LNG氣化站技術(shù)安全分析

LNG氣化站技術(shù)安全分析

    LNG的易燃易爆性決定了安全在其應(yīng)用中是一個(gè)重要的因素。自2005年4月，海南海然高新能源有限公司福山液化天然氣工廠(一期)投產(chǎn)以來(lái)，海南開始進(jìn)行LNG氣化站的建設(shè)，陸續(xù)建成了亞龍灣、�？谑⒅畼I(yè)等LNG氣化站。

    LNG的主要成分為甲烷，常壓條件下，沸點(diǎn)約一162℃，密度(液體)約534 kg/m³，氣化潛熱為510.25 kJ／kg，氣化后的密度為0.856 kg／m³，與空氣混合能形成爆炸性混合物，爆炸下限為3.6％一6.5％，燃點(diǎn)約650℃。

  LNG主要存在3個(gè)危險(xiǎn)。

    ①深冷液體

    低溫會(huì)導(dǎo)致工藝設(shè)施、管道發(fā)生脆性斷裂或冷收縮造成管道損壞，易凍傷操作者，泄漏或溢出后LNG急劇氣化，形成蒸氣云團(tuán)。

    ②蒸發(fā)氣體(BOG)

    若絕熱不好，少量LNG就會(huì)轉(zhuǎn)化為大量氣體，可能引發(fā)設(shè)施、管道壓力急劇上升發(fā)生超壓事故，造成設(shè)施、管道損壞甚至LNG泄漏。

    ③爆燃(炸)

    空氣、天然氣混合物的爆炸下限很低，如果存在外部火源，極易發(fā)生著火燃燒甚至爆炸，并且燃燒產(chǎn)生的熱輻射會(huì)對(duì)設(shè)施造成極大危害。

    LNG氣化站主要工藝包括卸車、儲(chǔ)存、氣化、調(diào)壓等。

    LNG由低溫槽車運(yùn)至氣化站，利用卸車增壓器給槽車增壓進(jìn)行卸車，依靠壓差將LNG送人LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。氣化時(shí)通過(guò)儲(chǔ)罐增壓器將LNG增壓后，使罐內(nèi)LNG自流進(jìn)入空溫式氣化器(兩組)，LNG吸熱發(fā)生氣化并升高溫度。與空溫式氣化器串聯(lián)1套水浴式氣化器(南方地區(qū)可不用)，在冬季空溫式氣化器不能正常工作時(shí)啟用，以保證供氣不間斷。天然氣經(jīng)過(guò)調(diào)壓、計(jì)量及加臭后送入城市管網(wǎng)。

    對(duì)于LNG氣化站來(lái)說(shuō)，安全是至關(guān)重要的。LNG氣化站安全管理的核心內(nèi)容是如何防止天然氣泄漏，消除引發(fā)燃燒的基本條件，以滿足LNG設(shè)施的防火要求，防止低溫設(shè)施超壓排放甚至爆炸，設(shè)施、管道材質(zhì)符合低溫要求，做好操作人員的安全防護(hù)等。

    ①LNG儲(chǔ)罐

   中小規(guī)模LNG氣化站多采用壓力式低溫儲(chǔ)存方式，一般采用圓筒形低溫真空粉末絕熱儲(chǔ)罐，雙層結(jié)構(gòu)，內(nèi)罐材質(zhì)為0Crl8Ni9不銹鋼，外罐材質(zhì)為16MnR壓力容器用鋼，兩者之間夾層填充珠光砂粉末并抽真空。儲(chǔ)罐工作壓力一般為0.3～0.6MPa，工作溫度約一140℃，設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa，設(shè)計(jì)溫度為一196℃ 。

    低溫儲(chǔ)罐絕熱性能的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)為靜態(tài)蒸發(fā)率，指低溫絕熱壓力容器在裝載大于有效容積0.5倍的低溫液體時(shí)，靜置達(dá)到熱平衡后，24 h內(nèi)自然蒸發(fā)損失的低溫液體質(zhì)量和容器有效容積下低溫液體質(zhì)量的比值，對(duì)LNG儲(chǔ)罐一般靜態(tài)蒸發(fā)率≤O.3％。儲(chǔ)罐靜態(tài)蒸發(fā)率及儲(chǔ)罐夾層真空度應(yīng)定期進(jìn)行檢測(cè)，其中靜態(tài)蒸發(fā)率可通過(guò)BOG的排放量來(lái)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)突然增大或減小等異常情況時(shí)應(yīng)立即處理。

    ②LNG儲(chǔ)罐的壓力控制

    儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力控制是非常重要的，必須將其控制在允許的范圍內(nèi)，過(guò)高或過(guò)低都存在危險(xiǎn)。存在熱傳導(dǎo)或充注新的LNG均可能導(dǎo)致液體蒸發(fā)，壓力升高；如果從儲(chǔ)罐向外排液或抽氣不當(dāng)，則可能導(dǎo)致壓力下降甚至形成負(fù)壓。為了防止熱傳導(dǎo)引起罐內(nèi)壓力升高，采用釋放罐內(nèi)BOG的方法控制壓力上限，LNG儲(chǔ)罐壓力控制見(jiàn)圖2。在儲(chǔ)罐的氣相管道上設(shè)置自動(dòng)減壓閥，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力升高到設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)減壓閥便緩慢開啟，將罐內(nèi)BOG放出；當(dāng)壓力下降到設(shè)定值以下時(shí)，自動(dòng)減壓閥關(guān)閉。

    儲(chǔ)罐出液是自壓式，液體流出后，液位下降，氣相空間增大，導(dǎo)致罐內(nèi)壓力下降。因此，必須不斷向罐內(nèi)補(bǔ)充氣體，維持罐內(nèi)壓力不變。設(shè)有儲(chǔ)罐增壓器和自動(dòng)增壓閥，儲(chǔ)罐增壓器是一個(gè)空溫式氣化器，它的安裝高度要低于儲(chǔ)罐的最低液位。當(dāng)罐內(nèi)壓力低于自動(dòng)增壓閥的設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)增壓閥打開，罐內(nèi)液體靠液位差緩緩流入儲(chǔ)罐增壓器，液體氣化產(chǎn)生的氣體經(jīng)自動(dòng)增壓閥和氣相管道補(bǔ)充到儲(chǔ)罐內(nèi)，氣體的不斷補(bǔ)充使得罐內(nèi)壓力回升。當(dāng)壓力回升到設(shè)定值以上時(shí)，自動(dòng)增壓閥關(guān)閉，增壓過(guò)程結(jié)束。運(yùn)行中，可以根據(jù)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力和工作壓力，通過(guò)自動(dòng)減壓閥、自動(dòng)增壓閥的設(shè)定來(lái)控制儲(chǔ)罐的壓力。

    ③預(yù)防翻滾現(xiàn)象的發(fā)生

    通常儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG長(zhǎng)期靜置或在充注新的LNG液體后，將形成上下兩個(gè)密度不同的液相層。當(dāng)外界熱量傳人罐內(nèi)時(shí)，液層表面開始蒸發(fā)，各層密度發(fā)生變化，當(dāng)兩液相層密度接近時(shí)，兩個(gè)液層就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈}昆合，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，使罐內(nèi)壓力急劇上升，這就是翻滾現(xiàn)象。翻滾可導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓、失穩(wěn)。

    預(yù)防翻滾現(xiàn)象發(fā)生的關(guān)鍵在于防止分層，實(shí)踐中有以下幾種方法：a．不同產(chǎn)地、不同性質(zhì)的LNG分開儲(chǔ)存，可避免因密度差而引起的LNG分層。b·根據(jù)需儲(chǔ)存的LNG與儲(chǔ)罐內(nèi)原有的LNG密度的差異，選擇正確的充注方法。密度相近時(shí)一般底部充注；將輕質(zhì)LNG充注到重質(zhì)LNG儲(chǔ)罐中時(shí)，宜底部充注；將重質(zhì)LNG充注到輕質(zhì)LNG儲(chǔ)罐中時(shí)，宜頂部充注。c．使用混合噴嘴和多孔管充注，使充注的新LNG和原有LNG充分混合，從而避免分層。

     ①吹掃    ．

    為防止卸車時(shí)卸車臺(tái)始端與槽車相連管道內(nèi)空氣中的水分因低溫而結(jié)冰發(fā)生冰堵事故，每次LNG卸車前都要對(duì)管道內(nèi)空氣進(jìn)行吹掃。LNG槽車與卸車臺(tái)有3個(gè)接口相對(duì)應(yīng)，分別為輔液相口、氣相口、主液相口。吹掃時(shí)先將卸車臺(tái)氣相口與槽車氣相口連接并緊固，卸車臺(tái)輔液相口、主液相口分別與槽車輔液相口、主液相口連接但稍留間隙。槽車主、輔液相管出口閥、卸車臺(tái)閥B、閥c及跨接管c、D上的閥門關(guān)閉，開啟槽車氣相管‘出口閥、卸車臺(tái)閥A

及跨接管A、B上閥門，槽車內(nèi)BOG經(jīng)氣相管，通過(guò)氣液相管道間的跨接管A、B分別進(jìn)入主、輔液相管向槽車方向吹掃(由接口間隙排放)，吹掃完畢再將接口緊固。

    ②預(yù)冷

    吹掃完畢后對(duì)主液相管預(yù)冷，以便減少卸車時(shí)間。槽車輔液相管及氣相管出口閥、卸車臺(tái)閥A、閥B及跨接管A、B、D上的閥門關(guān)閉，開啟槽車主液相管出口閥、卸車臺(tái)閥C及跨接管c上閥門，進(jìn)行進(jìn)液操作，讓低溫液體由槽車緩慢進(jìn)入主液相管并送往儲(chǔ)罐進(jìn)液口，這時(shí)預(yù)冷產(chǎn)生的氣體就會(huì)通過(guò)跨接管C經(jīng)氣相管道進(jìn)入BOG加熱器加熱后進(jìn)人管網(wǎng)，從而達(dá)到預(yù)冷的目的。待主液相管道溫度穩(wěn)定后 (觀察局部裸露處的霜凍情況來(lái)判斷)，即可關(guān)閉接管C閥門，結(jié)束預(yù)冷。

    ③卸車

    吹掃、預(yù)冷完畢，可開始卸車。卸車臺(tái)閥B及跨接管A、c、D上的閥門關(guān)閉，開啟槽車主液相管、輔液相管及氣相管出口閥、卸車臺(tái)閥A、閥c及跨接管B上的閥門，槽車內(nèi)液體經(jīng)輔液相管進(jìn)入卸車增壓器氣化，氣化后經(jīng)跨接管B返回車內(nèi)對(duì)槽車增壓，從而保證以一定的速度將車內(nèi)LNG液體從其主液相口經(jīng)主液相管道卸入LNG儲(chǔ)罐。當(dāng)LNG槽車內(nèi)LNG液體卸空時(shí)，關(guān)閉槽車主液相管及氣相管出口閥、卸車臺(tái)閥B及跨接管A、B上的閥門，開啟槽車輔液相管出口閥、卸車臺(tái)閥A、閥c及跨接管c、D上的閥門，使槽車內(nèi)少量余液及低溫氣體由輔液相管經(jīng)卸車增壓器、跨接管D進(jìn)入氣相管，經(jīng)BOG加熱器升溫后送入管網(wǎng)；最后進(jìn)行排空主液相管存液的操作，關(guān)閉跨接管D，使主液相管及與其相連接的卸車軟管中殘存的LNG液體氣化后經(jīng)閥c、跨接管c進(jìn)入氣相管，經(jīng)BOG加熱器升溫后送入管網(wǎng)。以上過(guò)程結(jié)束后可關(guān)閉所有閥門，結(jié)束卸車作業(yè)。

    卸車中有3個(gè)問(wèn)題需要解決，一是隨著液體進(jìn)入，液位升高，儲(chǔ)罐氣相空間產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力升高，升高到接近槽車的壓力時(shí)，液體流速大大下降；二是液體在管道中流動(dòng)和進(jìn)入儲(chǔ)罐后均可能產(chǎn)生氣化，生成的氣體也會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力升高，阻礙卸車；三是隨著卸車的進(jìn)行，槽車液位不斷下降，如其與卸車增壓器的液位差過(guò)小不足以克服流動(dòng)阻力和槽車內(nèi)壓力，卸車增壓器的氣化能力將迅速下降，導(dǎo)致槽車與儲(chǔ)罐壓差減小，阻礙卸車。

    解決這些問(wèn)題是LNG卸車工藝的關(guān)鍵，可從以下3方面考慮：

   a. 可在儲(chǔ)罐自動(dòng)減壓閥上并聯(lián)1個(gè)截止閥，卸車過(guò)程中打開，提高BOG流量，卸車結(jié)束

    b．需要合理使用儲(chǔ)罐的上進(jìn)液口和下進(jìn)液口，上進(jìn)液口連接儲(chǔ)罐頂部的一個(gè)噴淋裝置，進(jìn)液時(shí)LNG以噴淋方式進(jìn)入罐內(nèi)；下進(jìn)液口則為常規(guī)結(jié)構(gòu)。槽車內(nèi)液體溫度低的情況下，可選擇上部進(jìn)液，液體以噴淋方式穿過(guò)儲(chǔ)罐氣相空間，液滴會(huì)吸收儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體，使得儲(chǔ)罐壓力下降，有助于加快卸車速度。上進(jìn)液口之所以采用噴淋方式，是為了加大氣液相的換熱面積，加快減壓過(guò)程。槽車內(nèi)液體溫度高時(shí)應(yīng)選擇下部進(jìn)液，溫度較高的LNG進(jìn)入儲(chǔ)罐后先接觸液體，使其盡快降溫，減弱氣化傾向，避免對(duì)卸車的影響。當(dāng)然，如果沒(méi)有溫差，可任意選擇進(jìn)液方式，也可以上下一起進(jìn)液。

   c．卸車增壓器宜采用臥式，其底部首排換熱管及翅片必須保證足夠的換熱面積，其液相進(jìn)口應(yīng)低于LNG槽車出口至少1 m，以保證在槽車低液位時(shí)車內(nèi)LNG有足夠的液位差克服流動(dòng)阻力進(jìn)入卸車增壓器氣化。

    LNG氣化器的材質(zhì)必須耐低溫，如鋁合金。對(duì)于中小型氣化站多采用空溫式氣化器，由于需要定期除霜，一般選用兩組氣化器定期切換使用。每個(gè)氣化器的進(jìn)口端都設(shè)有切斷閥和安全閥，以便在非運(yùn)行時(shí)不會(huì)因產(chǎn)生BOG而發(fā)生超壓事故。天氣寒冷時(shí)，氣化后的氣體溫度一般比環(huán)境溫度低10℃左右，為保證后續(xù)設(shè)施、管道的正常工作，氣化后要經(jīng)過(guò)加熱裝置將氣體升溫到一定的溫度，加熱裝置一般用溫水加熱方式。

  BOG的處理要與調(diào)壓結(jié)合起來(lái)考慮，并回收利用BOG。儲(chǔ)罐和其他部位產(chǎn)生的BOG壓力達(dá)到設(shè)定值后，儲(chǔ)罐氣相管道的自動(dòng)減壓閥開啟，將其送人BOG加熱器，加熱后經(jīng)過(guò)BOG加熱器出口的輔助調(diào)壓器連接到出站總管道上，與主調(diào)壓器的出口相連，輔助調(diào)壓器設(shè)定的出口壓力略高于主調(diào)壓器，這樣BOG就優(yōu)先進(jìn)入出站管道。

  在進(jìn)行LNG管道設(shè)計(jì)時(shí)，除了要做好絕熱外，還應(yīng)解決因低溫引起的冷收縮問(wèn)題。管材通常選用具有優(yōu)異低溫性能的奧氏體不銹鋼管，但其線性膨脹系數(shù)較大，需要進(jìn)行補(bǔ)償。

    LNG管道的液封問(wèn)題應(yīng)當(dāng)引起重視，管道內(nèi)只要存有少量LNG液體，就可能產(chǎn)生很大危害。由于不可能保證絕對(duì)無(wú)熱量交換，管道內(nèi)殘留的液體會(huì)因吸熱不斷氣化，壓力持續(xù)上升，直到管道或閥門被破壞，所以要合理設(shè)置安全閥與切斷閥。

   由于設(shè)施損壞或操作失誤等原因，LNG一旦從儲(chǔ)罐或管道中溢出或泄漏，一部分立即氣化(氣化后的氣體密度大于空氣)，來(lái)不及氣化的液體將溢出到地面(接觸到水面則產(chǎn)生冷爆炸)，沸騰氣化后使空氣中的水蒸氣冷凝并混合形成蒸氣云團(tuán)，再稀釋受熱后與空氣形成爆炸性混合物，構(gòu)成極大危險(xiǎn)。

  為了有效地控制溢出或泄漏的LNG流淌導(dǎo)致火災(zāi)，常見(jiàn)方法是在儲(chǔ)罐區(qū)、卸車臺(tái)等重要場(chǎng)所修建防液堤、壕溝、坡槽、集液池來(lái)收集泄漏的LNG，防止四處流淌。借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，可設(shè)置高倍數(shù)泡沫保護(hù)系統(tǒng)，用來(lái)覆蓋溢出的LNG，使其安全氣化，避免發(fā)生危險(xiǎn)。焊縫、閥門、法蘭和與儲(chǔ)罐連接的管道是LNG容易產(chǎn)生泄漏的地方，運(yùn)行管理中可通過(guò)可見(jiàn)的蒸氣云團(tuán)來(lái)判斷。

4   結(jié)語(yǔ)

    LNG所具有的“高效、環(huán)保、清潔、價(jià)廉”的優(yōu)點(diǎn)決定了其在城鎮(zhèn)燃?xì)庵械膽?yīng)用前景是廣闊的，而LNG氣化站憑借其建設(shè)周期短、能方便及時(shí)地滿足市場(chǎng)用氣需求的特點(diǎn)，成為海南眾多旅游開發(fā)區(qū)的永久供氣設(shè)施或城鎮(zhèn)管輸天然氣到達(dá)前的過(guò)渡供氣設(shè)施。因此，無(wú)論是設(shè)計(jì)施工，還是生產(chǎn)管理，都應(yīng)以熟悉LNG性質(zhì)為基礎(chǔ)，抓住氣化站工藝技術(shù)安全特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)LNG氣化站的安全運(yùn)營(yíng)。