摘要：简述了LNG接收站的工艺流程，对LNG接收站潜在的危险进行了分析，从危险源的探测和消防系统等方面论述了LNG接收站的安全设计。
关键词：LNG接收站；安全设计；安全分析
Safety Analysis and Measures for LNG Receiving Station
QU Shunli，JIA Baoyin，ZHAO Caiyun
Abstract：The process flow of LNG receiving station is briefly introduced.The potential danger in LNG terminal station is analyzed.The safety design of LNG receiving station is discussed in asppects of dangerous source detection，fire control system and so on.
Key words：LNG receiving station；safety design；safety analysis
1 概述
天然气以其储量丰富、经济、环保等特性成为继石油之后各国重点大力开发的化石燃料，其中以液化天然气(LNG)的发展尤为迅速，规模也日益扩大。在未来的15年间，我国天然气消费将从400×108m3/a达到2200×108m3/a，主要以西气东输、海气上岸、进口管输气及LNG等方式保证天然气资源的供应。未来3—10年，我国沿海将规划建设8～10座接收站，届时每年将有(2000～3000)×104t/a的LNG到岸。
深圳大鹏湾秤头角已成功建起我国第1个LNG接收站[1]，于2006年5月底正式投产运营。2004年9月12日，我国第一个完全由国内企业中海福建天然气有限责任公司自主引进、建设、管理的LNG项目——福建LNG总体项目的商务合同在北京签订，这个项目也是中国海洋石油总公司在沿海投资建设的第2个LNG接收站。浙江省将成为我国第3个引进LNG项目的地区，浙江LNG项目由LNG接收站、输气干线、配套LNG电厂3部分组成。另外，在山东、江苏、大连、秦皇岛、海南等地都有正在规划或建设的LNG接收站。我国的LNG工业已经形成了一定的规模。现阶段我国大力进行的LNG接收站的建设，必将带动LNG生产及储运等相关技术的进步，我国LNG工业将迎来快速发展的春天[2～4]。
LNG作为一种低温液体，其主要危害体现在：温度极低，气液膨胀比大，易于与空气形成爆炸性混合物[5～10]。
2 LNG接收站的主要工艺流程
LNG通常由专用运输船从生产地输出终端运到LNG接收站码头后，经过码头卸到接收站的储罐中。LNG进入储罐所置换出的蒸发气(BOG)通过回气管道输到运输船的LNG储罐中，以维持储罐系统压力平衡。
根据对蒸发气的处理方式，接收站天然气的外输工艺可分为直接输出工艺和再冷凝工艺。直接输出工艺是将蒸发气直接压缩到外输压力后送至管网。再冷凝工艺是将蒸发气压缩至一定压力后，与从LNG储罐低压泵输出的过冷LNG混合并进行冷量交换，使蒸发气再冷凝，然后经高压输送泵加压后送至气化器气化后外输。与直接外输工艺相比，再冷凝工艺节省了大量的压缩功。外输工艺的选择主要由接收站的实际操作模式以及市场天然气需求量决定，我国已运行的大型LNG接收站采用的主要为再冷凝工艺。目前，已形成了包括LNG生产、储存、运输、接收、气化及冷量利用等完整的产、运、销LNG工业体系[11]。
3 LNG接收站潜在的危险
3.1 翻滚现象
翻滚现象是指两层不同密度的LNG在储罐内迅速上下翻动混合，瞬间产生大量蒸发气的现象。翻滚现象发生的根本原因是储罐中的液体密度不同，存在分层。
无论储罐内是均匀混合的LNG还是单一来源的LNG都会分层，渗入LNG的热量推动自然对流，形成自然循环。温度相对较高的LNG沿着罐壁往上流动，穿过液面，吸收热量气化，形成蒸气；温度相对较低的LNG向下回补，完成循环。
如果有不同密度的分层出现，较轻的一层LNG可以正常对流，并通过闪蒸，将热量释放到罐的蒸气空间。但是，如果底部密度较大的一层LNG的对流无法穿过上面一层LNG到达液面，底部的LNG就会形成单独的对流格局。吸收了罐壁和罐底渗透热的罐底的LNG无法流动到液面通过蒸发释放热量，造成底部LNG的热量储存和温度上升。随着外部热量的导入，底部LNG的温度增加，而密度下降；顶层LNG由于BOG的挥发而变重。如果两部分接触面的密度无法达到大致相等，那么就会一直保留这种分层的现象，当底层LNG密度低于上层LNG密度时，底部LNG就会上升，经过传质，下部LNG上升到上部，压力减小，成为过饱和液体，积蓄的热量迅速释放，产生大量的BOG，即产生翻滚现象。
翻滚从现象来看分成两类[12]：LNG储罐在长期储存中，因其中较轻的组分(主要是N2和CH4)首先蒸发，而自发形成翻滚现象；LNG储罐中原有LNG在充装密度不同、温度不同的新LNG一段时间(几小时甚至几十天)后，突然产生翻滚现象。
根据翻滚产生的机理，可以采取以下方法防止LNG分层和翻滚：将来源不同、密度不同的LNG分别储存于不同的储罐中；采用储罐内潜液泵打回流来进行循环，消除储罐内LNG的密度差，抑制LNG的分层；储罐内设置液位计及液位-温度-密度等参数连续监测仪表，实时监测，避免储罐内的分层液体的密度差较大，进而避免引起翻滚；根据LNG密度选择正确的充注方法：密度相近时，一般从底部充注；将密度小的LNG充注到密度大的LNG储罐中时，应该采用底部充注的办法；将密度大的LNG充注到密度小的LNG储罐中时，应该采用顶部充注的办法。
3.2 管喷、冷凝锤击效应
与水平面垂直的充满LNG的管子，若顶端向储罐开口，当管内的LNG受热达到一定程度后，会通过自喷的方式快速地将管内的LNG清空。管喷是自发的，管喷效应会导致罐内压力快速增加，甚至可能导致放空，重复性的冲击可能带来破坏。
冷凝锤击效应经常发生在长时间带压作业的支管、泄放口泄压后恢复工作压力的瞬间。冷凝锤击效应可导致管道局部压力瞬间剧增，致使垫片或阀门密封破坏。
3.3 LNG槽车充装和运输
运输LNG的槽车在卸车或装车过程中不能够保证没有一滴LNG泄漏，操作员在工作期间应佩戴好个人劳动防护用品，搬运和存放输送软管的操作员应十分小心，软管上的脏物和摩擦会破坏软管的完整性，同时可能会产生静电，从而引发事故。LNG槽车等移动设备在工艺操作前，应做好接地，工艺操作结束后，应静置一段规定时间才允许拆除接地线。
3.4 LNG泄漏
LNG泄漏可能对人体产生以下危害：局部冻伤，如低温冻伤、霜冻伤；一般冻伤，如体温过低，肺部冻伤；窒息；如果蒸气云被点燃，还存在热辐射的危险。LNG工业的安全很难用数据来描述，因为一些无重大泄漏事故的装置的操作年限还不够作数量上的分析。本节主要介绍LNG泄漏点以及泄漏的危险性。
阀门填料处的泄漏：LNG接收站的装置温度降低到操作温度时，阀门金属部分会发生收缩，这时就可能在阀门填料处发生泄漏。可以根据在阀门处是否有不正常的积霜，来判断该阀门是否发生了泄漏。
输送软管和管道组成件处的泄漏：输送LNG的管子冷却后发生收缩就可能在管子螺纹或法兰连接处发生泄漏。输送软管需要按照国家安全标准进行年度压力检测。输送软管放空时可能同时排放液体和气体，不可对着人或设备，也不可接触到点火源。
取样管道、取样容器和气相管道发生泄漏：LNG接收站的取样管道和取样容器处发生泄漏的可能性较大，操作人员接触到泄漏的LNG的可能性很大。天然气气相管道泄漏的危害性较大，因为这个区域不仅流速快、压力高，而且存在管道材料过渡(从低温管材过渡到常温管材)。如果泄漏的是冷气体，应当注意低于-107℃的蒸气在最初泄漏的阶段会比空气重，容易引起火灾以及造成人体冻伤。
泄漏的LNG气化时产生的危害性可分为LNG泄漏到地面和泄漏到水中两种情况。
当LNG倾倒至地面上时(例如事故溢出)，最初会猛烈沸腾，如果泄漏持续进行，就会在地面上形成一小池，而沸腾速度下降，最后保持一个相对稳定的沸腾速度。在最初阶段，沸腾速度由地面与LNG液体之间的一层气体的对流传热速度决定。当LNG温度和地面温度之间的差别逐渐减小时，这一层气体就消失了。这时影响沸腾速度的主要因素是地面向LNG的热传递，其他因素还有太阳辐射、LNG上方的通风对流情况。后来地面被冷冻，并保持持续低温，那么太阳辐射和通风就成了影响LNG蒸发的主要因素。
当LNG泄漏流进水中时，可导致LNG与水相接触，如LNG运输工具发生意外交通事故时，可导致LNG泄漏流进水中；又如浸没燃烧式气化器的内部泄漏可导致LNG与水相接触，此时LNG与水之间有非常高的热传递速率，发生快速相变，LNG将激烈地沸腾并伴随大的响声，喷出水雾，严重时会导致LNG蒸气爆炸，由此产生的爆炸威力足以摧毁邻近的工厂或建筑物，导致严重的事故[13]。
4 接收站中危险源的探测
危险探测器可以提醒人们潜在的危险环境，比如气体、火焰、烟雾、高温、低温或氧气不足等。一个可以持续探测的系统比人工探测更具有可靠性，而且它能最大限度地探测到更严重的情况。
可燃气体探测系统在工厂内很常见，感应器应安装在最有可能泄漏的地点。当感应器探测到空气中可燃气体的体积分数达到爆炸下限的10%～25%(不含25%)时，将向控制室发送警报，操作员开始进行调查并采取控制措施。当感应器探测到空气中可燃气体的体积分数达到爆炸下限的25%时，运行中的工厂会自动停止。按照活动区域和相应的探测器敏感度的不同，对各区域可燃气体探测器设置不同的敏感度。气体探测器的安装位置，根据可对潜在的危险气体及危害程度提供及时的警报为原则进行布置。
火焰探测器是根据热辐射量来探测的。火焰的热辐射可以根据紫外线和红外线波长范围内不断增长的信号来测定。当超出一定的辐射量时，就会响铃报警。除了火焰、闪电、焊弧外，阳光反射到挡风板也会有紫外线和红外线辐射，易导致发出虚假的警报。也可采用多功能探测器、交互型探测器和延迟报警系统等辅助系统来提高探测器的准确度。
在一些高危设备上还需要安装高温探测器，高温探测器能够对某一部位、全部的温度或温度急速上升的情况作出反应，可以触动警报，使设备关闭或启动灭火设备。低温探测器用来对液化天然气或冷蒸气的释放作出预警，安装在液化天然气设备的底部或收集溢出气体和冷蒸气的低洼区域。
液化天然气的燃烧伴随着少量的烟雾。烟雾探测器能够探测到着火源，由于小股的烟火产生的热量不大可能触动高温探测器，烟雾探测器这时起到补充作用。烟雾探测器一般安装在电气设备上面或靠近可能产生烟雾的区域。
组合式气体探测系统比较适合对含氧量的测试。便携式气体探测器运用一个内置式取样泵，它具有两个测量功能，可以同时探测易燃气体和含氧量。当探测到氧气含量不足时，微型的个人便携显示器会自动输出监测数据并发出警报。
5 接收站消防系统
消防系统的安全设计原则是：尽量切断气源，控制泄漏；对储罐及邻近储罐的设备进行冷却保护，避免设备超压造成更大的灾害；将泄漏的LNG引至安全地带气化，避免燃烧扩大。接收站消防设施包括消防水系统、高倍数泡沫灭火系统、干粉灭火系统、固定式气体灭火系统、水喷雾系统、水幕系统、灭火器等。
接收站设置3种消防水炮，包括固定式消防水炮、远控消防水炮、移动式消防水炮。
在工艺区(包括BOG压缩机房、气化器等)、LNG槽车装车区、计量输出区设置固定式消防水炮。固定式消防水炮靠近被保护的工艺设备，但离被保护的设备的间距不小于15m。在码头前沿设置2个高架远控消防水炮(防爆型)，能够覆盖码头上的全部装卸工艺设施，可协助消防船或消拖两用船，供给LNG运输船的消防冷却用水，满足水量及覆盖要求。
接收站在LNG槽车装车区、高压输出泵、气化器、LNG罐顶的钢结构及码头阀门的汇聚部分等地方设置固定式水喷雾系统。所有水喷雾系统均为自动控制，同时具有远程手动和应急操作的功能。设置在各区域的火焰探测器探测到火灾信号后，传输信号至火灾报警控制盘，通过火灾报警控制盘的连锁控制信号启动雨淋阀，从而开启水喷雾系统。火灾报警控制盘上设置有各水喷雾系统的远程手动控制按钮，可以远程手动开启各水喷雾系统。
在码头装卸臂前沿设置一套水幕系统，水幕系统采用自动控制，同时具有远程手动和应急操作的功能。设置在码头前沿的火焰探测器探测到火灾信号后，传输信号至火灾报警控制盘，通过火灾报警控制盘的连锁控制信号启动雨淋阀，从而开启水幕系统。火灾报警控制盘上设置有水幕系统的远程手动控制按钮，可以远程手动开启水幕系统。
接收站在LNG罐区事故收集池、工艺装置区事故收集池、码头事故收集池、槽车装车区设置高倍数泡沫灭火系统。该系统的设置目的是控制泄漏到LNG收集池内的液化天然气的挥发。泡沫原液选用体积分数为3%的耐海水型高倍数泡沫原液。高倍数泡沫灭火系统采用自动控制方式。每个LNG收集池设置2个可燃气体探测器、1个低温探测器、1个感温探测器，当4个探测器中的2个探测器探测到有LNG泄漏到收集池后，由火灾报警控制盘连锁控制启动雨淋阀，从而启动高倍数泡沫灭火系统，向收集池内喷射泡沫混合液。
另外，接收站内还有一些气体消防设施，比如在码头控制室、变电所、主控室的机柜间设置气体灭火系统；在行政楼内设置固定式水喷淋系统；在柴油罐区、事故柴油发电机房设置移动式泡沫灭火装置；在码头、LNG罐区、LNG槽车装车区、工艺装置区和各建筑物内配置干粉、二氧化碳等手提式及推车式灭火器，以利于扑灭初起火灾；在每台LNG储罐罐顶的释放阀处设置固定式干粉灭火系统，用于扑灭释放阀因天然气释放而导致的火灾，系统设置100%的备用量。
6 结语
LNG接收站在国外已安全、环保地运行了30余年，但是设计出既安全又经济的LNG接收站仍是一项挑战。未来几年是我国LNG接收站快速发展时期，这些项目中将有不少选址在人口密集的地方，因此安全问题更应引起高度重视。为适应我国LNG工业高速发展的需要，应尽快颁布我国的LNG设计、施工规范，以指导LNG应用领域的设计、施工、运行管理。
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(本文作者：曲顺利 贾保印 赵彩云 中海油山东化学工程有限责任公司 山东济南 250013)
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