LNG供氣站安全設計
發布時間：2021-12-17 05:39:56 來源：上海華千電氣有限公司
摘 要：在LNG供氣站設計中，安全是一個主要的考慮因素，各專業設計必須符合相應的規范。作者對此類設施的安全問題提出了獨到、全面的見解。
關鍵詞：LNG供氣站；設計：安全
1944年美國俄亥俄州克利夫蘭市的一個調峰站的LNG儲罐發生事故，時至今日，LNG安全標準經過了一個相當漫長的歷程。當時，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，火災才得到控制。此次爆炸波及14個街區，財產損失巨大，其中有200輛轎車完全毀壞和136人喪生。
事故調查小組沒有查明儲罐失事原因，追溯事故發生的一年前，在該罐交付使用期間，靠近罐底產生了一道裂縫。人們沒有去調查裂縫的成因，只是對該罐進行了簡單的修補后即投入運行?，F在人們認識到，導致該罐失事的原因是內罐上某處出現了裂縫，溢出的液體充滿了內殼和外壁之間的空間，而且氣化后導致壓力過大。
過去對密閉的空間的設計與現在不同，沒有采取泄壓措施。另外，過去用來制作內罐的材料是3.5鎳鋼，它不適宜低溫工作，現在通常改用9鎳鋼。
這起事故對液化天然氣工業是一個極大的挫折，20年之后，該工業才得以恢復。在燃氣工業中斷的這些年頭，各種研究機構和設備供應商作進一步調查，并開發丁天然氣應用技術、設備和材料，在這些領域所取得的重大進步，實際上部分應歸功于使低溫工業受益非淺的美國空間計劃。這些研究成果現在已經被世界上幾個正在運行的LNG設施所證實，并創造了一個史無前例的長達30年的安全紀錄。
影響設備和供氣站設計的安全因素有：
-安全標準
-平面布置
-控制方式
-儲罐
-消防
-停車
1安全標準
由于那個LNG儲罐的失事，天然氣液化和儲存在第一次商業冒險中宣告失敗，為滿足調峰站的需要，燃氣工業轉向LPG。人們對克利夫蘭市災難仍然記憶猶新，燃氣工業迅速制定了LPG設施標準。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，提煉廠和罐區建造液化石油氣裝置的設計和施工》。
當時，盡管技術已有進步，人們進行了多年的認真研究，但是，LNG設施設計標準的安全和技術性尚需進一步提高。
六十年代初期，人們對LNG重新產生興趣。由美國消防協會(NFPA)建議并起草了LNG設施設計新標準。在這首個綜合性標準里，制定出了液化天然氣的設計、選址、施工和設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、儲存和處理標準，NFPA59A》中。
《NFPA59A》的編制工作自1960年開始著手進行，并在1967年被美國燃氣協會(NFPA)正式采納。一年后美國石油協會(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裝置的設計和施工》。
同年美國石油協會又采納了《附錄QAPl620大型焊接液化天然氣低壓儲罐設計和施工的推薦標準》，其中論述的低溫應用的設計和選材。
六十年代后期，由于LNG工業進入一個新的增長期，NFPA標準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安全標準和規范不是本文的目的，不過這里仍要提到在NFPA59A十，影響LNG供氣站安全設計的一些關鍵因素：
-站場防止LNG溢出和泄漏的措施
-海上運輸和接收的要求
-攔截區的要求
-儲罐防護堤的要求
-儲罐、氣化器和工藝設備的間距
-材質，混凝土種類
-隔熱
-安全泄壓，儲罐赳壓保護
-氣化器，泵和壓縮機設備
-消防，叫燃氣體檢測和火災探測器
-ESD(緊急停工)系統
LNG供氣站的安全原則是預防、檢測和控制。
預防是指要密切注視劉沒施安全運行所必需的設計特性。在工程設計階段，些設計上具能夠發現潛在的安全隱患扦提出保證安全的相應措施。它們包括：初步危險分析(PHA)，操作危險性分析(HAZOP)、風險定量評估(QRA)、氣體擴散研究和突變分析。
假如發生事故，早期檢訓和響應能將使安傘隱患減全最小。各種探測器應被合理地安裝在整個供氣站內，用來檢測火災和I。NG泄漏事故。
其中包括碼頭卸船區，儲罐防護堤內和防護堤附近的卸車管線等位置。這些地力任何一處發生泄漏。在控制室內都會發山聲音報警。
將氣體和感煙探測器安裝在建筑物內，從控制室的閉路電視上可以對全廠進行監控。
自卸車平臺的管道、碼頭和陸上的管道系統發生LLN(；泄漏，可以收集起來送至管網下面的混凝土集液溝內。一般來講，該液溝是通向位于海岸又靠近碼頭的集液池內。LNG管網和裝置周圍的集液溝能夠容納10分鐘內的管道最大泄漏量。
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計和設備布置的前期，用來預測這些潛在危險對操作人員、公眾，工廠設施和環境的影響。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技術主要有兩個優點：它能夠鑒別出潛在的危險，并用最小的投資和措施來預防危險；它能夠幫助設計小組明確或拓展用于整個工廠生產的運行目標。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)發生管束破裂
-由于超壓導致罐或容器破裂/毀壞
-閥門和PSVs(壓力安全閥)發斗堵塞
-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，這對位于居民區附近的供氣站成為重要。
發生LNG泄漏事故的十要危險是火災和熱輻別。如果在匯漏事故的早期階段沒有遇到明火，則沸騰的LNG產生的氣體與空氣混合時被帶到下風側。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的影響，NFPA59A已經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到邊界線以外的可能性降到最低。現在各種計算機程序能夠模擬LNG儲存設施周圍的火災輻射和氣體擴散危險。可燃氣體研究機構無償提供如：LNGFIRE和DEGAIS(氣體擴散濃度)的程序，這兩個軟件都可從互聯網下載。
DEGADIS能預測在溢流事故中氣體擴散的距離。而LNGFIRE能計算LNG儲存設施火災輻射距離，采用的方法是建立在公共的可獲得數據和LNG火災經驗介紹的基礎上。這兩個程序發表在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，并且是擴大區域規劃成果的一個關鍵部分。
3控制方式
根據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，不同的設備和控制流程都有相當大的差異。因此，這個例子僅代表諸多可能出現的流程之一，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，進行了詳盡設計。
3.1LNG卸車
在日常操作中，各種不穩定狀態時有發生，這就是潛在的危險。如果卸車管線中存在這種情況，將會導致兩種結果：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(在此篇文章發表之前，在1998/99年冬季PTQ上發表的《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。
冷卻的一個結果是撓曲現象。它是由于在管道的頂部和底部形成溫度梯度，導致管道在支架間撓曲，由于應力高，撓曲現象可以導致事故。在卸車前可以．通過正確的冷卻工藝來避免這個現象的發生。通過冷氣對輸送管線進行預冷卻，可以將對管線的熱沖擊降到最小。氣體預冷卻管線工藝，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。
另一個經常發生的不穩定的狀態是由于水擊造成的。水擊是由于流體的流速突然發生改變。改變流體的流速需要一個瞬時的流體壓力。由于快速關閉或開啟閥門或停泵將導致這些變化可能發生。就設計而言，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力范圍內，閥門關閉次數是一個重要的變量。因此，閥門的操作對于管道安全設計和運行產生重要的影響。
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，易揮發的液體在高壓下進行氣化，所以應采取多種安全措施來防止這些潛在的危險。
通過可燃氣體、火災報警和ESD系統，也可通過燃氣管線上的高溫開關和所有外送泵失靈的信號來關閉所有運行的氣化器。每一個氣化器也有獨立的關閉系統，由以下條件驅動：
-送風故障失靈
-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，氣化器停車驅動系統將聯鎖，切斷氣化器的主燃氣管線，并放空，關閉氣化器的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，并關閉人口閥。
4儲罐
目前應用的絕大多數LNG儲罐可分為兩類：單容積和全容積，兩種儲罐的結構如圖3所示。
近年來，大部分LNG儲罐設計成全容積式。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。
在單容積儲罐設計中，外部儲罐僅為容納氣體設計。在這種結構中，內部儲罐的事故將導致外部儲罐的事故。常規的內置儲罐是用9％鎳鋼制造，而外置罐用碳鋼制造。外置儲罐的設計是用來隔離和容納氣體(不是液體)，因此這種結構需要兩級容器。
全容積儲罐的內置儲罐與單容積儲罐的設計是一樣的，都是自立式9鎳鋼罐。然而，周圍的預應力混凝土罐是用來容納氣體和液體。常規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，在預應力混凝土外殼和9％鎳鋼底部沒有開口
-壓力和動態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都將被檢測和報警-全廠運行聯鎖設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變并導致罐結構破壞，因輸送到儲罐的LNG成分不同而導致的分層引起翻滾。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，將會迅速產生大量的氣體。
計算機模型已經發展到能夠預測突變發生的時間、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測。因此，為避免突變的發生，在設計時預防是必要的。
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受到限制。
使用的一些類似方法是把不同品質的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，應根據項目的具體情況，經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計和安裝，將火災可能性降到最小的邏輯聯鎖設計，快速探測和遏制火災。其中的一些設計內容包括：
-火焰和可燃氣體探測器以及自動隔離和停車聯鎖。
-服務于儲罐和構筑物以及所有主要設備自動噴頭和手動系統
-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。
-在供氣站消防中使用的兩種單獨的系統是：化學干粉消防系統和噴淋系統。
5.1化學干粉滅火系統
有些獨立的干粉滅火系統，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域。依靠這種設備，有五種激活方法：
-自動紫外線感應器
-自動伺服設備
-來自被保護裝置或附近的就地氣源
-化學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
海水被用作LNG供氣站選定區域的消防水。水源通過一個帶立式消防水泵的人口裝置送到消防水環形管路系統。當壓力低于60psig(0．4MPa表壓)時，泵自動啟動。噴淋系統則連到這個環路上。
從生活水系統中通過一個穩壓泵來維持系統壓力穩定在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的每一個系統。所有雨淋系統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
有兩個可燃氣體檢測系統：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紫外線火災探測系統
每個紫外線探測器都是一個單獨系統，它能對碳氫化合物引發的火焰進行探測。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器自動激活相關聯的化學干粉系統同時報警。
紫外線探測器被安裝在如下火災控制區：氣化器區、外送泵區、碼頭以及罐區。
5.5煙氣檢測
為控制火災，感煙探測器安裝在以下建筑內：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備：主控制盤上的可視火災報警，全廠火災警報器和著火部位的火災信息。
此時，上面列出的建筑物的加熱和通風系統將自動關閉。
5.6消防水量
水不是用來撲滅火災，而是用來保護暴露在外部火災中的建筑物、儲罐和設備的需要。
對于噴淋頂部和每一個建筑物的外墻的常規的水量為：
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)
除噴淋系統外，來自監控器和消防船的水也經常用來幫助控制火災，主要是通過冷卻相鄰的設備和建筑物以防火勢蔓延。
6停車
各種可能的事件，如火災信號，儲罐壓力高，儲罐液位高或儀表風壓低，都將啟動緊急停車系統。整個過程是經過各種切斷閥和放空來關閉受影響區域的設備和封鎖將受影響的區域。當安裝在碼頭上的任何一個紫外線探測器探測到火災，人們在現場和控制室內將聽到聲音報警。卸車管線上的切斷閥將自動關閉。如果是初次起動，為保證安全停車，原則上手動ESD按鈕應設在裝置上。
另外，在沒有電源或氣源的情況下，低溫閥根據設計將關閉。每個閥門(除壓縮機旁通閥外)也有一個保險連接激活開關，關閉火災現場的閥門。
7結論
LNG設施在全世界已經安全、可靠、環保運行了三十年，但是，設計出既安全又經濟的LNG供氣站仍是一項挑戰。這是因為：
-LNG工業面臨著降低成本的壓力(但是，LNG設計的安全性仍不容忽視)
-LNG工業的成長將主要依賴對該工業很不熟悉或一無所知的市場環境
-新技術的發展，例如：在氣化站設計中，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保能源，高效循環技術的發展(見1998/99冬季發表在PTQ《降低LNG供氣站運行成本》一文)已經為LNG確立了一個適當的位置。由于電力快速增長的需要，太平洋周邊國家的許多LNG工程正處于規劃階段，中國、印度和南美等地區市場的不斷開放，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，因此安全問題更應引起高度重視。
這類項目的設計和施工需要有經驗的工程建設隊伍，他們必需熟知該類項目的安全問題。同時，他們不僅在LNG方面要有經驗，而且在發電方面也是如此，從LNG供應到發電整個過程的設計，應該保證其安全性和完整性。