液化天然氣接收站安全分析

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液化天然氣接收站在卸船、接收、儲存及氣化過程中影響安全的主要因素是火災爆炸，次要因素包括低溫凍傷、噪聲、觸電及機械傷害等。

一、LNG的泄漏

液化天然氣生產過程中發生的火災爆炸或低溫凍傷等安全事故多因LNG泄漏(或溢出)引起，LNG泄漏能使現場的人員處于非常危險的境地。這些危害包括低溫灼燒、凍傷、體溫降低、肺部傷害、窒息等。當蒸氣云團被點燃發生火災時，熱輻射也將對人體造成傷害。如果系統或設備發生LNG溢出或泄漏，LNG在短時間內將產生大量的蒸氣。與空氣形成可燃的混合物，并將很快擴散到下風處。于是，產生LNG溢出的附近區域均存在發生火災的危險性。

LNG蒸氣受熱以后，密度小于空氣，有利于快速擴散到高空大氣中。蒸氣擴散的距離與初始溢出的數量、持續的時間、風速和風向、地形，以及大氣的溫度和濕度有關。從對LNG溢出的研究表明：風速比較高時，能很快地驅散LNG蒸氣云團；風速較低(或無風)時，蒸氣云團主要聚集在泄漏點附近。移動的蒸氣云團容易產生燃燒的區域，主要是在可見氣團的周圍，因為這些區域內的部分混合氣體處于燃燒范圍之內。

LNG泄漏屬于一種比較嚴重的事故，由設備的損壞或操作失誤等原因引起。正確評估LNG的溢出以及蒸氣云的產生與擴散，是有關安全的一個重要問題。溢出的LNG蒸發速度非常快，形成大量的蒸氣云。蒸氣云將四處擴散，比較危險的情況是遇到火源產生火災。因為蒸氣的數量多，溢出的LNG能不斷地蒸發和擴散。在蒸氣擴散的過程中，如果遇到有風的情況，火災可能迅速蔓延。而且火災本身也能產生強勁的空氣對流。因此，在考慮人員和設備的安全問題時，應重視風和火相互作用的影響。最危險的情況是由于燃燒產生強烈的空氣對流，能對LNG設備造成進一步的損壞，擴大事故的嚴重性。

(一) LNG泄漏危害分析

LNG的泄漏可以分為泄漏到地面和水面兩種情況。

1. LNG泄漏到地面

主要是指陸地上的LNG系統，因設備或操作原因，使LNG泄漏到地面。由于LNG與地面之間存在較大的溫差，LNG將吸收地面的熱量迅速氣化。這是一個非常快速的氣化過程，初期的氣化率很高，只有當土壤中的水分被凍結以后，土壤傳遞給LNG的熱量逐漸地減少，氣化速率才開始下降。另外，周圍空氣的傳導和對流，以及太陽輻射也會增加LNG的氣化速率。在考慮系統或設施的安全性問題時，應考慮兩方面的問題：首先是設備本身，在萬一發生泄漏的情況下，設備周圍應具備有限制LNG擴散的設施(圍堰或蓄液池)，應使LNG影響的范圍盡可能縮小；其次是LNG溢出后，抑制氣體發生的速率及影響的范圍。

圍堰是用于液化天然氣儲罐發生泄漏時，防止LNG擴散的設施。圍堰內的容積應足夠容納儲罐內的液態天然氣。在某些設計中，則在儲罐周圍的地面采用低熱導率的材料，如用具有隔熱作用的水泥圍起來，以減少蒸發的速率。另一種減少蒸發速率的安全措施是圍繞圍堰，安裝有固定的泡沫發生器，在發生LNG溢出時，泡沫發生器噴出泡沫，泡沫覆蓋在圍堰中的LNG上面，可以減少來自空氣的熱量，降低LNG蒸氣產生的速率。目前有一些新的設計理念，儲罐周圍不設圍堰。LNG儲罐安裝在一鋼筋混凝土的撲殼內，內罐通常使用9Ni鋼制造。如果內罐發生溢出或泄漏，泄漏的液體包含在水泥外殼的內部，液體表面暴露于空氣的面積相對很小，氣體產生的速度比LNG在圍堰內要小得多。

比較危險的是LNG氣體在飄散的過程中，可能在途中遇到點火源，然后產生燃燒，火焰順著蒸氣云往回蔓延到蒸氣發生點，對設施具有潛在的毀壞作用。

2. LNG泄漏到水面

LNG在水面上產生溢出時，水面會產生強烈的擾動，并形成少量的冰。氣化的情況與LNG泄漏到地面差不多，當然，溢出到水面的蒸發速度要快得多。而且水是一個無限大的熱源，水的流動性為LNG的氣化提供了穩定的熱量。有關的LNG工業機構和航運安全代理機構，對LNG在水上泄漏的情況進行了深入地研究。根據有關的報道，LNG泄漏到水面的蒸發速率0.181kg/(m²·s)，基本上不受時間的影響。

LNG泄漏到水面上，最重要的安全問題是蒸氣云的形成和引起火災的可能性。在空曠的地方，LNG產生的蒸氣云一般不會產生爆炸，但有可能引起燃燒和快速蔓延的火災。蒸氣云產生以后，主要有兩個方面的問題：一是蒸氣云隨著風向的擴散，如果在下風方向存在高溫熱源或火源，就有可能點燃這些可燃氣體的云團；二是天然氣云團被點燃后，火焰的擴散及火焰產生的熱流將點燃飄逸的天然氣云團。

蒸氣云團在大氣中的擴散是個令人關注的問題。一旦發生類似的事故以后，需要利用氣象學方面的技術，對可能擴散到的區域提前進行預報，預先采取防火和防空氣污染的措施。表6-5列出了LNG和液氮在水面的蒸發量和熱流范圍。

表6-5 LNG和液氮在水面的蒸發量和熱流范圍

蒸發條件	蒸發率[kg/(m²·s)]		熱流密度/(10³W/m²)
蒸發條件	最大值	平均值	最大值	平均值
LNG水面蒸發	0.229～0.303	0.146～0.195	132.5～176.6	84.9～113.3
LNG冰上蒸發	0.332～0.732	0.171～0.190	192.4～328.1	99.1～123.0
液氮水面蒸發	0.11～0.342	0.063～0.171	30.3～68.1	12.62～34.1

(二) LNG泄漏后的蒸氣擴散

對LNG的泄漏，希望能夠預測LNG蒸氣量與溢出距離和溢出時間的函數關系。這樣可以通過用溢出的流量和時間來預測可能產生危險的區域。

預測首先要估計溢出發生時產生的蒸氣量，有突然溢出和逐步溢出之分。突然溢出后，LNG的蒸發速率隨著時間的增加而減少。逐步溢出的LNG則像在溢出到沒有限制的水面上一樣，蒸發很快。特別要考慮溫度較低的蒸氣，因密度比空氣大，流出圍堰后會四處彌散。LNG蒸氣充滿圍堰后，然后會流出圍堰，所需的時間要等于或大于達到穩定蒸發的時間。蒸氣在達到穩定蒸發后流出圍堰區。蒸氣也有可能在充滿圍堰前，密度就已經減小，能上升擴散到空氣中，這是比較理想的情況。

泄漏后蒸氣量與泄漏距離和溢出時間的關系由LNG蒸氣的產生速率、圍堰等限制建筑的結構形式、大氣條件，包括風速、垂直溫度梯度及濕度等決定。

LNG蒸氣的擴散與空氣流動的情況有關。無風條件下的擴散，比較重的LNG蒸氣受熱上升前，只有少量的LNG蒸氣與空氣混合。蒸氣從與之接觸的地面、太陽輻射中獲取能量，同時冷凝和凍結大氣中的水分。濕空氣形成了可見的蒸氣團。在無風條件下模擬LNG蒸氣擴散的數學模型顯示：高含量的LNG蒸氣聚集在溢出點附近，隨后由于溫度上升，密度減小，空氣的浮力作用使之擴散。溢出流量比較小的情況下，蒸氣逐漸擴散和消失，而溢出流量很大時，蒸氣擴散越來越嚴重。當蒸氣受熱后，開始上升，在上升過程中與空氣混合。有風的條件下擴散時，LNG蒸氣團被流動的空氣帶走，向下風方向移動。空氣將LNG蒸氣從溢出處帶走的過程很復雜。在大氣中，空氣與溫度很低的LNG蒸氣混合，以及LNG蒸氣被空氣加熱和混合氣體變輕的過程也是很復雜的，和風速、垂直溫度梯度、障礙物情況有關。雖然過程比較復雜，但也可以用數學模型來模擬。有些研究人員用數學模型模擬了大型圍堰區LNG溢出后，產生的蒸氣順風擴散的情況。同樣，在水面上的無限制泄漏的情況也可以模擬。風速和垂直溫度梯度的共同作用，影響LNG蒸氣的水平和垂直的擴散。LNG蒸氣在擴散的過程中，溫度倒置(指空氣上部的溫度比靠近地面的溫度高)，較低的風速將使混合過程變慢，并增加順風方向的漂移距離。

(三) LNG泄漏的預防

焊縫、閥門、法蘭和與儲罐壁連接的管路等，是LNG容易產生泄漏的地方。當LNG從系統中泄漏出來時，冷流體將周圍的空氣冷卻至露點以下，形成可見霧團。通過可見的蒸氣云團可以觀測和判斷有LNG的泄漏。

當發現泄漏后，應當迅速判斷裝置是否需要立即停機，還是在不停機的情況下可將泄漏處隔離和修復，事先應當制定評估泄漏的標準并決定相應的措施。另外，安全規程中必須防止人員接近泄漏的流體或冷蒸氣，并盡量減少蒸氣接近火源。工廠應當安裝柵欄、警告標志、可燃氣體檢測器等設備。

1. 管路閥門的泄漏

閥門是比較容易漏泄的部件。雖然LNG系統的閥門都是根據低溫憊件設計的，但當系統在工作溫度下被冷卻后，金屬部分會產生嚴重的收縮，管路閥門可能產生泄漏。需要充分考慮這種泄漏的可能性應對措施，并安裝必需的設備。另外，為了在冷卻過程中操作調節這些部件，應當準備相應的工具和服裝。總之，暴露在外部的LNG設備上的閥門，可以通過閥門上異常結霜來判斷是否出現泄漏。日常的檢測可以有效地防止液體的泄漏。

2. 輸送軟管和連接處的泄漏

LNG從容器向外輸送時，LNG在管路中流動，并有蒸氣回流。由于溫度很低，造成管路螺紋或法蘭連接處的泄漏。在使用軟管輸送LNG的情況下，軟管本身也可能產生泄漏。柔軟的軟管必須通過相關標準的壓力測試，并在使用前對每根管路進行檢查，盡量減少泄漏發生的可能性。

當輸送管萬一發生泄漏時，應當采取適當的措施將泄漏處堵住，或切斷輸送，更換泄漏部件。同時，個人安全保護和防止蒸氣點燃等措施也要同時啟動。

3. 氣相管路的泄漏

在天然氣液化、存儲、氣化等流程中，液化流程使用的制冷劑也有可能產生泄漏。連接液化部分和儲罐的管路。、氣體回流管路及氣化環路都可能產生漏泄。當氣化器及其控制系統出現故障時，冷氣體和液體會進入普通溫度下運行的管路，造成設備的損壞，此時應當采取預防措施，使其能夠迅速隔離產生泄漏的管路和氣化器，同時采取緊急控制措施，阻止液體繼續流入氣化器。

冷氣體的泄漏主要發生在焊縫、閥門、法蘭、接頭和容器與管路的連接處。在一個封閉空間中，大量的泄漏有可能使工作人員產生窒息的危險。

當冷氣體泄漏后，應當像處理液體泄漏一樣采取應對措施。這些措施包括：關閉系統、隔絕泄漏區域、保護人身安全、隔離火源并盡快將蒸氣云團驅散。

在離火源很近的區域(如使用燃燒設備的氣化器)，應當設置快速關閉系統。除了安裝自動裝置防止冷氣體或液體進入外輸管路系統外，氣化器還應當安裝可燃氣體檢測器、燃燒傳感器、自動干粉滅火器等設備。

(四) LNG泄漏的控制

如果LNG蒸氣在室內發生泄漏，通風和消除點火源是首要的措施。LNG工廠中使用通風機連續的通風，將LNG蒸氣排出。除了引出蒸氣外，風機可以使蒸氣與周圍的空氣加速混合，因此促進了蒸氣團的受熱與擴散。在封閉區域，當使用CO₂滅火系統進行滅火時，要關閉通風的風機。維護結構和溢流通道可以抑制蒸氣的擴散。LNG溢出如果發生，應該首先控制溢出的液體和閃蒸的蒸氣，控制LNG液體的遷移和抑制已點燃的火源的擴散。維護結構和溢流通道的設計，由溢流區域和溢流產生危險的可能性來確定。

當LNG蒸氣云團中沒有點火源，操作人員和設備只有被低溫液體損害的危險，這是比較理想的情況。如果LNG流到未包復防護材料的設備或構件表面，將快速氣化。LNG在表面流動幾分鐘，物體被冷卻以后，LNG的蒸發率會有所降低。

還可以采用混凝土或泥土等材料建造圍堰，或修成溝渠，或其他形式的防護結構，將溢出的LNG限制在一定的范圍內，不讓其任意流淌，可以大幅度地減少LNG的蒸發。

溢出的LNG被限制在圍堰或溝渠之內，減小暴露的LNG表面與空氣的對流換熱，也可以降低蒸發量。采用高膨脹率泡沫滅火劑噴灑到LNG液面，使LNG的液面與空氣隔離，能有效地降低LNG表面的氣化率。LNG的氣化速度降低，可以減小可燃氣體覆蓋的范圍。然而，采用這些方法以后，也將延長LNG存在的時間。根據溢出的LNG是否靠近火源和是否會產生一些潛在的低溫傷害等因素，綜合考慮是否有必要采用泡沫滅火劑。

在少數場合，溢出的LNG數量較多的情況下，如果周圍是比較安全的地帶，也許有必要特意將它們點燃，使它們快速氣化。當然需要分析清楚短期加速氣化和長期緩慢氣化不同的危險性。