弧焊以及閃電的照射下不會報警。暴露在碳氫化合物火焰的紫外線感應(yīng)器自動激活相關(guān)聯(lián)的化學(xué)干粉系統(tǒng)同時報警。
紫外線探測器被安裝在如下火災(zāi)控制區(qū)：氣化器區(qū)、外送泵區(qū)、碼頭以及罐區(qū)。
5.5煙氣檢測
為控制火災(zāi)，感煙探測器安裝在以下建筑內(nèi)：控制室、電氣室以及消防泵房。
露置在含煙氣中的探測器自動激活以下設(shè)備：主控制盤上的可視火災(zāi)報警，全廠火災(zāi)警報器和著火部位的火災(zāi)信息。
此時，上面列出的建筑物的加熱和通風(fēng)系統(tǒng)將自動關(guān)閉。
5.6消防水量
水不是用來撲滅火災(zāi)，而是用來保護暴露在外部火災(zāi)中的建筑物、儲罐和設(shè)備的需要。
對于噴淋頂部和每一個建筑物的外墻的常規(guī)的水量為：
單位：加侖/分鐘(升/分鐘)
①壓縮機房1000-1500(3785-5678)
②控制室625(2366)
③消防泵房400-600(1514-2271)
④主配電室200(757)
⑤公用建筑160(606)
除噴淋系統(tǒng)外，來自監(jiān)控器和消防船的水也經(jīng)常用來幫助控制火災(zāi)，主要是通過冷卻相鄰的設(shè)備和建筑物以防火勢蔓延。
6停車
各種可能的事件，如火災(zāi)信號，儲罐壓力高，儲罐液位高或儀表風(fēng)壓低，都將啟動緊急停車系統(tǒng)。整個過程是經(jīng)過各種切斷閥和放空來關(guān)閉受影響區(qū)域的設(shè)備和封鎖將受影響的區(qū)域。當(dāng)安裝在碼頭上的任何一個紫外線探測器探測到火災(zāi)，人們在現(xiàn)場和控制室內(nèi)將聽到聲音報警。卸車管線上的切斷閥將自動關(guān)閉。如果是初次起動，為保證安全停車，原則上手動ESD按鈕應(yīng)設(shè)在裝置上。
另外，在沒有電源或氣源的情況下，低溫閥根據(jù)設(shè)計將關(guān)閉。每個閥門(除壓縮機旁通閥外)也有一個保險連接激活開關(guān)，關(guān)閉火災(zāi)現(xiàn)場的閥門。
7結(jié)論
LNG設(shè)施在全世界已經(jīng)安全、可靠、環(huán)保運行了三十年，但是，設(shè)計出既安全又經(jīng)濟的LNG供氣站仍是一項挑戰(zhàn)。這是因為：
-LNG工業(yè)面臨著降低成本的壓力(但是，LNG設(shè)計的安全性仍不容忽視)
-LNG工業(yè)的成長將主要依賴對該工業(yè)很不熟悉或一無所知的市場環(huán)境
-新技術(shù)的發(fā)展，例如：在氣化站設(shè)計中，將要克服能源綜合利用所帶來的新的安全問題
-作為一代有競爭力的環(huán)保能源，高效循環(huán)技術(shù)的發(fā)展(見1998/99冬季發(fā)表在PTQ《降低LNG供氣站運行成本》一文)已經(jīng)為LNG確立了一個適當(dāng)?shù)奈恢?。由于電力快速增長的需要，太平洋周邊國家的許多LNG工程正處于規(guī)劃階段，中國、印度和南美等地區(qū)市場的不斷開放，更多更大的項目有望上馬。這些項目中有不少將選址在人口密集的地方，因此安全問題更應(yīng)引起高度重視。
這類項目的設(shè)計和施工需要有經(jīng)驗的工程建設(shè)隊伍，他們必需熟知該類項目的安全問題。同時，他們不僅在LNG方面要有經(jīng)驗，而且在發(fā)電方面也是如此，從LNG供應(yīng)到發(fā)電整個過程的設(shè)計，應(yīng)該保證其安全性和完整性。