LNG液态天然气供气站安全设计(doc7页)(20220202004447)

1、LNG 供气站平安设计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 平安标准经过了一 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，此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。局部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。此次爆炸涉及 14 个

2、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，* 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

3、年头，各种研究机构和设备供给商作进一步调查，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，实际上局部应归功于使低温工业受益非浅的美国空间方案。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 年的平安纪录。影响设备和供气站设计的平安因素有：-平安标准-平面布置-控制方式-储罐-消防-停车1 平安标准由于那个 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

4、气站? ， 1 957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 设施设计标准的平安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

5、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(API)采纳了?AP12510A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 又进行了屡次修订。详细评论 LNG 平安标准和标准不是本文的目的

6、，不过这里仍要提到在 NFPA59A 十，影响 LNG 供气 站平安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-平安泄压，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 供气站的平安原那么是预防、检测和控制。 预防是指要密切注视刘没施平安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 的平安隐患扦提出保证平安的相应措施。它们包括：初步危险分析PHA , *作危险性分析HAZOP、风险定量评估 QRA

7、、气体扩散研究和突变分析。假设发生事故，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 *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

8、危险分析 PHA ， *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 * 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

9、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压力平安阀发斗堵塞- 泵或压缩机密封泄漏 / 失效- 停电或仪器失灵2 平面布置tin.Lira逹I典型LMG供吒站卞要设施平商帀臂图一个典型的LNG供气站平面布置如图1所示，图中标岀了储罐，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平安的初步半面布置，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

10、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，那么沸腾的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已经做了明确的平安要求。 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

11、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火灾经验介绍的根底上。这两个程序发表在NFPA59A1996上。在LNG特性中，一个固有的平安因素是甲烷含量高。在空气温度为7O0f2C时，它的临界浮力温度为-166Of-11OC。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局部。3控制方式图2是一个典型的LNG供气站控制方案。根据每个工程的特定要求、*作灵活性

12、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岀现 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，但是为了平安*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*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*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供气站运行本钱

13、?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，从而防止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防止这个现象的发生。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

14、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*作对于管道平安设计和运行产生重要的影响。3.2 LNG气化由于气化器*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 平安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

15、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-岀口温度低或高-出口压力咼-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1*"3o 曲图JLNGWfiH的科种錯构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，大局部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

16、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储罐平安措施LNG储罐具有很多平安设计特征，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

17、罐的所有开口例如液体输入和输岀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局部。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平安工作和过满以及超压-压力控制阀和PSVs4.2翻滚在LNG储存中，翻滚是一个主要的平安问题。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

18、速产生大量的气体。计算机模型已经开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，为防止突变的发生，在设计时预防是必要的。显然，要防止突变的一个方法是只卸到空罐里或通过别离等浓度液体。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 局部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，应根据工程的具体情况，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局部的设计和安装， 将火灾可能性降到最小

19、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。 -效劳于储罐和构筑物以及所有主要设备自动喷头和手动系统 -为防止平安停车失败，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* 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

20、 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。喷淋系统那么连到这个环路上。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

21、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 ) 压缩机房 1000-1500(3785-5678) 控制室 625(2366) 消防泵房 400-600(1514-2271) 主配电室 200757 公用建筑 160606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