LNG供气站安全设计

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。随后又进行了多次修订。
详细评论 LNG 安全标准和规范不是本文的目的，不过这里仍要提到在 NFPA59A 十，影响 LNG 供气站安全设计的一些关键因素：
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，则沸腾的 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 已经做了明确的安全要求。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。
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 设施设计标准的安 全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。
3 控制方式
图 2 是一个典型的 LNG 供气站控制方案。根据每个项目的特定要求、操作灵活性和客户 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出现的流程之一，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，但是为了安全操作，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
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 气工业中断的这些年头，各种研究机构和设备供应商作进一步调查，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，实际上部分应归功于使低温工业受益非浅 的美国空间计划。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 年的安全纪录。
4 储罐
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，大部分 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。
《NFPA59A》的编制工作自 1960 年开始着手进行，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(APl)采纳了《APl2510A 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。
-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(压力安全阀)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
一个典型的 LNG 供气站平面布置如图 1 所示，图中标出了储罐，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安全的初步半面布置，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要。
在日常操作中，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，而且在每次卸车操作时，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 站运行成本》一文中对回流管线已作介绍，见图 3 和图 4)。
由于气化器操作自身潜在的危险，在火焰加热器里，易挥发的液体在高压下进行气化， 所以应采取多种安全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 -出口温度低或高 -出口压力高 -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。
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， 靠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。
-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 -安全泄压，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 供气站的安全原则是预防、检测和控制。 预防是指要密切注视刘没施安全运行所必需的设计特性。在工程设计阶段，些设计上具 能够发现潜在的安全隐患扦提出保证安全的相应措施。它们包括：初步危险分析(PHA)，操 作危险性分析(HAZOP)、风险定量评估(QRA)、气体扩散研究和突变分析。 假如发生事故，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靠近码头的集液池内。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 初步危险分析(PHA)，操作危险性分析(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 这些潜在危险对操作人员、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)
影响设备和供气站设计的安全因素有： -安全标准 -平面布置 -控制方式 -储罐 -消防 -停车
1 安全标准
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 公用液化石油气站》，1957 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》。
这些管线在卸车期间保持卸车管线冷却，从而避免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 避免这个现象的发生。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。
DEGADIS 能预测在溢流事故中气体扩散的距离。而 LNGFIRE 能计算 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 火灾经验介绍的基础上。这两个程序 发表在 NFPA59A(1996)上。
在 LNG 特性中，一个固有的安全因素是甲烷含量高。在空气温度为 700F(21℃)时，它 的临界浮力温度为-1660F(-110℃)。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部分。
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 储罐安全措施