LNG氣化站安全保護系統(tǒng)

摘 要

摘要：論述了LNG氣化站的工藝流程，LNG的危險性，以及緊急切斷系統(tǒng)、低溫儲罐液位控制系統(tǒng)、空溫式氣化器出口氣體溫度連鎖系統(tǒng)、水浴式加熱器后氣體溫度控制系統(tǒng)等安全保護系統(tǒng)的
摘要：論述了LNG氣化站的工藝流程，LNG的危險性，以及緊急切斷系統(tǒng)、低溫儲罐液位控制系統(tǒng)、空溫式氣化器出口氣體溫度連鎖系統(tǒng)、水浴式加熱器后氣體溫度控制系統(tǒng)等安全保護系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：LNG氣化站；緊急切斷；安全保護
Safety Protection System for LNG Vaporizing Station
LIU Li-bin
Abstract：The process flow of LNG vaporizing station，the risk of LNG and the realization methods of safety protection systems are discussed.The safety protection systems include slam shut system.control system for liquid level of low-temperature gasholder，linkage system for outlet gas temperature of air-heated vaporizer，gas temperature control system after water bath heater and do on.
Key words：LNG vaporizing station；slam shut；safety protection
   隨著人類環(huán)境保護意識的增強，對清潔能源的需求也在不斷增加。近年來，我國的能源市場出現(xiàn)了翻天覆地的變化，天然氣的應(yīng)用越來越廣泛，在某些領(lǐng)域正逐步替代煤和液化石油氣。我國的天然氣資源多分布在東北和西北地區(qū)，消費市場卻集中在東南沿海和中南部大中城市等人口密集的地區(qū)[1]，這種能源分布結(jié)構(gòu)使得天然氣的快速發(fā)展受到了限制。雖然我國近年建設(shè)了多項天然氣管道輸送工程，如全長4176km的西氣東輸工程、全長950km的澀寧蘭輸氣管道工程等，這些管道工程將大大緩解東南沿海大中城市用氣緊張的問題，但是建設(shè)長輸管道造價巨大，投入運營后的管理費用很高，而且長輸管道無法覆蓋所有的城市。因此對于中小型城市，采用長輸管道供氣就不是都適宜，而建設(shè)1座4臺100m3儲罐的LNG氣化站造價僅為1000×104元左右，這樣的造價對于大多數(shù)城市來說是比較經(jīng)濟的選擇。這也促成了大量LNG氣化站的建設(shè)，使我國進入了LNG氣化站建設(shè)的高峰期。LNG氣化行業(yè)是我國新興的行業(yè)，LNG氣化站設(shè)計、建設(shè)及運營中的安全問題需要我們探索和研究。
1 LNG氣化站工藝流程[2]
通過公路或鐵路運輸將LNG從生產(chǎn)廠或儲存基地運送到LNG氣化站，利用站內(nèi)的卸車增壓氣化器將LNG槽車內(nèi)的氣相壓力升高，將LNG通過管道卸至站內(nèi)低溫儲罐。在LNG氣化站向城市管網(wǎng)供氣時，利用站內(nèi)儲罐配套的自增壓氣化器，將低溫儲罐壓力升至LNG氣化站工作壓力，一般為0.6MPa，利用這個壓力將LNG送入空溫式氣化器，通過與環(huán)境空氣的熱量交換將液態(tài)的LNG氣化為氣態(tài)天然氣。如果此時氣態(tài)天然氣的溫度不低于5℃，那么可以通過旁通回路直接送入調(diào)壓、計量、加臭裝置。如果此時的氣態(tài)天然氣溫度低于5℃，就需要經(jīng)過水浴式加熱器將氣態(tài)天然氣加熱到5℃以上，再送入調(diào)壓、計量、加臭裝置。然后，通過站內(nèi)的調(diào)壓、計量、加臭裝置將天然氣調(diào)壓、計量、加臭后送入城市中壓管網(wǎng)，為用戶供氣。LNG氣化站工藝流程見圖1。
 

2 LNG的危險性[1]
    在整個氣化過程中，只是將LNG從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，沒有發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化。雖然氣化站的流程簡單，但是液化天然氣是一種超低溫介質(zhì)，變成常溫氣態(tài)天然氣后體積擴大約600倍。因此LNG氣化站工作過程中存在著多方面的危險性。
    低溫的危險性：LNG的儲存和氣化操作都在低溫下進行，溫度約-162℃。這樣的低溫液體一旦泄漏，會使接觸到的設(shè)備遇冷收縮，甚至發(fā)生脆性斷裂，從而使設(shè)備破壞，引發(fā)嚴(yán)重的事故。低溫LNG輸送管道也經(jīng)常發(fā)生凍傷操作人員的事故。
    火災(zāi)危險性：天然氣與空氣混合極易形成爆炸性混合氣體，如果達(dá)到爆炸極限的混合氣體遇到火源，就會著火燃燒，甚至爆炸。
    對人體的危害性：雖然天然氣無毒，但是如果吸進純的LNG蒸氣，人會迅速失去知覺，3～5min后就可能死亡。天然氣泄漏會導(dǎo)致大氣中的氧含量逐漸減少，如果操作人員沒有及時警覺就會慢慢窒息。
    因此，LNG氣化站必須采取相應(yīng)的溫度、壓力、液位、泄漏等方面的檢測和保護措施，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理隱患，避免惡性事故的發(fā)生。
3 緊急切斷系統(tǒng)
    緊急切斷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使生產(chǎn)系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時能迅速進入安全狀態(tài)。對于LNG氣化站，其最安全的模式就是進入停止?fàn)顟B(tài)。
    在LNG氣化站正常工作時，需先打開儲罐自增壓回路閥，使一部分LNG進入自增壓回路，經(jīng)儲罐自增壓氣化器將LNG氣化后，回到儲罐內(nèi)氣相空間，以增加儲罐內(nèi)氣相空間的壓力。當(dāng)壓力達(dá)到系統(tǒng)正常工作壓力時，打開儲罐出液閥，讓LNG進入空溫式氣化器進行氣化。隨著LNG從儲罐中流出，儲罐內(nèi)氣相空間的壓力會因體積增大而降低。系統(tǒng)為了保持壓力平衡，就會自動從出液口補充LNG進入自增壓回路，通過自增壓氣化器后的氣體又補充進儲罐，使儲罐始終處于壓力平衡狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的正常工作。
    因此，要讓LNG氣化站進入停止?fàn)顟B(tài)，只需切斷儲罐進出液閥及自增壓回路閥即可。
 《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)第9.4.21條規(guī)定：液化天然氣氣化站內(nèi)應(yīng)設(shè)置事故切斷系統(tǒng)，事故發(fā)生時，應(yīng)切斷或關(guān)閉液化天然氣或可燃?xì)怏w來源，還應(yīng)關(guān)閉正在運行可能使事故擴大的設(shè)備。
    LNG氣化站內(nèi)設(shè)置的事故切斷系統(tǒng)應(yīng)具有手動、自動或手動自動同時啟動的性能，手動啟動器應(yīng)設(shè)置在事故時方便到達(dá)的地方，并與所保護設(shè)備的間距不小于15m。手動啟動器應(yīng)具有明顯的功能標(biāo)志。
    為滿足規(guī)范的要求，在LNG氣化站設(shè)計中一般采用低溫長軸氣動緊急切斷閥來實現(xiàn)管道的遠(yuǎn)程手動、自動切斷?？梢栽诳刂剖液同F(xiàn)場分別設(shè)置緊急切斷按鈕，以便事故發(fā)生時能夠迅速切斷LNG站區(qū)所有氣動切斷閥，以停止LNG供應(yīng)，確保系統(tǒng)的安全。
4 低溫儲罐液位控制系統(tǒng)[3]
    《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》(GB 50028—2006)第9.4.13條規(guī)定：儲罐進出液管必須沒置緊急切斷閥，并與儲罐液位控制連鎖。
    根據(jù)本條要求，在儲罐上必須設(shè)置可以信號遠(yuǎn)傳的檢測儲罐液位的儀表設(shè)備，并必須在儲罐進出液管上設(shè)置可實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的緊急切斷閥。在LNG氣化站設(shè)計中，這種緊急切斷閥一般選用氣動長軸緊急切斷閥。由于LNG屬于超低溫介質(zhì)，直接測量液位無法實現(xiàn)，因此通常的做法是選用隔爆型差壓變送器測得儲罐內(nèi)上下液位的靜壓差，然后根據(jù)LNG的密度來計算LNG儲罐內(nèi)液位的高度。
    以150m3的LNG儲罐為例。根據(jù)LNG儲罐參數(shù)，公稱容積為150m3的LNG儲罐，其幾何容積為157.9m3，最大充裝系數(shù)為0.95，該儲罐的最大充裝量為142.5m3。在卸車過程中，當(dāng)儲罐內(nèi)工作壓力下LNG體積達(dá)到最大充裝量時就必須關(guān)閉進液氣動閥。此過程可以由人工來完成，通過觀察液位計的指示值，在液位達(dá)到上限時就關(guān)閉進液閥。這樣設(shè)計就無法避免觀測誤差、計算誤差、操作時間差等多方面因素所帶來的偏差，使系統(tǒng)的安全性大打折扣，也無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。如果能用儀表來代替操作工，把人眼的功能改成液位變送器來實現(xiàn)，把人腦的功能用控制系統(tǒng)代替，那么不僅能減輕操作工的勞動強度，而且可以提高控制系統(tǒng)的速度和準(zhǔn)確度。把變送器檢測到的液位信號轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號，傳送至控制器，通過控制器與設(shè)定值進行比較，液位值大于等于設(shè)定值時就輸出信號切斷儲罐進液氣動閥，停止儲罐進液，從而實現(xiàn)規(guī)范要求的連鎖切斷功能。
    儲罐內(nèi)膽工作在超低溫環(huán)境中，如果儲罐內(nèi)沒有LNG，就會使儲罐內(nèi)膽的溫度上升，下次重新充裝LNG時就需要預(yù)冷。為了避免儲罐內(nèi)膽溫度的頻繁變化，控制系統(tǒng)還需要設(shè)置儲罐的低液位報警，當(dāng)儲罐液位低于總?cè)莘e的10%對應(yīng)的液位時要發(fā)出報警信號，提示操作人員及時切斷儲罐出液閥，將其他儲罐投入運行。
5 空溫式氣化器出口氣體溫度連鎖系統(tǒng)[3]
    從儲罐流出的LNG進入空溫式氣化器，空溫式氣化器將LNG液體與空氣進行換熱而達(dá)到氣化的目的。環(huán)境溫度及氣候條件就成為影響設(shè)備運行狀態(tài)的關(guān)鍵因素。環(huán)境溫度變化無常，晴天和陰天不一樣，冬天和夏天不一樣。一旦空溫式氣化器投入運行，整個氣化器的溫度便會下降，在LNG入口處的溫度會比環(huán)境溫度低很多，這樣與設(shè)備接觸的空氣中的水分就會凝結(jié)，隨著空溫式氣化器投入運行時間的增加，氣化器上凝結(jié)的水會進一步降溫，導(dǎo)致結(jié)冰。這樣隨著時間的推移，空溫式氣化器的結(jié)冰面積不斷增大，影響氣化器的傳熱效果，導(dǎo)致其氣化能力下降，出口氣體溫度降低。為了系統(tǒng)的安全，空溫式氣化器出口氣體溫度不能過低。
   實際的環(huán)境溫度變化、設(shè)備結(jié)冰情況等多方面的因素，都無法用確切的數(shù)據(jù)來衡量。這種實際情況與設(shè)計狀態(tài)的差別，使我們無法確定氣化器出口氣體溫度。為了保證LNG氣化站的安全，就必須保證空溫式氣化器時刻工作在正常狀態(tài)，其出口氣體溫度必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了滿足這一要求，可以在空溫式氣化器的出口和入口設(shè)置一套溫度檢測報警連鎖系統(tǒng)，即在空溫式氣化器出口管道上設(shè)置溫度檢測儀表，在空溫式氣化器進液口設(shè)置緊急切斷閥，并將溫度報警信號與緊急切斷閥連鎖。一方面可以隨時監(jiān)視空溫式氣化器的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)不正常情況時發(fā)出報警信號；另一方面也可以在空溫式氣化器出口氣體溫度低于設(shè)定值時輸出信號，連鎖切斷儲罐出液氣動閥，停止供氣。
    雖然空溫式氣化器都有其工作狀態(tài)參數(shù)和氣化能力，但是生產(chǎn)廠家也無法保證空溫式氣化器的出口氣體溫度，只能保證設(shè)備在輸出流量最大時，其出口氣體溫度盡可能地接近環(huán)境溫度。因此在設(shè)計時，考慮到設(shè)備運行的安全性，通常要根據(jù)氣化站的室外極端最低溫度來確定氣化器出口氣體溫度的報警設(shè)定值。如果極端最低溫度比較低，為了保護下游設(shè)備的安全，這個溫度設(shè)定值也不應(yīng)低于下游設(shè)備及管材正常工作時的最低承受溫度。
    例如某地的室外極端最低溫度為-10℃，空溫式氣化器出口氣體設(shè)計溫度比環(huán)境溫度低5℃。在這種條件下，正常工作的空溫式氣化器出口氣體溫度就應(yīng)當(dāng)在-15℃以上。這里條件中環(huán)境溫度是一個極限情況，而且空溫式氣化器也是工作在最大負(fù)荷下，因此在實際情況下，空溫式氣化器出口溫度就應(yīng)當(dāng)比-15℃要高。在設(shè)計的時候，我們通常要把各種不利因素都考慮進去，還考慮一定的余量，將出口氣體溫度的報警設(shè)定值設(shè)置為比環(huán)境溫度低8～10℃。按照上面例子中的環(huán)境條件，空溫式氣化器出口溫度報警設(shè)定值應(yīng)為-18～-20℃，即當(dāng)空溫式氣化器出口氣體溫度低于-20℃時，就可以斷定該空溫式氣化器已經(jīng)不在正常工作狀態(tài)了，可能是由于空溫式氣化器結(jié)冰太厚或是其他原因，導(dǎo)致其傳熱能力下降而不能滿足正常工作需求，需要進行安全保護。這時為了保證LNG氣化站的供氣安全，控制器就要輸出信號切斷空溫式氣化器進液氣動閥，停止該空溫式氣化器的工作。
6 水浴式加熱器后氣體溫度控制系統(tǒng)
    如果由于環(huán)境因素導(dǎo)致空溫式氣化器出口氣體溫度過低，不能滿足下游沒備安全運行的要求，就需要對其進一步加熱。常用的設(shè)備是水浴式加熱器，通過低溫天然氣與熱水進行換熱，以提高天然氣溫度?？梢栽O(shè)置一套溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由水浴式加熱器、溫度變送器、溫度控制器、變頻器、熱水鍋爐和熱水循環(huán)泵等組成。其目的是保持水浴式加熱器出口氣體溫度恒定，減少資源浪費。其中熱水鍋爐提供恒溫?zé)崴?，熱水循環(huán)泵提供熱水在系統(tǒng)中循環(huán)的動力，變頻器改變熱水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)來自空溫式氣化器的天然氣溫度或流量改變時，會導(dǎo)致水浴式加熱器的出口氣體溫度發(fā)生變化，溫度變送器測得溫度的變化，將此信號送至溫度控制器。溫度控制器將測量值與設(shè)定值進行比較，然后根據(jù)偏差信號進行運算后，將控制指令發(fā)送給變頻器，變頻器接到信號后會改變對循環(huán)泵的輸出電源頻率，從而改變熱水循環(huán)系統(tǒng)的熱水流量，以維持水浴式加熱器的出口氣體溫度。
7 其他保護系統(tǒng)
    由于天然氣屬易燃易爆氣體，為了避免天然氣泄漏事故的發(fā)生，在生產(chǎn)區(qū)內(nèi)可能發(fā)生天然氣泄漏的位置應(yīng)設(shè)置燃?xì)庑孤﹫缶鳎瑢崟r監(jiān)測環(huán)境空氣中的可燃?xì)怏w濃度。當(dāng)環(huán)境空氣中可燃?xì)怏w濃度超過設(shè)定值時，將報警信號遠(yuǎn)傳至控制室，發(fā)出聲光報警，提示操作人員采取相應(yīng)的緊急措施。為了下游用戶的用氣安全，還需要設(shè)置自動加臭系統(tǒng)，以方便用戶及早發(fā)現(xiàn)天然氣的泄漏，避免事故發(fā)生。
8 結(jié)論
    雖然控制系統(tǒng)越來越智能化，儀表及控制器也越來越先進，但是LNG氣化站的安全運行不能單憑可靠的控制系統(tǒng)。在LNG氣化站設(shè)計中，合理進行功能分區(qū)，將生產(chǎn)區(qū)、輔助區(qū)合理分開；選擇與防爆等級相適應(yīng)的儀表及設(shè)備，保證站區(qū)供電系統(tǒng)的安全可靠性；在運營過程中對站內(nèi)工作人員進行定期培訓(xùn)，使其了解LNG特性及可能產(chǎn)生的危害和影響，了解防護用品的作用及正確使用方法；編制事故應(yīng)急處理預(yù)案等，都可以為LNG氣化站的安全運營提供不同方面的安全保障。
參考文獻：
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(本文作者：劉力賓 新奧集團廊坊設(shè)計院 河北廊坊 065001)