LNG供气站安全设计

摘　要：在LNG供气站设计中，安全是一个主要的考虑因素，各专业设计必须符合相应的规范。作者对此类设施的安全问题提出了独到、全面的见解。
关键词：LNG供气站；设计：安全
 
　　1944年美国俄亥俄州克利夫兰市的一个调峰站的LNG储罐发生事故，时至今日，LNG安全标准经过了一个相当漫长的历程。当时，那个LNG储罐仅仅运行了几个月就突然破裂，溢出120万加仑(相当于4542m3)的液化天然气。由于防护堤不能满足要求而被淹没，尔后液化天然气流进街道和下水道。液化天然气在下水道气化引起爆炸，将古力盖抛向空中，下水管线炸裂。部分低温天然气渗透到附近住宅地下室，又被热水器上的点火器引爆，将房子炸坏。很多人被围困在家中，有些人试图冲出去，但没能逃离燃烧的街道和高温困境。10个小时后，火灾才得到控制。此次爆炸波及14个街区，财产损失巨大，其中有200辆轿车完全毁坏和136人丧生。
　　事故调查小组没有查明储罐失事原因，追溯事故发生的一年前，在该罐交付使用期间，靠近罐底产生了一道裂缝。人们没有去调查裂缝的成因，只是对该罐进行了简单的修补后即投入运行。现在人们认识到，导致该罐失事的原因是内罐上某处出现了裂缝，溢出的液体充满了内壳和外壁之间的空间，而且气化后导致压力过大。
　　过去对密闭的空间的设计与现在不同，没有采取泄压措施。另外，过去用来制作内罐的材料是3.5%镍钢，它不适宜低温工作，现在通常改用9%镍钢。
　　这起事故对液化天然气工业是一个极大的挫折，20年之后，该工业才得以恢复。在燃气工业中断的这些年头，各种研究机构和设备供应商作进一步调查，并开发丁天然气应用技术、设备和材料，在这些领域所取得的重大进步，实际上部分应归功于使低温工业受益非浅的美国空间计划。这些研究成果现在已经被世界上几个正在运行的LNG设施所证实，并创造了一个史无前例的长达30年的安全纪录。
　　影响设备和供气站设计的安全因素有：
　　-安全标准
　　-平面布置
　　-控制方式
　　-储罐
　　-消防
　　-停车

1 安全标准

　　由于那个LNG储罐的失事，天然气液化和储存在第一次商业冒险中宣告失败，为满足调峰站的需要，燃气工业转向LPG。人们对克利夫兰市灾难仍然记忆犹新，燃气工业迅速制定了LPG设施标准。1948年出版了《NFPA 59公用液化石油气站》，1957年出版了《APl 2510海上和管道终端，天然气凝缩油厂，提炼厂和罐区建造液化石油气装置的设计和施工》。
　　当时，尽管技术已有进步，人们进行了多年的认真研究，但是，LNG设施设计标准的安全和技术性尚需进一步提高。
　　六十年代初期，人们对LNG重新产生兴趣。由美国消防协会(NFPA)建议并起草了LNG设施设计新标准。在这首个综合性标准里，制定出了液化天然气的设计、选址、施工和设备运行以及液化天然气的储存、气化、输送和处理的要求。这些要求均包含在《液化天然气(LNG)生产、储存和处理标准，NFPA59A》中。
　　《NFPA59A》的编制工作自1960年开始着手进行，并在1967年被美国燃气协会(NFPA)正式采纳。一年后美国石油协会(APl)采纳了《APl2510A石油终端、天然气加工厂、提炼厂和其它工厂的LNG装置的设计和施工》。
　　同年美国石油协会又采纳了《附录QAPl620大型焊接液化天然气低压储罐设计和施工的推荐标准》，其中论述的低温应用的设计和选材。
　　六十年代后期，由于LNG工业进入一个新的增长期，NFPA标准的适用范围需要扩展。人们丌始着手进行《APl2510A》的合并吸收工作，以便重新编气《NFPA》，1971年的版本是扩展范围后的第一版。随后又进行了多次修订。
　　详细评论LNG安全标准和规范不是本文的目的，不过这里仍要提到在NFPA59A十，影响LNG供气站安全设计的一些关键因素：
　　-站场防止LNG溢出和泄漏的措施
　　-海上运输和接收的要求
　　-拦截区的要求
　　-储罐防护堤的要求
　　-储罐、气化器和工艺设备的间距
　　-材质，混凝土种类
　　-隔热
　　-安全泄压，储罐赳压保护
　　-气化器，泵和压缩机设备
　　-消防，叫燃气体检测和火灾探测器
　　-ESD(紧急停工)系统
　　LNG供气站的安全原则是预防、检测和控制。
　　预防是指要密切注视刘没施安全运行所必需的设计特性。在工程设计阶段，些设计上具能够发现潜在的安全隐患扦提出保证安全的相应措施。它们包括：初步危险分析(PHA)，操作危险性分析(HAZOP)、风险定量评估(QRA)、气体扩散研究和突变分析。
　　假如发生事故，早期检训和响应能将使安伞隐患减全最小。各种探测器应被合理地安装在整个供气站内，用来检测火灾和I。NG泄漏事故。
　　其中包括码头卸船区，储罐防护堤内和防护堤附近的卸车管线等位置。这些地力任何一处发生泄漏。在控制室内都会发山声音报警。
　　将气体和感烟探测器安装在建筑物内，从控制室的闭路电视上可以对全厂进行监控。
　　自卸车平台的管道、码头和陆上的管道系统发生LLN(；泄漏，可以收集起来送至管网下面的混凝土集液沟内。一般来讲，该液沟是通向位于海岸又靠近码头的集液池内。LNG管网和装置周围的集液沟能够容纳10分钟内的管道最大泄漏量。
1.1 初步危险分析(PHA)，操作危险性分析(HAZOP)和风险定量评估(ORA)
　　初步危险分析(PHA)纤常被用在方案阶段或装置初步设计和设备布置的前期，用来预测这些潜在危险对操作人员、公众，工厂设施和环境的影响。一次初步危险分析并不能排除作进一步危险评估，事实上，它只是以后的危险评估研究的一个开端。
　　在工程建设的后阶段通常要进行更详细的HAZOP研究。在工程初期使用PHA技术主要有两个优点：它能够鉴别出潜在的危险，并用最小的投资和措施来预防危险；它能够帮助设计小组明确或拓展用于整个工厂生产的运行目标。QRA的目的是明确LNG供气站潜在的主要危险，QRA对了厂的平面布置有重要的影响。
　　对气化站而言，LNG的各种泄漏情况被认为呈潜在的引起爆炸的原因。例如：
　　-管线泄漏/破裂(高压和低压气体或液体管线)
　　-在气化器和冷却器和换热器(在压缩机，燃气加热器)发生管束破裂
　　-由于超压导致罐或容器破裂/毁坏
　　-阀门和PSVs(压力安全阀)发斗堵塞
　　-泵或压缩机密封泄漏/失效
　　-停电或仪器失灵

2 平面布置

　　一个典型的LNG供气站平面布置如图1所示，图中标出了储罐，运输船的泊位，主要设备和建筑物的位置。为了确定能保护边界线以外的人身和财产安全的初步半面布置，必需进行气体扩散和火焰辐射研究，这对位于居民区附近的供气站成为重要。
　　发生LNG泄漏事故的十要危险是火灾和热辐别。如果在汇漏事故的早期阶段没有遇到明火，则沸腾的LNG产生的气体与空气混合时被带到下风侧。这个气闭一直存在爆炸的可能性，直至空气将具稀释到爆炸下限以下。
　　对供气站边界线以外的人身和财产的影响，NFPA59A已经做了明确的安全要求。这些要求限制了在边界线的辐射量，同时将可燃气体散发到边界线以外的可能性降到最低。现在各种计算机程序能够模拟LNG储存设施周围的火灾辐射和气体扩散危险。可燃气体研究机构无偿提供如：LNGFIRE和DEGAIS(气体扩散浓度)的程序，这两个软件都可从互联网下载。
　　DEGADIS能预测在溢流事故中气体扩散的距离。而LNGFIRE能计算LNG储存设施火灾辐射距离，采用的方法是建立在公共的可获得数据和LNG火灾经验介绍的基础上。这两个程序发表在NFPA59A(1996)上。
　　在LNG特性中，一个固有的安全因素是甲烷含量高。在空气温度为700F(21℃)时，它的临界浮力温度为-1660F(-110℃)。在这个温度以上时，甲烷比空气轻，将从泄漏处上升飘走。同其他成分(如LPG)相比，甲烷也有一个较宽的爆炸范围(5-15%)。尽管下限较高，但由于它的自然浮力和快速的扩散，积存可燃混合气体的可能性很小。尽管如此，气体扩散研究是必需的，并且是扩大区域规划成果的一个关键部分。

3 控制方式

　　图2是一个典型的LNG供气站控制方案。根据每个项目的特定要求、操作灵活性和客户的需要，每一个供气站都是不尽相同，不同的设备和控制流程都有相当大的差异。因此，这个例子仅代表诸多可能出现的流程之一，目的是用来举例说明而已，图中所示的仅是主要的控制回路和仪表。尽管这个控制流程是比较简单的，但是为了安全操作，针对以下日常有潜在危险的工序卸车和气化，进行了详尽设计。
3.1 LNG卸车
　　在日常操作中，各种不稳定状态时有发生，这就是潜在的危险。如果卸车管线中存在这种情况，将会导致两种结果：急冷和水击。
　　不仅对于初次启动，而且在每次卸车操作时，发生急冷都是危险的，尤其是在没有装再回流管线的情况下(在此篇文章发表之前，在1998/99年冬季PTQ上发表的《降低LNG供气站运行成本》一文中对回流管线已作介绍，见图3和图4)。
　　这些管线在卸车期间保持卸车管线冷却，从而避免了需要在每次卸车前冷却卸车。
　　冷却的一个结果是挠曲现象。它是由于在管道的顶部和底部形成温度梯度，导致管道在支架间挠曲，由于应力高，挠曲现象可以导致事故。在卸车前可以．通过正确的冷却工艺来避免这个现象的发生。如图2所示的供气站设计，通过冷气对输送管线进行预冷却，可以将对管线的热冲击降到最小。气体预冷却管线工艺，包括用LNG填充管道和用闪蒸气对储罐进行第一次增压。这包括将流体从储罐后面通过顶部填充管线和输送管线连接起来，然后通过冷却旁通到气体回流管线并通过集气管到气体压缩机。
 
　　另一个经常发生的不稳定的状态是由于水击造成的。水击是由于流体的流速突然发生改变。改变流体的流速需要一个瞬时的流体压力。由于快速关闭或开启阀门或停泵将导致这些变化可能发生。就设计而言，需要对这些事件进行一个完整的冲击分析。
　　各种计算机程序可以在配管设计时计算水击的冲击力。对于减小压力波动，使其保持在管道安装允许的应力范围内，阀门关闭次数是一个重要的变量。因此，阀门的操作对于管道安全设计和运行产生重要的影响。
3.2 LNG气化
　　由于气化器操作自身潜在的危险，在火焰加热器里，易挥发的液体在高压下进行气化，所以应采取多种安全措施来防止这些潜在的危险。
　　通过可燃气体、火灾报警和ESD系统，也可通过燃气管线上的高温开关和所有外送泵失灵的信号来关闭所有运行的气化器。每一个气化器也有独立的关闭系统，由以下条件驱动：
　　-送风故障失灵
　　-烟道温度高
　　-出口温度低或高
　　-出口压力高
　　-燃气压力低
　　-烟道中的可燃气体
　　具备以上任何条件，气化器停车驱动系统将联锁，切断气化器的主燃气管线，并放空，关闭气化器的LNG进出口管线的切断阀。如果所有的气化器被停车，那么所有运行的LNG外送泵也被停车，并关闭人口阀。

4 储罐

　　目前应用的绝大多数LNG储罐可分为两类：单容积和全容积，两种储罐的结构如图3所示。
　　近年来，大部分LNG储罐设计成全容积式。单容积和全容积储罐都是双壁储罐，然而，在事故状态下，两种储罐容纳液体和气体的能力是不同的。
　　在单容积储罐设计中，外部储罐仅为容纳气体设计。在这种结构中，内部储罐的事故将导致外部储罐的事故。常规的内置储罐是用9％镍钢制造，而外置罐用碳钢制造。外置储罐的设计是用来隔离和容纳气体(不是液体)，因此这种结构需要两级容器。
　　全容积储罐的内置储罐与单容积储罐的设计是一样的，都是自立式9%镍钢罐。然而，周围的预应力混凝土罐是用来容纳气体和液体。常规的混凝土罐也有一个碳钢衬层，并有一个狭窄的9%镍钢衬板来保护底部边角免受热冲击。在内外罐之间用珍珠岩隔热材料填充。
4.1 储罐安全措施
　　LNG储罐具有很多安全设计特征，例如：
　　-储罐周围的混凝土墙能容纳全部或更多的LNG储罐存储量
　　-储罐的所有开口例如液体输入和输出管线以及仪表安装都穿过顶盖，也就是说，在预应力混凝土外壳和9％镍钢底部没有开口
　　-压力和动态变送器以及热电偶检测储罐的各个部分。任何不正常的运行状态都将被检测和报警-全厂运行联锁设计用来防止储罐不安全工作和过满以及超压
　　-压力控制阀和PSVs
4.2 翻滚
　　在LNG储存中，翻滚是一个主要的安全问题。通过进一步研究，该现象已被人们很好地认识，在储罐中它将引起大量的气体突然转变并导致罐结构破坏，因输送到储罐的LNG成分不同而导致的分层引起翻滚。由于热量损失，超过一个周期的时间，LNG的底层将变的特别热。当这个过饱和底层(由于静压头不会气化)因温度相同而突然升到顶部时，将会迅速产生大量的气体。
　　计算机模型已经发展到能够预测突变发生的时间、分层和气体释放率。然而，在突变时的气体释放率峰值很难精确预测。因此，为避免突变的发生，在设计时预防是必要的。
　　显然，要避免突变的一个方法是只卸到空罐里或通过分离等浓度液体。但此法将成倍增大储罐的投资，事实上这个选择已经受到限制。
　　使用的一些类似方法是把不同品质的LNG分开储存，使用人口喷射器促进LNG混合；通过泵将剩余部分进行再循环顶部进入浓度大的，底部进入浓度小的。
　　对于这些方法每一种都有其局限性，应根据项目的具体情况，经过仔细的思考后再做决定。

5 消防

　　一个完整的LNG供气站消防包括控制部分的设计和安装，将火灾可能性降到最小的逻辑联锁设计，快速探测和遏制火灾。其中的一些设计内容包括：
　　-火焰和可燃气体探测器以及自动隔离和停车联锁。
　　-服务于储罐和构筑物以及所有主要设备自动喷头和手动系统
　　-为防止安全停车失败，在整个装置上安装自动和手动切断阀来隔离火灾。
　　-在供气站消防中使用的两种单独的系统是：化学干粉消防系统和喷淋系统。
5.1 化学干粉灭火系统
　　有些独立的干粉灭火系统，在压缩氮气的推动下，固体碳酸氢钠用来保护供气站的重要区域。依靠这种设备，有五种激活方法：
　　-自动紫外线感应器
　　-自动伺服设备
　　-来自被保护装置或附近的就地气源
　　-化学干粉灭火器手动机械装置
　　-来自主控盘的远传气源
5.2 雨淋系统
　　海水被用作LNG供气站选定区域的消防水。水源通过一个带立式消防水泵的人口装置送到消防水环形管路系统。当压力低于60psig(0．4MPa表压)时，泵自动启动。喷淋系统则连到这个环路上。
　　从生活水系统中通过一个稳压泵来维持系统压力稳定在100psig(0．67MPa表压)。
　　雨淋阀由空气感温探头(HAD)控制安装在被保护建筑内的每一个系统。所有雨淋系统雨淋阀的控制气源由阀门附近存放的氮气钢瓶提供。
5.3 可燃气体检测系统
　　有两个可燃气体检测系统：在气化器里的碳氢化合物泄漏检测和大气中可燃气体检测。
　　每个气化器安装一个氧含量和燃烧分析仪，来取样、分析和记录烟道气体中氧和碳氢化合物的含量。
5.4 紫外线火灾探测系统
　　每个紫外线探测器都是一个单独系统，它能对碳氢化合物引发的火焰进行探测。该探测器暴露在阳光、白炽灯光、荧光或水银光、电或电弧焊以及闪电的照射下不会报警。暴露在碳氢化合物火焰的紫外线感应器自动激活相关联的化学干粉系统同时报警。
　　紫外线探测器被安装在如下火灾控制区：气化器区、外送泵区、码头以及罐区。
5.5 烟气检测
　　为控制火灾，感烟探测器安装在以下建筑内：控制室、电气室以及消防泵房。
　　露置在含烟气中的探测器自动激活以下设备：主控制盘上的可视火灾报警，全厂火灾警报器和着火部位的火灾信息。
　　此时，上面列出的建筑物的加热和通风系统将自动关闭。
5.6 消防水量
　　水不是用来扑灭火灾，而是用来保护暴露在外部火灾中的建筑物、储罐和设备的需要。
　　对于喷淋顶部和每一个建筑物的外墙的常规的水量为：
　　单位：加仑/分钟(升/分钟)
　　①压缩机房1000-1500(3785-5678)
　　②控制室625(2366)
　　③消防泵房400-600(1514-2271)
　　④主配电室200(757)
　　⑤公用建筑160(606)
　　除喷淋系统外，来自监控器和消防船的水也经常用来帮助控制火灾，主要是通过冷却相邻的设备和建筑物以防火势蔓延。

6 停车

　　各种可能的事件，如火灾信号，储罐压力高，储罐液位高或仪表风压低，都将启动紧急停车系统。整个过程是经过各种切断阀和放空来关闭受影响区域的设备和封锁将受影响的区域。当安装在码头上的任何一个紫外线探测器探测到火灾，人们在现场和控制室内将听到声音报警。卸车管线上的切断阀将自动关闭。如果是初次起动，为保证安全停车，原则上手动ESD按钮应设在装置上。
另外，在没有电源或气源的情况下，低温阀根据设计将关闭。每个阀门(除压缩机旁通阀外)也有一个保险连接激活开关，关闭火灾现场的阀门。

7 结论

　　LNG设施在全世界已经安全、可靠、环保运行了三十年，但是，设计出既安全又经济的LNG供气站仍是一项挑战。这是因为：
　　-LNG工业面临着降低成本的压力(但是，LNG设计的安全性仍不容忽视)
　　-LNG工业的成长将主要依赖对该工业很不熟悉或一无所知的市场环境
　　-新技术的发展，例如：在气化站设计中，将要克服能源综合利用所带来的新的安全问题
　　-作为一代有竞争力的环保能源，高效循环技术的发展(见1998/99冬季发表在PTQ《降低LNG供气站运行成本》一文)已经为LNG确立了一个适当的位置。由于电力快速增长的需要，太平洋周边国家的许多LNG工程正处于规划阶段，中国、印度和南美等地区市场的不断开放，更多更大的项目有望上马。这些项目中有不少将选址在人口密集的地方，因此安全问题更应引起高度重视。
　　这类项目的设计和施工需要有经验的工程建设队伍，他们必需熟知该类项目的安全问题。同时，他们不仅在LNG方面要有经验，而且在发电方面也是如此，从LNG供应到发电整个过程的设计，应该保证其安全性和完整性。