液化天然氣的泄漏問題

王秋莎，吳 明，官學(xué)源，劉 杰，張國軍，杜義朋

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

液化天然氣的泄漏問題

王秋莎，吳 明，官學(xué)源，劉 杰，張國軍，杜義朋

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

隨著液化天然氣（LNG）在全球中的廣泛應(yīng)用，其存儲和運(yùn)輸過程中的安全問題成為研究的重點(diǎn)。其中LNG的泄漏就是危及其安全性最重要的因素之一。簡要介紹了國外研究LNG泄漏的實(shí)驗(yàn)研究和理論研究，闡述了LNG的物理性質(zhì)，以及其燃燒、低溫、快速相態(tài)轉(zhuǎn)變的危險特性，并在其基礎(chǔ)上分別討論了LNG泄漏在一定條件下可造成的危險后果。同時提出了能預(yù)防或減小LNG泄漏帶來危害的安全技術(shù)措施。

LNG的泄漏；LNG危險特性；危害后果；安全技術(shù)措施

近年來，隨著液化天然氣（簡稱LNG）在全球生產(chǎn)和貿(mào)易中的日趨活躍，LNG作為一種清潔、經(jīng)濟(jì)的能源在世界能源系統(tǒng)中起到了越來越重要的作用。為確保能源供應(yīng)的多元化和改善能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，一些能源消費(fèi)大國日益重視LNG的引進(jìn)，許多國際石油大公司也將其新的利潤增長點(diǎn)轉(zhuǎn)向LNG業(yè)務(wù)，LNG將成為繼石油之后的另一個全球爭奪的熱門能源商品[1]。為給我國快速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供持續(xù)的能源保障，同時優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)和改善生態(tài)環(huán)境，我國也增加了對LNG行業(yè)的重視。隨著LNG在工業(yè)和日常生活中的大規(guī)模使用，其在儲存、運(yùn)輸和使用等環(huán)節(jié)中的潛在危險也越來越明顯的顯露出來。一旦發(fā)生事故，會造成難以估計的人員傷亡和財產(chǎn)損失等嚴(yán)重后果。因此，LNG在儲運(yùn)過程中的安全問題是擺在我們面前的一個重要課題，而LNG的泄漏就是危及其安全性的重要方面之一。為此，研究有關(guān)LNG的泄漏問題具有重要的意義。

1 LNG泄漏的研究現(xiàn)狀

針對LNG的泄漏問題已在國內(nèi)開始研究，但早在20世紀(jì)70-80年代，國外就開始以實(shí)驗(yàn)研究和理論研究為主要研究方法來研究LNG的泄漏問題。其中實(shí)驗(yàn)研究包括以Burro和Coyote為主的現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。1980年，在California的China Lake上進(jìn)行了由美國能源部贊助的 Lawrence Livermore National Laboratory(LLNL)和 Naval Weapons Center(NWC)一系列的Burro LNG實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)是通過在水面上釋放LNG的方法，取得了在陸地上各種氣象條件的數(shù)據(jù)。1981年，研究者們又以相同的方式進(jìn)行了Coyote試驗(yàn)。同年，在美國的Marlin Sands上，殼牌石油公司（Shell Oil Company）在海面上也進(jìn)行了LNG和冷凍丙烷（LPG）的燃燒與擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)[2]。但在低風(fēng)速和 Reynolds數(shù)據(jù)條件下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)比較困難是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的主要局限性所在。

20世紀(jì)70年代中期到80年代初期，由于增加LNG進(jìn)口項(xiàng)目，美國海岸運(yùn)輸局在新的規(guī)范要求下，建議使用高斯模型（MTB模型）來計算燃?xì)獾臄U(kuò)散保護(hù)區(qū)域。在同一期間，阿肯色州大學(xué)開始研究燃?xì)鉂舛葦U(kuò)散（DEGADIS）模型，這個模型是用來描述密度比空氣大的燃?xì)庑孤┦鹿拾l(fā)生時，大氣中的濃度擴(kuò)散情況。DEGADIS是能夠預(yù)測可發(fā)生氣體溢出事故擴(kuò)散距離的一個綜合擴(kuò)散模型[3,4]。20世紀(jì)80年代，快速發(fā)展的計算流體力學(xué)（CFD）模擬方法對物理風(fēng)洞模擬方法進(jìn)行了評估，而近幾年里哈澤德化學(xué)研究中心針對高密度氣體擴(kuò)散的研究中，也是主要使用CFD模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)[5]。2001年，GTI-CHRC研究項(xiàng)目提交了核查FEM3A(CFD)的模型報告。FEM3A的預(yù)測表明，由于儲罐和防護(hù)堤的存在、燃?xì)夂痛植诒砻娴姆蛛x以及它們的共同作用，燃?xì)獾臄U(kuò)散明顯減少了。許多有關(guān)燃?xì)鉂舛阮I(lǐng)域的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)也證明了FEM3A預(yù)測的準(zhǔn)確性。

2 LNG的物理性質(zhì)及其危險特性

2.1 LNG的物理性質(zhì)

LNG的定義: 液化天然氣是從氣田開采出來的天然氣或油田伴生氣，它經(jīng)過脫水、脫酸性氣體和重?zé)N類，然后是經(jīng)過壓縮，膨脹，液化過程而成的低溫液體[6]。

LNG的物理性質(zhì)：LNG是在常壓下冷卻到-162℃后形成的外觀如普通自來水的無色透明低溫液體，其體積約為同量氣態(tài)體積的 1/625。LNG具有熱值大和性能高等特點(diǎn)，這些性質(zhì)使LNG不僅有利于遠(yuǎn)距離的儲存和運(yùn)輸，而且在儲存和運(yùn)輸?shù)倪^程中也大大降低了儲運(yùn)的成本和空間。

LNG主要由高于75%的甲烷和少量的乙烷、丙烷、 氮?dú)獾榷栊詺怏w組成。LNG的燃點(diǎn)為650 ℃，比汽油高出230 ℃；LNG的爆炸極限為3.6%～17%，汽油的爆炸極限為 1%～5%；LNG比空氣輕，所以稍有泄漏就會立即飛散。

2.2 LNG潛在的危險特性

2.2.1 燃燒危險特性

LNG具有跟天然氣相同的易燃特性，并且其燃燒速度與天然氣相比更快（天然氣的燃燒速度大約是0.3 m/s）。LNG一旦發(fā)生泄漏，會立刻沸騰而氣化，在氣化的過程中會從地面、水泥構(gòu)件、管道系統(tǒng)甚至是空氣等周圍環(huán)境中吸收大量的熱量，此時由液體揮發(fā)為氣體的LNG會迅速擴(kuò)散。由于LNG的密度比空氣小，LNG從液態(tài)到氣態(tài)體積膨脹約為600倍[7]，而且它還具有復(fù)燃、復(fù)爆的特性。所以當(dāng)泄漏的 LNG蒸氣與空氣的混合物達(dá)到爆炸的極限時，就會引起火災(zāi)或爆炸等事故的發(fā)生。

2.2.2 低溫危險特性

LNG在常壓下的沸點(diǎn)大約是－162 ℃左右，其儲存、運(yùn)輸、使用都是在低溫條件狀態(tài)下進(jìn)行的。由于低溫的操作，有關(guān)金屬部件會出現(xiàn)明顯的收縮現(xiàn)象，尤其是閥門、管件、法蘭、焊縫、裂縫及密封等儲槽系統(tǒng)部件。在LNG的儲運(yùn)過程中，由于長時間的振動，這些部件很容易出現(xiàn)泄漏擴(kuò)散的狀況。

2.2.3 快速相態(tài)轉(zhuǎn)變危險特性

LNG與水接觸時，會出現(xiàn)快速相態(tài)轉(zhuǎn)變(RPT)現(xiàn)象[8,9]。發(fā)生此現(xiàn)象的過程是當(dāng)兩種溫度相差懸殊的液體接觸時，冷液體的溫度上升的特別快，表面層的溫度超過液體中出現(xiàn)氣泡時的自發(fā)成核溫度，熱液體在很短的時間內(nèi)會通過一個復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)制，以爆炸的速度產(chǎn)生大量蒸氣。這種現(xiàn)象就像是水落在一塊燒紅的鋼板上，使水立即蒸發(fā)的過程。RPT現(xiàn)象具有爆炸的特點(diǎn)，所以這種現(xiàn)象的產(chǎn)生會導(dǎo)致冷爆炸事故的發(fā)生。

3 LNG泄漏可造成的危險后果

在LNG貿(mào)易日益增長的趨勢下，其泄漏頻率隨著生產(chǎn)和儲運(yùn)量的增加而增大。因此，人們應(yīng)當(dāng)充分重視LNG泄漏可能造成的危險后果。

3.1 火災(zāi)及爆炸

當(dāng)LNG蒸氣遇到明火點(diǎn)燃后，火焰會蔓延到氧氣所到達(dá)的地方。這時不但會產(chǎn)生大量的熱輻射，而且還很容易產(chǎn)生大面積火災(zāi)。LNG的爆炸極限為3.6%～17%，當(dāng)空氣中的濃度達(dá)到此范圍內(nèi)，不但會引發(fā)爆炸，還易形成蒸氣云爆炸?；馂?zāi)及爆炸不但會使儲罐及其周圍的設(shè)施受到嚴(yán)重破壞，還會使人們的人身安全和財產(chǎn)受到威脅。

3.2 低溫?fù)p害

LNG的低溫特性使管道的材料和有關(guān)金屬部件產(chǎn)生脆性破裂和遇冷收縮，導(dǎo)致容易發(fā)生LNG的泄漏擴(kuò)散。這不但會對LNG的管路和系統(tǒng)設(shè)備造成損壞，還會對人體造成低溫灼傷。如果沒能及時穩(wěn)固這些收縮部件和封閉這些泄漏擴(kuò)散的蒸氣，它就會逐漸上升并擴(kuò)散至遠(yuǎn)處，一旦遇到潛在的火源點(diǎn)火，就會造成非常嚴(yán)重的后果。

3.3 冷爆炸

泄漏的液化天然氣進(jìn)入水中時，產(chǎn)生強(qiáng)烈的對流換熱，在一定范圍內(nèi)，其蒸發(fā)速率保持不變。隨著LNG的流動，其泄漏的面積也在逐漸的增大，直到蒸發(fā)的氣體量與泄漏液體所能產(chǎn)生的氣體量相等為止。在一定條件下，當(dāng)LNG泄漏遇到水時，由于與水之間非常高的熱傳遞速率而使 LNG的蒸發(fā)速度增大的非?？臁４藭r就會發(fā)生快速相態(tài)轉(zhuǎn)變（RPT）的現(xiàn)象。此現(xiàn)象的發(fā)生會導(dǎo)致LNG加熱至沸騰，伴隨巨大聲音的同時噴出水霧[10]，繼而發(fā)生可帶來嚴(yán)重后果的LNG蒸氣爆炸事故。

3.4 使人窒息

雖然液化天然氣本身沒有毒，但它有含氧量低的性質(zhì)。如果有人吸入了大量泄漏在空氣中的LNG蒸氣而沒有迅速脫離，就會很快失去知覺，幾分鐘就會死亡[11]。所以，LNG的泄漏會導(dǎo)致人們?nèi)毖醵舷ⅰ?/p>

3.5 其他危害

甲烷是一種對大氣層的臭氧起重要作用的溫室效應(yīng)氣體，具有破壞性的作用。據(jù)考證，甲烷使全球變暖的可能性是CO2氣體的22倍[12]。因此從環(huán)保的角度出發(fā)，我們也要預(yù)防控制LNG的泄漏。另外LNG的泄漏還會導(dǎo)致觸電及機(jī)械傷害等危險事故的發(fā)生。

4 安全技術(shù)措施

4.1 防泄漏可燃?xì)怏w探測系統(tǒng)

LNG的泄漏可以通過目測和大型可燃?xì)怏w探測器的方法來探測，比如紫外線、紅外線探測器、低溫檢測裝置、煙霧燃燒顯示器和LNG的壓力測試設(shè)備。使用探測器時，閉路電視系統(tǒng)可以監(jiān)測到所有LNG設(shè)備的工作情況。一旦發(fā)生LNG氣化、外溢或泄漏等狀況，用目測的方法可以看到儲運(yùn)裝置外表面產(chǎn)生云霧的形狀；用探測器的方法是使操作工人通過被激活的應(yīng)急操作的提醒而及時采取適當(dāng)控制措施的方法。

4.2 高倍泡沫控制蒸氣擴(kuò)散系統(tǒng)

泡沫的膨脹率約為500∶1，在泄漏的LNG表面上覆蓋高倍泡沫，熱量的增加會導(dǎo)致LNG的氣化率增大，使氣化后的LNG蒸氣穿過泡沫后溫度升高而向上漂浮[13]。所以當(dāng)LNG蒸氣遇到明火點(diǎn)燃后，迅速膨脹的泡沫可以減小擴(kuò)散區(qū)域并有效阻止LNG的擴(kuò)散速度，從而減少輻射能量、降低火災(zāi)強(qiáng)度。

4.3 防過度振動裝置的系統(tǒng)

在儲運(yùn)的過程中，儲存容器裝置會由于LNG槽車運(yùn)輸時的路況、LNG船舶運(yùn)輸時的天氣等影響因素出現(xiàn)一些難以避免的振動現(xiàn)象，這些振動很容易使LNG裝置中的部件產(chǎn)生泄漏擴(kuò)散的現(xiàn)象。因此，在LNG的儲存和運(yùn)輸過程中，應(yīng)對設(shè)備裝置采取必要的防振動措施。

4.4 事故應(yīng)急系統(tǒng)

LNG的設(shè)施應(yīng)包括事故切斷系統(tǒng)(ESD)、緊急報警系統(tǒng)等事故應(yīng)急系統(tǒng)，就是當(dāng)存儲、裝卸或運(yùn)輸?shù)难b置發(fā)生泄漏或故障時，能夠切斷或關(guān)閉LNG、易燃?xì)庖后w的來源，迅速中斷或關(guān)閉導(dǎo)致事故發(fā)生的系統(tǒng)。此外，這些事故應(yīng)急保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)具有一個故障安全設(shè)計，當(dāng)正常的控制系統(tǒng)發(fā)生故障或事故時，安全設(shè)計會使事故產(chǎn)生的危害減小至最低。

5 結(jié)束語

從LNG的潛在危險特性及其發(fā)生泄漏所能帶來的危險后果來看，人們應(yīng)該更加重視LNG的泄漏問題。LNG的泄漏研究，與LNG儲運(yùn)的安全運(yùn)行息息相關(guān)。我們必須要加強(qiáng)前沿的儲備技術(shù)研究，優(yōu)化引進(jìn)的技術(shù)與裝備，完善設(shè)備的管理運(yùn)行機(jī)制。在存儲和運(yùn)輸過程中，人們應(yīng)該嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)定執(zhí)行操作，并由專人負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)備的維修保養(yǎng)工作和設(shè)備運(yùn)行記錄工作。一旦發(fā)生LNG泄漏狀況，我們應(yīng)該正確估判泄漏產(chǎn)生的原因，做出合適的安全技術(shù)措施，及時對其進(jìn)行控制和處理。除此之外，我們還應(yīng)該強(qiáng)化工作者的培訓(xùn)教育、提高他們的安全意識，同時加強(qiáng)對設(shè)備的日常考核和安全性檢查。僅僅這些對確保LNG的安全性是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，今后還應(yīng)該對 LNG的儲運(yùn)安全問題進(jìn)行更深層次的研究，以促進(jìn)我國液化天然氣行業(yè)的高速發(fā)展。

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Discussion on the Leakage Problem of Liquefied Natural Gas

WANG Qiu-sha, WU Ming, GUAN Xue-yuan, LIU Jie, ZHANG Guo-jun, DU Yi-peng
(College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China)

With wide application of liquefied natural gas (LNG) in the world, the security issue has become the emphasis of research in its storage and transportation process. LNG leakage is one of important factors that can endanger its security. In this paper, experimental and theoretical studies of LNG leakage at abroad were described, physical properties of LNG were discussed as well as hazardous characteristics of its combustion, low-temperature and rapid-phase-transition; On the basis of these characteristics, harmful consequences caused by LNG leakage under certain conditions were discussed. Meanwhile, the safety technique measures which can prevent or reduce the harmful consequences caused by LNG leakage were put forward.

LNG leakage; LNG hazardous characteristics; Harmful consequences; Safety technique measures

TE 624

A

1671-0460（2012）09-0892-03

2012-06-18

王秋莎（1987-），女，遼寧盤錦人，碩士生，2010年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：現(xiàn)從事油氣管道優(yōu)化運(yùn)行研究。E-mail：wangqiusha01@126.com。

指導(dǎo)教師：吳明（1961-），男，教授，博士，研究方向：主要從事原油管道優(yōu)化運(yùn)行和儲運(yùn)過程系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究。