LNG供氣站安全設(shè)計原則

1、innovation is to create a resource.整合匯編簡單易用（頁眉可刪）lng供氣站安全設(shè)計原則 1944年美國俄亥俄州克利夫蘭市的一個調(diào)峰站的lng儲罐發(fā)生事故，時至今日，lng安全標準經(jīng)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

2、和高溫困境。10個小時后，火災(zāi)才得到控制。此次爆炸波及14個街區(qū)，財產(chǎn)損失巨大，其中有200輛轎車完全毀壞和136人喪生。事故調(diào)查小組沒有查明儲罐失事原因，追溯事故發(fā)生的一年前，在該罐交付使用期間，附近罐底產(chǎn)生了一道裂縫。人們沒有去調(diào)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(xiàn)在人們認識到，導(dǎo)致該罐失事的原因是內(nèi)罐上某處出現(xiàn)了裂縫，溢出的液體充滿了內(nèi)殼和外壁之間的空間，而且氣化后導(dǎo)致壓力過大。過去對密閉的空間的設(shè)計與現(xiàn)在不同，沒有采取泄壓措施。另外，過去用來制作內(nèi)罐的材料是3.5%鎳鋼，它不適宜低溫工作，現(xiàn)在通常改用9%鎳鋼。這起事故對液化天然氣工業(yè)是一個極大的挫折，20年之后，該

3、工業(yè)才得以恢復(fù)。在燃氣工業(yè)中斷的這些年頭，各種研究機構(gòu)和設(shè)備供應(yīng)商作進一步調(diào)查，并開發(fā)丁天然氣應(yīng)用技術(shù)、設(shè)備和材料，在這些領(lǐng)域所取得的重大進步，實際上部分應(yīng)歸功于使低溫工業(yè)受益非淺的美國空間計劃。這些研究成果現(xiàn)在已經(jīng)被世界上幾個正在運行的lng設(shè)施所證實，并創(chuàng)造了一個史無前例的長達30年的安全紀錄。影響設(shè)備和供氣站設(shè)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(yè)冒險中宣告失敗，為滿足調(diào)峰站的需要，燃氣工業(yè)轉(zhuǎn)向lpg。人們對克利夫蘭市災(zāi)難仍然記憶猶新，燃氣工業(yè)迅速制定了lpg設(shè)施標準。1948年出版了nfpa 5

4、9公用液化石油氣站，1957年出版了apl 2510海上和管道終端，天然氣凝縮油廠，提煉廠和罐區(qū)建造液化石油氣裝置的設(shè)計和施工。當時，盡管技術(shù)已有進步，人們進行了多年的認真研究，但是，lng設(shè)施設(shè)計標準的安全和技術(shù)性尚需進一步提高。六十年代初期，人們對lng重新產(chǎn)生興趣。由美國消防協(xié)會(nfpa)建議并起草了lng設(shè)施設(shè)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(shè)計、選址、施工和設(shè)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(chǎn)、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(xié)會

5、(nfpa)正式采納。一年后美國石油協(xié)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(shè)計和施工。同年美國石油協(xié)會又采納了附錄qapl620大型焊接液化天然氣低壓儲罐設(shè)計和施工的推薦標準，其中論述的低溫應(yīng)用的設(shè)計和選材。六十年代后期，由于lng工業(yè)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(guī)范不是本文的目的，不過這里仍要提到在nfpa59a中，影響lng供氣站安全設(shè)計的一些關(guān)鍵因素：-站場防止

6、lng溢出和泄漏的措施-海上運輸和接收的要求-攔截區(qū)的要求-儲罐防護堤的要求-儲罐、氣化器和工藝設(shè)備的間距-材質(zhì)，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(shè)備-消防，叫燃氣體檢測和火災(zāi)探測器-esd(緊急停工)系統(tǒng)lng供氣站的安全原則是預(yù)防、檢測和控制。預(yù)防是指要密切注視劉沒施安全運行所必需的設(shè)計特性。在工程設(shè)計階段，些設(shè)計上具能夠發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患扦提出保證安全的相應(yīng)措施。它們包括：初步危險分析(pha)，工作危險性分析(hazop)、風險定量評估(qra)、氣體擴散研究和突變分析。假如發(fā)生事故，早期檢訓(xùn)和響應(yīng)能將使安傘隱患減全最小。各種探測器應(yīng)被合理地安裝在整個供氣站

7、內(nèi)，用來檢測火災(zāi)和i。ng泄漏事故。 其中包括碼頭卸船區(qū)，儲罐防護堤內(nèi)和防護堤附近的卸車管線等位置。這些地力任何一處發(fā)生泄漏。在控制室內(nèi)都會發(fā)山聲音報警。將氣體和感煙探測器安裝在建筑物內(nèi)，從控制室的閉路電視上可以對全廠進行監(jiān)控。自卸車平臺的管道、碼頭和陸上的管道系統(tǒng)發(fā)生lln(；泄漏，可以收集起來送至管網(wǎng)下面的混凝土集液溝內(nèi)。一般來講，該液溝是通向位于海岸又工近碼頭的集液池內(nèi)。lng管網(wǎng)和裝置周圍的集液溝能夠容納10分鐘內(nèi)的管道最大泄漏量。1.1 初步危險分析(pha)，工作危險性分析(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(shè)計和設(shè)備布置的前期，

8、用來預(yù)測這些潛在危險對工作人員、公眾，工廠設(shè)施和環(huán)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(shè)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(shù)主要有兩個優(yōu)點：它能夠鑒別出潛在的危險，并用最小的投資和措施來預(yù)防危險；它能夠幫助設(shè)計小組明確或拓展用于整個工廠生產(chǎn)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(fā)

9、生管束破裂-由于超壓導(dǎo)致罐或容器破裂/毀壞-閥門和psvs(壓力安全閥)發(fā)斗堵塞-泵或壓縮機密封泄漏/失效-停電或儀器失靈2 平面布置典型的lng供氣站平面布置如圖1所示，圖中標出了儲罐，運輸船的泊位，主要設(shè)備和建筑物的位置。為了確定能保護邊界線以外的人身和財產(chǎn)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(qū)附近的供氣站成為重要。發(fā)生lng泄漏事故的十要危險是火災(zāi)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(chǎn)生的氣體與空氣混合時被帶到下風側(cè)。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(chǎn)的影響，nfpa59a已經(jīng)

10、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(fā)到邊界線以外的可能性降到最低。現(xiàn)在各種計算機程序能夠模擬lng儲存設(shè)施周圍的火災(zāi)輻射和氣體擴散危險?？扇細怏w研究機構(gòu)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(lián)網(wǎng)下載。degadis能預(yù)測在溢流事故中氣體擴散的距離。而lngfire能計算lng儲存設(shè)施火災(zāi)輻射距離，采用的方法是建立在公共的可獲得數(shù)據(jù)和lng火災(zāi)經(jīng)驗介紹的基礎(chǔ)上。這兩個程序發(fā)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(-

11、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(qū)域規(guī)劃成果的一個關(guān)鍵部分。3 控制方式圖2是一個典型的lng供氣站控制方案。根據(jù)每個項目的特定要求、工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(shè)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(xiàn)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，但是為了安全工作，針對以下

12、日常有潛在危險的工序卸車和氣化，進行了詳盡設(shè)計。3.1 lng卸車 在日常工作中，各種不穩(wěn)定狀態(tài)時有發(fā)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(dǎo)致兩種結(jié)果：急冷和水擊。不僅對于初次啟動，而且在每次卸車工作時，發(fā)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(fā)表之前，在1998/99年冬季ptq上發(fā)表的降低lng供氣站運行成本一文中對回流管線已作介紹，見圖3和圖4)。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(jié)果是撓曲現(xiàn)象。它是由于在管道的頂部和底部形成溫度梯度，導(dǎo)致管道在支架間撓曲，由于應(yīng)力高，撓曲現(xiàn)象可以導(dǎo)致事故。在卸車前

13、可以通過正確的冷卻工藝來避免這個現(xiàn)象的發(fā)生。如圖2所示的供氣站設(shè)計，通過冷氣對輸送管線進行預(yù)冷卻，可以將對管線的熱沖擊降到最小。氣體預(yù)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。一個經(jīng)常發(fā)生的不穩(wěn)定的狀態(tài)是由于水擊造成的。水擊是由于流體的流速突然發(fā)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(guān)閉或開啟閥門或停泵將導(dǎo)致這些變化可能發(fā)生。就設(shè)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(shè)計時計算水擊的沖擊力。對于減小壓力波動，使

14、其保持在管道安裝允許的應(yīng)力范圍內(nèi)，閥門關(guān)閉次數(shù)是一個重要的變量。因此，閥門的工作對于管道安全設(shè)計和運行產(chǎn)生重要的影響。3.2 lng氣化由于氣化器工作自身潛在的危險，在火焰加熱器里，易揮發(fā)的液體在高壓下進行氣化，所以應(yīng)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(zāi)報警和esd系統(tǒng)，也可通過燃氣管線上的高溫開關(guān)和所有外送泵失靈的信號來關(guān)閉所有運行的氣化器。每一個氣化器也有獨立的關(guān)閉系統(tǒng)，由以下條件驅(qū)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(qū)動系統(tǒng)將聯(lián)鎖，切斷氣化器的主燃氣管線，并放空，關(guān)閉氣化器的lng進出口管

15、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(guān)閉人口閥。4 儲罐目前應(yīng)用的絕大多數(shù)lng儲罐可分為兩類：單容積和全容積，兩種儲罐的結(jié)構(gòu)如圖3所示。近年來，大部分lng儲罐設(shè)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(tài)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(shè)計中，外部儲罐僅為容納氣體設(shè)計。在這種結(jié)構(gòu)中，內(nèi)部儲罐的事故將導(dǎo)致外部儲罐的事故。常規(guī)的內(nèi)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(shè)計是用來隔離和容納氣體(不是液體)，因此這種結(jié)構(gòu)需要兩級容器。全容積儲罐的內(nèi)置儲罐與單容積儲罐的設(shè)計是一樣的，都是自立式9%鎳鋼罐。然而，周圍的預(yù)應(yīng)力混凝土罐是用來容納氣體和液體。常規(guī)的混凝土罐也有一個碳