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天津市发展LNG的安全问题和对策天津市燃气管理处刘善利天津城市建设管理职业技术学院田申内容提要：本文探讨了LNG在储运和使用过程中的安全问题，并提出了相应的解决措施，对我市今后在LNG的运行和管理方面有一定的借鉴意义。关键词：安全、LNG、BOG、翻滚现象、应急抢险救援预案一、前言随着我市经济高速增长，能源需求量猛增，根据天津城市发展规划，2010年用气量达25亿M3，2015年达45亿M3，2020年用气量达65亿M3，而2006年我市的供气量约为8亿M3，如此巨大的缺口只能靠LNG来弥补。目前塘沽在建LNG接收站一期为300万吨，二期为500万吨，LNG即将在我市获得了广泛的应用。上世纪末以来，我国的LNG技术研究及应用发展较快，随着中原油田、新疆、LNG生产工厂的建成投产，国内的LNG供气站已有几十个，现在广东、上海、福建LNG接收基地项目正在紧锣密鼓的实施，为今后我国LNG的较大规模应用打下坚实的供应基础。由于我国目前还没有相应的LNG技术设计、防火规范，对LNG某些深层次的技术问题研究不深，LNG站建成后，如何实施有效地管理和控制，保证LNG站的安全运行，成为摆在我们燃气工作者面前的新课题。本文结合天津市LNG的发展，谈谈对此问题的看法。二、LNG的固有特性和潜在的危险性1、LNG的固有特性液化天然气是以CH4为主的液态混合物，常压下的沸点温度约为-162℃，气液比约为600:1，其液体密度约为426kg／m3。LNG是非常冷的液体，在泄漏或溢出的地方，会产生明显的白色蒸气云。白色蒸气云的形成，是空气中的水蒸气被溢出的LNG冷却所致。当LNG转变为气体时，其密度为1.5kg／m3。气体温度上升到-107℃时，气体密度与空气的密度相当。意味着LNG气化后温度高于-107℃时，气体的密度比空气小，容易在空气中扩散。爆炸极限为5%～15%（体积%），燃点约450℃等。2、LNG潜在的危险性LNG是天然气储存和输送的一种有效的方法，在实际应用中，LNG也是要转变为气态使用，因此，在考虑LNG设备或工程的安全问题时，不仅要考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性，还要考虑由于转变为液态以后，其低温特性和液体特征所引起的安全问题。(1)低温的危险性：人们通常认为天然气的密度比空气小，LNG泄漏后可气化向空气飘散，较为安全。但事实远非如此，当LNG泄漏后迅速蒸发，然后降至某一固定的蒸发速度。开始蒸发时其气体密度大于空气的密度，在地面形成一个流动层，当温度上升到约-110℃以上时，蒸气与空气的混合物在温度上升过程中形成了密度小于空气的“云团”。同时，由于LNG泄漏时的温度很低，其周围大气中的水蒸气被冷凝成“雾团”，然后LNG再进一步与空气混合过程中完全气化。LNG的低温危险性还能使相关设备脆性断裂和遇冷收缩，从而损坏设备和低温冻伤操作者。(2)BOG的危险性：虽然LNG存在于绝热的储罐中，但外界传入的能量均能引起LNG的蒸发，这就是BOG（BoilofGas）蒸发气体。故要求LNG储罐有一个极低的蒸发率，要求储罐本身设有合理的安全放空系统，否则BOG将大大增加，严重者使罐内温度、压力上升过快，直至储罐破裂。（3)着火的危险性：天然气在空气中百分含量在5%～15%（体积%）时，遇明火可产生爆燃。因此，必须防止可燃物、点火源、氧化剂（空气）这三个因素同时存在。(4)翻滚的危险性：通常储罐内的LNG长期静止将形成两个稳定的液相层，下层密度大于上层密度。当外界热量传入罐内时，两个液相层引发传质和传热并相互混合，液层表面也开始蒸发，下层由于吸收了上层的热量，而处于“过热”状态。当二液相层密度接近时，可在短时间内产生大量气体，使罐内压力急剧上升，这就是翻滚现象。（5）对人生理上的影响：人暴露在体积分数为9％以上的CH4气氛中会引起前额和眼部有压迫感，但只要恢复呼吸新鲜空气，就可消除这种不适的感觉。如果持续地暴露在这样的气氛环境下，会引起意识模糊和窒息。甲烷是一种普通的窒息性物质。虽然LNG蒸气是无毒的，如果吸进纯的LNG蒸气，人迅速失去知觉，几分钟后死亡。当大气中的氧的含量逐渐减少时，工作人员有可能察觉不到，慢慢地窒息，待到发觉时已经很晚了。LNG缓慢窒息的过程分成4个阶段，见表1。表1LNG对人窒息的生理特征阶段氧气的体积分数生理特征第一阶段14％～21％脉搏增加，心跳加快，影响呼吸第二阶段10％～14％判断失误，迅速疲劳，对疼痛失去知觉第三阶段6％～10％恶心，呕吐，虚脱，造成永久性脑部伤害第四阶段6％痉挛，呼吸停止，死亡当空气中氧气的体积分数低于10％，天然气的体积分数高于50％，对人体会产生永久伤害。在这情况下，工作人员不能进入LNG蒸气区域。三、LNG紧急事故的安全对策1、溢出或泄漏LNG溢出能使现场的人员处于非常危险的境地。这些危害包括低温灼烧、冻伤、体温降低、肺部伤害、窒息等。在意外情况下，如果系统或设备发生LNG溢出或泄漏，LNG在短时间内将产生大量的蒸气，与空气形成可燃的混合物，并将很快扩散到下风处。于是在LNG溢出的附近区域均存在发生火灾的危险性。LNG的溢出可分溢出到地面和水面两种类型。（1）LNG溢出到地面主要是指陆地上的LNG系统，因设备或操作原因，使LNG泄漏到地面。由于LNG与地面之间存在较大的温差，LNG将吸收地面的热量迅速气化。这是一个非常快速的气化过程，初期的气化率很高，只有当土壤中的水分被冻结以后，土壤传递给LNG的热量逐渐地减少，汽化速率才开始下降。另外，周围空气的传导和对流，以及太阳辐射也会增加LNG的汽化速率。在考虑系统或设施的安全性问题时，应考虑两方面的问题：首先是设备本身，在万一发生泄漏的情况下，设备周围应具备有限制LNG扩散的设施(围堰或蓄液池)，应使LNG影响的范围尽可能缩小；其次是LNG溢出后，抑制气体发生的速率及影响的范围。围堰是用于液化天然气储罐发生泄漏时，防止LNG扩散的设施。围堰内的容积应足够容纳储罐内的液态天然气。在某些设计中，则在储罐周围的地面采用低热导率的材料，如用具有隔热作用的水泥围起来，以减少蒸发的速率。另一种减少蒸发速率的安全措施是围绕围堰安装有固定的泡沫发生器，在发生LNG溢出时，泡沫发生器喷出泡沫，泡沫覆盖在围堰中的LNG上面，即可以减少来自空气的热量，降低LNG蒸气产生的速率。目前有一些新的设计理念，储罐周围不设围堰，LNG储罐安装在一钢筋混凝土的外壳内，内罐通常使用9Ni钢制造。如果内罐发生溢出或泄漏，溢出的液体包含在水泥外壳的内部，液体表面暴露于空气的面积相对很小，气体产生的速度比LNG在围堰内要小得多。（2）LNG溢出到水面LNG在水面上产生溢出时，水面会产生强烈的扰动，并形成少量的冰。气化的情况与LNG溢出到地面差不多，当然溢出到水面的蒸发速度要快得多。而且水是一个无限大的热源，水的流动性为LNG的气化提供了稳定的热量。LNG溢出到水面的蒸发速率是0.181kg/(m2.s)，基本上不受时间的影响。2、LNG泄漏或溢出的预防焊缝、阀门、法兰和与储罐壁连接的管路等，是LNG容易产生泄漏的地方。当LNG从系统中泄漏出来时，冷流体将周围的空气冷却至露点以下，形成可见雾团。通过可见的蒸气云团可以观测和判断有LNG的泄漏。当发现泄漏后，应当迅速判断装置是否需要立即停机，还是在不停机的情况下可将泄漏处隔离和修复，事先应当制定评估泄漏的标准并决定相应的措施。另外，安全规程中必须防止人员接近泄漏的流体或冷蒸气，并尽量减少蒸气接近火源。工厂应当安装栅栏、警告标志、可燃气体检测器等设备。四、紧急状态的应对措施为了控制LNG溢出和预防火灾，紧急反应主要有探测、设备停机、控制及灭火四个方面。1．探测快速鉴定LNG排放(液体或蒸气)的类型、溢出位置、溢出后的扩散情况、LNG蒸气或火势的移动方向，这些都是很重要的。可以通过人工检查或探测器来确定LNG泄漏，另外通过声音(液体或气体的流动)、沸腾、结霜、气味(如果加了气味的话)可以帮助工作人员检查到LNG的泄漏。2．设备停机当LNG系统发生泄漏时，停止设备运转可以阻止LNG进一步泄漏。当监测系统发出警报时，设备会自动关闭或由工作人员关闭，并控制不要产生点火源。发生事故的区域要进行隔离。3．控制控制排放出的LNG或火势，可以减少财产的损失和人员的伤亡。排放出的LNG应当被引到没有点火源和不会受低温液体伤害的区域。可以通过围堰、壕沟、坡槽或其它方法来控制LNG的排放。用高膨胀率的泡沫可以控制LNG的气化率。4．消防消防的主要目的是扑灭火源或防止火焰扩散。消防装备主要使用化学干粉灭火器、高膨胀泡沫灭火器或其它装备。表2列出了LNG火灾的灭火方式。表2LNG火灾的灭火方式灭火方式效果使用方法说明化学干粉(碳酸钾)效果最好应用在火的根部。不能直接喷在火焰上方。利用化学反应来灭火。需要熟练的操作。如果有障碍物的话，灭火是不可能的化学干粉(碳酸钠)可以使用应用在火的根部。不能直接喷在火焰上方。利用化学反应来灭火。需要熟练的操作。如果有障碍物的话，灭火是不可能的高膨胀率泡沫(Hi-Ex)不能灭火，但可以控制直接喷到火焰和未点燃的LNG上面，以减少LNG溢流并发生点燃的机会使LNG与火焰隔绝，减小火焰大小，从而使蒸发率减小二氧化碳(C02)不能灭火，但可以控制在火焰上方使用，不要直接喷在火焰上可以控制但不能灭火。直接喷到LNG上将增大蒸气和火焰的高度，对于没有气体的火灾比较合适水不能灭火，但可以控制仅用来保护临近的财产设备和在附近的人员。不能喷到LNG上面。可以以水雾形式喷到蒸气中，帮助LNG蒸气团的缩小控制没有气体源的火焰。也可以用来冷却附近的设备。水雾喷到LNG中会增大蒸发率和火焰高度五、加强施工和运行管理防患于未然1、LNG站应有完善的运行功能（措施）笔者认为，不论是工业用LNG站还是民用LNG站，不论是日常供气还是调峰供气，不论规模、容量大小，LNG站都应有以下较完善的使用功能（措施）：卸车功能、储存功能、LNG储罐增压功能、气化功能、气化器组相互切换功能、BOG释放接收功能、紧急情况安全放空功能、异常情况紧急切断功能、LNG泄漏溢出后的处理功能等，还应具有LNG装车功能，以保证在异常情况可将BOG再液化。2、LNG站应有可靠的安全措施除LNG储罐本身具有的安全措施外，工艺管线中要设置安全阀、压力表、紧急切断阀、降压调节阀等安全措施；消防安全方面，要设置消防水池、消防水泵、LNG储罐喷淋降温设施、LNG泄漏导出防护设施。应设置可靠的防雷、防静电设施；设置必要的保冷措施和燃气加臭措施（民用户）。此外还要设置异常情况停气安全连锁系统。3、LNG站的储存设备、气化设备、输送设备制造安装质量要精良LNG储罐作为LNG站中的关键设备，本身制造质量要达到设计文件、合同文件和国家有关压力容器制造标准、规定要求，决不能偷工减料；LNG设备施工，应保证焊口质量，按规程、设计文件要求检验；LNG的输送设备设施，如LNG气相、液相工艺管道，要选取用符合要求的管材，按要求焊接、检验；低温阀门、阀件也应符合要求。甚至LNG管道支架对安全也有非常重要影响，它们在遭遇明火或接触到溢出的低温液体时，应当有足够的承受能力，或有相应的保护措施来避免其不受火灾或溢出的低温液体的破坏。4、LNG站的安全技术管理要规范（1）LNG站的机构与人员配置：应有专门的机构负责LNG站的安全技术管理；同时应配备专业技术管理人员；要划清各生产岗位，并配齐岗位操作人员。不论是管理人员，还是岗位操作人员均应经专业技术培训，经考核合格后持证上岗。（2）技术管理：①建立健全LNG站的技术档案，包括前期的科研文件、初步设计文件、施工图、整套施工资料、相关部门的审批手续及文件等。②制定各岗位的操作规程，包括LNG卸车操作规程、LNG储罐增压操作规程、LNG储罐倒罐操作规程、LNG空浴（水浴）气化（器）操作规程、BOG储罐操作规程、消防水泵操作规程、中心调度控制程序操作规程、LNG进（出）站称重计量操作规程、天然气加臭操作规程等。5、生产安全管理应到位（1）做好岗位人员的安全技术培训：包括LNG站工艺