LNG汽车加气站规范选用和安全设计探讨

LNG汽车加气站规范选用和安全设计探讨1、问题的提出

1.1 安全设计的重要性

液化天然气（LNG）汽车加气站由于工作介质的易燃易爆特性和低温深冷特性、工作环境的特殊性以及周边环境的复杂性，它的安全问题尤为重要。

装置的安全设计是系统安全的根本基础，安全设计需要以系统科学的分析作为基础，以“问题发现式”的预测方法，评价系统中存在的危险因素及可能造成的后果，在充分辨识潜在危险和不安全部位、不安全环境的基础上采取适用的安全技术措施，将系统的安全置于装置的设计阶段，实现设计安全。

国家有关标准、规范是装置安全设计的法律依据，但是由于我国LNG汽车技术起步较晚，相应的标准、规范空缺，而相关部门及建设单位对国外标准不熟悉且对标准的采用原则不了解，从而使LNG 汽车加气站在项目建设中遇到了一系列的困难。致使LNG加气站的发展受到制约，本文主要针对此种情况，在设计规范的选用及安全设计方面作以下探讨。

1.2 LNG加气站危险性分析

1.2.1 介质危险性

（1）介质的危险性

①火灾、爆炸特性

液化天然气是以甲烷为主的液态混合物，储存温度约为－162℃。泄漏后由于地面和空气的加热，会生成白色蒸气云。当气体温度继续被空气加热直到高于－107 ℃时，天然气比空气轻，会在空气中快速扩散。气态天然气的容积约为液态的600倍，天然气与空气混合后，体积分数在一定的范围内就会产生爆炸，其爆炸下限为5％，上限为15％。天然气的燃烧速度相对于其它可燃气体较慢（大约是0.3m/s）。

②低温特性

由于LNG储存温度为－162 ℃，泄漏后的初始阶段会吸收地面和周围空气中的热量迅速气化。但到一定的时间后，地面被冻结，周围的空气温度在无对流的情况下也会迅速下降，此时气化速度减慢，甚至会发生部分液体来不及气化而被防护堤拦蓄。气化的天然气在空气中形成冷蒸气云。冷蒸气云或者来不及气化的液体都会对人体产生低温灼烧、冻伤等危害。

LNG泄漏后的冷蒸气云、来不及气化的液体或喷溅的液体，会使所接触的一些材料变脆、易碎，或者产生冷收缩，致使管材、焊缝、管件受损产生泄漏。特别是对LNG储罐可能引起外筒脆裂或变形，导致真空失效，绝热性能降低，从而引起内筒液体膨胀压力升高，造成更大事故，设备的混凝土基础可能由于冷冻而强度受损。

（2）火灾危险类别

天然气火灾危险性类别按照我国现行防火设计规范如《建筑设计

防火规范》划为甲类，《石油天然气工程设计防火规范》及《石油化工企业设计防火规范》划分为甲A类，即它的火灾危险性类别是最高的。

（3）爆炸危险环境分区

根据我国现行规范《爆炸和危险火灾环境电力装置设计规范》规定，天然气的物态属工厂爆炸性气体，分类、分组、分级为：Ⅱ类，B级，T1组，即ⅡBT1。

站内拦蓄区、加气区、卸车区属易产生爆炸性气体环境，区域划分为2级区域（简称2区），即在正常运行时，不可能出现爆炸性气体混合物，即使出现也仅是短时存在的环境，在此区域内防爆电器的类型可为dⅡBT1。

1.2.2 装置运行的危险性

（1）因漏热或绝热破坏产生的危险

LNG低温储罐，是加气站危险介质的盛装容器，因漏热必然要产生部分自然蒸发（BOG）气体；当绝热破坏时，低温深冷储存的LNG因受热而气化，储罐内压力剧增。

液相管道因漏热同样生产BOG气体，绝热破坏时，管内压力同样剧增。

（2）因过冷损害产生的危险

泄漏后产生的冷蒸气云或液体会使管道产生冷收缩，会使碳钢产生脆裂等现象，可能造成焊缝裂开、法兰、阀门漏气，储罐外筒可能变形、脆裂，造成绝热破坏。

（3）储罐液位超限产生的危险

LNG储罐内在卸车过程中要防止液位超限，液体的充装量不宜超过85%左右，万一超限可使多余液体从溢流阀流出；出液过低会使泵抽空，罐内出现负压，出液时最低液位应控制在10%左右。超限情况下监测报警系统会启动，并且联锁关闭阀门，避免事故发生。（4）管道振动产生的危险

①液击现象与管道振动

在LNG的输送管道中，由于加气车辆的随机性，装置反复开停，液相管道内的液体流速发生突然变化，有时是十分激烈的变化，液体流速的变化使液体的动量改变，反映在管道内的压强迅速上升或下降，同时伴有液体锤击的声音，这种现象叫做液击现象，液击造成管道内压力的变化有时是很大的，突然升压严重时可使管道爆裂，迅速降压形成的管内负压可能使管子失稳，导致管道振动。

②管道中的两相流与管道振动

在LNG的液相管道中，管内液体在流动的同时，由于吸热、摩擦及压力降等原因，势必有部分液体要气化为气体（尽管气体的量很小），液体同时因冷损而体积膨胀，这种有相变的两相流因流体的体积发生突然的变化，流体的流型和流动状态也受到扰动，管子内的压力可能增大，这种情况可能激发管道振动。

当气化后的气体在管道中以气泡的形式存在时，有时形成“长泡带”；当气体流速增大时，气泡随之增大，其截面可增至接近管径，液体与气体在管子中串联排列形成所谓“液节流”；这两种流型都有

可能激发管道振动，尤其是在流经弯头时振动更为剧烈。

③加气卸气软管的老化及振动

加气卸气接口为软管连接。软管为高分子材料容易老化，工作时由于剧烈振动容易爆裂，接口处因经常磨损可能有时密封不严。（5）装置预冷产生的危险

LNG储罐在投料前需要预冷，同样在生产中工艺管道每次开车前需要预冷，如预冷速度过快或者不进行预冷，有可能使工艺管道、法兰、阀门发生变脆、断裂和剧烈的冷收缩，引发泄漏事故。（6）BOG气体和增压气体产生的危险

LNG储罐或液相工艺管道，由于漏热而自然蒸发一定量的气体，一般情况下（制造厂家提供的数据为每昼夜3‰的蒸发量）；生产运行中由于卸车，需要给卸车系统增压，出液时需要给LNG储罐增压；受气车辆在加气之前需要降低车载气瓶内的压力，此部分气体在加气时又抽回储罐。这些气体始终储存于系统中，当系统压力过高时需要进行安全放散，国内有的加气站每年因BOG放散损失达十多万元，且对大气环境有一定的污染，笔者所在单位设计时对此流程作了改进，尽量少用增压器增压，可使车和储罐的气相管相连通，达到气相平衡，利用泵的扬程，就能达到卸车或加气的目的。

1.2.3 自然灾害的危险性

自然灾害是指风荷载和雪荷载可能破坏设备的稳定性；地震荷载造成储罐基础坍塌；雷电直击时强大的电效应、热效应和机械效应可能使储罐变形受损，雷电感应可能产生电火花，雷电电磁脉冲可造成