LNG供气站清静设计
宣布时间：2021-12-17 05:39:56 泉源：上Ｃ朗ü蟊龌嵊邢薰
摘 要：在LNG供气站设计中，清静是一个主要的思量因素，各专业设计必需切合响应的规范。作者对此类设施的清静问题提出了独到、周全的看法。
要害词：LNG供气站；设计：清静
1944年美国俄亥俄州克利夫兰市的一个调峰站的LNG储罐爆发事故，时至今日，LNG清静标准经由了一个相当漫长的历程。其时，谁人LNG储罐仅仅运行了几个月就突然破碎，溢出120万加仑(相当于4542m3)的液化自然气。由于防护堤不可知足要求而被淹没，此后液化自然气流进街道和下水道。液化自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。部分低温自然气渗透到周围住宅地下室，又被热水器上的燃烧器引爆，将屋子炸坏。许多人被围困在家中，有些人试图冲出去，但没能逃离燃烧的街道和高温逆境。10个小时后，火灾才获得控制。此次爆炸波及14个街区，工业损失重大，其中有200辆轿车完全破损和136人丧生。
事故视察小组没有查明储罐失事缘故原由，追溯事故爆发的一年前，在该罐交付使用时代，靠近罐底爆发了一道裂痕。人们没有去视察裂痕的成因，只是对该罐举行了简朴的修补后即投入运行。现在人们熟悉到，导致该罐失事的缘故原由是内罐上某处泛起了裂痕，溢出的液体充满了内壳和外壁之间的空间，并且气化后导致压力过大。
已往对密闭的空间的设计与现在差别，没有接纳泄压步伐。另外，已往用来制作内罐的质料是3.5镍钢，它不相宜低温事情，现在通常改用9镍钢。
这起事故对液化自然气工业是一个极大的波折，20年之后，该工业才得以恢复。在燃气工业中止的这些年头，种种研究机构和装备供应商作进一程序查，并开发丁自然气应用手艺、装备和质料，在这些领域所取得的重大前进，现实上部分应归功于使低温工业受益非浅的美国空间妄想。这些研究效果现在已经被天下上几个正在运行的LNG设施所证实，并创立了一个史无前例的长达30年的清静纪录。
影响装备和供气站设计的清静因素有：
-清静标准
-平面安排
-控制方法
-储罐
-消防
-停车
1清静标准
由于谁人LNG储罐的失事，自然气液化和贮保存第一次商业冒险中宣告失败，为知足调峰站的需要，燃气工业转向LPG。人们对克利夫兰市灾难仍然影象犹新，燃气工业迅速制订了LPG设施标准。1948年出书了《NFPA59公用液化石油气站》，1957年出书了《APl2510海上和管道终端，自然气凝缩油厂，提炼厂和罐区制作液化石油气装置的设计和施工》。
其时，只管手艺已有前进，人们举行了多年的认真研究，可是，LNG设施设计标准的清静和手艺性尚需进一步提高。
六十年月初期，人们对LNG重新爆发兴趣。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，制订出了液化自然气的设计、选址、施工和装备运行以及液化自然气的贮存、气化、运送和处置惩罚的要求。这些要求均包括在《液化自然气(LNG)生产、贮存和处置惩罚标准，NFPA59A》中。
《NFPA59A》的体例事情自1960年最先着手举行，并在1967年被美国燃气协会(NFPA)正式接纳。一年后美国石油协会(APl)接纳了《APl2510A石油终端、自然气加工厂、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接纳了《附录QAPl620大型焊接液化自然气低压储罐设计和施工的推荐标准》，其中叙述的低温应用的设计和选材。
六十年月后期，由于LNG工业进入一个新的增恒久，NFPA标准的适用规模需要扩展。人们丌始着手举行《APl2510A》的合并吸收事情，以便重新编气《NFPA》，1971年的版本是扩展规模后的第一版。随后又举行了多次修订。
详细谈论LNG清静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供气站清静设计的一些要害因素：
-站场避免LNG溢出和走漏的步伐
-海上运输和吸收的要求
-阻挡区的要求
-储罐防护堤的要求
-储罐、气化器和工艺装备的间距
-材质，混凝土种类
-隔热
-清静泄压，储罐赳压；
-气化器，泵和压缩机装备
-消防，叫燃气体检测和火灾探测器
-ESD(紧迫歇工)系统
LNG供气站的清静原则是预防、检测和控制。
预防是指要亲近注视刘没施清静运行所必需的设计特征。在工程设计阶段，些设计上具能够发明潜在的清静隐患扦提出包管清静的响应步伐。它们包括：起源危险剖析(PHA)，操作危险性剖析(HAZOP)、危害定量评估(QRA)、气体扩散研究和突变剖析。
若是爆发事故，早期检训和响应能将使安伞隐患减全最小。种种探测器应被合理地装置在整个供气站内，用来检测火灾和I。NG走漏事故。
其中包括码头卸船区，储罐防护堤内和防护堤周围的卸车管线等位置。这些地力任何一处爆发走漏。在控制室内都会发山声音报警。
将气体和感烟探测器装置在修建物内，从控制室的闭路电视上可以对全厂举行监控。
自卸车平台的管道、码头和陆上的管道系统爆发LLN(；走漏，可以网络起来送至管网下面的混凝土集液沟内。一样平常来讲，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分钟内的管道最大走漏量。
1.1起源危险剖析(PHA)，操作危险性剖析(HAZOP)和危害定量评估(ORA)
起源危险剖析(PHA)纤常被用在计划阶段或装置起源设计和装备安排的前期，用来展望这些潜在危险对操作职员、公众，工厂设施和情形的影响。一次起源危险剖析并不可扫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起源。
在工程建设的后阶段通常要举行更详细的HAZOP研究。在工程初期使用PHA手艺主要有两个优点：它能够判别出潜在的危险，并用最小的投资和步伐来预防危险；它能够资助设计小组明确或拓展用于整个工厂生产的运行目的。QRA的目的是明确LNG供气站潜在的主要危险，QRA对了厂的平面安排有主要的影响。
对气化站而言，LNG的种种走漏情形被以为呈潜在的引起爆炸的缘故原由。例如：
-管线走漏/破碎(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)爆发管制破碎
-由于超压导致罐或容器破碎/破损
-阀门和PSVs(压力清静阀)发斗梗塞
-泵或压缩神秘封走漏/失效
-停电或仪器失灵
2平面安排
为了确定能；そ缦呦咭酝獾娜松砗凸ひ登寰驳钠鹪窗朊姘才，必需举行气体扩散和火焰辐射研究，这对位于住民区周围的供气站成为主要。
爆发LNG走漏事故的十要危险是火灾和热辐别。若是在汇漏事故的早期阶段没有遇到明火，则欢喜的LNG爆发的气体与空气混适时被带到下风侧。这个气闭一直保存爆炸的可能性，直至空气将具稀释到爆炸下限以下。
对供气站界线线以外的人身和工业的影响，NFPA59A已经做了明确的清静要求。这些要求限制了在界线线的辐射量，同时将可燃气体散发到界线线以外的可能性降到最低。现在种种盘算机程序能够模拟LNG贮存设施周围的火灾辐射和气体扩散危险？扇计逖芯炕刮蕹ヌ峁┤纾篖NGFIRE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能展望在溢流事故中气体扩散的距离。而LNGFIRE能盘算LNG贮存设施火灾辐射距离，接纳的要领是建设在公共的可获得数据和LNG火灾履历先容的基础上。这两个程序揭晓在NFPA59A(1996)上。
在LNG特征中，一个固有的清静因素是甲烷含量高。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，将从走漏处上升飘走。同其他因素(如LPG)相比，甲烷也有一个较宽的爆炸规模(5-15)。只管下限较高，但由于它的自然浮力和快速的扩散，积贮可燃混淆气体的可能性很小。只管云云，气体扩散研究是必需的，并且是扩大区域妄想效果的一个要害部分。
3控制方法
凭证每个项目的特定要求、操作无邪性和客户的需要，每一个供气站都是不尽相同，差别的装备和控制流程都有相当大的差别。因此，这个例子仅代表诸多可能泛起的流程之一，目的是用来举例说明罢了，图中所示的仅是主要的控制回路和仪表。只管这个控制流程是较量简朴的，可是为了清静操作，针对以下一样平常有潜在危险的工序卸车和气化，举行了详尽设计。
3.1LNG卸车
在一样平常操作中，州不稳固状态时有爆发，这就是潜在的危险。若是卸车管线中保存这种情形，将会导致两种效果：急冷和水击。
不但关于首次启动，并且在每次卸车操作时，爆发急冷都是危险的，尤其是在没有装再回流管线的情形下(在此篇文章揭晓之前，在1998/99年冬季PTQ上揭晓的《降低LNG供气站运行本钱》一文中对回流管线已作先容)。
这些管线在卸车时代坚持卸车管线冷却，从而阻止了需要在每次卸车前冷却卸车。
冷却的一个效果是挠曲征象。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，挠曲征象可以导致事故。在卸车前可以．通过准确的冷却工艺来阻止这个征象的爆发。通过冷气对运送管线举行预冷却，可以将对管线的热攻击降到最小。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举行第一次增压。这包括将流体从储罐后面通过顶部填充管线和运送管线毗连起来，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。
另一个经常爆发的不稳固的状态是由于水击造成的。水击是由于流体的流速突然爆发改变。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转变可能爆发。就设计而言，需要对这些事务举行一个完整的攻击剖析。
种种盘算机程序可以在配管设计时盘算水击的攻击力。关于减小压力波动，使其坚持在管道装置允许的应力规模内，阀门关闭次数是一个主要的变量。因此，阀门的操作关于管道清静设计和运行爆发主要的影响。
3.2LNG气化
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举行气化，以是应接纳多种清静步伐来避免这些潜在的危险。
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。每一个气化器也有自力的关闭系统，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，切气绝化器的主燃气管线，并放空，关闭气化器的LNG收支口管线的切断阀。若是所有的气化器被停车，那么所有运行的LNG外送泵也被停车，并关闭生齿阀。
4储罐
现在应用的绝大大都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储罐设计玉成容积式。单容积和全容积贮罐都是双壁储罐，然而，在事故状态下，两种储罐容纳液体和气体的能力是差别的。
在单容积贮罐设计中，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。通例的内置储罐是用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。
全容积贮罐的内置储罐与单容积贮罐的设计是一样的，都是自主式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。通例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；さ撞勘呓敲馐苋裙セ。在内外罐之间用珍珠岩隔热质料填充。
4.1储罐清静步伐
LNG储罐具有许多清静设计特征，例如：
-储罐周围的混凝土墙能容纳所有或更多的LNG储罐存储量
-储罐的所有启齿例如液体输入和输出管线以及仪表装置都穿过顶盖，也就是说，在预应力混凝土外壳和9％镍钢底部没有启齿
-压力和动态变送器以及热电偶检测储罐的各个部分。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避免储罐不清静事情和过满以及超压
-压力控制阀和PSVs
4.2翻腾
在LNG贮存中，翻腾是一个主要的清静问题。通过进一步研究，该征象已被人们很好地熟悉，在储罐中它将引起大宗的气体突然转变并导致罐结构破损，因运送到储罐的LNG因素差别而导致的分层引起翻腾。由于热量损失，凌驾一个周期的时间，LNG的底层将变的特殊热。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，将会迅速爆发大宗的气体。
盘算机模子已经生长到能够展望突变爆发的时间、分层和气体释放率。然而，在突变时的气体释放率峰值很难准确展望。因此，为阻止突变的爆发，在设计时预防是须要的。
显然，要阻止突变的一个要领是只卸到空罐里或通过疏散等浓度液体。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。
使用的一些类似要领是把差别品质的LNG脱离贮存，使用生齿喷射器增进LNG混淆；通过泵将剩余部分举行再循环顶部进入浓度大的，底部进入浓度小的。
关于这些要领每一种都有其局限性，应凭证项目的详细情形，经由仔细的思索后再做决议。
5消防
一个完整的LNG供气站消防包括控制部分的设计和装置，将火灾可能性降到最小的逻辑联锁设计，快速探测和阻止火灾。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。
-效劳于储罐和修建物以及所有主要装备自动喷头和手动系统
-为避免清静停车失败，在整个装置上装置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
有些自力的干粉灭火系统，在压缩氮气的推动下，固体碳酸氢钠用来；す┢镜闹饕。依赖这种装备，有五种激活要领：
-自动紫外线感应器
-自动伺打扮备
-来自被；ぷ爸没蛑芪У木偷仄
-化学干粉灭火器手念头械装置
-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生齿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。喷淋系统则连到这个环路上。
从生涯水系统中通过一个稳压泵来维持系统压力稳固在100psig(0．67MPa表压)。
雨淋阀由空气感温探头(HAD)控制装置在被；ば藿诘拿恳桓鱿低。所有雨淋系统雨淋阀的控制气源由阀门周围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走漏检测和大气中可燃气体检测。
每个气化器装置一个氧含量和燃烧剖析仪，来取样、剖析和纪录烟道气体中氧和碳氢化合物的含量。
5.4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举行探测。该探测器袒露在阳光、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。袒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。
紫外线探测器被装置在如下火灾控制区：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，感烟探测器装置在以下修建内：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装备：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，上面列出的修建物的加热和透风系统将自动关闭。
5.6消防水量
水不是用来杀绝火灾，而是用来；ぬ宦对谕獠炕鹪种械男藿ㄎ铩⒋⒐藓妥氨傅男枰。
关于喷淋顶部和每一个修建物的外墙的通例的水量为：
单位：加仑/分钟(升/分钟)
①压缩机房1000-1500(3785-5678)
②控制室625(2366)
③消防泵房400-600(1514-2271)
④主配电室200(757)
⑤公用修建160(606)
除喷淋系统外，来自监控器和消防船的水也经常用来资助控制火灾，主要是通过冷却相邻的装备和修建物以防火势伸张。
6停车
种种可能的事务，如火灾信号，储罐压力高，储罐液位高或仪表风压低，都将启动紧迫停车系统。整个历程是经由种种切断阀和放空来关闭受影响区域的装备和封闭将受影响的区域。当装置在码头上的任何一个紫外线探测器探测到火灾，人们在现场和控制室内将听到声音报警。卸车管线上的切断阀将自动关闭。若是是首次起动，为包管清静停车，原则上手动ESD按钮应设在装置上。
另外，在没有电源或气源的情形下，低温阀凭证设计将关闭。每个阀门(除压缩机旁通阀外)也有一个包管毗连激活开关，关闭火灾现场的阀门。
7结论
LNG设施在全天下已经清静、可靠、环保运行了三十年，可是，设计出既清静又经济的LNG供气站仍是一项挑战。这是由于：
-LNG工业面临着降低本钱的压力(可是，LNG设计的清静性仍禁止忽视)
-LNG工业的生长将主要依赖对该工业很不熟悉或一无所知的市场情形
-新手艺的生长，例如：在气化站设计中，将要战胜能源综合使用所带来的新的清静问题
-作为一代有竞争力的环保能源，高效循环手艺的生长(见1998/99冬季揭晓在PTQ《降低LNG供气站运行本钱》一文)已经为LNG确立了一个适当的位置。由于电力快速增添的需要，太平洋周边国家的许多LNG工程正处于妄想阶段，中国、印度和南美等地区市场的一直开放，更多更大的项目有望上马。这些项目中有不少将选址在生齿麋集的地方，因此清静问题更应引起高度重视。
这类项目的设计和施工需要有履历的工程建设步队，他们必需熟知该类项目的清静问题。同时，他们不但在LNG方面要有履历，并且在发电方面也是云云，从LNG供应到发电整个历程的设计，应该包管其清静性和完整性。