LNG装置安全设计及消防技术探讨.doc

LNG装置安全设计及消防技术探讨1. 问题的提出1.1安全的重要性及系统安全的思想LNG装置物料的低温深冷特性、易燃易爆特性、工艺操作条件的苛刻性，决定了它的安全重要性。由于我国LNG技术和产业发展历史较短，人们对天然气的易燃易爆特性有所认识，对LNG介质低温深冷特性以及事故后果的严重性似乎认识不足。随着LNG产业的大规模发展，探讨LNG装置安全是一件十分必要和紧迫的大事。关于“安全”，美国安全工程师协会（ASSE）给出的定义是：安全意味着可以容忍的风险程度。“安全”是相对“风险”而言，世界上没有绝对安全的事物，关注风险就是关注安全，系统安全是指系统生命周期内可以容忍的风险程度。1.2安全设计是系统安全的基础 一个系统运行的风险最小，或者说系统达到最佳的安全状态，在很大程度上取决于系统的安全设计，安全设计是系统安全的基础。 安全设计即是分析系统中人的不安全行为、物（物料和装置）的不安全状态、环境的不安全表现所带来的危险性以及消除这些危险所采取的安全措施，将系统的安全置于系统的设计阶段。系统的安全设计基于系统生命周期中安全的两个方面。（1）本质化安全：本质化安全是系统安全的根本保证，从系统总成或组件的构思开始就融入安全设计的思想，一是保证系统在正常运行条件下本身是安全的，也就是系统在其生命周期内不依赖保护设备也能安全运行；二是系统的故障安全，当系统偏离正常的操作条件或控制系统失效时，系统能保持稳定或停止在安全的状态下。（2）工程化安全：工程化安全是对本质化安全的补充，其主导思想是依靠工程安全设施作为后备保护，加强系统在生命周期内的安全性。2.LNG装置危险性分析2.1物（物料和装置）的不安全状态（1）物料的危险性 1）低温过冷危险性LNG的储存温度为-162，发生泄漏后的射流或冷蒸汽云，会使所接触的一些材料变脆、易碎，或者产生冷收缩。特别是对LNG储罐可能会引起外观脆裂或变形，导致真空失效绝热破坏，引发储罐热膨胀事故。过冷液体或气体都会对人体产生低温灼烧、冻伤等危害。发生泄漏事故时，由于事故点温度过低，抢险人员不易靠近泄漏部位，增加施救难度，延误施救时间。2）LNG泄漏的特征溢出性泄漏时，由于LNG液体粘度小、流动性强，泄漏的液体或者流淌火灾会四处流散、蔓延，流经过的地面、防火堤、设备基础等因冷冻而强度大大降低，甚至发生坍塌事故；射流性泄漏时，由于液体带压而喷射距离较远，喷射火焰不易扑救；快速相变形成冷蒸汽云团，云团被空气加热至温度高于-107比空气轻，迅速扩散。（2）装置的危险性1）热膨胀和热蒸发带来的装置超压爆裂；2）LNG储罐的危险性：超装超压爆裂；3）净化不彻底致使换热器堵塞或腐蚀；4）管道振动的危害性：压缩机出口的振动，节流膨胀引起的振动，管道中水击现象引起的振动。5）输送物料时管道产生的静电危害。2.2人的不安全行为（1）运行时的误操作1)LNG储罐液位超限：进液时由于液位仪表的失灵或认为误读，使储罐超装。2)操作程序有误：操作程序有误时，可能导致系统无法正常运行甚至发生事故。（2） 事故状态的误操作1)处理泄漏事故时未切断储罐根部阀，导致事故范围扩大。2)发生泄漏时未切断电源、火源，导致火灾或爆炸事故发生。2.3环境的不安全表现（1）正常操作环境 1)冷蒸汽云的危害：装车时，由于软管法兰经常摩擦，密封不严，有可能产生微量泄漏。软管卸下时有微量气体泄漏，装车区有可能形成冷蒸汽云，冷蒸汽云对操作人员造成冷麻醉伤害。冷蒸汽云与空气中的水分形成云雾，使作业区域可视性差。 2)强噪音：压缩机、大功率低温泵的强噪音，管道中节流引起的强噪音使操作工听力及身心受损，从而影响工作质量，引发其他事故。（2）事故环境：事故环境下的危险性如2.2（2）事故状态的误操作所描述。（3）自然环境： 1）雷电：雷电灾害引起以下三方面的效应： a.热效应：强大的雷电流在瞬间转换成热能，造成金属熔化飞溅。雷电的放电火花或瞬时高温引燃泄漏的天然气； b.机械效应：热效应也可导致储罐内的液体剧烈蒸发，蒸发气体膨胀的机械作用可使容器爆裂；c.电磁效应：雷电感应的过电压可毁坏用电设备；脉冲电磁辐射会毁掉微电子技术的设备如信息系统等，值得注意的是脉冲电磁辐射作用在三维空间，不是单一的采用设备接地方法能解决的。2）地震：地震力可使LNG储罐基础坍塌，管带断裂，引发泄漏事故。3)风压力和雪压力：风压力和雪压力可对建筑物或设备造成破坏，如LNG储罐、压缩机房等。3.LNG装置安全设计的原则3.1本质化安全和工程化安全的原则（1）本质化安全原则：即自我约束，自我控制安全。如工艺过程中设计的自动纠错系统、联锁系统、安全泄漏系统等措施不以发生热膨胀，不发生泄漏事故，不产生火源为目标；(2)工程化安全原则:完善的后备安全设计及消防措施，对可能发生的事故（包括人为事故和环境事故）设置安全措施，事故发生时采取合适得当的抢险安全措施及消防技术。3.2关注操作者行为和工作程序的原则（1）注重操作者行为，“静”“动”相结合的原则静态的组航至设计和动态的操作者行为相结合，设置联锁防止误操作。（2）注重工作程序的原则设置完善的工作程序，是工艺流程有条不紊的进行，当操作者的不当操作域程序相背或者物料参数发生变化时，能报警提示或锁定程序，使系统停止在安全状态。3.3一指化、简单化的设计原则（1）所谓“一指化”就是在设定功能目标后，一“键”按下去就能使得流程按顺序正确运行。（2）所谓“简单化”就是流程的设计勿复杂化，简单意味着组成系统的设备少、单元少，系统简单、容易操作、容易判断故障、处理事故。3.4关注重点部位的原则以LNG储罐和拦蓄区为安全设计的重心，以防止灾难性泄漏和事故为第一目标，下列设计措施应予以重视：（1） 容器本体和根部设计切断阀；（2） 储罐区、装卸区设计、集液池及拦蓄区；（3） 无耐低温建筑材料下的储罐基础及防火堤设计，储罐底部设计测温元体，混凝土基础设置自然通风，管口法兰、阀门、焊缝尽量离开基础，防止这些易泄漏部位泄漏后冻坏基础；防火堤的培土设计：防火堤可采用混凝土中间加培土。4.LNG装置安全设计探讨4.1场地安全时装置安全的最后一道屏障（1）LNG站场（厂）的场地的标高一定要低于周边地区，防止泄漏后的大量LNG流入到周边区域，如水域、道路、周边企业等，引发更大事故；（2）尽量地利用自然地形，去哪定泄漏的LNG ;（3）阶梯式布置时，LNG储罐区在高处布置时，储罐区防火堤外局部区域标高要低于周边，形成低洼，并有防止LNG从高处向低处流淌的措施。（4）切断站场（厂）与外部管道、管沟联系，为了防止泄露的LNG窜入市政或外部管道，LNG站场（厂）的排水系统必须进过一段明渠或者敞口水池再到外部，LNG储蓄拦蓄区必须设置检漏报警装置。4.2远程（人工）切断系统是自动切断的后备保护不能完全依赖DCS系统和ESD系统，自控系统在事故状态下可能失灵，人工切断时自动切断系统的后备保护，切断点应是：1） 储罐根部阀；2） 装（卸）处的槽车进出管路；3） 原料气的进口因发生泄漏或火灾时，低温环境或LNG蒸汽扩散或火焰使人不能到达或靠近事故点。人工切断系统应远程操作。4.3水在LNG事故中的作用及水幕系统的设置（1）水在LNG事故中的作用，水不能扑灭LNG火灾，也有可能加速LNG气化，不发生火灾时尽量不用水，水的作用是：泄漏但未发生火灾时：雾状水枪的驱赶作用，将LNG蒸汽向相对安全的方向驱赶；抢险需关闭阀门是提升温度，是抢险人员易接近事故点；水可以中和或导走静电；微量泄漏时加速气化，以利扩散；提升温度，防止冻坏常温设备。 发生火灾时：给着火罐或相邻罐喷淋降温，冷却储罐，防止储罐热膨胀；喷淋的水帘隔绝火焰直接烘烤，降低或炎热辐射强度；域熊熊燃烧的大伙谁加速气化的作用不大。（2）水幕系统的设置 EN1473液化天然气设备与安装 陆上装置设计要求设置水幕系统，即在储罐区周边、装置区周边一定距离设计架空的水幕系统，其作用是在对LNG蒸汽围堵，阻止蒸汽扩散，防止事故扩大化。4.4冷剂压缩机厂房的安全设计（1）混合冷剂泄漏后，比重小的组分上浮，比重大的祖分可能下沉，然后随着空气加热再上浮到厂房顶部，故应设置低式和高式并举的可燃气体泄漏报警装置。（2）自然通风和机械通风结合的原则，要以自然通风为重，下进冷风，上出热风。4.5大型储罐选择原则（1）地面式储罐尽量采用全容式储罐，全容式储罐能有效防止LNG溢出或泄漏事故。（2）借鉴日本、韩国，台湾建设LNG码头接收站经验，采用地面式LNG储罐，地埋式储罐安全性好、方便观察、方便操作、方便抢险、节约用地。（3）采用坑式储罐，能有效拦蓄泄漏后的LNG扩散。5LNG装置消防技术探讨5.1消防车辆应远距离作战 GB50183第5.3.2条规定“储罐组消防车道与防火堤的外坡脚线之间的距离不小于3m，储罐中心与最近的消防车道之间的距离不应大于80m”；防火堤是收集泄漏的LNG的场所，是施救对象，但LNG蒸汽扩散范围大，遇风力加速扩散，3m的消防施救距离太小；大型储罐如16万m3的LNG储罐直径80m，高度42m，消防车道离储罐中心不大于80m,意味着可以小于80m。消防车辆太近了，自身安全无法保证，无法扑救火灾，切消防车辆可能是下一个点火源。规范应该同时规定不应小于多少米。5.2高倍数泡沫灭火系统不适用 GB50183第10.4.6规定“液化天然气站场应配有移动式高倍数泡沫灭火系统，或者固定式高倍数泡沫灭火系统。”液化天然气泄漏后必然要与空气换热气化，换热过程一定形成气流，加上自然风力的作用，高倍数泡沫可能随风飘浮，不能覆盖LNG表面，起不到隔离空气的作用，建议采用中倍数或低倍数泡沫系统。5.3遥控消防水炮的设计 LNG站场（厂）一般消防给水系统设计有消火栓、带架水枪，这些设备均是近距离人工操作，离事故近危险性大，且由于给水系统压力高达0.6MPa左右不易操作；LNG码头接收站一般设置遥控的消防水炮，远程遥控操作，值得LNG工厂及城市LNG调峰储配站借鉴。5.4泄漏后的稳定燃烧 在LNG泄漏后的事故处理中，我国规范或企业抢险预案，一般很忌讳提到火。在LNG周边居民疏散后，将泄漏的LNG用发火枪远距离点火，使其稳定燃烧也是一种抢险或消防的合适选择。5.5泄漏未爆炸（燃烧）的露天通风设计 某一LNG工厂操着装满未离开时，根部阀泄漏，导致50m3LNG泄漏，但是在远距离使用消防水稀释，即是疏散周边居民后成功抢险，始终未发生火灾，未伤亡任何人员，是国内LNG泄漏事故中最成功的案例。抢险过程中，企业负责人的感慨的当天无风，聚集的LNG蒸汽约10多个小时不散，若有一鼓风设备更利于抢险。我国现行闺房注重于水、泡沫、干粉等灭火设备，通过这次事故也可以探讨设置朝向天空的武装消防水炮或者朝向天空的鼓风设备，使LNG蒸汽向上或向无人烟的方向加速扩散。6.我国LNG工程建设标准的建标概况6.1天然气液化工厂设计规范主管部门：住建部主编部门：住建部主编单位：陕西