摘要:簡(jiǎn)述了LNG接收站的工藝流程,對(duì)LNG接收站潛在的危險(xiǎn)進(jìn)行了分析,從危險(xiǎn)源的探測(cè)和消防系統(tǒng)等方面論述了LNG接收站的安全設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞:LNG接收站;安全設(shè)計(jì);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(chǔ)量豐富、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特性成為繼石油之后各國(guó)重點(diǎn)大力開(kāi)發(fā)的化石燃料,其中以液化天然氣(LNG)的發(fā)展尤為迅速,規(guī)模也日益擴(kuò)大。在未來(lái)的15年間,我國(guó)天然氣消費(fèi)將從400×108m3/a達(dá)到2200×108m3/a,主要以西氣東輸、海氣上岸、進(jìn)口管輸氣及LNG等方式保證天然氣資源的供應(yīng)。未來(lái)3—10年,我國(guó)沿海將規(guī)劃建設(shè)8~10座接收站,屆時(shí)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(guó)第1個(gè)LNG接收站[1],于2006年5月底正式投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。2004年9月12日,我國(guó)第一個(gè)完全由國(guó)內(nèi)企業(yè)中海福建天然氣有限責(zé)任公司自主引進(jìn)、建設(shè)、管理的LNG項(xiàng)目——福建LNG總體項(xiàng)目的商務(wù)合同在北京簽訂,這個(gè)項(xiàng)目也是中國(guó)海洋石油總公司在沿海投資建設(shè)的第2個(gè)LNG接收站。浙江省將成為我國(guó)第3個(gè)引進(jìn)LNG項(xiàng)目的地區(qū),浙江LNG項(xiàng)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(guī)劃或建設(shè)的LNG接收站。我國(guó)的LNG工業(yè)已經(jīng)形成了一定的規(guī)?!,F(xiàn)階段我國(guó)大力進(jìn)行的LNG接收站的建設(shè),必將帶動(dòng)LNG生產(chǎn)及儲(chǔ)運(yùn)等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)LNG工業(yè)將迎來(lái)快速發(fā)展的春天[2~4]。
LNG作為一種低溫液體,其主要危害體現(xiàn)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(zhuān)用運(yùn)輸船從生產(chǎn)地輸出終端運(yùn)到LNG接收站碼頭后,經(jīng)過(guò)碼頭卸到接收站的儲(chǔ)罐中。LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐所置換出的蒸發(fā)氣(BOG)通過(guò)回氣管道輸?shù)竭\(yùn)輸船的LNG儲(chǔ)罐中,以維持儲(chǔ)罐系統(tǒng)壓力平衡。
根據(jù)對(duì)蒸發(fā)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(fā)氣直接壓縮到外輸壓力后送至管網(wǎng)。再冷凝工藝是將蒸發(fā)氣壓縮至一定壓力后,與從LNG儲(chǔ)罐低壓泵輸出的過(guò)冷LNG混合并進(jìn)行冷量交換,使蒸發(fā)氣再冷凝,然后經(jīng)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(jié)省了大量的壓縮功。外輸工藝的選擇主要由接收站的實(shí)際操作模式以及市場(chǎng)天然氣需求量決定,我國(guó)已運(yùn)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(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、接收、氣化及冷量利用等完整的產(chǎn)、運(yùn)、銷(xiāo)LNG工業(yè)體系[11]。
3 LNG接收站潛在的危險(xiǎn)
3.1 翻滾現(xiàn)象
翻滾現(xiàn)象是指兩層不同密度的LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)迅速上下翻動(dòng)混合,瞬間產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣的現(xiàn)象。翻滾現(xiàn)象發(fā)生的根本原因是儲(chǔ)罐中的液體密度不同,存在分層。
無(wú)論儲(chǔ)罐內(nèi)是均勻混合的LNG還是單一來(lái)源的LNG都會(huì)分層,滲入LNG的熱量推動(dòng)自然對(duì)流,形成自然循環(huán)。溫度相對(duì)較高的LNG沿著罐壁往上流動(dòng),穿過(guò)液面,吸收熱量氣化,形成蒸氣;溫度相對(duì)較低的LNG向下回補(bǔ),完成循環(huán)。
如果有不同密度的分層出現(xiàn),較輕的一層LNG可以正常對(duì)流,并通過(guò)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(duì)流無(wú)法穿過(guò)上面一層LNG到達(dá)液面,底部的LNG就會(huì)形成單獨(dú)的對(duì)流格局。吸收了罐壁和罐底滲透熱的罐底的LNG無(wú)法流動(dòng)到液面通過(guò)蒸發(fā)釋放熱量,造成底部LNG的熱量?jī)?chǔ)存和溫度上升。隨著外部熱量的導(dǎo)入,底部LNG的溫度增加,而密度下降;頂層LNG由于BOG的揮發(fā)而變重。如果兩部分接觸面的密度無(wú)法達(dá)到大致相等,那么就會(huì)一直保留這種分層的現(xiàn)象,當(dāng)?shù)讓覮NG密度低于上層LNG密度時(shí),底部LNG就會(huì)上升,經(jīng)過(guò)傳質(zhì),下部LNG上升到上部,壓力減小,成為過(guò)飽和液體,積蓄的熱量迅速釋放,產(chǎn)生大量的BOG,即產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。
翻滾從現(xiàn)象來(lái)看分成兩類(lèi)[12]:LNG儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期儲(chǔ)存中,因其中較輕的組分(主要是N2和CH4)首先蒸發(fā),而自發(fā)形成翻滾現(xiàn)象;LNG儲(chǔ)罐中原有LNG在充裝密度不同、溫度不同的新LNG一段時(shí)間(幾小時(shí)甚至幾十天)后,突然產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。
根據(jù)翻滾產(chǎn)生的機(jī)理,可以采取以下方法防止LNG分層和翻滾:將來(lái)源不同、密度不同的LNG分別儲(chǔ)存于不同的儲(chǔ)罐中;采用儲(chǔ)罐內(nèi)潛液泵打回流來(lái)進(jìn)行循環(huán),消除儲(chǔ)罐內(nèi)LNG的密度差,抑制LNG的分層;儲(chǔ)罐內(nèi)設(shè)置液位計(jì)及液位-溫度-密度等參數(shù)連續(xù)監(jiān)測(cè)儀表,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),避免儲(chǔ)罐內(nèi)的分層液體的密度差較大,進(jìn)而避免引起翻滾;根據(jù)LNG密度選擇正確的充注方法:密度相近時(shí),一般從底部充注;將密度小的LNG充注到密度大的LNG儲(chǔ)罐中時(shí),應(yīng)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(chǔ)罐中時(shí),應(yīng)該采用頂部充注的辦法。
3.2 管?chē)?、冷凝錘擊效應(yīng)
與水平面垂直的充滿LNG的管子,若頂端向儲(chǔ)罐開(kāi)口,當(dāng)管內(nèi)的LNG受熱達(dá)到一定程度后,會(huì)通過(guò)自噴的方式快速地將管內(nèi)的LNG清空。管?chē)娛亲园l(fā)的,管?chē)娦?yīng)會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)壓力快速增加,甚至可能導(dǎo)致放空,重復(fù)性的沖擊可能帶來(lái)破壞。
冷凝錘擊效應(yīng)經(jīng)常發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)間帶壓作業(yè)的支管、泄放口泄壓后恢復(fù)工作壓力的瞬間。冷凝錘擊效應(yīng)可導(dǎo)致管道局部壓力瞬間劇增,致使墊片或閥門(mén)密封破壞。
3.3 LNG槽車(chē)充裝和運(yùn)輸
運(yùn)輸LNG的槽車(chē)在卸車(chē)或裝車(chē)過(guò)程中不能夠保證沒(méi)有一滴LNG泄漏,操作員在工作期間應(yīng)佩戴好個(gè)人勞動(dòng)防護(hù)用品,搬運(yùn)和存放輸送軟管的操作員應(yīng)十分小心,軟管上的臟物和摩擦?xí)茐能浌艿耐暾?,同時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生靜電,從而引發(fā)事故。LNG槽車(chē)等移動(dòng)設(shè)備在工藝操作前,應(yīng)做好接地,工藝操作結(jié)束后,應(yīng)靜置一段規(guī)定時(shí)間才允許拆除接地線。
3.4 LNG泄漏
LNG泄漏可能對(duì)人體產(chǎn)生以下危害:局部?jī)鰝绲蜏貎鰝?、霜凍傷;一般凍傷,如體溫過(guò)低,肺部?jī)鰝?;窒息;如果蒸氣云被點(diǎn)燃,還存在熱輻射的危險(xiǎn)。LNG工業(yè)的安全很難用數(shù)據(jù)來(lái)描述,因?yàn)橐恍o(wú)重大泄漏事故的裝置的操作年限還不夠作數(shù)量上的分析。本節(jié)主要介紹LNG泄漏點(diǎn)以及泄漏的危險(xiǎn)性。
閥門(mén)填料處的泄漏:LNG接收站的裝置溫度降低到操作溫度時(shí),閥門(mén)金屬部分會(huì)發(fā)生收縮,這時(shí)就可能在閥門(mén)填料處發(fā)生泄漏??梢愿鶕?jù)在閥門(mén)處是否有不正常的積霜,來(lái)判斷該閥門(mén)是否發(fā)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(fā)生收縮就可能在管子螺紋或法蘭連接處發(fā)生泄漏。輸送軟管需要按照國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行年度壓力檢測(cè)。輸送軟管放空時(shí)可能同時(shí)排放液體和氣體,不可對(duì)著人或設(shè)備,也不可接觸到點(diǎn)火源。
取樣管道、取樣容器和氣相管道發(fā)生泄漏:LNG接收站的取樣管道和取樣容器處發(fā)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?yàn)檫@個(gè)區(qū)域不僅流速快、壓力高,而且存在管道材料過(guò)渡(從低溫管材過(guò)渡到常溫管材)。如果泄漏的是冷氣體,應(yīng)當(dāng)注意低于-107℃的蒸氣在最初泄漏的階段會(huì)比空氣重,容易引起火災(zāi)以及造成人體凍傷。
泄漏的LNG氣化時(shí)產(chǎn)生的危害性可分為L(zhǎng)NG泄漏到地面和泄漏到水中兩種情況。
當(dāng)LNG傾倒至地面上時(shí)(例如事故溢出),最初會(huì)猛烈沸騰,如果泄漏持續(xù)進(jìn)行,就會(huì)在地面上形成一小池,而沸騰速度下降,最后保持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)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(duì)流傳熱速度決定。當(dāng)LNG溫度和地面溫度之間的差別逐漸減小時(shí),這一層氣體就消失了。這時(shí)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(yáng)輻射、LNG上方的通風(fēng)對(duì)流情況。后來(lái)地面被冷凍,并保持持續(xù)低溫,那么太陽(yáng)輻射和通風(fēng)就成了影響LNG蒸發(fā)的主要因素。
當(dāng)LNG泄漏流進(jìn)水中時(shí),可導(dǎo)致LNG與水相接觸,如LNG運(yùn)輸工具發(fā)生意外交通事故時(shí),可導(dǎo)致LNG泄漏流進(jìn)水中;又如浸沒(méi)燃燒式氣化器的內(nèi)部泄漏可導(dǎo)致LNG與水相接觸,此時(shí)LNG與水之間有非常高的熱傳遞速率,發(fā)生快速相變,LNG將激烈地沸騰并伴隨大的響聲,噴出水霧,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致LNG蒸氣爆炸,由此產(chǎn)生的爆炸威力足以摧毀鄰近的工廠或建筑物,導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[13]。
4 接收站中危險(xiǎn)源的探測(cè)
危險(xiǎn)探測(cè)器可以提醒人們潛在的危險(xiǎn)環(huán)境,比如氣體、火焰、煙霧、高溫、低溫或氧氣不足等。一個(gè)可以持續(xù)探測(cè)的系統(tǒng)比人工探測(cè)更具有可靠性,而且它能最大限度地探測(cè)到更嚴(yán)重的情況。
可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)在工廠內(nèi)很常見(jiàn),感應(yīng)器應(yīng)安裝在最有可能泄漏的地點(diǎn)。當(dāng)感應(yīng)器探測(cè)到空氣中可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限的10%~25%(不含25%)時(shí),將向控制室發(fā)送警報(bào),操作員開(kāi)始進(jìn)行調(diào)查并采取控制措施。當(dāng)感應(yīng)器探測(cè)到空氣中可燃?xì)怏w的體積分?jǐn)?shù)達(dá)到爆炸下限的25%時(shí),運(yùn)行中的工廠會(huì)自動(dòng)停止。按照活動(dòng)區(qū)域和相應(yīng)的探測(cè)器敏感度的不同,對(duì)各區(qū)域可燃?xì)怏w探測(cè)器設(shè)置不同的敏感度。氣體探測(cè)器的安裝位置,根據(jù)可對(duì)潛在的危險(xiǎn)氣體及危害程度提供及時(shí)的警報(bào)為原則進(jìn)行布置。
火焰探測(cè)器是根據(jù)熱輻射量來(lái)探測(cè)的?;鹧娴臒彷椛淇梢愿鶕?jù)紫外線和紅外線波長(zhǎng)范圍內(nèi)不斷增長(zhǎng)的信號(hào)來(lái)測(cè)定。當(dāng)超出一定的輻射量時(shí),就會(huì)響鈴報(bào)警。除了火焰、閃電、焊弧外,陽(yáng)光反射到擋風(fēng)板也會(huì)有紫外線和紅外線輻射,易導(dǎo)致發(fā)出虛假的警報(bào)。也可采用多功能探測(cè)器、交互型探測(cè)器和延遲報(bào)警系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)來(lái)提高探測(cè)器的準(zhǔn)確度。
在一些高危設(shè)備上還需要安裝高溫探測(cè)器,高溫探測(cè)器能夠?qū)δ骋徊课?、全部的溫度或溫度急速上升的情況作出反應(yīng),可以觸動(dòng)警報(bào),使設(shè)備關(guān)閉或啟動(dòng)滅火設(shè)備。低溫探測(cè)器用來(lái)對(duì)液化天然氣或冷蒸氣的釋放作出預(yù)警,安裝在液化天然氣設(shè)備的底部或收集溢出氣體和冷蒸氣的低洼區(qū)域。
液化天然氣的燃燒伴隨著少量的煙霧。煙霧探測(cè)器能夠探測(cè)到著火源,由于小股的煙火產(chǎn)生的熱量不大可能觸動(dòng)高溫探測(cè)器,煙霧探測(cè)器這時(shí)起到補(bǔ)充作用。煙霧探測(cè)器一般安裝在電氣設(shè)備上面或靠近可能產(chǎn)生煙霧的區(qū)域。
組合式氣體探測(cè)系統(tǒng)比較適合對(duì)含氧量的測(cè)試。便攜式氣體探測(cè)器運(yùn)用一個(gè)內(nèi)置式取樣泵,它具有兩個(gè)測(cè)量功能,可以同時(shí)探測(cè)易燃?xì)怏w和含氧量。當(dāng)探測(cè)到氧氣含量不足時(shí),微型的個(gè)人便攜顯示器會(huì)自動(dòng)輸出監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并發(fā)出警報(bào)。
5 接收站消防系統(tǒng)
消防系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)原則是:盡量切斷氣源,控制泄漏;對(duì)儲(chǔ)罐及鄰近儲(chǔ)罐的設(shè)備進(jìn)行冷卻保護(hù),避免設(shè)備超壓造成更大的災(zāi)害;將泄漏的LNG引至安全地帶氣化,避免燃燒擴(kuò)大。接收站消防設(shè)施包括消防水系統(tǒng)、高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)、固定式氣體滅火系統(tǒng)、水噴霧系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、滅火器等。
接收站設(shè)置3種消防水炮,包括固定式消防水炮、遠(yuǎn)控消防水炮、移動(dòng)式消防水炮。
在工藝區(qū)(包括BOG壓縮機(jī)房、氣化器等)、LNG槽車(chē)裝車(chē)區(qū)、計(jì)量輸出區(qū)設(shè)置固定式消防水炮。固定式消防水炮靠近被保護(hù)的工藝設(shè)備,但離被保護(hù)的設(shè)備的間距不小于15m。在碼頭前沿設(shè)置2個(gè)高架遠(yuǎn)控消防水炮(防爆型),能夠覆蓋碼頭上的全部裝卸工藝設(shè)施,可協(xié)助消防船或消拖兩用船,供給LNG運(yùn)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(chē)裝車(chē)區(qū)、高壓輸出泵、氣化器、LNG罐頂?shù)匿摻Y(jié)構(gòu)及碼頭閥門(mén)的匯聚部分等地方設(shè)置固定式水噴霧系統(tǒng)。所有水噴霧系統(tǒng)均為自動(dòng)控制,同時(shí)具有遠(yuǎn)程手動(dòng)和應(yīng)急操作的功能。設(shè)置在各區(qū)域的火焰探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)后,傳輸信號(hào)至火災(zāi)報(bào)警控制盤(pán),通過(guò)火災(zāi)報(bào)警控制盤(pán)的連鎖控制信號(hào)啟動(dòng)雨淋閥,從而開(kāi)啟水噴霧系統(tǒng)?;馂?zāi)報(bào)警控制盤(pán)上設(shè)置有各水噴霧系統(tǒng)的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制按鈕,可以遠(yuǎn)程手動(dòng)開(kāi)啟各水噴霧系統(tǒng)。
在碼頭裝卸臂前沿設(shè)置一套水幕系統(tǒng),水幕系統(tǒng)采用自動(dòng)控制,同時(shí)具有遠(yuǎn)程手動(dòng)和應(yīng)急操作的功能。設(shè)置在碼頭前沿的火焰探測(cè)器探測(cè)到火災(zāi)信號(hào)后,傳輸信號(hào)至火災(zāi)報(bào)警控制盤(pán),通過(guò)火災(zāi)報(bào)警控制盤(pán)的連鎖控制信號(hào)啟動(dòng)雨淋閥,從而開(kāi)啟水幕系統(tǒng)?;馂?zāi)報(bào)警控制盤(pán)上設(shè)置有水幕系統(tǒng)的遠(yuǎn)程手動(dòng)控制按鈕,可以遠(yuǎn)程手動(dòng)開(kāi)啟水幕系統(tǒng)。
接收站在LNG罐區(qū)事故收集池、工藝裝置區(qū)事故收集池、碼頭事故收集池、槽車(chē)裝車(chē)區(qū)設(shè)置高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)置目的是控制泄漏到LNG收集池內(nèi)的液化天然氣的揮發(fā)。泡沫原液選用體積分?jǐn)?shù)為3%的耐海水型高倍數(shù)泡沫原液。高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)采用自動(dòng)控制方式。每個(gè)LNG收集池設(shè)置2個(gè)可燃?xì)怏w探測(cè)器、1個(gè)低溫探測(cè)器、1個(gè)感溫探測(cè)器,當(dāng)4個(gè)探測(cè)器中的2個(gè)探測(cè)器探測(cè)到有LNG泄漏到收集池后,由火災(zāi)報(bào)警控制盤(pán)連鎖控制啟動(dòng)雨淋閥,從而啟動(dòng)高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng),向收集池內(nèi)噴射泡沫混合液。
另外,接收站內(nèi)還有一些氣體消防設(shè)施,比如在碼頭控制室、變電所、主控室的機(jī)柜間設(shè)置氣體滅火系統(tǒng);在行政樓內(nèi)設(shè)置固定式水噴淋系統(tǒng);在柴油罐區(qū)、事故柴油發(fā)電機(jī)房設(shè)置移動(dòng)式泡沫滅火裝置;在碼頭、LNG罐區(qū)、LNG槽車(chē)裝車(chē)區(qū)、工藝裝置區(qū)和各建筑物內(nèi)配置干粉、二氧化碳等手提式及推車(chē)式滅火器,以利于撲滅初起火災(zāi);在每臺(tái)LNG儲(chǔ)罐罐頂?shù)尼尫砰y處設(shè)置固定式干粉滅火系統(tǒng),用于撲滅釋放閥因天然氣釋放而導(dǎo)致的火災(zāi),系統(tǒng)設(shè)置100%的備用量。
6 結(jié)語(yǔ)
LNG接收站在國(guó)外已安全、環(huán)保地運(yùn)行了30余年,但是設(shè)計(jì)出既安全又經(jīng)濟(jì)的LNG接收站仍是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。未來(lái)幾年是我國(guó)LNG接收站快速發(fā)展時(shí)期,這些項(xiàng)目中將有不少選址在人口密集的地方,因此安全問(wèn)題更應(yīng)引起高度重視。為適應(yīng)我國(guó)LNG工業(yè)高速發(fā)展的需要,應(yīng)盡快頒布我國(guó)的LNG設(shè)計(jì)、施工規(guī)范,以指導(dǎo)LNG應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)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(xué)工程有限責(zé)任公司 山東濟(jì)南 250013)
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