LNG气化站工程安全设计和运行分析



  LNG相比于石油的单位热值更高,燃烧产生的二氧化碳和氮化物更少,基本没有硫化物和颗粒物的排放,是一种非常清洁高效的能源。LNG气化站是接受LNG生产厂家后将其分配至用户的中间调节站。尽管LNG使用方面有众多优点,但是其安全事故频发,其中最严重的是1984年11 月19日,墨西哥圣胡安·伊克斯华特佩克发生的沸腾液体扩展蒸汽爆炸(BLEVE),造成542 人死亡、7000 多人严重烧伤和35 万人无家可归。因此,开展LNG气化站安全事故的风险分析,做好安全设计和运行管理具有重要的现实意义。

  1 LNG气化站安全事故风险分析

  1.1泄漏扩散

  尽管LNG蒸汽本身无毒,但是吸进纯的LNG 蒸汽会迅速失去知觉,随着LNG比重增加,氧气比重降低,会慢慢的窒息,直到发现的时候为时已晚。泄漏出来的LNG 和气态天然气对人体也是有害的,外露的皮肤短暂地与LNG 接触,不会有什么伤害,但是持续的接触,可以导致严重的灼伤和组织损伤。液化天然气气化吸热,人体吸入大量冷空气,对内部器官有较大影响。此外,更严重的是燃气泄漏引起的火灾和爆炸会导致人员大量伤亡。

  1.2沸腾液体扩展蒸汽爆炸(BLEVE)

  沸腾液体扩展蒸汽爆炸(BLEVE)爆炸瞬间会产生剧烈燃烧的火球,往往造成重大的人员伤亡和财产损失。使LNG发生BLEVE的原因一般是储罐受到外来撞击、火焰烘烤等使储罐损坏,短时间产生的过热气化的物质瞬间释放到空中,遭遇火源发生剧烈的燃烧,产生巨大的火球。BLEVE是流体与结构相互作用的结果,其作用机理较复杂,不仅涉及高压液化气体在加热和突然降压过程中的力学规律,还与钢材在较高温度下的蠕变和断裂有关。

  1.3急冷、水击、间歇泉和水锤

  急冷是指低温密封面泄漏以及低温管线发生挠曲的现象。急冷是由于LNG 的低温,在管道的顶部和底部形成温度梯度,导致管道各部位温度不同产生挠曲变形,进而引发事故。水击是LNG流体发生突然变化引起的,阀门的快速关闭、开启或停泵时产生的瞬时流体压力都会致使流体的流速突然发生。由于LNG充装管线长,管线阀门产生的闪蒸气积聚上升至储罐液面,上升的闪蒸汽温度较高,与液体进行热交换,液体大量闪蒸,使储罐内压力快速升高,导致储罐安全阀“自动”开启。在管内液体被闪蒸汽推向储罐的同时,管内被排空的部分会被罐内液体迅速补充,又开始新一轮的闪蒸汽积聚过程,周而复始形成间歇泉间歇泉;管内液体被BOG 排空与重注则形成水锤。

  1.4火灾和爆炸

  LNG泄漏吸热气化,蒸发气体与空气混合,在较低浓度(体积比重5%~15%)下起火爆炸。LNG液化气体的液相流到地面并被引燃时发生的火焰则称为液池火焰。液池火焰不仅会对周围人员设备造成损害,给灭火带来不便,长时间热辐射容易造成周围设施比如储罐发生泄漏,造成储罐下面围堰区发生池火,产生的强烈的热辐射可能使得该罐体和周围的罐体发生破裂,甚至罐体发生爆炸,强烈的爆炸冲击波会使得周围的罐体、管道和建筑设施造成毁灭性的破坏。

  2安全设计与运行分析

  2.1气化系统安全设计与运行分析

  储罐自动增压与LNG气化是在压差的推动下进行,罐内压力随着储罐内LNG的流出而不断降低,为了保证LNG汽化的正常进行,需要利用自动升压调节阀和储罐自增压气化器将储罐内压力保持在正常的工作范围内,进而实现LNG气化的持续进行。自动升压调节阀和储罐自增压气化器会在储罐压力低于自动升压调节阀的设定开启值时开启升压调节阀, LNG流入自增压气化器,在自增压气化器内液态LNG发生汽化,汽化后的天然气流入储罐,储罐压力升高,LNG在压差的作用下进入空温式汽化器,化后的天然气经过调压、计量、加臭处理后,输送至城市中压燃气管网。为防止天然气因为温度过低直接进入城市中压管网造成管道、阀门等设施发生脆裂,气化后的天然气需经水浴式加热器或电加热使其温度上升到l0℃左右,然后再经调压计量加臭输送至城市燃气管网。空温式气化器要设计两套,交替使用避免长时间使用而结霜降低气化效率。气化器布置应结合工艺管线布置,站区美观的情况下适当增大相邻气化器或周边建构筑物的距离,以便干气化器的对外换热。

  2.2储罐安全设计和运行分析

  真空罐采用增压器给储罐增压,内罐为耐低温的不锈钢,外罐为碳钢材料,内外层之间填充绝热材料,并抽真空。储罐总容量要根据为3~5天高峰月平均日用气量确定。在储罐上分别设置测满口与差压式液位计两套独立液位测量装置,防止储罐内LNG充装过量或运行中罐内LNG太少危及储罐和工艺系统安全。储罐自控系统还要设高限报警(充装量为罐容的85%)、紧急切断(充装量为罐容的95%)、低限报警(剩余LNG量为罐容的10%)。当达到充装上限时,LNG液体会从测满口溢出,提醒操作人员手动切断进料。

  2.3消防水系统安全设计和运行分析

  水在LNG站场不同于其它消防系统,在LNG气化站,水遇到LNG火灾时,对火灾没有任何积极作用,只会加速LNG的气化,进而加快其燃烧速度。水在LNG站场是用来冷却其它受到火灾热辐射的储罐或设备,防止其受到损害而发生泄漏,阻止火灾继续蔓延。在围堰处要设置泡沫发生器,防止发生LNG泄漏而快速蒸发。在LNG气化站要设置多个可燃气体报警探头,和储罐液相出口紧急切断阀联锁,一旦发现泄漏,紧急切断阀可立即关闭,防止LNG大量泄出;消灭初期火灾,控制较大火灾,防止火灾扩大蔓延,给消防队前来灭火争取时间。消防水系统可以采用室内消防水池和城市供水管网两个水源供水,厂区室外消火栓系统可以与室内消火栓系统合用,并与市政管网相连,水表井内应设置止回阀。

  2.4工艺和材料的安全设计和运行分析

  站内设置的氮气钢瓶为紧急切断气动阀门提供气源,也可采用压缩空气作为紧急切断阀的动力。在LNG储罐的进出液总管上设置连通管能防止LNG储罐间的倒罐,对LNG液相管进行冷循环,保持管道的低温状态。调压装置要根据LNG气化站的规模选择,通常设计两路调压,调压器选用带指挥器、超压切断的自力式调压器。加臭剂选用四氢噻吩,加臭以隔膜式计量泵为动力,根据流量信号将加臭剂注入燃气管道中。工艺系统阀门应满足输送LNG的压力和流量要求,同时必须具备耐-196℃的低温性能。站区LNG管道在常温下安装,在低温下运行,前后温差达180℃,存在较大的冷收缩量和温差应力,通常采用“门形”补偿装置来补偿工艺管道的冷收缩。总之,工艺专业设计要兼顾运行规范要求和操作方便,符合生产场所基本要求和地形特征,合理配置设备、工艺管线。

  2.5监控系统设计和运行分析

  以典型SCADA监控系统为例,该系统按结构可分为三层:最上层是完成接收站控侧传送的数据并进行数据管理的监管层;第二层是位于站内控制室里,控制现场设备的启动和停止、采集设备的故障状态、可燃气体报警状态及模拟信号的现场控制级设备;最底层是位于管道流程中的控制电磁阀、温度传感器和压力/压差传感器的现场设备。站控系统是保证SCADA系统正常运行的基础,站控系统可以独立完成数据采集和控制,并通过网络与调度中心时刻互联,保证站内数据的及时上传,同时接收调度中心下达的命令并执行。

  3结语:

  LNG气化站的安全设计是正常运行的前提,必须在熟悉LNG特性的前提下做好运行风险评估,为安全设计提供依据,进而为施工和运行提供可靠的指导。