液化天然气的防火保护.doc

液化天然气的防火保护液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)的蒸气与空气形成的混合气体非常容易起火燃烧，如果防火堤内的大型液化气储罐发生意外泄漏，就会导致一场十分危险的火灾。控制这种危险最常用的方法是用高倍数泡沫系统。液化天然气和液化石油气在常温常压下是气体，平时储存在极低的温度下，例如液化天然气储存在-164C左右，液态比气态的体积要小，很显然，这会使生产、储存、运输和销售更容易，更经济。 1 火灾危险性 液化天然气由8399的甲烷组成，甲烷一旦起火立即产生大量的热辐射(93000kcalm2h)，通常是等量汽油发热量的两倍。然而和汽油不同的是，液化天然气从液态变化到气态，体积要膨胀大约600倍。液化天然气一旦发生泄漏就会立即沸腾而气化，在气化过程中从周围环境(地面、水泥构件、管道系统，甚至空气)中吸收热量。开始液化天然气比空气重，随着时间的推移，逐渐地吸收热量，它与周围环境温度渐渐接近，液化天然气就变得比空气轻了。在这个“比空气轻”的状态下，蒸发气体随气流或风力漂移到其他地方，会在非常低的浓度(一般是体积的515)下起火爆炸。因此，蒸气云的边缘很容易遇到火源起火爆炸，并且会迅速向蒸发的液池回火燃烧，如果对这种泄漏不采取正确的保护措施，储罐及其周围设施就会因热辐射遭受严重破坏。液化石油气由丙烷和丁烷组成，它比液化天然气的沸点高。丙烷的沸点是-42.5(在一个大气压下)，而丁烷沸点是0.5，因此液化石油气不象液化天然气那样迅速气化。在气体状态下，液化石油气总是比空气重，沉在地面。一旦蒸发成气体，就有可能向地势较低的地方流动，充满洞穴、地下室、地下管道等地方。液化石油气燃烧时产生的辐射热与液化天然气的差不多，其爆炸极限按体积计算一般是29，因此同样，液化石油气气体沿地面流动时，其蒸气云的边缘遇到点火源时会首先起火燃烧，这有可能发生在距离泄漏点几百米远的地方。2 防护方法控制液化天然气或液化石油气泄漏有两种方法：21 被动防护 首先，储罐及其周围用于容纳泄漏气体的防火堤区域的设计是一个重要的被动防护方法。高的防火堤可以控制泄漏和扩散，使液化天然气保持在相对安全的较高浓度。高防火堤内还可用矮墙或斜坡再次划分成小的区域，这些矮墙、斜坡形成较深的沟槽，有助于减少液化天然气蒸发的表面积。如果防火堤较矮，就需要增加水幕系统，以减少辐射热对周围储罐及设施的影响。 我们经常把部分埋在地面下的储罐称为“地下罐”，它的周围有防护矮墙，可使高倍泡沫喷射到罐顶，降低罐顶的辐射热，也可以安装水喷雾系统来进一步减少辐射热对相邻建筑的影响。 液化石油气大多数存放在建于地面上的圆形或圆柱形储罐内。它也可用防火堤来容纳泄漏气体，但主要使用水喷雾系统来主动降低储罐温度，保持罐体的完整性，减少沸液蒸气爆炸的危险。实际上把储罐埋在地下更能减少这种危险，还能避免阳光直射，也更加美观。 22 主动防护 液化天然气的主动防护系统必须按照蒸气驱散或者灭火控制两种方法之一来设计： 221 蒸气驱散法 蒸气驱散法是用高倍数泡沫系统有效地向上驱散液化天然气泄漏出的气体，降低地面可燃气体浓度，一定程度上减少了起火爆炸的危险性。然而我们必须知道，如果有点火源引起可燃气体起火燃烧，那么用这套系统扑灭火灾是远远不够的。 222 灭火控制法 如果泄漏的液化石油气起火燃烧，就应该用高倍数泡沫系统进行灭火，防止演变成更大的灾难，人们用一种叫高倍数泡沫覆盖层的方法灭火，在灭火的同时还能降低热流对周围建筑的影响。 显然，选择适合的战术方法是至关重要的。选择时人们考虑的一个重要因素是这两套系统各自的总造价，因为每套系统的释放率、动作时间和需要保护的设施的数量都很不相同。 然而，对于液化石油气来说，由于其蒸气总是比空气重，不能使用高倍数泡沫向上驱散，因此只能采用泡沫灭火系统在防火堤内进行灭火。设计时首先要考虑选择合适的探测系统，必须能够迅速探测到泄漏气体，探测系统连接到一套快速报警装置，通知所有工作人员及事故处理人员发生了气体泄漏。如果泄漏区域发生火灾，这套系统还必须能够探测到火情。在设计中，无论采用哪一种方法，保护系统的动作时间是非常重要的考虑因素。 3 执行标准有关的国际标准如美国消防协会(NFPA)1lA的规定(1994年)和英国标准学会的BS5306条第62部分(1989)都建议采用高倍数泡沫系统保护液化天然气及周边地区，但是对使用该系统扑救液化石油气火灾提出警告，有失败的可能。这样做的结果是，比空气重的可燃气体从泡沫覆盖层下面慢慢逸出，重新形成危险的蒸气云，有可能再次起火燃烧。基于这种低温液体的复杂性，各国标准既没有提供一个明确的释放率(测量每分钟释放到危险区域的泡沫量的数据)也没有规定喷射时间。美国消防协会1lA(1994)中建议释放率应根据实验确定，因此，可以在分析实验数据的基础上确定最短喷射时间，在这个时间内采取有效措施减少热辐射。这需要增加计算初期蒸发率和分析危险气体的组成成分等数据。系统设计时采用的数据应根据喷射点的具体位置分析确定，因为灭火时最先动作时间非常重要，分析时还应考虑热辐射对邻近建筑及设施的影响。 4 实验数据多年大量的实验证明，高倍泡沫系统对扑救液化天然气火灾是有效的，但是对扑救液化石油气火灾则缺乏实验数据。大多数实验表明，无论是使用蒸气驱散法还是灭火控制法，发泡倍数为500：1的泡沫(每一份泡沫原液加入500份空气形成的大气泡)比其他倍数的泡沫有明显优势。因此世界上大多数的天然气液化设备，生产车间及储存库都用发泡倍数为500：1的高倍泡沫系统。有人实验用150300：1的泡沫系统进行灭火控制，结果显示该倍数的泡沫系统能增加穿透火焰的深度，但是泡沫液的消耗率增加，费用增加，且泡沫流淌在泄漏液体表面上的速度较慢。据说这种300：1倍数的泡沫常常用于非低温储存的液化石油气的火灾扑救。 在这些高倍泡沫系统实验中，泡沫释放率的不同造成火焰强度下降幅度、热通量减少率、泡沫覆盖层的控火时间都有很大不同。 所以，由于泡沫性能受很多因素影响，各个厂家生产的泡沫液和泡沫发生器都可能有明显不同。 总的来说，影响高倍数泡沫系统灭火效果的因素很复杂，也是相互关联的，这些因素主要有： 。液化天然气或液化石油气的泄漏量 。释放率 。发泡倍数 。泡沫原液(配方不同产品的性能也不同) 。泡沫吸人率(精确的比例是连续产生泡沫的关键) 。泡沫发生器(不同的技术产生的泡沫量有很大不同) 。泡沫泡的稳定性(大小，均匀性，保水能力) 。泡沫覆盖层的厚度 。操作系统的速度 。常年主导风向此外，消防系统设计人员或这种特殊设备的管理部门还应当考虑安全因素。在选择适当的高倍数泡沫系统时，一定要认真考虑这些复杂情况。 5 泡沫是如何工作的 51 灭火控制在发生泄漏事故时，液化天然气蒸发所形成的气体，其温度接近于液体自身的温度(-164)。由于蒸气比空气重，便形成大片冷气团悬浮在泄漏部位上方，如果不采取果断措施，冷气团会随着空气流动沿地面向四处扩散，浓度逐渐降低而成为易燃性的。在冷气团 的边缘，天然气与空气充分混合，浓度达到54，一旦遇到点火源就会起火，火焰向液体储罐方向蔓延。如果液化天然气的蒸气被引燃，会产生强烈的辐射热，其危险程度取决于火灾距周围的建筑物和现场工作人员有多远，以及当时的气象条件。在大多数情况下，火灾周围的建筑物是有危险的。即使当时气象条件较好，任何一点微风也会使下风向的辐射热急剧增加， 因此必须采取保护措施。用高倍数泡沫灭火的机理相当复杂。主要是要迅速形成泡沫覆盖层，以减少火焰向泄漏形成的液池传递热能，使初始蒸发率减缓到一个相对稳定的状态。发泡倍数为500倍的高倍数泡沫能在较短的时间内控制液化天然气泄漏火灾。尽管液化天然气液池燃烧产生大量的热辐射，高倍数泡沫覆盖层还是会在泡沫和液体分界面处迅速冻结，只是这个冰层很轻，能漂浮在液体表面上；同时它也很结实，足以承受厚达几英尺的泡沫而不会破裂或下沉。在靠近这个分界面处会形成若干“冰管”，沸腾的低温蒸气便通过这些冰管穿过泡沫覆盖层向外扩散。迅速喷射泡沫能急剧降低热辐射量，待到泡沫不能抗烧而复燃时，便再次喷射泡沫。如此反复喷射泡沫，直到液池内的液化天然气完全蒸发掉，气体浓度恢复到正常状态，便可宣告事故处理结束。高倍泡沫系统对液化石油气火灾同样有提高其温度，加速蒸发的作用。通过有控制的燃烧，可使热通量减少70。泡沫覆盖层内的湿气、易燃蒸气与空气预混后，提高了燃烧效率，形成洁净的较短火焰。为了达到这种理想状况，使用的泡沫应该具有最佳的稳定性，其25的析水时间应超过15分钟。就像液化天然气一样，在液化石油气表面的分界面上，泡沫形成一层密度较低的“冰壳”。但是，扑救液化石油气特别重要的一点是要避免完全熄灭火焰，否则，比空气沉的气体会从泡沫层的下面流淌出来，流向洞穴或地下室，形成蒸气云，其毒性对人员生命安全造成威胁，也有突然起火、爆炸的危险。在危险区域周围布置水喷雾系统，其强大的水流可以使比空气重的蒸气与空气快速搅混，将蒸气云的浓度稀释到燃烧下限之下，可以起辅助灭火作用。现在一些液化天然气经营者也逐渐倾向于选择使用泡沫来进行灭火控制，而不是用干粉将火焰完全扑灭，这样可 以避免易燃蒸气向下风向漂移、积累而导致再度被引燃的危险。当发生大面积液化天然气泄漏火灾时，需要保护受严重辐射的设施时，用高倍泡沫系统比传统的水喷雾灭火系统要省一大笔费用。例如水幕系统，即使水流速度相当高，压力足够大，但它在减少热气流、热辐射方面也比高倍泡沫系统的效果差远了。在初次安装时 基础费用占很大部分，而高倍泡沫系统所需的流速和泵的功率是很低的。泡沫系统的操作系统费用要高一些，但一旦启动，其效率是非常高的。 52 蒸气驱散一些人认为如果发生火灾就会大难临头，他们所在的建筑结构会倒塌，设备会毁坏，不管采取多快的行动都没用。事实上，不是所有的液化天然气刚一泄漏就会起火燃烧的，很多情况下，高倍数泡沫系统能有效地驱散可燃气体，使其不至于很快达到起火爆炸的危险。因此，一旦发生危险，迅速启用高倍数泡沫系统，用大量泡沫覆盖液化天然气储罐四周的防火堤区域，把可燃气体起火的危险降到最低。泡沫层覆盖在低温液体表面上，它含有大量水分。当液化天然气的蒸气穿过泡沫层时吸收热量而产生浮力作用。它既可使临近地面的易燃液体减少向下移动，又使液化石油蒸气向上扩散，在大气中维持在一个较安全的水平上。高倍数泡沫不能驱散液化石油气的蒸气，因为石油气比空气重。一个比较有效的办法是用300500倍的高倍数泡沫来覆盖泄漏的液化石油气，进行有控制的燃烧，将其燃烧殆尽。 6 最新研究成果目前，安格斯消防公司在液化天然气和液化石油气防火保护方面是领先的。他们生产的FT高倍泡沫系统是专门用于扑救液体火灾的，现在已经应用于世界各国的液化天然气和液化石油气设施中，如澳大利亚、印度尼西亚、阿尔及利亚、卡塔尔、英国等国家。其中最大的一个项目是与阿尔及利亚国家油气公司Sonatrach公司签定的价值3百万英镑的承包合同，为其提供高性能的FT高倍泡沫系统。Sonatrach公司是世界上最大的液化天然气供应商，这套系统安装在阿祖尔液化工厂里，它完全符合NFPA llA的规定以及休斯敦MW科洛公司制订的技术要求细则，科洛公司是Sonatrach公司为提高自身设备水平选定的工程承包商。为使高倍泡沫系统效果更好，500倍的泡沫发生器必须安装在防火堤的边缘或者是控制井的边缘，这样任何部位发生液化天然气泄漏都能很快用泡沫覆盖。这种泡沫发生器不能安装在离防火堤很远的地方，因为这样可能会延误泡沫传输时间，也会降低灭火时泡沫的效能，加快进入泄漏液池中泡沫的析水时间，增加泡沫的蒸发率。虽然已经针对不同需求研究出一种新的300倍的液化石油气FT系统，液化石油气也多少存在同样的问题。即使泄漏的液化天然气没有起火，危险依然存在。一旦发生火灾立刻产生强烈的辐射热，普通的工业用高倍泡沫发生器在这种特殊的低温条件下根本不管用。因为它通常由低碳钢、铝或塑料等材料组成，在热辐射作用下会变形或者融化，根本不能发挥应有的作用。以往的经验表明，简单的空气吸入式或网状喷射式泡沫发生器很容易因为风向的轻微改变或上升气流对进气口的影响，产生进气不足的现象，即每分钟吸入的空气量相差很多。进气量不断变化而泡沫溶液的流动不变，就会对泡沫层的发泡倍数产生很大影响，使泡沫使用效率极低。为了解决这个问题，需要用水力涡轮和特殊的轴流风机，让均量的气流进入高倍泡沫发生器，把风向和上升气流的影响降到最低点，使发泡倍数稳定。而且不能使用电源，以免引燃可燃气体。设计外形像蚕茧形的FT泡沫发生器具有独创性，它确保稳定的粘浆状泡沫层和倍数一致的泡沫，达到最佳灭火性能。比简单的空气吸人式泡沫发生器经济可靠，也比较有效。为了经得起液化天然气泄漏火灾的热辐射，在设计生产适合的泡沫发生器时要有一些特殊考虑。任何液化石油气泡沫发生器都需要通过NFPA 11A规定的严格的热辐射实验，它要求发生器直接暴露在燃烧着的正庚烷火焰中达5分钟，还能接着正常使用。试验中火焰强度与液化天然气的辐射强度相差无几。安格斯公司最新研制的FT泡沫发生器特别注意到了这些因素。该公司研制的一种由高级不锈钢和青铜制的500倍泡沫发生器通过了NFPA 11A规定的热辐射实验，在经受住了1000C的高温考验后还能正常使用。发泡倍数为300倍的泡沫发生器也同样通过了试验。要想提高泡沫比例混合系统的动作速度，需要把泡沫液和水均匀混合起来，需要一套复杂的泡沫连接系统及远程控制系统，安格斯公司已设计并