LNG儲(chǔ)運(yùn)安全措施探討

王 鵬 (長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北荊州434023)

LNG(Liquefied Natural Gas,液化天然氣)是將天然氣凈化深冷液化而成的液體,是以甲烷為主要組成的低溫液態(tài)混合物,其體積約為氣態(tài)時(shí)的1/600,它是一種清潔、優(yōu)質(zhì)燃料。液化了的天然氣更有利于遠(yuǎn)距離運(yùn)輸、儲(chǔ)存,使天然氣的應(yīng)用方式更靈活、范圍更廣,體現(xiàn)在以下幾方面:①LNG便于經(jīng)濟(jì)可靠的運(yùn)輸,方便靈活,適應(yīng)性強(qiáng);②儲(chǔ)存效率高,占地少,投資省;③有利于城市燃?xì)庳?fù)荷的調(diào)節(jié),同時(shí)可以利用LNG的冷能,如冷藏、冷凍、溫差發(fā)電等;④LNG可用作優(yōu)質(zhì)的車用燃料,具有抗爆性好、燃燒完全、排氣污染少、發(fā)動(dòng)機(jī)壽命長(zhǎng)、降低運(yùn)輸成本等優(yōu)點(diǎn);⑤有利于保護(hù)環(huán)境,減少城市污染,屬于國(guó)家重點(diǎn)扶持的新興環(huán)保產(chǎn)業(yè)。

目前,我國(guó)LNG產(chǎn)業(yè)正處于起步階段。LNG工業(yè)產(chǎn)業(yè)的完整鏈系包括上游天然氣的開(kāi)采、液化儲(chǔ)運(yùn)和液化天然氣的氣化、銷售等環(huán)節(jié),其中主要環(huán)節(jié)為液化站、LNG運(yùn)輸和LNG供氣站3個(gè)接點(diǎn)。而LNG儲(chǔ)運(yùn)在整個(gè)LNG產(chǎn)業(yè)鏈從生產(chǎn)到銷售,都是十分重要的環(huán)節(jié)。但LNG儲(chǔ)運(yùn)中存在許多危險(xiǎn)因素,為此,筆者對(duì)LNG儲(chǔ)運(yùn)中的危險(xiǎn)因素進(jìn)行了分析,并提出了相應(yīng)的安全措施。

1 LNG的基本特性

LNG主要成分為甲烷,另外還含有少量的乙烷、丙烷、N2及其他天然氣中通常含有的物質(zhì)。LNG的密度取決于其組分,通常為430～470kg/m3,甲烷含量越高,密度越小;變化的梯度為1.35kg/m3。LNG的沸騰溫度也取決于其組分,在大氣壓力下通常為-166～-157℃。LNG儲(chǔ)存在絕熱儲(chǔ)罐中,任何熱量滲漏到罐中,都會(huì)導(dǎo)致一定量的液體氣化為氣體,這種氣體叫做蒸發(fā)氣。蒸發(fā)氣的組成取決于液體的組成,一般地,LNG蒸發(fā)氣含有20%左右的N2,80%左右的甲烷及微量的乙烷[1]。

1)LNG的溢出與擴(kuò)散 LNG傾倒至地面上時(shí),最初會(huì)猛烈沸騰蒸發(fā),后蒸發(fā)率將迅速衰減至一個(gè)固定值,蒸發(fā)氣體沿地面形成一個(gè)層流,從環(huán)境中吸收熱量逐漸上升和擴(kuò)散,同時(shí)將周圍的環(huán)境空氣冷卻至露點(diǎn)以下,形成一個(gè)可見(jiàn)的云團(tuán),可作為蒸發(fā)氣體移動(dòng)方向的指南,也可作為氣體空氣混合物可燃性的指示。

2)LNG的燃燒與爆炸 LNG具有天然氣的易燃易爆特性,在-162℃的低溫條件下,其燃燒范圍為6%～13%(體積百分比);LNG著火溫度隨組分的變化而變化,重?zé)N含量的增加使著火溫度降低。

2 LNG的儲(chǔ)運(yùn)方式

1)槽車運(yùn)輸 運(yùn)輸距離短、數(shù)量不大的LNG輸送,可采用公路槽車運(yùn)輸。用公路槽車運(yùn)輸深冷液體已有多年歷史,國(guó)內(nèi)外技術(shù)都十分成熟。超過(guò)一定距離,采用鐵路槽車運(yùn)輸LNG比采用公路槽車較為經(jīng)濟(jì),因?yàn)橐淮屋斔土看?但技術(shù)要求也隨著增大。國(guó)內(nèi)正在研究火車低溫集裝箱運(yùn)輸方式及運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn),以便更長(zhǎng)距離、更大量地運(yùn)送LNG[2]。以國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)集裝箱形式,每個(gè)集裝箱可裝30m3LNG,相當(dāng)于氣態(tài)20000m3。一列LNG專列運(yùn)輸量為100×104～120×104m3氣態(tài)天然氣。

2)LNG船舶運(yùn)輸 多年以來(lái),在LNG國(guó)際貿(mào)易中,主要采用專用油輪進(jìn)行 LNG跨洋運(yùn)輸。LNG的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸始于1959年,當(dāng)時(shí),“甲烷先鋒號(hào)”油輪裝載5000m3LNG成功地從美國(guó)路易斯安娜州的查理斯湖,橫渡大西洋運(yùn)抵英國(guó)凱凡島。近半個(gè)世紀(jì)來(lái),隨著造船技術(shù)的進(jìn)步,LNG油輪在數(shù)量和規(guī)模上都得到了很大發(fā)展。而增大油輪容量可降低LNG運(yùn)輸費(fèi)用,因此LNG油輪的容量不斷向大型化發(fā)展。

3)管道輸送 目前,在陸地上,由于受到管道低溫輸送技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、氣源等各方面的影響,世界上約75%的天然氣仍采用常態(tài)管道方式輸送的方式。只在LNG調(diào)峰裝置和油輪裝卸設(shè)施上設(shè)有LNG低溫管線,還沒(méi)有長(zhǎng)距離LNG管線的實(shí)例。但國(guó)外專家已從理論上對(duì)長(zhǎng)距離LNG管線可行性進(jìn)行了研究,理論研究表明,隨著低溫材料和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展,建設(shè)長(zhǎng)距離LNG管線在技術(shù)上是可行的,在經(jīng)濟(jì)上是合理的。

建長(zhǎng)距離LNG管線的不足之處是輸送管道管材必須采用價(jià)格昂貴的鎳鋼,需采用性能良好的低溫隔熱材料,為實(shí)現(xiàn)低溫液體單相流動(dòng),防止液體氣化,需在管道上增建中間冷卻站。因此,長(zhǎng)距離LNG管線的初期投資較大,受氣源的限制較大。另外,利用管道進(jìn)行天然氣貿(mào)易時(shí),除受天然氣氣源、用戶、資金等因素的影響之外,還常常受到政治因素的制約,比如我國(guó)用于從俄羅斯進(jìn)口液化天然氣的管道——薩哈林管道工程。

3 LNG儲(chǔ)運(yùn)中的安全問(wèn)題

1)LNG氣化超壓爆炸 LNG超壓爆炸,這與 LNG處于沸騰 (或接近于沸騰)狀態(tài)有關(guān)。在LNG儲(chǔ)槽中,LNG處于沸騰狀態(tài),當(dāng)外來(lái)的熱量傳入時(shí)會(huì)導(dǎo)致LNG氣化使壓力超高,從而致使安全閥打開(kāi),造成泄漏,引起火災(zāi)和爆炸。為避免這種危險(xiǎn),應(yīng)采取特殊處理的方法:①輕LNG從槽底進(jìn)料,或重LNG從槽頂進(jìn)料,或兩者結(jié)合使用;②在槽內(nèi)安裝自動(dòng)密度儀,以檢測(cè)不同密度的層;③用槽內(nèi)泵使液體從底至頂循環(huán);④保持LNG的含氮量低于1%,并且密切監(jiān)測(cè)氣化速率。

2)LNG儲(chǔ)槽冷爆炸 在LNG泄漏遇到水的情況下,LNG將激烈地沸騰并伴隨大的響聲、噴出水霧,導(dǎo)致LNG冷爆炸,因?yàn)樗cLNG之間有非常高的熱傳遞速率,LNG從水中吸收熱量。這個(gè)現(xiàn)象類似水落在一塊燒紅的鋼板上發(fā)生的情況,可使水立即蒸發(fā),為避免這種危險(xiǎn),防止泄漏的LNG與水接觸。

3)LNG火災(zāi) LNG蒸汽遇到火源著火后,火焰會(huì)擴(kuò)散到氧氣所及的地方。游離云團(tuán)中的天然氣處于低速燃燒狀態(tài),云團(tuán)內(nèi)形成的壓力低于5kPa,一般不會(huì)造成很大的爆炸危害。燃燒的蒸汽就會(huì)阻止蒸汽云團(tuán)的進(jìn)一步形成,然后形成穩(wěn)定燃燒。當(dāng)蒸汽和空氣混合達(dá)到爆炸的極限時(shí),就會(huì)發(fā)生爆炸或爆轟,造成更大的事故[3]。

4)LNG的泄漏 由于低溫操作,金屬部件會(huì)出現(xiàn)明顯的收縮,在儲(chǔ)槽系統(tǒng)的任何部位尤其是焊縫、閥門、法蘭、管件、密封及裂縫處,都可能出現(xiàn)泄漏和沸騰蒸發(fā)。特別是在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,由于對(duì)儲(chǔ)存容器的振動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),更容易出現(xiàn)泄漏的情況。如果不及時(shí)對(duì)部件加固和封閉這些蒸汽,它就會(huì)逐漸上浮,且擴(kuò)散較遠(yuǎn),容易遇到潛在的火源,引起火災(zāi)或爆炸等事故。

5)低溫凍傷 由于LNG是-162℃的深冷液體,皮膚直接與低溫物體表面接觸會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的傷害。直接接觸時(shí),皮膚表面的潮氣會(huì)凝結(jié),并粘在低溫物體表面上。這時(shí)如硬將皮膚從低溫表面撕開(kāi),就會(huì)將這部分皮膚撕裂,所以當(dāng)戴濕手套工作時(shí)應(yīng)特別注意。當(dāng)皮膚與低溫物體粘接后,可用加熱的方法使皮肉解凍,然后再揭開(kāi)。

6)窒息 呼吸LNG低溫蒸汽有損健康,短時(shí)間內(nèi),導(dǎo)致呼吸困難,時(shí)間一長(zhǎng),就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。雖然LNG蒸汽沒(méi)有毒,但其中的氧含量低,容易使人窒息。如果吸入純凈LNG蒸汽而不迅速脫離,很快就會(huì)失去知覺(jué),幾分鐘后便死亡。

4 安全防護(hù)措施

1)工藝裝置安全設(shè)計(jì) LNG裝置本身的可靠性是保證LNG設(shè)施安全運(yùn)行的重要前提,因此遵循標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)是十分必要的。

2)防泄漏可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng) 一般可以通過(guò)目測(cè)和大型的可燃?xì)怏w探測(cè)器的方法 (如紅外、紫外探測(cè)儀、煙霧燃燒監(jiān)測(cè)儀、低溫探測(cè)裝置和LNG壓力測(cè)試裝置等)來(lái)探測(cè)LNG的泄漏。用目測(cè)的方法所見(jiàn)到的特征為儲(chǔ)運(yùn)裝置外表又云霧狀;而用探測(cè)器時(shí),閉路電視系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)所有LNG設(shè)備的工作狀況,一旦發(fā)生泄漏、外溢、氣化等,應(yīng)急操作就會(huì)被激活,操作工就能及時(shí)采取相應(yīng)的控制措施進(jìn)行處理。因此,連續(xù)的自動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)比人工探測(cè)具有更大的優(yōu)勢(shì),因?yàn)樗鼈儽热斯ぬ綔y(cè)更準(zhǔn)確可靠。

3)事故應(yīng)急系統(tǒng) LNG設(shè)施應(yīng)包括事故切斷系統(tǒng) (ESD)、應(yīng)急報(bào)警系統(tǒng)等事故應(yīng)急系統(tǒng),就是當(dāng)儲(chǔ)運(yùn)或卸貨裝置不在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi)工作的時(shí)候,中斷操作,切斷或關(guān)閉LNG、易燃液體、易燃致冷劑或可燃?xì)怏w來(lái)源,并關(guān)閉繼續(xù)運(yùn)行將加劇或延長(zhǎng)事故的設(shè)備。ESD等應(yīng)急系統(tǒng)應(yīng)具有失效保護(hù)設(shè)計(jì),當(dāng)正常控制系統(tǒng)故障或事故時(shí),使失效的可能性、事故影響和損失最小。

4)靜電導(dǎo)出與消防水系統(tǒng) 由于LNG在裝卸與儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,LNG與儲(chǔ)槽、管道產(chǎn)生磨擦,使儲(chǔ)槽或管道帶上靜電,因此,在LNG相應(yīng)的設(shè)備上設(shè)靜電導(dǎo)出。消防水系統(tǒng)是用于當(dāng)LNG泄漏時(shí),用水來(lái)控制LNG蒸汽云團(tuán)的擴(kuò)散,即使用帶水位控制器的水幕或手握軟管噴水使LNG蒸汽云團(tuán)改道,避免風(fēng)將蒸汽團(tuán)移向會(huì)點(diǎn)燃該蒸汽團(tuán)的運(yùn)行設(shè)備,但同時(shí),水也會(huì)給蒸汽帶來(lái)額外的熱量,造成云霧更快地浮動(dòng)并向上擴(kuò)散。在有火災(zāi)的情況下,為了避免熱輻射,一些設(shè)備需要大水作保護(hù)。在處理LNG失火時(shí),推薦使用干粉 (最好是碳酸鉀)滅火器,注意任何情況下不要在LNG儲(chǔ)槽的大火中使用水,水會(huì)增大氣化速率因而會(huì)將火焰高度增大6倍,輻射熱增大3倍,從而造成LNG的冷爆炸。

5)泡沫控制蒸汽擴(kuò)散及輻射系統(tǒng) 泡沫迅速膨脹,可阻止LNG可燃蒸汽的迅速擴(kuò)散,并且在蒸汽遇到火源著火后,可減少輻射量,泡沫的膨脹率約為500∶1。將泡沫覆蓋在LNG表面,由于熱量增加,會(huì)使LNG的氣化率增大,氣化后的LNG蒸汽穿過(guò)泡沫,溫度升高,向上飄浮。這樣,LNG蒸汽就像煙霧一樣向上浮而不會(huì)沿著地面擴(kuò)散,從而大大減少擴(kuò)散區(qū)。如果是將泡沫覆蓋在燃燒的LNG上,就會(huì)降低氣化率,從而減小火勢(shì)。熱輻射量也就會(huì)隨火勢(shì)的減小而減少。

6)低溫凍傷預(yù)防及急救 由于低溫液體黏度較低,它們會(huì)比其他液體 (如水)更快地滲進(jìn)紡織物或其他多孔的衣料里去,因此,在處理與低溫液體或蒸汽相接觸或接觸過(guò)的任何東西時(shí),都應(yīng)戴上無(wú)吸收性的手套 (PVC或皮革制成),手套應(yīng)寬松,這樣如發(fā)生液體濺到手套上或滲入手套里面時(shí),就可容易地將手套脫下,同時(shí)注意使用面罩或護(hù)目鏡來(lái)保護(hù)眼睛。當(dāng)進(jìn)行LNG泄漏堵漏時(shí),應(yīng)急救援人員必須全身著防凍衣,以免液態(tài)LNG噴濺至人體造成凍傷。當(dāng)個(gè)體發(fā)生凍傷時(shí)應(yīng)該用大量溫水 (41～46℃)沖洗皮膚凍傷處,不可使用干燥加熱的方法,應(yīng)將傷員移至溫暖的地方 (約22℃)。如果不能得到立即診治,就應(yīng)刻不容緩地將傷者送至醫(yī)院。

7)防過(guò)度振動(dòng)裝置 由于LNG在儲(chǔ)運(yùn)的過(guò)程中,難免出現(xiàn)LNG容器的振動(dòng)現(xiàn)象,比如槽車運(yùn)輸時(shí)的路況、管道輸送時(shí)的地震、LNG舶船運(yùn)輸時(shí)的風(fēng)浪等影響因素,都會(huì)對(duì)裝置產(chǎn)生影響。因此,在LNG的儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中,對(duì)裝置采用一些防振動(dòng)措施。

[1]GB/T 19204-2003,液化天然氣的一般特性 [S].

[2]熊光德,毛云龍.LNG的儲(chǔ)運(yùn)和運(yùn)輸[J].天然氣與石油,2005,23(2):17～20.

[3]劉勇.液化天然氣的危險(xiǎn)性與安全防護(hù)[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):105～107.