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LNG气化站的消防安全设计


LNG 气化站的消防安全设计
林帅(辽宁科技大学土木工程学院,鞍山,114051) 摘要:随着经济的迅猛发展,人们生活水平在不断提高,对燃气行业的要求也越 来越高。近几年来,一种新型燃气一液化天然气(以下简称LNG)正在迅速应用于 生活、工业、汽车燃气等各个行业。本文介绍了LNG的基本特性及危险性,分析 了LNG消防安全中存在的问题,从设计标准、总平面布局、建筑结构、防火间距、 围堰区、LNG储罐、气化器、LNG输送管道、消防系统、电气防火、消防站等方面 论述了LNG气化站的消防设计方案。 关键词:LNG,安全设计,消防系统

Fire safety design of LNG vaporizing station
Lin Shuai ( Liaoning University School of Civil Engineering, Science and Technology, Anshan, 114,051 ) Abstract:With the rapid economic development, people's living standards are rising and increasingly higher requirements for the gas industry. In recent years, a new type of gas under one year of liquefied natural gas LNG is rapidly applied for short life, industrial, automotive, gas, and other industries. This article describes basic characteristics and risks of LNG, analysis of problems in the fire safety of LNG, and Fire design addresses the LNG vaporizing station from the design standard spacing, general layout, building structures, fire, cofferdams, LNG storage tanks, gasification, LNG pipeline, fire systems, electric fire protection, fire stations and other areas. Tags : LNG, security design, fire protection system

0 引言
伴随我国经济的迅速发展和人民生活水平的日益提高,以及能源和环境问题 日益突出, 城市燃气供应出现了一些新变化和新趋势,液化天然气的推广与普及 就是其中之一。 这一新变化在改善人民生活的同时也对消防监督工作提出了新的 问题和挑战。 如何更好地完善液化天然气供应的消防安全监督,直接关系到人民 生命财产安全,是我国消防监督领域的重要课题。

1 LNG的特性
1.1 LNG的基本特性 1.1.1 LNG的组成 LNG主要成分为甲烷,另外还含有少量的乙烷、丙烷、N2,及其他天然气中 通常含有的物质。不同工厂生产的LNG具有不同的组分,主要取决于生产工艺和 气源组分,按照欧洲标准ENll60的规定,LNG的甲烷含量应高于75%,氮含量应 低于5%。尽管LNG的主要组成是甲烷,但不能认为LNG等同于纯甲烷,对它的特 性的分析和判断, 在工程实践中大都要用气体处理软件(工艺包)进行计算,以得 出符合实际的结果。常用的计算软件有HYSIM和PROCESSⅡ等。[1] 1.1.2 LNG的特性 1.密度

LNG的密度取决于其组分,通常为430~470 kg/m3,甲烷含量越高,密度越 小; 密度还是液体温度的函数, 温度越高, 密度越小, 变化的梯度为1.35kg/m3· ℃。 LNG的密度可直接测量,但一般都通过气体色谱仪分析的组分结果计算出密度, 该方法可参见ISO 6578。[1] 2.温度 LNG的沸腾温度也取决于其组分,在大气压力温下度通常为-166~-157℃, 在一般资料上介绍的一162.15℃是指纯甲烷的沸腾温度。 沸腾温度随蒸气压力的 -4 变化梯度为1.25×10 ℃/Pa, LNG的温度通常用铜/铜镍热电偶或铂电阻温度计 [1] 进行测量,参见ISO 8310。 3.LNG的蒸发 LNG贮存在绝热储罐中,任何热量渗漏到罐中,都会导致一定量的液体气化 为气体, 这种气体就叫做蒸发气。 蒸发气的组成取决于液体的组成, 一般地, LNG 蒸发气含有20%的N2,80%的甲烷及微量的乙烷,蒸发气中N。的含量可达到LNG 中N。含量的20倍。对于纯甲烷而言,低于一113℃的蒸发气密度比空气重,对于 含有20%氮的甲烷而言,低于一80℃的蒸发气密度比空气重。[1] 4.LNG的溢出与扩散 LNG倾倒至地面上时,最初会猛烈沸腾蒸发,然后蒸发率将迅速衰减至一个 固定值,蒸发气体沿地面形成一个层流,从环境中吸收热量逐渐上升和扩散,同 时将周围的环境空气冷却至露点以下,形成一个可见的云团,可作为蒸发气体移 动方向的指南, 也可作为气体空气混合物可燃性的指示。蒸气云团扩散是一个复 杂的问题,通常采用EVANUM和EOLE模型来计算蒸气云团扩散的安全距离。 5.LNG的燃烧与爆炸 LNG具有天然气的易燃易爆特性,在一162℃的低温条件下,其燃烧范围为 6%~13%(体积百分比); LNG着火温度随组分的变化而变化,重烃含量的增加使 着火温度降低,纯甲烷着火温度为650℃。[1] 熟悉理解LNG的基本特性, 有利于正确认识来自LNG的危险和进行人身安全防 护。 1.2 LNG的危险性 1.2.1 LNG的储存 危险与LNG处于沸腾(或接近于沸腾)状态有关。在LNG贮槽中,LNG处于沸腾 状态,在LNG工厂的一些管道及液化工段末端,它接近于沸腾状态,外来的热量 传入会导致气化使压力超高,致使安全阀打开或造成更大的破坏。 翻滚:由于贮槽中LNG不同的组成和密度引起分层,两层之间进行传质和传 热,最终完成混合,同时在液层表面进行蒸发。此蒸发过程吸收上层液体的热量 使下层液体处于过热状态。 当两层液体的密度接近相等时就会突然迅速混合而在 短时间内产生大量气体,使储罐内压力急剧上升,甚至顶开安全阀。 为避免这种危险,应采取特殊处理的方法:①轻LNG从槽底进料,或重LNG 从槽顶进料, 或两者结合使用; ②在槽内安装一自动密度仪以检测不同密度的层; ③用槽内泵使液体从底至顶循环;④保持LNG的含氮量低于1%,并且密切监测气 化速率。 1.2.2 低温冻伤 由于LNG是一162℃的深冷液体, 皮肤直接与低温物体表面接触会产生严重的 伤害。直接接触时,皮肤表面的潮气会凝结,并粘在低温物体表面上。皮肤及皮 肤以下组织冻结,很容易撕裂,并留下伤口。粘接后,可用加热的方法使皮肉解

冻,然后再揭开。这时如硬将皮肤从低温表面撕开,就会将这部分皮肤撕裂,所 以当戴湿手套工作时应特别注意。 低温液体黏度较低, 它们会比其他液体(如水)更快地渗进纺织物或其他多孔 的衣料里去。 在处理与低温液体或蒸汽相接触或接触过的任何东西时,都应戴上 无吸收性的手套(PVC或皮革制成),手套应宽松,这样如发生液体溅到手套上或 渗入手套里面时,就可容易地将手套脱下。如有可能发生激烈的喷射或飞溅,应 使用面罩或护目镜来保护眼睛。 1.2.3 LNG的泄露 由于低温操作, 金属部件会出现明显的收缩,在管道系统的任何部位尤其是 焊缝、阀门、法兰、管件、密封及裂缝处,都可能出现泄漏和沸腾蒸发,如果不 及时封闭这些蒸气,它就会逐渐上浮,且扩散较远,容易遇到潜在的火源,十分 危险。可以采用围堰和天然屏障对比空气重的低温蒸气进行拦截。 1.2.4 低温麻醉 没有充分保护措施,人在低于10℃下待久后,就会有低温麻醉的危险产生, 随着体温下降生理功能和智力活动都下降, 心脏功能衰竭, 进一步下降会致死亡。 对明显受到体温过低影响的人,应迅速从寒冷地带转移并用热水洗浴使体温恢 复,不应该用干热的方法提升体温。 1.2.5 窒息 呼吸LNG低温蒸气有损健康,短时间内,导致呼吸困难,时间一长,就会产 生严重的后果。虽然LNG蒸气没有毒,但其中的氧含量低,容易使人窒息。如果 吸入纯净LNG蒸气而不迅速脱离,很快就会失去知觉,几分钟后便死亡。当空气 中的氧含量逐渐降低,操作人员没有一点感觉,也没有任何警示。等意识到,则 为时已晚。 窒息共分为以下4种情况。[1] 1)第1种情况:含氧量14%~21%(体积含量,下同),呼吸、脉搏加快,并 伴有肌肉抽搐。 2)第2种情况:含氧量10%~14%,出现幻觉、易疲劳,对疼痛反应迟钝。 3)第3种情况:含氧量6%~10%,出现恶心、呕吐、昏倒,永久性脑损伤。 4)第4种情况:含氧量低于6%,出现痉挛、呼吸停止,死亡。 通常,含氧量10%是人体不出现永久性损伤的最低限。相对应,正常空气中 含52.4%的甲烷,其氧含量是10%。因此,敬告大家不要进入LNG蒸气中。[1] 1.2.6 爆炸 LNG蒸气的爆炸极限较宽, 如果泄漏地点在相对封闭空间,或空气流通不畅, 容易形成爆炸性混合气体引起爆炸事故。 在LNG泄漏遇到水的情况下(例如集液池 中的雨水),水与LNG之间有非常高的热传递速率,LNG将激烈地沸腾并伴随大的 响声、喷出水雾,导致LNG蒸气爆炸。这个现象类似水落在一块烧红的钢板上发 生的情况,可使水立即蒸发,为避免这种危险,应定期排放集液池中的雨水。 1.2.7 火灾 LNG蒸气的点火能较小,仅为0.33 mJ。如果LNG泄漏后,可燃蒸气云遇到点 火源,立即就会形成池火(pool fires)火灾。如果LNG泄漏溢出后,没有被迅速 点燃,挥发出的LNG蒸气云可以飘到很远的地方,遇到点火源也将燃烧,而且往 往会回燃至泄漏点引起池火。许多专家认为池火是LNG最严重的危险,其热辐射 会对相当远距离的人和设施造成损害。这种火灾的燃烧范围、火焰高度及破坏性 与LNG泄漏量、泄漏率、周边环境及气候等情况有关。据国外相关模拟试验,大

规模LNG泄漏火灾的热辐射会对周边500~2000m范围的人员安全造成影响。 另外, 火灾产生的热量与LNG的超低温交替,容易对LNG贮存、运输装备产生二次损害。
[2]

2 我国LNG消防安全中存在的问题
虽然我国LNG规划开始较早, 但整体而言还处于起步阶段, 各项规范和法律 还不够健全。而另一方面,近年来我国LNG需求迅速增长,LNG安全监管迫在 眉睫。不健全的规范和急需的安全监管之间的矛盾对LNG 日常监督检查带来了 挑战。综合LNG监督方面的实践,我国LNG消防安全中存在如下较为突出的问 题。 (1)我国尚未健全液化天然气消防法规体系,无法适应液化天然气快速增长 的现实。在能源与环境问题突出的今天,LNG以其自身的特点,成为我国城市能 源的新亮点。从目前情况看,我国LNG使用增长迅速,许多主要城市已经建立了 多个LNG储存和供应站,而且未来伴随相关规划的实施,我国LNG的使用将持 续增长。然而,与LNG快速增长的事实不同,我国LNG消防规范建设明显落后。 目前, 我国不但尚未建立LNG消防规范体系, 而且至今还未公布液化天然气的专 项规范,LNG消防法规主要散见于不同规范之中。 尽管从总体上看,我国LNG处于起步阶段,但其发展趋势已经较为明朗,而 且国外LNG消防研究已经较为成熟, 如果我国能借鉴国外相关研究成果, 未雨绸 缪提前建立LNG消防法规体系,规范LNG的发展,将减少许多后续问题。 (2)已有液化天然气消防规范过于简单,无法适应液化天然气消防监督的需 要。为了适应LNG发展的迫切需要,《燃气规范》将LNG独立成章,从而使得 《燃气规范》成为LNG消防安全监督的主要依据。但就《燃气规范》而言,其表 述相对较为简单, 使用范围也较小, 较难适应LNG消防监督的需要。 《燃气规范》 中第9章对LNG供应进行了规定,但规定仅适用于总储存容积不大于2 000 m3的 城镇LNG供应站。规范中包括LNG气化站、瓶组气化站、管道附件、消防设施 和土建等五个方面,而且每一部分仅对供应站选址、内外部间距、站内布置、主 要设施和建筑要求等主要项目进行了规定,但总体而言其规定相对较为简单。反 观国外LNG规范,其考虑非常全面、内容详实具体。以美国NFPA 59M液化天然 气生产、 储存和装运标准》 为例, 规范共分为12个部分, 分别对厂址和平面布置、 工艺设计、固定式LNG储罐、气化设施、管道系统和组件、仪表及电气设备、 LNG和制冷剂的转运、防火安全和保安、采用固定式ASME储罐的选择要求、操 作维护和人员培训等方面做了详细的规定和解释。该规范中不仅对选址、设施、 设备规定有详细的计算方法和图解分析(表1为NFPA 59A对设计溢出的规定),而 且也对可能出现的危险情况的防护进行了严格的规定, 甚至对主要设施的标示进 行了明确的要求。 LNG消防安全监督检查是一项十分细致的操作性很强的工作, 在城市快速发 展的今天,消防安全监督面临的环境更为复杂,经常出现许多意想不到的问题。 这就客观上要求消防法规设计的详细和周密, 特别是需要一些原则性的规定和基 本的测算方法,以适应千变万化的现实需要。

(3)缺乏过渡机制和规定,已有液化天然气设施与新规范之间的衔接存在困 难。从发展角度来看,我国LNG的前期发展基本呈现“先试点,后推广;先发展、 后规范”的路径,即先在个别地区进行试点,再进行全面推广,同时LNG发展超 前于相关规范的建设。诚然,上述LNG发展路径是现实发展的需要,但同时也对 消防安全监督提出了挑战。早在《燃气规范》修编之前,许多城市已经建设了若 干LNG设施进行试点,而且部分设施已经建成并试运行。目前,《燃气规范》并 未对规范之前建设的LNG设施进行说明,“参照美国NFPA59A标准”和“考虑 到LNG气化站在我国尚处于初期阶段,采用与LPG(液化石油气)气化站基本相同 的防火间距和消防设施也是适宜的”成为了解决问题的主要依据。然而,现实情 况较为复杂, 特别是由于先于规范建设, 部分已有LNG设施在选址和后期建设中 均存在一定问题, 一些问题较难通过上述规定进行解决。如何以最小成本使已有 LNG设施适合新规范的要求, 最大限度减少消防安全隐患, 是现阶段消防安全监 督的重要课题之一。同时,对于新事物的产生,建立试点是必然选择,但如何在 后期规范建设中建立合理的过渡机制也是相应法规建设的重要内容之一。 (4)部分单位对液化天然气的消防安全的重视程度不够,安全意识较为淡薄。 如前所述, LNG在物理特性上确实相对较为安全, 同时其火灾危险性也较易识别, 但同时LNG同样属于危险品, 在特定的条件下极易发生火灾和爆炸, 特别是由于 其自身特点,LNG火灾和爆炸的危害性极大、波及面很广。以可燃蒸气云为例, 借助风力的作用,可燃蒸气云可以漂浮到很远的区域,引起周边地区火灾,危害 不容小视,国外LNG事故的例子充分说明了其危险性。此外,由于城市是LNG 的主要使用区域,许多LNG建设于城市之内或周边地区,加之LNG火灾波及面 广的特性,必然增加了LNG事故的破坏性。在日常的消防安全监督检查中,部分 单位对LNG的特性认识方面存在偏差, 过多强调了LNG的物理安全性, 而对LNG 事故的危害性重视不足。基于上述思想,部分单位LNG消防安全意识不足,主要 表现为规章制度不完善, 对一线员工培训不足,缺乏相应的应急预案和突发事故 处理机制等。 LNG是一种危险性较高的燃料, 其安全需要硬件设施的保障, 也需要软件设 施的完善。 在硬件设施逐渐完善的今天, 提高软件的水平是LNG消防安全的重要 内容,美国能源经济中心将“操作事故”列为LNG事故的四大因素之一,也充分 说明了以人员和制度为代表的软件设施对LNG消防安全的重要性。

3 LNG气化站的安全设计

3.1 设计标准 3.1.1 目前国内相关规范 (1) 《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》 (GB/T20368-2006) (2) 《液化天然气的一般特性》GB/T 19204-2003 (3) 《石油天然气工程设计防火规范》GB 50183-2004 (4) 《石油化工企业设计防火规范》GB 50160-2008 (5) 《建筑灭火器配置设计规范》GB50140-2005 (6) 《建筑设计防火规范》GB50016-2006 (7) 《水喷雾灭火系统设计规范》GB 50219-95 (8) 《自动喷水灭火系统设计规范》GB 50084-2001(2005 年版) (9) 《固定消防炮灭火系统设计规范》GB 50338-2003 (10) 《干粉灭火系统设计规范》GB 50347-2004 (11) 《高倍数、中倍数泡沫灭火系统设计规范》GB 50196-93(2002年版) (12) 《气体灭火系统设计规范》GB50370-2005 3.1.2 国际通用的标准 (1)NFPA 59A 《LNG 生产储存和运输标准》 ; (2)EN1473 《LNG 设备与安装》 ; (3)NFPA 11A 《中、高倍数泡沫消防系统》 ; (4)NFPA 15 《固定式水喷雾灭火系统》 ; (5)NFPA 17 《干粉消防系统》 。 3.2 总平面布局 站址选择及总平面布置均参照“石化规”有关要求执行。 3.2.1 站址选择 站址选择一方面要从城市的总体规划和合理布局出发, 另一方面也应从有利 生产、方便运输、保护环境着眼。 1)站址应选在城镇和居民区的全年最小风向的上风侧。 2)考虑气化站的供电、供水和电话通信网络等各种条件,站址选在城市边缘 为宜。 3)站址至少要有一条全天候的汽车公路。 4)气化站应避开油库、桥梁、铁路枢纽站、飞机场等重要战略目标。 5)站址不应受洪水和山洪的淹灌和冲刷,站址标高应高出历年最高洪水位 0.5m以上。 6)应考虑站址的地址条件,避免在滑坡、溶洞、塌方、断层、淤泥等不良地 质条件的地区,站址的土壤耐压力一般不低于0.15MPa。 7)站内应平坦,通风良好,便于LNG的扩散 8)应避开地震带、地基沉陷,废弃矿井等地段 3.2.2 总平面布置 LNG储配站应采用分区布置, 站内应分为生产区和生产辅助区。 生产区包括: LNG储罐区、 工艺装置区及放散装置等区域; 生产辅助区包括: 综合用房控制室、 消防水泵房、消防水池、锅炉房、变配电室等。同时,应符合以下要求:①生产 区和生产辅助区之间应设围墙进行分隔;②生产区四周应设环形消防车道;③储 罐区和设施四周应设围堰, 围堰区内的有效容积不应小于围堰内一个最大储罐容 积;④站区四周应设置高度不低于2.2 m的实体围墙。 3.3 建筑结构(耐火等级)

站内建构物均应按《建筑设计防火规范》进行设计,其耐火等级、层数、长 度、 占地面积、 防火间距、 防爆及安全疏散均按规范要求进行设计; 建构筑物墙、 楼板、柱、梁、吊顶的选材和结构均需满足规范规定的强度、耐火、防爆要求。 建构筑物及重要设备的联合平台,均应设置两个以上的安全疏散口;生产装置内 的承重钢框架、支座、裙座、管架等按规范要求涂覆耐火保护层,耐火层的耐火 极限不低于1.5小时。由于LNG的特殊性质,站内建构筑物及重要设备支架除应 满足相应的耐火等级外,还要满足抗冷性能。特别是储罐基础、防火堤及挡液堤 必须能承受一1450C以下的低温。 3.4 防火间距 关于LNG储配站的防火间距问题应依据GB 50028—2006和GB 50183—2004 综合进行考虑,具体如下: (1)总容量小于等于2 000 m3时,可依据GB 50028—2006的规定,LNG储配站 的储罐与站外及站内建、构筑物的防火间距应不小于表2、表3的要求。

(2)当液化天然气储罐总容积大于2000m?而小于3000m?时[6],可依据GB 50183—2004,LNG储罐与站外建、构筑物的间距应不小于表4的要求。储罐与站 内主要建、构筑物的间距,可参照GB50183—2004第5.2.1条有关规定液化石油气 储罐的要求来确定。

(3)当液化天然气储存总量大于3 000 m?时。GB 50183—2004给出了以下原 则: ①液化天然气储存总量大于或等于30000 m?与居住区、 公共福利设施的距离 应大于0.5 km。②液化天然气储存总量3000~30000 m?之间时,应根据对现场条 件、设施安全防护程度的评价确定。【6】 (4)上述条款对储量在3000~30000m?之间的液化天然气储配站的防火间距 无定量规定,在具体执行中操作性不强,特别是一些刚超过3000m?储配站在设 计时就会出现许多困难。那么能否参考规范中关于液化石油气(LPG)站防火间距 的规定,我们进行以下分析,具体见表5。【6】

从表4中可看出,在同样条件下,LNG和LPG相比较为安全。规范中对储量 不大于3000m?时,参照的防火间距是液化石油气站的防火间距。液化天然气和 液化石油气火灾危险特性和危险程度有所不同, 目前国内许多已建成液化天然气 储配站储量大于3000m?(如西安)其防火间距确定时, 都参照规范中关于液化石油 气的防火间距规定。因此,通过对比分析,对储存总量大于3000m?的液化天然

气储配站,其防火间距参照GB 50183—2004中关于液化石油气的防火间距规定 是可行的。 3.5 围堰区 围堰区是指用压实土、 混凝土、 金属等耐低温材料在LNG储罐周围建造的堤 防、 护墙或排液系统所围成的区域。其作用是当LNG泄漏或溢出时,将可燃液 体限制在围堰区内, 防止进一步扩散; 当发生火灾时, 阻止火焰向四周蔓延。 因此,确定围堰区容积时应考虑LNG储罐总容积、冬季积雪或其他原因导致围堰 区蓄液能力下降等多方面因素。 3.6 LNG储罐 LNG储罐按结构形式可分为地下储罐、 地上金属储罐和金属. 预应力混凝土 储罐3类,地上LNG储罐又分为金属子母罐和金属单罐2种。LNG气化站采用何 种储罐, 主要决定于其储存量。 储存量为l200~5000m?时可采用金属子母储罐带 压储存和常压罐储存。储存量为1200m3以下的城市LNG气化站,基本采用金属 单罐带压储存。【7、11】 3.6.1 LNG储罐的安全措施 1、根据储罐容积合理确定安全间距,见表6。[7] 表6 围堰墙与站区围墙之间、储罐之间的水平净距

2、为保证储罐及其连接部件在LNG及其冷蒸汽温度下能正常工作,储罐材料必 须满足低温性能要求。暴露的储罐隔热层应防火、阻燃、阻蒸汽、防水,且在消 防水的冲击力作用下不会移动。 储罐内外筒之间填充的不可燃隔热材料不仅要适 应LNG及冷蒸汽的性质, 而且当外筒遇火灾事故时, 能确保内筒材料的导热性能 稳定。 3、合理设计、配置阀门等附件,主要包括: a.储罐进液系统设顶部、底部两个进液阀。当充注液体与储罐中原有液体物 理性质有差异时,通过不同部位的进液,减少混合液体分层的可能性,减少事故 发生率。 b.设置足够数量的安全阀,安全阀与罐体之间设手动截止阀,保证储罐工作 压力在允许范围内。内筒设安全放空阀,连通火炬。外筒泄压装置将放空气体引 至放空火炬。

c.每个储罐的液相管上设2个紧急切断阀,发生意外事故时切断储罐与外界 的连通,防止罐内LNG泄露。 d.每个储罐设2套相互独立的液位测量装置。在储罐真空夹层套层设压力仪 表,测量压力是否在合理的范围内。 e.多台储罐之间隔离阀的操作水平净距至少为0.9m。 f.储罐投入运行时,设温度检测仪,用来监测温度或作为检查和校正液位计 的工具。 4、储罐应当设置一个高液位报警器,使操作人员有足够的时间停止进料。储罐 应设置高液位进料切断装置,它应与全部的控制计量仪表分开设置。 5、为了避免罐内形成空气与天然气的混合气体导致事故,储罐首次充注LNG之 前,或停止使用内部检修后,需要用惰性气体将罐内的空气或天然气置换出来, 进行惰化处理。 6、根据地质、气象等资料,分析发生地震、风灾、雪灾等自然灾害的可能性及 其特征,考虑储罐的抗震和抵御风雪荷载的能力。 3.6.2 LNG漩涡现象的预防 漩涡现象,也称翻滚,通常出现在多组分的液化天然气中,是由于向已装有 LNG的低温储罐中充注新的LNG,或由于LNG中的氮优先蒸发而使储罐内的液 体发生分层而引起。防止发生涡旋现象的方法有:①将不同产地、不同气源的 LNG分开储存,可避免因密度差而引起分层。②根据需储存的LNG与储罐内原 有LNG的密度差异, 选择正确的充注方式。 ⑨使用混合喷嘴和多孔管向储罐中充 注LNG。④检测LNG的蒸发速度,LNG分层会抑制LNG的蒸发速度,使出现涡 旋前的蒸发速度比通常情况下的蒸发速度低。 3.6.3 储罐静态蒸发率 储罐静态蒸发率能较为直观地反映储罐在使用时的绝热性能, 其定义为低温 绝热压力容器在装有大于有效容积的1/2的低温液体时,静止达到热平衡后,24h 内自然蒸发损失的低温液体质量和容器有效容积下低温液体质量的比值。 国家现行标准中没有给出LNG储罐蒸发率的上限标准, 设计时可以参考液氮 的标准。 3.7 气化器 美国标准NFPA59A将气化器分为加热气化器、环境气化器和工艺气化器3 类。气化器安全设计主要有以下2方面内容: 1、保证安全间距 ①除非导热介质不可燃, 否则气化器及其主热源与其他任何火源之间的水平 净距至少为15m,整体加热气化器到围墙的水平净距至少为30m。 ②气化器到LNG、可燃制冷剂或可燃气体储罐的水平净距至少为15m,到控 制大楼、办公室、车间等有人的重要建筑物的水平净距至少为15m。 ③控制大楼、办公室、商店、居民楼等建筑物,布置多个气化器时,各气化 器之间的水平净距至少为1.5m。 2、合理设置阀门等附件,主要包括: ①每台气化器都应设置进口、出口切断阀和安全阀。 ②为防止泄露的LNG进入备用气化器, 可安装两个进口阀门, 并采用安全措 施排空积存在两个阀门之间的LNG或蒸发气体。 ③在与气化器的水平净距为15m的LNG管路上安装切断阀, 该阀门可由现场 操作或远程控制,且有一定保护措施预防阀门凶温度过低而失效。

④在液体管路上设自动控制切断阀,该阀门到气化器的水平净距至少为3m, 且在液体流量过大、设备周围温度异常、气化器出口处温度过低时能自动关闭。 ⑤加热气化器应配备切断电源的装置,可由现场操作或远程控制。 ⑥设置自动装置, 防止LNG或其蒸汽在异常温度下进入输配系统。 这些装置 应与仅用于紧急情况的管路阀门配合使用。 ⑦设置温度检测仪,测量LNG、蒸发气体和加热介质的进口温度。 3.8 LNG管道及管件 LNG管道及管件内、外表面接触的物质温度差较大,设计管道及其支撑结构 时应考虑到大温差和温度变化对材料性能的不良影响。 因此, 对LNG管道包裹防 水、 隔热、 阻燃的隔热层, 对支撑结构采取措施, 防止因传热造成的管道结 冰或支撑钢材脆化。 在液相管道的两个切断阀之间设置安全阀,防止管道超压造成事故。在气相 总管上设紧急放空装置,当误操作或设备超压时,安全阀自动开启,保护气相管 道的安全,降低对管道及管件的破坏程度。 公称直径不大于50mm的管道采用螺纹连接、焊接或法兰连接均可;公称直 径大于50mm的管道采用焊接或法兰连接。除管材不同、设备连接或维修部位等 必要处以外,尽可能少使用螺纹连接和法兰连接。 3.9 消防系统 消防系统安全设计的原则是:尽量切断气源,控制泄漏;对着火罐及邻近罐 和设备进行冷却保护,避免设备超压造成更大灾害;将泄漏的 引至安全地带气 化,避免燃烧扩大。根据这3个原则,消防系统安全设计包括以下几个部分: 3.9.1 分布控制系统 分布控制系统(DCS)用于显示和控制装置的温度、压力、液位、流量等主 要和重要的控制参数。 3.9.2 紧急关闭系统 紧急关闭系统(ESD)与系统相互独立,在装置发生紧急状况时启动,用于隔 离和关断LNG或其他可燃危险物质的来源,并关闭那些如果继续运行可能维持或 加剧灾情的设备。 3.9.3 火灾和泄漏探测报警系统 该系统主要包括:设置在气化器里的碳氢化合物泄漏检测器和设置在大气中 的可燃气体检测器,在气化区、储罐区、外送泵区设置的紫外线或红外线火焰探 测器,在控制室、电气室以及消防泵房设置的烟气检测器以及用来检测LNG是否 泄漏的低温检测器。检测信号均送入 系统,与设定报警值比较。部分重要信号 再送入EDS系统,便于单元设备停机或全站联锁停车。 根据LNG的特殊性质. LNG的泄漏处置是最重要的设施, 美国国家标准NFPA59A 规定:LNG站内应按规范要求设置拦截区.服务于LNG储罐区、装卸区和牛产工艺 区。且LNG和可燃制冷剂龆罐防火堤、拦截墙和泄流系统必须采用压实土、混凝 土、金属等耐低温材料建造。 储罐周围设置防火堤,高度1m。储罐与防火堤的间距按照储罐液位高度减去 防火堤高度汁算。 在储罐防火堤内设置LNG导流沟和集液池,以防泄漏的LNG接触 其他储罐基础。卸车台处另设一集液池.用来收集卸车过程中泄漏的LNG。 所有集液池内的LNG均应采取可靠的保护措施,使其安全气化,避免造成危 险。 3.9.4 消防水系统

消防水系统由消防泵房、消防水池、消防给水管道及消火栓、消防水枪等组 成。水可用来控制LNG产生大火,但不是灭火。如果将水喷到LNG表面,会使LNG 的蒸发率增大,从而使LNG的火势更大。因此,不能用水直接喷淋到LNG或LNG蒸 气上。 用水的目的主要是将尚未着火而火焰有可能经过的地方淋湿,使其不易着 火。 LNG储罐应设置固定喷淋装置和消防水枪(水炮)灭火系统; 当LNG储罐总容量 大于或等于3000m3时,其集液池应配固定式全淹没高倍数泡沫灭火系统;LNG储 罐消防用水量应按储罐的固定喷淋装置、 消防水枪(水炮系统)和泡沫灭火系统用 [6、11] 水量之和计算。具体如下: (1)喷淋装置的供水强度不应小于0.15L/(s·m2),着火储罐的保护面积按其 全表面积计算,距着火储罐直径(卧或储罐按其直径和长度之和的一半)1.5倍范 围的储罐按其表面积的一半计算。 (2)消防水炮、消火栓用水量可按45L/s计算。 (3)消防水池的容量应按火灾连续时间6h计算确定。但总容积应小于220m?且 单罐总容积小于或等于50m?的储罐或储罐区, 消防水池的容量应按火灾连续时间 3h计算确定。 3.9.5 干粉灭火系统 干粉灭火剂是扑灭高压力、 大流量天然气火灾的最有效措施。对泄漏量较少 的火灾,可以用干粉、二氧化碳、卤代烷灭火剂扑灭,灭火后应立即切断气体来 源,阻止气体溢出,否则可能复燃。 3.9.6 泡沫灭火系统 泡沫灭火剂可分为化学泡沫灭火剂、空气泡沫灭火剂、氟蛋白泡沫灭火剂、 水成膜泡沫灭火剂等。LNG气化站常采用高倍数泡沫灭火系统。 采用高倍数泡沫灭火系统覆盖保护储罐区.管道、卸车台泄漏及事故集液池 内的LNG,使其安全气化.避免产生危险。 有条件的站内还可按规范要求设置固定式低倍数泡沫灭火系统。在储罐区、 管道、 卸车台及事故集液池等处没置泡沫管道及管牙接口,并配置一定数量的泡 沫钩枪。也可在储罐、管道、卸车台及重要设备上方设置泡沫喷淋灭火装置。 3.9.7 移动式灭火器材 根据《建筑灭火器配置设计规范》(GB 50140—2005的规定,生产区为严重危险 级场所,设置手提式干粉灭火器和推车式干粉灭火器。控制室、变电室内配置手 提式二氧化碳灭火器, 以保证迅速有效地扑灭初期火灾和零星火灾。进入厂区的 机动车辆应设至少1 个便携式干粉灭火器,其容量不低于9kg。 3.9.8 蒸气灭火系统 按照“石化规”要求在生产工艺装置处设置蒸气消防系统,利用站内锅炉广 1生的高压蒸气.在工艺设备、管道及框架、平台等易泄漏处设有消防蒸气管及 接头,遇有紧急情况时,方便灭火或对设备管道进行保护。 3.9.9 气体灭火系统 在总控制室、自备发电机房、变配电室等封闭牢问内。采用气体自动灭火系 统。 3.10 电气防火 3.10.1 储罐抗震、防雷、防静电设计 3.10.1.1 储罐抗震设计要求 GB 50223--2004《建筑工程抗震设防分类标准》规定,20×104人以上城

镇和抗震设防烈度为8、 9度的县及县级市的主要燃气厂的储气罐,抗震设防类别 划为乙类。美国NFPA59A《液化天然气(LNG)生产、储存和装运标准》(2001年 版)规定, LNG气化站内设施及构筑物的抗震设计应考虑操作基准地震(OBE)和安 全停运地震(SSE)两种级别地震的影响。 操作基准地震(OBE)是指设施在其设计寿 命期内可承受的可能发生的地震,即在该级别地震发生时,设备将保持运行。安 全停运地震(SSE)是指气化站所在地罕见的强烈地震,设施设计应能保存LNG并 防止关键设备出现灾难性故障,不要求设施在发生SSE后保持运行。I,NG罐区防 护墙及其他拦蓄系统的设计至少在空载时能承受SSE级别的荷载,要求在发生 SSE之后,LNG储罐可能会出现故障,但防护墙和其他拦蓄系统必须保持完好。 凡是失效之后可能会影响到LNG储罐完整性的系统和构件, 以及隔离储罐并保证 它处在安全停运状态所需要的系统组件,必须能承受SSE而不发生危险。LNG储 罐应按照OBE进行设计,并按照SSE进行应力极限校核。[10] 3.10.1.2 储罐防雷设计要求 各生产装置、变电所等构筑物根据当地年雷暴日及构筑物高度进行防雷设计 的计算, 并根据构筑物的防雷等级进行防雷计算。利用构筑物柱内主钢筋作接地 引下线,并以构筑物基础作接地极。设独立的接地引下线,沿构筑物周围接地干 线设接地极,接地引下线在距地面0.5 m处留出抽头。并在此作接地断接卡,用 以测量接地电阻,并与全厂主接地网相连。各构筑物自成接地网,接地网距构筑 物3—5 m, 防止因雷电引起高电位对金属物及电气线路的反击, 且各接地网应与 全厂接地网相连。构筑物屋顶避雷带可采用直径为l0mm的圆钢形成避雷带网格 或在构筑物屋顶设置避雷针。构筑物周围接地干线采用铅包铜(s=70)接地线。 LNG贮罐罐顶采用装设避雷网和避雷针混合组成的接闪器于罐顶, 形成不小于10 m×10 m避雷网覆盖整个罐顶, 避雷针装于罐顶周边及有突出罐顶的其他构筑物 部位。 所有的避雷针和避雷网应相互连接。 防雷引下线采用铅包铜(S-70)接地线, 设置的间隔不应大子18 m,并于围绕罐体四周的环行接地装置可靠连接。[9] 3.10.1.3 防静电 (1)处理和输送LNG的设备、储罐和管道应采用静电接地措施。每组专设的静 电接地电阻值小于100欧。 (2)在爆炸危险场所的工作人员应穿戴防静电的工作服、鞋、手套。 (3)LNG槽车等移动设备在工艺操作或运输前,应作好接地工作;工艺操作结 束后,应静置一段规定时间才允许拆除接地线。 (4)通往LNG码头的栈桥入口处和有爆炸危险的场所的入口处应设置消除人 体静电装置。 3.10.2 电气设备及电缆 站内电气设计严格执行《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》要求。电 气设备和灯具均满足相应的防爆级别。电缆沟进行防火封堵并采用阻燃性电缆。 3.10.3 消防用电及通讯 应确保站内的消防用电及通讯设施。消防控制系统,消防水泵、气压给水设 备等主要用电设备应有备用电源; 站内控制中心应设外线报警电话或与消防队直 通的专线电话。 (1)供电要求。LNG储备站其供电应按二级负荷设计。消火栓系统、水炮系 统、 储罐喷淋冷却系统及可燃气体泄漏报警系统等消防用电设施应采用专用的供 电回路。当生产用电被切断时,应仍能保证消防用电。 (2)应急照明要求。消防泵房、配电室、控制室等应设应急照明,其连续供电

时间不应小于20 min。 3.11 消防站 LNG接收站及码头应当临海建设, 远离城市。 另外, 考虑到消防自救的原则, LNG接收站应考虑设置企业消防站, 其规模按小型普通消防站设置。 消防站内配 备1辆抢险救援车、I辆干粉一泡沫联用消防车、1辆急救车。同时配备一些消防 装备,如消防队员个人防护装备、破拆工具、通讯工具等。消防拖船一般利用码 头附近的消防拖船。 LNG接收站和码头一般邻近建设, 因此同一时间的火灾次数 按1次计。LNG接收站及码头的消防水量由其两者的最大消防用水量确定。接收 站和码头消防用水量最大的区域为码头,其消防水量为1082m3/h。因此,接收站 和码头的消防水量按1100m3/h设计。[4] 对于全容式钢筋混凝土储罐,其外层为钢筋混凝土罐壁,顶盖也采用钢筋混 凝土, 因此对于罐壁及罐顶均不考虑设置消防冷却水系统, 仅是对罐顶的钢结构、 管道、仪表阀门、安全阀或其它阀门设置消防冷却水系统。 由于LNG接收站一般建在海边,利用海水消防,可以降低对淡水储备量的苛 刻要求,还可以不受消防用水时间的限制。平时消防水管网用淡水保压,消防时 海水消防泵启动向管网供水,消防后用淡水冲洗管网,然后用淡水保压。 为了保证消防水系统的可靠性,需要对该系统进行定期测试。当接收站或码 头有小型火灾时,不希望启动海水消防泵,因此一般在接收站内设置1个消防水 罐, 其容积为消防测试泵供水一个小时的量。该消防水罐的淡水仅用于小型火灾 的扑救、消防系统的试验及消防管网的清洗。 消防泵系统一般包括海水消防泵、消防测试泵及稳压泵。根据消防用水量的 需要,设置3台海水消防泵,2开1备。其中1台电动泵,2台柴油泵。每台泵的流 量为550m3/h,设计压力为1152MPa。接收站内设置1台淡水消防测试泵,采用电 动泵,其流量为550m3/h,设计压力为1152MPa。接收站内设置2台稳压泵,1开1 备,电动驱动。每台泵的流量为57m3/h,设计压力1152MPa。[4] 我国目前尚缺乏LNG接收站及码头的建设经验,相应的配套规范也比较缺 乏,另一方面,由于LNG储罐罐型选择不一样,其消防水量也有很大的差别。因 此, LNG接收站及码头的消防系统设计方案应由当地消防部门组织有关专家进行 论证,以使消防系统的设计更可靠、经济和适用。 3.12 其他 ① 合理进行功能分区,将储存区、生产及辅助区和办公区分开设置。综合 考虑防火间距、消防车道及防火防爆要求。 ② 选择与防爆区域等级相适应的电气设备,保证站区供电系统的安全可靠 性。 ③ 设专用放空火炬,高30~40m,LNG 储罐、罐顶蒸发气(boil off gas, BOG)储罐、工艺管道和各生产工段的超压泄放装置均引至火炬,避免在站内形 成爆炸性混合物。 ④ 设有LNG工艺设备的建构筑物应采取机械排风、自然排风或多种方式相结 合的通风措施, 使危险气体聚积所具有的潜在危害性降到最低。如果蒸发气体密 度大于空气,应在其聚积部位最低处设通风装置。 ⑤ 对工作人员进行定期培训,使其了解LNG特性及可能产生的危害和影响、 防护用品的作用及正确的使用方法。 给工作人员配置必需的防护服、 头盔、 面罩、 手套、靴子和呼吸用具等装备,并存放在便于取用的位置。 ⑥ 站内生产装置及辅助设施、工业建筑物均安装避雷装置。

⑦ 确保站内的消防用电及通信设施正常工作。消防控制系统、消防水泵等 主要用电设备有备用电源,站内控制室设外线报警电话。

4 加强我国液化天然气消防安全的若干建议
从发展趋势来看,LNG必然成为我国城市重要的燃料供应之一,确保LNG消防 安全将成为新时期消防安全监督工作的重要内容。就现实而言,无论法规建设还 是日常监督,我国LNG消防安全工作尚处于起步阶段,尚有许多工作需要完善。 针对LNG消防安全监督工作中的突出问题, 现阶段我国LNG消防安全需加强以下工 作。 (1)尽快完善液化天然气消防法规建设, 为LNG设施建设和日常监督提供较为 翔实的依据。应充分认识LNG发展趋势,转变观念、防患未然,积极开展LNG消防 安全规范建设。充分利用国外研究成果,尽快出台适应我国现实需要的LNG消防 专项规范,建立相应的规范体系,确保LNG设施选址、建设、施工、验收和日常 检查有章可循;参照国外先进经验,适应城市建设需要,进一步完善现有规范的 内容,增加具有原则性的规定,借以应对消防安全面日益复杂的环境;充分认识 LNG事故的危害性, 规范在强化一般性规定的同时,重点研讨诱发LNG危险性的因 素,增加相关规定,对可能出现的危险情况的防护措施进行严格限定,确保LNG 设施的安全。 (2)尝试建立科学合理的专家论证机制,解决过渡阶段遗留问题。针对我国 LNG的发展现实, 最大限度、 最小成本解决已有LNG设施和现有规范之间的衔接以 及规范不健全的问题, 建议设立专家论证机制,科学合理解决LNG消防安全问题。 专家论证机制应包括两方面内容:针对已有LNG设施进行论证,重点关注已有设 施与新规范之间的偏差,因地制宜提出相关意见建议;对于新设立的LNG设施, 针对规范中尚无规定且存在明显争议的地方进行论证,形成合理的意见建议,作 为施工和监督依据。专家论证意见作为最终依据,具有法律效应,各有关单位应 严格执行。同时,严格专家团队组建机制,对专家资格严格审查,确保专家团队 具有足够的权威性。 此外, 专家团队建设应由设计方、 施工方和监督方共同参与, 并在有关单位备案,确保专家团队的公正性。 (3)加强LNG设施软件建设,确保LNG消防安全。各有关单位要充分认识LNG火 灾的危险性和破坏性, 增强消防安全意识和责任心,严格按照相关规范和专家意 见进行施工和日常操作。除此之外,针对LNG特性,各有关单位依据《消防监督 检查规定》、《机关、团体、企业、事业单位消防安全管理规定》等法规,定期 组织一线操作人员培训, 坚持持证上岗和规范操作。尤其重视LNG事故的危害性, 各有关单位必须建立突发事件应急机制,并定期组织技术人员、一线员工和抢险 救援专业人员等召开针对应急预案的专题讨论会,确保应急预案的有效性,同时 加强应急预案的实际演练。

5 结语
LNG设施在国外己安全、环保地运行了30a,但是,设计出既安全又经济的 LNG气化站仍是一项挑战。国内尚未颁布关于LNG气化站设计和施工规范,在 工程设计中普遍以美国、 欧洲国家、 日本的标准作为参考, 因此本着安全的原则, 制定和颁布可靠、可行、可依的LNG规范是当务之急。 参考文献: [1] 刘勇.液化天然气的危险性与安全防护[J].天然气工业,2004(24)7:105-107

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