LNG泄露危害及其水幕紧急处理

LNG泄露危害及其紧急处理摘 要：随着大型LNG液化装置效率的提高和耐低温材料的研制突破，LNG产业在世界范围内得到了快速的发展。然而，LNG泄漏很难避免，相关危害事件时有发生。目前，喷射水幕被广泛认为是最有效且最具前景应用的控制和降低LNG泄露危害的技术。本文对LNG泄露危害和紧急处理做了简单介绍。关键词：LNG；泄漏检测；重气云；水幕；机械作用Abstract：Key words：Liquefied Natural Gas；spillage detection；heavy gas cloud；water curtain；mechanical effects 1引 言 为了便于天然气的储存于运输，可以采用常压降温到-162使其液化，液化后体积为原体积的1/600，大大降低了占用的体积。天然气液化装置一般由天然气预处理流程、液化流程、储存系统、控制系统以及消防系统等组成。现在常用的液化流程有阶式液化流程、混合冷剂液化流程、丙烷预冷混合制冷剂液化流程以及带膨胀机液化流程。 常温下天然气的分子量远比空气小，但由于以低于大气压的沸点温度储存，一旦泄露接触周围暖空气是迅速闪蒸，形成了夹带液滴的混合蒸汽云团。使得蒸气密度高于空气密度，造成重气效应。2 LNG泄露2.1 LNG泄露的特征2.1.1 LNG蒸汽云团 LNG泄漏到地面后，最初会猛烈沸腾蒸发，其蒸发的速率迅速衰减至一个固定值，蒸发气沿地面形成一个层流，从环境中吸收热量，逐渐上升扩散，同时将周围的空气冷却至零点以下，形成一个可见的云团，我们称这种可见云团为重气云，由于重力的存在，使其扩散过程与非重气云的扩散过程存在本质的区别，重气云的扩散是一个十分复杂的过程，这种扩散与大气稳定度、空气的相对湿度、地表粗糙度有着密切的关系。正是这种重气效应的存在，使得云团不易稀释和扩散，增加了燃烧和爆炸的潜在危险性。此外，这种重气云是蒸发气移动方向的指南，也可以作为重气云团可燃性的指标。2.1.2 LNG泄露蒸发的过程 LNG大量溢出后，在地表形成一个小的液池。国外Morshed A.Rana，M.SamMannan等人做过LNG泄露到混泥土池中扩散的实验，来研究其扩散的特性。LNG蒸发过程如下图1：图1 Formation of LNG cloud from continuous liquid releaseLNG连续泄露重气云形成过程 LNG从管中泄出后，会迅速闪蒸一部分，一般认为，这部分蒸发量大概是出口流量的5-15%；接着LNG与地表接触瞬间，相互换热，这期间又蒸发了部分；剩下主要是自然蒸发，太阳的辐射和空气的流动加速了表层LNG的蒸发，蒸发气就在顺风的方向形成了上述提到的重气云团。2.2 LNG泄漏的危害 甲烷本身是一种低毒性的窒息性气体，而LNG泄漏后形成的低温蒸汽云团又有别于普通的甲烷气体。其危害性主要表现在三个方面：l LNG泄漏后，就开始大量气化，迅速膨胀扩散形成云团状。如果是在狭小的空间内，如LNG货舱，船上的船员、应急人员都可能会暴露在LNG云团中，来不及逃脱，就会造成窒息危害。l 人员一旦接触到液态的LNG，皮肤会造成低温灼伤；同时低温LNG对于钢结构和一般船舶结构连接件，如焊接等具有破坏性影响。LNG船上出现泄漏，可能会降低运输船舶的结构完整性并损坏附属的设备。l 泄漏后形成的蒸汽云团与空气混合，形成爆炸性混合物。而甲烷的爆炸极限为5%-15%（体积分数），一旦混合物中甲烷的浓度在爆炸极限范围内，就会有爆炸的危险，爆炸的压力达到0.68Mpa。燃烧起来后，火焰的温度高，辐射热强，易形成大面积火灾。一般说来，气体的燃烧和爆炸可产生热负荷和压力负荷。通常用火灾造成的热辐射损害的等级来建立火灾危险区。对于热负荷。美国国防防火协会推荐用5kW/的热通量值来制定人员的防火距离。在此范围内，穿着适当工作服的人员紧急操作持续几分钟而不造成伤害。火灾热辐射不同损害的等级显示在表1中。表1 热辐射在通常情况下的损害等级表 事故热通量（kW/）损害类型35-37.5对于工艺设备包括钢罐，化学工艺设备，或者机器的损害25在无明火和不确定长期暴露的情况下点燃木头所需要的最小的能量18-20暴露的塑料电缆绝缘层退化12.5-15有明火是点燃木头所需要的最小能量；融化塑料管道5允许员工在穿着适当工作服的情况下紧急操作持续几分钟注：事故热通量值基于平均暴露时间位10 min。此外，当低温的LNG和一种热液体（比如水）接触而被突然加热的时候，就可能出现LNG的快速沸腾气化现象，导致局部超压释放，这种现象的影响仅局限在溢出源附近，会对设备和构筑物造成广泛的损害。2.3 LNG的泄漏检测方法鉴于LNG泄漏的危害之大，在液化天然气厂，液化天然气调峰车间，LNG运输船等环境中，需安装各种LNG的泄漏检测装置，以确保及时发现和紧急处理。国内外使用的检测方法主要有以下几种：l 可燃性气体检测 可燃气体测定仪一般为红外线型（Infra-Red），国内使用一种氮气检测仪，可以测出氮气，甲烷和硫化氢气体的浓度。这种测定仪一般安装在危险地栅栏和开放的通道旁边，并附带有远传的信号报警装置，便于控制室人员作出紧急处理。l 温度检测 利用低温传感器来检测，例如温敏电阻型和光纤检测系统，检测的信号也能远传。l 火焰探测器 一旦LNG泄漏后引起火灾，就可以用火焰探测仪来检测。该仪器经标定后可预测火焰的类型和大小，此探测器一般为紫外线型（）或红外线型。也有信号远传的功能。l 除此之外，还有热检测，烟雾检测等等，以上各类检测仪都有信号远传的功能，所用检测到的信号都集中到控制室的CCTV（闭路电视监控），以供工作人员作出判断和分析。3 LNG泄露的紧急处理3.1 水幕（water curtain）技术3.1.1 喷射水幕以阻止有毒气体和可燃性气体泄露带来的危害在工业上已得到了应用。在LNG泄漏后，向形成的重气云团中喷射水幕，能够大大降低LNG蒸气的体积浓度，从而减少泄露的危害。因此，水幕技术被认为是处理LNG泄露最经济、最有效和最具前景应用的技术。3.1.2 水幕是水管中的高压水通过各种喷头散射出来，形成SMD（Sauter Mean Diameter）为580微米左右的细小雾状液体。一般使用圆锥形喷嘴和扁扇形喷嘴来形成水幕。Rana，Cormier，Suardin和Mannan在2008就做了下面的水幕实验。如图2.图2 水幕图（a，圆锥形喷嘴；b，扁扇形喷嘴）研究表明，水幕可以通过4种作用机制来控制和降低LNG重气云的体积浓度：i. 小水滴通过机械作用向重气云传递动量，并在云团周围形成一层壁垒，阻碍云团的继续扩散。ii. 水幕通过裹入空气而稀释了蒸发气的浓度。iii. 通过重气云团、小水滴和空气之间强化换热，提高了蒸发气的温度。iv. 蒸