Safety Design 0f LNG VapOrizing Station
ZHU Chang-wei‘． MA Guo—guang~． LI Gang~
(1．Southwest Petroleum Univenity，Chengdu 610500，China；2．CNOOC Gas Pipelining c0．，Ltd．，Haikou 570105，China)
关键词：液化天然气； 气化站；储罐； 安全
Key words：LNG；vaponzlng statlpn；storage tank；safety
Abstract：The hazard 0f LNG and the current development status of LNG vaporizing station in Chi—na are introduced briefly．The safety design of LNG vaporizing station is discussed in aspects 0f designstandards，general arrangement，impounding area，storage tanks，vaponzer，LNG transmission pipeline， fire control and s0 0n．
1 概述
1．1 LNG的危险性
①低温的危险性：LNG的储存和操作都存低温下进行，一旦发生泄漏，会使相关没备脆性断裂和遇冷收缩，从而破坏设备，引发事故。并且，低温LNG能冻伤操作人员。
②火灾危险性：天然气与空气混合能形成爆炸性混合气体，爆炸极限(体积分数)为5％～15％。如果存在火源，极易着火燃烧，甚至爆炸。
③对人体的危害：虽然LNG蒸气无毒，但是如果吸进纯的LNG蒸气，人会迅速失去知觉，几分钟后死亡；当大气中氧的含量逐渐减少时，工作人员可能警觉不到而慢慢地窒息。
1．2我国LNG气化站的发展现状
2001年，中原油田建成了我国第一座生产型的LNG装置，淄博LNG气化站同时建成投产，揭开了中国LNG供气的序幕。
目前国内已建成使用的LNG气化站逾30座。随着新疆广汇LNG厂于2004年投产，以及广东沿海LNG接收终端的建成投产，LNG供应在我国将形成南、中、西的供应格局。加之LNG气化工程的关键设备如低温储罐、气化器、低温阀门及运输设备的国产化，可以预见，在未来5年我国将会迎来LNG气化站建设的高峰。
2 LNG气化站的安全设计
2．1设计标准
设计时日可参考的国外标准主要有美国的NF—PA59A《液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准》、NFPA57《LNG汽车燃料系统》等；国内标准有：GB 50028--2006《城镇燃气设计规范》；GB50183--2004《石油天然气工程设计防火规范》，《建筑设计防火规范》等。
2．2总平面布置
LNG气化站总平面布置设计要合理地确定站内各作业区和设备的位置，以确保气化站有一个安全的环境。对于LNG的溢出，总希望能够预测LNG蒸气量与溢出距离和溢出时间的函数关系，这样可以通过溢出的流量和时间来预测可能产生危险的区域。
NFPA59A已经对气化站边界线以外的人身和财产的影响做了明确的安全要求，这些要求限制了在边界线的热辐射量。现在各种计算机软件能够模拟CNG储存设施周围的火灾辐射和气体扩散浓度，例如LNGFIRE(LNG燃烧的热辐射模型)和DE—GAIS(气体扩散浓度程序)。
2．3围堰区
围堰区是指用混凝土、金属等耐低温材料在LNG储罐周围建造的堤防、防护墙或排液系统所围成的区域。LNG储罐周围必须没置围堰区，以将储罐发生事故时对周围设施造成的危险降低到最小程度。
2．4 LNG储罐
LNG储罐按结构形式可分为地下储罐、地上金属储罐和金属一预应力混凝土储罐3类，地上LNG储罐又分为金属子母储罐和金属单罐2种。LNG气化站采用何种储罐，主要取决于其储存量。储存量为1 200～5 000 m3时可采用金属子母储罐带压储存和常压罐储存。储存量为1 200 m3以下的城市LNG气化站，基本采用金属单罐带压储存。
①LNG储罐的安全措施
a．为保证储罐及连接部件在LNG及其冷蒸气下能正常工作，储罐材料必须满足低温性能要求。暴露的储罐隔热层应防火、防水、阻燃、阻LNG蒸气，并且在消防水的冲击力作用下不会移动。
b．储罐之间需要有适当的净距便于设备的安装、检查和维护。NFPA59A中的表2．2．4．1明确规定了LNG储罐之间的最小净距和布置要求。
c．储罐的液相管上安装紧急切断阀，发生意外事故时切断储罐与外界的连通，防止储罐内的LNG泄漏。每台储罐应设2套相互独立的液位测量装置，在选择测量装置时应考虑密度的变化。在储罐真空层设压力仪表，用于测量真空层的绝对压力。
d。储罐应当设置一个高液位报警器，使操作人员有足够的时间停止进料。储罐应设置高液位进料切断装置，它应与全部的控制计量仪表分开设置。
e．为了避免储罐内形成空气与天然气的混合气导致事故，储罐在首次使用或停止使用进行内部检修时，要进行惰化处理。
f根据地质、气象等资料，分析发生地震、风灾、雪灾等自然灾害的可能性及其特征，考虑储罐的抗震和抵御风雪载荷的能力。
②LNG涡旋现象的预防
涡旋现象 (Rollover)，也称翻滚，通常出现在多组分的液化天然气中，是由于向已装有LNG的低温储罐内充注新的LNG，或由于LNG中的氮优先蒸发而使储罐内的液体发生分层而引起。在已有的一些研究中，对该问题的解释是：密度较大的液体积聚在储罐底部，而密度较小的液体处于储罐顶部，底部液体因受到上面液体重力的作用，压力高于上部液体，对应的蒸发温度相应提高，且底部LNG具有一定的过冷度，蒸发速度较上部液体慢。外界热量总是不断由外向内传递，底部液体获得热量，其温度升高，密度减小，当底部液体密度小于上部液体密度时，分层平衡将被破坏，形成涡旋现象，引起液体蒸发率剧增。
计算机模型已经发展到能够预测涡旋发生的时间、分层和气体释放率，然而，涡旋发生时气体释放率的峰值很难精确预测。因此，为避免涡旋的发生，在设计时预防非常必要。可以通过测量LNG储罐内垂直方向上的温度和密度来确定是否存在分层，当分层液体之间的温差>O．2 K，密度差>O．5 kg／m。时，一般认为发生了分层。防止发生涡旋现象的方法有：
a．将不同产地、不同气源的LNG分开储存，可避免因密度差而引起的分层。b．根据需储存的LNG与储罐内原有LNG的密度差异，选择正确的充注方式。c．使用混合喷嘴和多孔管向储罐中充注LNG。d．检测LNG的蒸发速度，LNG分层会抑制LNG的蒸发速度，使出现涡旋前的蒸发速度比通常情况下的蒸发速度低。
③储罐静态蒸发率
储罐静态蒸发率能较为直观地反映储罐在使用时的绝热性能，其定义为低温绝热压力容器在装有大于有效容积的1／2的低温液体时，静止达到热平衡后，24 h内自然蒸发损失的低温液体质量和容器有效容积下低温液体质量的比值。LNG气化站多采用50 m3，及100 m3带压LNG储罐，文献[5、6]对其静态蒸发率的要求见表1。
国家现行标准中没有给出LNG储罐蒸发率的上限标准，设计时可以参考液氮的标准。
表1 立式和卧式低温绝热容器的静态蒸发率
Tab．1 Static evaporation rate of vertical and horizontal．
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|
液氮静态蒸发率 |
上限 |
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绝热形式 |
容积 |
固定罐 |
移动罐 |
罐式集装箱 |
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高真空 |
50 |
0 150 |
O 150 |
0.240 |
|
多层绝热 |
100 |
O．095 |
|
|
50 |
0.350 |
0.240 |
0.380 |
|
真空粉末 |
100 |
0.250 |
2.5气化器
LNG气化器按其热源的不同，可分为加热气化器、环境气化器和工艺气化器，其安全设计主要考虑以下因素：
(1)除非导热介质不可燃，否则气化器及其热源与其他任何火源之间的水平净距至少为15 m，整体加热气化器到围墙的水平净距至少为30M。
(2)气化器到LNG、可燃制冷剂或可燃气体储罐的水平净距至少为15 m，到控制大楼、办公室、车间等有人的重要建筑物的水平净距至少为15 m。
(3)站内布置多台加热气化器时，各气化器之间的水平净距至少为1．5 m。
(4)安装在距LNG储罐15 m之内的任何环境气化器或加热气化器，均应在液体管道上设置自动切断阀，此阀应设置在距离气化器至少3 m处。
(5)每台气化器应提供一种距气化器至少15M的切断热源的方式。
(6)为防止泄漏的LNG进入备用气化器，可安装2个进口阀门，并采取安全措施排空积存在两个阀门之间的LNG和蒸发气体。
(7)应设置恰当的自动化设备，以避免LNG及 其蒸气在异常情况下进入输配系统。
2．6 LNG输送管道
在进行LNG管道设计中，不仅要考虑低温液体的隔热要求，还应特别注意因低温引起的热应力、防止水蒸气渗透、避免出现冷凝和结冰、管道泄漏的探测方法以及防火等问题。
LNG管道和其他低温液体输送管道一样，管道的热补偿是一个需要细心考虑的重要问题。两个固定点之间，由于冷收缩产生的应力可能远远超过材料的屈服极限。通常可采用金属波纹管、管环式补偿器以及热膨胀系数小的管材等方法解决。
2．7气化站的消防
消防系统的安全设计原则是：尽量切断气源，控制泄漏；对储罐及邻近储罐的设备进行冷却保护，避免设备超压造成更大的灾害；将泄漏的LNG引至安全地带气化，避免燃烧扩大。根据以上原则，消防系统安全设计主要包括以下几个部分：
①紧急关闭系统
每个LNG设备上都应装备紧急关闭系统(ESD)．该系统可隔离或切断LNG、可燃液体、可燃制冷剂和可燃气体的来源，并关闭一些如继续运行可能加大或维持灾情的设备。
②火灾和泄漏监控系统
该系统主要包括：设置在气化器里的碳氢化合物泄漏检测器和设置在大气中的可燃气体检测器,在气化医、储罐区、外送泵区设置的紫外线或红外线火焰探测器，在控制室、电气室以及消防泵房设置的烟气检测器以及用来检测LNG是否泄漏的低温检测器。
③消防水系统
消防水系统由消防泵房、消防水池、消防给水管道及消火栓、消防水枪等组成。水可用来控制LNG产生大火，但不是灭火。如果将水喷到LNG表面会使LNG的蒸发率增大，从而使LNG的火势更大。因此，不能用水直接喷淋到LNG或LNG蒸气上。用水的目的主要是将尚未着火而火焰有可能经过的地方淋湿，使其不易着火。
④干粉灭火系统
干粉灭火剂是扑灭高压力、大流量天然气火灾的最有效措施。由于干粉灭火剂对燃烧物的冷却作用很小，在扑灭较大规模的火灾时，如灭火不完全或因火场中炽热物的作用，容易发生复燃。
⑤泡沫灭火系统
泡沫灭火剂可分为化学泡沫灭火剂、空气泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂、水成膜泡沫灭火剂等。LNG气化站常采用高倍数泡沫灭火系统，灭火器喷出大量泡沫覆盖在泄漏的LNG上面，减少来自空气的热量，有效降低LNG蒸气产生的速度。
⑥移动式灭火器材
根据《建筑灭火器配置设计规范》(GB 5014-2005的规定，生产区为严重危险级场所，设置手式干粉灭火器和推车式干粉灭火器。控制室、变电室内配置手提式二氧化碳灭火器，以保证迅速有效地扑灭初期火灾和零星火灾。
⑦其他安全措施
合理进行功能分区，将生产区、辅助区合理分开；选择与防爆等级相适应的电气设备，保证站区供电系统的安全可靠性；对站内工作人员进行定期培训，使其了解LNG特性及可能产生的危害和影响，了解防护用品的作用及正确使用方法；编制应急事故处理预案等。
3结语
LNG设施在国外已安全、环保地运行了30年，但是，设计出既安全又经济的LNG气化站仍是一项挑战。未来5年我国将建设更多更大规模的LNG气化站，这些项目中将有不少选址在人口密集的地方，因此安全问题更应引起高度重视。为适应我国LNG工业高速发展的需要，应尽快颁布我国的LNG设计、施工规范，以指导LNG应用领域的设计、施工和运行管理。
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[5]GB 18442--2001，低温绝热压力容器[s]．
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