賈 萍

(中國石化洛陽工程有限公司，河南洛陽 471003)

液化天然氣接收站的安全設(shè)計(jì)

賈 萍

(中國石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003)

結(jié)合LNG接收站工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，介紹了LNG接收站的工程組成和工藝流程，并對LNG接收站進(jìn)行了危險(xiǎn)辨識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)分析。基于LNG的低溫、易揮發(fā)、易擴(kuò)散和易燃的特性，介紹了LNG接收站的預(yù)防泄漏、平面布置、超壓保護(hù)、緊急停車、泄漏控制與探測、火災(zāi)探測與保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則及方法，根據(jù)蒸氣云爆炸超壓的后果計(jì)算，對接收站內(nèi)建筑物的抗爆設(shè)計(jì)提出了要求。

液化天然氣 危險(xiǎn)辨識(shí) 風(fēng)險(xiǎn)分析 安全措施 蒸氣云爆炸

液化天然氣(LNG)接收站是對船運(yùn)的LNG進(jìn)行接收、儲(chǔ)存、氣化和外輸?shù)茸鳂I(yè)的站場。由于接收站儲(chǔ)存和加工大量的LNG，而LNG具有低溫(-196 ℃)、易揮發(fā)、易擴(kuò)散和易燃的特性。因此，接收站內(nèi)設(shè)備和管道一旦發(fā)生泄漏，遇火源時(shí)極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，從而造成嚴(yán)重的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。在進(jìn)行LNG接收站的安全設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行工藝過程的危險(xiǎn)辨識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)分析，識(shí)別危險(xiǎn)事件、分析潛在事故的原因和后果，并采取有針對性的安全措施加以預(yù)防和控制，使事故風(fēng)險(xiǎn)滿足項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制要求。

1 LNG接收站工藝流程

接收站由卸船系統(tǒng)、LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)、蒸發(fā)氣(BOG)處理系統(tǒng)、LNG輸送及氣化系統(tǒng)、天然氣計(jì)量及外輸系統(tǒng)、LNG汽車裝車系統(tǒng)、冷能綜合利用系統(tǒng)、火炬及泄放系統(tǒng)組成，工藝流程見圖1。

接收站設(shè)有泄放系統(tǒng)及火炬設(shè)施，站內(nèi)超壓氣體根據(jù)工藝要求就地放空或排至火炬設(shè)施燃燒排放。

2 危險(xiǎn)辨識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)分析

目前，LNG接收站工程設(shè)計(jì)采用的主要規(guī)范有GB/T 20368-2012《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》、GB/T 22724-2008《液化天然氣設(shè)備與安裝陸上裝置設(shè)計(jì)》和GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，這些標(biāo)準(zhǔn)中都對風(fēng)險(xiǎn)分析(安全評估)提出了要求。

本文采用危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)對該工程危險(xiǎn)源識(shí)別及事故類型分析見表1。

3 LNG接收站的安全設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)防LNG的非正常釋放

圖1 接收站工藝流程示意

單元名稱主要泄漏源/危險(xiǎn)源事故類型碼頭卸料設(shè)施LNG卸料臂、氣相返回臂及相關(guān)管道、凝液罐、集液池噴火、池火、閃火、蒸氣云爆炸LNG罐區(qū)LNG儲(chǔ)罐及相關(guān)管道、集液池噴火、池火、閃火、蒸氣云爆炸工藝處理設(shè)施BOG壓縮機(jī)、再冷凝器、外輸高壓泵、開架式氣化器(ORV)及相關(guān)管道、集液池噴火、池火、閃火、蒸氣云爆炸計(jì)量外輸設(shè)施流量計(jì)、發(fā)球筒及相關(guān)管道噴火、閃火汽車裝車設(shè)施鶴管及相關(guān)管道、集液池噴火、池火、閃火、蒸氣云爆炸冷能利用設(shè)施凝液罐、冷箱及相關(guān)管道、集液池噴火、池火、閃火、蒸氣云爆炸

設(shè)計(jì)過程需采取下列措施，避免LNG的非正常釋放。

a)設(shè)備和管道的設(shè)計(jì)溫度和壓力要考慮正常操作、非正常操作等各種操作工況，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)留有足夠的余量，避免安全閥頻繁起跳。

b)由于閥門、法蘭、管件及轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的密封是發(fā)生泄漏頻率較高的部位，因此，應(yīng)盡量使用焊接管道，以減少管道上閥門及法蘭的數(shù)量。LNG泵使用密封性能好的泵或潛液泵。

c)管道安裝需要進(jìn)行各種操作條件下的應(yīng)力分析，采取柔性連接并適應(yīng)所有的操作條件。支撐管線的構(gòu)件及盛裝易燃介質(zhì)的設(shè)備應(yīng)設(shè)計(jì)承受極限狀態(tài)。

d)由于LNG卸船工況和無卸船工況溫度變化很大，管道的應(yīng)力會(huì)受到熱脹冷縮的影響，為消除這一影響，LNG卸船主管線需要通過LNG循環(huán)線保冷。

e)加工、儲(chǔ)存LNG的容器和管道材料應(yīng)適應(yīng)低溫的要求，首先考慮深冷條件下的低溫韌性，其次考慮材料的可焊接性。

3.2 站場平面布置

接收站平面布置應(yīng)遵循下列原則。

a)各單元按功能進(jìn)行分類，同類設(shè)施集中布置，并將管理區(qū)與生產(chǎn)區(qū)分開、危險(xiǎn)區(qū)域與非危險(xiǎn)區(qū)域分開，各區(qū)域之間用道路隔開。

b)站內(nèi)規(guī)劃和設(shè)置環(huán)形的消防、緊急疏散通道和不少于2個(gè)接收站的出入口，便于事故時(shí)應(yīng)急救援和疏散。

c)考慮風(fēng)向?qū)撛诳扇冀橘|(zhì)釋放源與明火設(shè)備、有人值守建筑物相對方位的影響，如集液池布置在有人活動(dòng)區(qū)域的下風(fēng)向，火炬布置在工藝裝置的上風(fēng)向，泄壓設(shè)施位于安全區(qū)域，風(fēng)險(xiǎn)較小的區(qū)域位于風(fēng)險(xiǎn)大的區(qū)域的上風(fēng)向等。

d)設(shè)備、設(shè)施之間的防火間距除滿足相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)外，還要根據(jù)安全評估的結(jié)果，如火災(zāi)熱輻射的影響、爆炸沖擊波的影響對平面進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

3.3 超壓保護(hù)

LNG接收站可能由于誤操作或外部火災(zāi)等原因而使設(shè)備或管道內(nèi)部液體蒸發(fā)造成超壓，因此，有可能超壓的設(shè)備和管道需要設(shè)置超壓保護(hù)，以保證設(shè)備和管道不因超壓造成機(jī)械損壞。超壓保護(hù)設(shè)計(jì)可采取下列措施。

a)常規(guī)壓力容器或兩側(cè)切斷閥關(guān)閉可能超壓的管道設(shè)置安全閥，泄放物排至火炬系統(tǒng)或儲(chǔ)罐。

b)LNG儲(chǔ)罐設(shè)置二級超壓保護(hù)。當(dāng)BOG壓縮機(jī)不能維持LNG儲(chǔ)罐的正常壓力時(shí)，在LNG儲(chǔ)罐壓力達(dá)到高報(bào)警壓力時(shí)，通過放火炬調(diào)節(jié)閥，將過量的蒸發(fā)氣排放到火炬總管來維持儲(chǔ)罐壓力。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力繼續(xù)上升達(dá)到儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，通過設(shè)置在儲(chǔ)罐頂部的安全閥直接排入大氣。

c)天然氣外輸管道上設(shè)置一套超壓保護(hù)系統(tǒng)(HIPPS)用來保護(hù)出站管線，避免發(fā)生超壓事故。當(dāng)出站管道上3臺(tái)壓力變送器有2臺(tái)檢測出壓力超過高高報(bào)警值時(shí)，HIPPS將聯(lián)鎖關(guān)閉進(jìn)LNG氣化器的LNG輸送系統(tǒng)及海水輸送系統(tǒng)，高壓氣體通過設(shè)置在氣化器出口管道上設(shè)置的安全閥排至大氣。

3.4 緊急停車系統(tǒng)

根據(jù)LNG接收站的特點(diǎn)，需要設(shè)置緊急停車系統(tǒng)(ESD)以實(shí)現(xiàn)單元進(jìn)料和能量的切斷、隔離泄漏的大容器和管道、關(guān)閉點(diǎn)火源，使部分單元和LNG接收站進(jìn)入預(yù)先設(shè)定的安全停車狀態(tài)。

為了ESD系統(tǒng)能夠有效地發(fā)揮作用，需要獨(dú)立于過程控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)置，其安全完整性等級(SIL)要經(jīng)評估后確定。緊急切斷閥需要設(shè)置在遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源的地點(diǎn)或者采取保護(hù)措施，保證閥門能夠抵御外部火災(zāi)及爆炸的影響而不會(huì)喪失安全功能。

根據(jù)事故原因及影響范圍的大小，ESD對接收站進(jìn)行分級、分區(qū)保護(hù)，接收站ESD響應(yīng)等級、啟動(dòng)方式及響應(yīng)結(jié)果見表2。

表2 ESD系統(tǒng)響應(yīng)等級、啟動(dòng)方式及響應(yīng)結(jié)果

注：高等級的ESD自動(dòng)啟動(dòng)低等級的ESD行動(dòng)。

3.5 泄漏控制

接收站內(nèi)可能的泄漏源包括LNG儲(chǔ)罐及其它工藝設(shè)備和管道。LNG儲(chǔ)罐采用全容式預(yù)應(yīng)力混凝土儲(chǔ)罐的型式，預(yù)應(yīng)力混凝土外罐可容納內(nèi)罐全部的泄漏物。其它可能泄漏LNG的工藝設(shè)備和管道根據(jù)設(shè)備的平面布置，分區(qū)設(shè)置集液池。泄漏的LNG通過露天的導(dǎo)液溝流入特定的集液池，并在集液池設(shè)置泡沫絕熱覆蓋層，以限制LNG的蒸發(fā)、擴(kuò)散。集液池的設(shè)計(jì)遵循下列原則。

a)集液池的設(shè)計(jì)容積能夠容納區(qū)域內(nèi)最大一處泄漏量的要求。

b)對于管道的泄漏，泄漏量要考慮兩部分：一部分為在某一泄漏時(shí)間內(nèi)以某一泄漏速率(孔的體積流率)通過某一孔徑(代表孔徑為25 mm)的泄漏量；另一部分為切斷閥關(guān)閉后管道內(nèi)剩余流體的量。泄漏時(shí)間一般取2 min(泄漏后可探測到的時(shí)間+切斷閥關(guān)閉時(shí)間)。

c)對于容器的泄漏，按其操作工況進(jìn)行分別計(jì)算，如碼頭凝液罐的泄漏量可考慮其全部容納物的泄漏量，而與BOG壓縮機(jī)相連接的再冷凝器除考慮其全部容納物的泄漏外，還要考慮與其相連接的管道內(nèi)的介質(zhì)的量，可取1.1倍容器的容積。

d)當(dāng)采用上部泡沫層進(jìn)行絕熱保護(hù)時(shí)，集液池的容積還應(yīng)考慮能夠容納上部泡沫覆蓋層的量，且泡沫覆蓋層厚度一般不小于1 m。

3.6 泄漏、氣體和火災(zāi)探測系統(tǒng)

為了防止泄漏事故擴(kuò)大為更嚴(yán)重的火災(zāi)、爆炸事故，以及發(fā)生火災(zāi)時(shí)對相關(guān)設(shè)施進(jìn)行有效保護(hù)，接收站需要設(shè)置泄漏、氣體和火災(zāi)探測系統(tǒng)，進(jìn)行早期探測，以便及時(shí)采取行動(dòng)，切斷相關(guān)泄漏源。

a)LNG泄漏探測設(shè)置在可能發(fā)生LNG泄漏收集的區(qū)域，包括集液池、導(dǎo)液溝，探測器可選擇電阻式溫度探測器或光纖式低溫探測器。

b)可燃?xì)怏w探測器設(shè)置在可能發(fā)生可燃?xì)怏w泄漏的區(qū)域以及可燃?xì)庖拙鄯e的區(qū)域，用于監(jiān)測轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備密封、容器與管道連接處、集中閥組的泄漏，以及易聚積可燃?xì)怏w的低凹處，另外，還要考慮建筑物采通系統(tǒng)的進(jìn)風(fēng)口?？蛇x用點(diǎn)型紅外可燃?xì)怏w探測器，也可考慮在面積較大區(qū)域選用開路式紅外可燃?xì)怏w探測器。

c)火災(zāi)探測器設(shè)置在可能發(fā)生火災(zāi)的區(qū)域，室外可選用火焰式探測器，室內(nèi)可選擇感溫型和感煙型探測器，根據(jù)發(fā)生火災(zāi)部位的形狀可選擇點(diǎn)型和線型探測器。

d)手動(dòng)火災(zāi)報(bào)警按鈕設(shè)置在可能發(fā)生火災(zāi)區(qū)域的通道旁邊，包括室外區(qū)域和建筑物內(nèi)。

3.7 火災(zāi)保護(hù)系統(tǒng)

接收站應(yīng)設(shè)置火災(zāi)保護(hù)系統(tǒng)，用于控制火災(zāi)的影響，以避免人員傷亡，防止主要設(shè)備和結(jié)構(gòu)的失效造成更大的災(zāi)難。除了常規(guī)的穩(wěn)高壓消防水系統(tǒng)(包括消火栓、消防水炮等)外，還需要設(shè)置固定式的消防水噴霧系統(tǒng)、水幕系統(tǒng)、高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)，設(shè)置位置見表3。

表3 固定式消防系統(tǒng)設(shè)置位置

a)水噴霧系統(tǒng)設(shè)置于消防水炮不能有效保護(hù)的火災(zāi)場所，以及用于逃生通道的熱輻射防護(hù)。

b)水幕系統(tǒng)設(shè)置于碼頭前沿，用于將著火的LNG船或碼頭有效隔離。當(dāng)被保護(hù)區(qū)域內(nèi)火災(zāi)報(bào)警控制器接到火災(zāi)報(bào)警后，自動(dòng)聯(lián)鎖/遠(yuǎn)程遙控/現(xiàn)場人工開啟自動(dòng)噴水系統(tǒng)進(jìn)水管道上的雨淋閥。

c)高倍數(shù)泡沫系統(tǒng)設(shè)置于集液池，用于降低LNG泄漏物的蒸發(fā)速率以及泄漏物被點(diǎn)燃而發(fā)生火災(zāi)時(shí)熱輻射的影響。泡沫發(fā)生器布置在集液池，圍繞被護(hù)面進(jìn)行布置，泡沫發(fā)生器宜安裝在集液池的上風(fēng)向，以便風(fēng)可以把泡沫液吹向集液池。LNG集液池3個(gè)低溫探測器中有2個(gè)探測器探測到有LNG泄漏到集液池后，或火焰探測器探測到火災(zāi)信號后，自動(dòng)啟動(dòng)泡沫發(fā)生裝置向集液池內(nèi)噴射泡沫混合液。

d)干粉滅火系統(tǒng)用于撲滅接收站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的初期火災(zāi)。干粉滅火系統(tǒng)的干粉量應(yīng)確保充足，防止復(fù)燃。在設(shè)置干粉滅火系統(tǒng)的場所同時(shí)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器和火焰探測器，當(dāng)被保護(hù)區(qū)域內(nèi)的火災(zāi)報(bào)警控制器接到火災(zāi)報(bào)警后，自動(dòng)聯(lián)鎖/遠(yuǎn)程遙控/現(xiàn)場人工開啟(除LNG儲(chǔ)罐外，其它部位均為現(xiàn)場手動(dòng)啟動(dòng))干粉滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火作業(yè)。

3.8 建筑抗爆設(shè)計(jì)

根據(jù)危害辨識(shí)及危險(xiǎn)源分析，LNG接收站存在潛在的爆炸源，發(fā)生爆炸后產(chǎn)生的沖擊波將會(huì)造成設(shè)備、建筑物的損壞和人員傷害。目前，對于工業(yè)建筑物的抗爆設(shè)計(jì)只在GB 50779-2012《石油化工控制室抗爆設(shè)計(jì)規(guī)范》中對控制室的抗爆設(shè)計(jì)做出了規(guī)定，而對其它有人工作的建筑物并沒有相關(guān)的抗爆設(shè)計(jì)要求?；趯邮照緝?nèi)工作人員保護(hù)的角度出發(fā)，本工程對有人工作的建筑物做了爆炸影響計(jì)算和評估，計(jì)算結(jié)果見表4，蒸氣云爆炸沖擊波超壓對常規(guī)建筑物及其室內(nèi)人員的影響見表5。

表4 爆炸計(jì)算結(jié)果

表5 蒸氣云爆炸沖擊波超壓對常規(guī)建筑物及其室內(nèi)人員影響

根據(jù)爆炸后果計(jì)算，碼頭綜合用房的爆炸沖擊波超壓14 kPa，可造成普通建筑物內(nèi)人員重傷和死亡。因此，建筑設(shè)計(jì)為抗爆結(jié)構(gòu)。其它建筑應(yīng)按爆炸超壓值和持續(xù)時(shí)間考慮建筑結(jié)構(gòu)、建筑材料的設(shè)計(jì)，并能滿足其使用功能要求。

4 結(jié)語

a)安全設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，除文中闡述的LNG接收站的安全措施處，還應(yīng)考慮諸如電氣防爆、儲(chǔ)罐基礎(chǔ)抗震、火炬系統(tǒng)、應(yīng)急供電系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、應(yīng)急救援設(shè)施等等方面，只有從系統(tǒng)化的安全設(shè)計(jì)理念出發(fā)，才能使LNG接收站運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)降至合理的可接受的水平。

b)目前LNG接收站工程設(shè)計(jì)采用的國家標(biāo)準(zhǔn)基本是等同翻譯美國和歐洲的標(biāo)準(zhǔn)，在一些設(shè)計(jì)理念上與國內(nèi)相比還有很大差異，而且也不能與國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合。因此，國內(nèi)應(yīng)及早開展LNG接收站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。

TheSafetyDesignforLNGReceivingTerminal

Jia Ping

(SINOPEC Luoyang Engineering Corporation, Henan, Luoyang，471003)

Consistent with current engineering design practice of the LNG receiving terminal, this paper introduced the compositions and the process flow of the LNG receiving terminal, identified potential hazards and conducted risk analysis. Based on LNG's cryogenic, volatile, easy to spread and flammable characteristics, the design principles and the following safety measures of the LNG receiving terminal were explained, such as leakage prevention, layout design, overpressure protection, emergency shutdown, leakage control and detection, fire detection and protection system. According to the calculations of vapor cloud explosion overpressure, recommendations of explosion resistance of the building inside the LNG receiving terminal were proposed.

liquefied natural gas；hazard identification；risk analysis；safety measures；vapor cloud explosion

2015-12-30

賈萍，高級工程師，注冊安全工程師，1989年畢業(yè)于河南大學(xué)石油化工專業(yè)，主要從事石油化工項(xiàng)目的安全環(huán)保工程設(shè)計(jì)和相關(guān)評估工作。