我國液化天然氣接收站防爆設計①

殷 虹

（中海石油氣電集團有限責任公司技術研發(fā)中心）

液化天然氣（LNG）接收站的主要功能是LNG的接卸、儲存和氣化，以及天然氣的計量、外輸。在LNG接收站的生產(chǎn)過程中不可避免地會出現(xiàn)LNG泄漏或溢出，LNG氣化后的天然氣與空氣中的氧氣混合，形成可燃、易爆的爆炸性混合物，在這種環(huán)境中電氣設備的火花、電弧或危險高溫是引起爆炸事故的主要原因，因此防爆安全就成為企業(yè)的頭等大事。為了防患于未然，在工程設計中必須采取相應的防爆技術措施。通常的技術措施分為兩類，即一次防爆措施，如建筑物的防爆設計，通風防爆設計等；二次防爆措施，如在爆炸危險區(qū)內(nèi)避免點燃源，選用防爆電氣設備等。

1 LNG 接收站爆炸事故特點［1－3］

LNG接收站廠區(qū)的可燃物體主要分布在碼頭區(qū)、LNG儲罐區(qū)、工藝區(qū)、汽車槽車裝車區(qū)、火炬區(qū)、海水區(qū)。區(qū)內(nèi)可燃物體不僅有LNG、天然氣，還有氫氣。主要危害是火災和爆炸，次要危害是低溫凍傷、噪聲、觸電及機械傷害。而主要危害的起因是LNG和天然氣泄漏，因此防止泄漏發(fā)生是安全措施的重中之重。

當LNG從儲罐或管道泄漏時，起初氣化率很高，小部分液體會急劇氣化成蒸氣，形成云層或?qū)恿?，剩余在地面的LNG會沸騰氣化，與周圍的空氣混合形成冷蒸氣霧，在空氣中冷凝形成白煙，白煙稀釋受熱后與空氣混合，形成爆炸性混合物。泄露事故發(fā)生一段時間以后，LNG氣化率趨近于一個常數(shù)，若無圍護設施，則LNG就會沿地面繼續(xù)擴散、氣化，對人身安全構成威脅。

2 爆炸性混合物釋放源

可能發(fā)生泄漏事故的危險部位就是爆炸性混合物釋放源，LNG接收站發(fā)生泄漏事故的危險部位主要是LNG裝卸系統(tǒng)、LNG存儲系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、BOG處理系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)。釋放源部位和危害如表1所示。

表1 LNG接收站釋放源一覽表Table 1 Release sources of LNG receiving terminal

3 爆炸危險區(qū)域的劃分［4－5］

爆炸危險區(qū)域劃分的步驟是，首先對爆炸危險混合物進行分類、分級、分組；然后找出釋放源的位置，判定釋放源的等級，最后繪制爆炸危險區(qū)域圖，爆炸危險區(qū)域劃分是防爆設計的第一步。我國防爆設計依據(jù)的技術規(guī)范有GB 50058－1992《爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范》、GB 3836.14－2010《爆炸性環(huán)境第14部分 危險場所劃分》。但是由于我國LNG起步晚，LNG接收站專業(yè)的防爆技術標準欠缺，因此在國內(nèi)工程設計中還必須參考國際LNG專用技術規(guī)范，例如美國石油協(xié)會標準API 505－97《在I類，0區(qū)，1區(qū)和2區(qū)內(nèi)石油電氣設施危險區(qū)域劃分推薦規(guī)程》，美國消防協(xié)會標準NFPA 59A－2001《LNG生產(chǎn)、儲存和裝運標準》。

3.1 爆炸性混合物分類、分級、分組方法

3.1.1 爆炸性混合物的分類

LNG接收站內(nèi)的可燃物體主要是LNG和天然氣，LNG只有在氣化后才具備可燃性，因此LNG接收站的環(huán)境屬于爆炸性氣體環(huán)境。

3.1.2 爆炸性氣體混合物的分級

根據(jù)GB 50058－1992第2.4.1條規(guī)定，爆炸性氣體混合物的級別分為ⅡA、ⅡB、ⅡC，從ⅡA、ⅡB到ⅡC氣體的爆炸危險程度逐級增加。LNG中主要含有甲烷、乙烷、極少量的戊烷和正丁烷，爆炸級別屬于IIA類。

3.1.3 爆炸性氣體混合物的引燃溫度分組

按照爆炸性氣體混合物引燃的最低溫度，溫度組別分為6組，代表性爆炸性氣體的溫度組別見表2。LNG中戊烷的引燃溫度最低，為285℃，因此LNG的溫度組別定為T3。在爆炸危險區(qū)域內(nèi)電氣設備的表面溫度不得超過爆炸性氣體的引燃溫度，以避免由于電氣設備表面溫度過高引起爆炸。

表2 溫度組別、引燃溫度和電氣設備的最高表面溫度Table 2 Temperature classes，ignition temperature and maximum surface temperature of electric equipment

3.2 查找和確定釋放源的等級

按照爆炸性氣體混合物的釋放頻繁程度和持續(xù)時間，釋放源分為三級，即：連續(xù)級釋放源、第一級釋放源、第二級釋放源。

LNG接收站內(nèi)連續(xù)級釋放源有：固定儲罐的上部空間和排氣口，直接與空氣接觸的LNG的表面；第一級釋放源有：正常運行時會釋放天然氣的BOG壓縮機、閥門的密封處；第二級釋放源有：正常運行時不能出現(xiàn)LNG的管道接頭、天然氣排氣孔。

3.3 爆炸危險區(qū)域的劃分

首先，確定LNG級別和組別（IIA、T3），找出各個釋放源的數(shù)量、位置和等級，劃分出爆炸危險的區(qū)域。然后，確定爆炸危險區(qū)域的范圍，最后結合釋放源所處的通風條件調(diào)整區(qū)域大小。

存在連續(xù)級釋放源的區(qū)域劃為0區(qū)，存在第一級釋放源的區(qū)域劃為1區(qū)，存在第二級釋放源的區(qū)域劃為2區(qū)。

確定爆炸危險區(qū)域數(shù)量和范圍主要是依據(jù)技術規(guī)范中的圖例，重點是參考API 505－97以及工程技術人員的經(jīng)驗。與爆炸危險區(qū)域范圍有關的因素有：LNG／天然氣的泄出量、釋放速度、爆炸性氣體混合物的濃度、LNG的沸點、天然氣爆炸下限、閃點、障礙。

3.4 爆炸危險區(qū)域劃分實例

圖1是福建LNG接收站工程項目爆炸危險區(qū)域劃分圖。該工程的原料輸入為LNG，經(jīng)汽化后將氣態(tài)天然氣通過輸氣干線向各用戶送氣。LNG為氣態(tài)爆炸性混合物屬于IIA級，溫度組別為T3。根據(jù)GB 50058－1992《爆炸和危險環(huán)境電氣裝置設計規(guī)范》及IEC79－10的規(guī)定，液態(tài)和氣態(tài)天然氣在處理，轉運和貯存過程中產(chǎn)生燃燒、爆炸、窒息的危險，考慮其出現(xiàn)的泄漏頻繁程度和持續(xù)時間及通風條件來劃分爆炸危險區(qū)域。

由于工藝措施、設備制造及自動化水平較高，在日常運行時不可能出現(xiàn)爆炸危險氣體混合物，即使出現(xiàn)也僅為短時存在。另外，由于采用露天化布置，通風情況良好。按相關規(guī)范的規(guī)定，LNG儲罐及容器內(nèi)為爆炸危險區(qū)域0區(qū)；儲存LNG的容器及輸送LNG的泵、管線的周圍一定范圍內(nèi)為爆炸危險區(qū)域1區(qū)及2區(qū)，詳見圖1。

4 設計中采用的一次防爆措施［4，6］

4.1 總體布置方面的防爆設計

（1）總體布置應按功能分區(qū)，以便集中考慮安全防爆方案的設計。例如，在LNG接收站廠區(qū)內(nèi)，LNG儲罐區(qū)、工藝區(qū)和槽車裝車區(qū)集中布置，與行政區(qū)、公用工程區(qū)分開布置。

（2）總平面布置應該結合工藝流程特點、站址的地形地貌、當?shù)貧庀髼l件等。例如，工藝區(qū)布置在站區(qū)全年最小頻率風向的上風側。

（3）全廠性重要設施如：控制樓、變／配電室、總變電站、應急發(fā)電機、110kV開關站等布置在非爆炸危險區(qū)，并且距離危險區(qū)30m以上。

（4）電纜和高壓電路的走向應盡量繞開危險區(qū)域。

4.2 建筑物設計方面的防爆設計

接收站大多數(shù)生產(chǎn)設備采用露天布置，有利于通風及防爆泄壓，可避免爆炸性氣體在建筑物內(nèi)積聚。如BOG壓縮機廠房為半開敞式建筑。

4.3 通風空調(diào)系統(tǒng)防爆設計

合理設定LNG儲罐、海水氣化器等設備間安全距離，加強區(qū)域通風，可以在一定程度上降低爆炸的發(fā)生機率。

總變電所、碼頭變電間、控制室及機柜室配備空調(diào)，在外墻上設置余壓閥，并且需維持房間內(nèi)不低于25Pa的正壓?？刂茦?、碼頭控制樓、變電所內(nèi)的所有暖通空調(diào)設備應配備應急電源。

當有些電氣設備必須布置在爆炸危險區(qū)內(nèi)而其防爆條件又不能滿足所要求時，可以采用正壓防護，布置在1區(qū)、2區(qū)內(nèi)變電間／控制室房間內(nèi)應保持不低于50Pa的正壓。

排除含有爆炸危險性氣體的通風機必須選用防爆通風機，風機及風管必須有良好的接地措施。

海水取水區(qū)的海水電解裝置采用露天布置和強行通風，保證該區(qū)域內(nèi)的氫氣濃度低于爆炸下限4%（y）。

5 設計中采用的二次防爆措施—防爆電氣設備選型設計［5－6］

5.1 危險區(qū)域內(nèi)電氣設備的選型原則

危險區(qū)域內(nèi)電氣設備的選型要嚴格執(zhí)行GB 3836－2010《爆炸性環(huán)境》的相關規(guī)定。

（1）在選用防爆電氣設備時，電氣設備的級別和組別不低于IIA、T3。

（2）爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電氣設備防護型式，應符合周圍環(huán)境條件的要求。LNG接收站的電氣設備外殼防護型式選用見表3。

表3 電氣設備防護結構的選型Table 3 Type selection of electric protection equipment

（3）爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電纜全部采用阻燃電纜，應急照明和消防系統(tǒng)采用耐火電纜。

（4）在電纜易受損壞的場所，電纜敷設在電纜托盤內(nèi)或穿鋼管埋在地下。在爆炸危險區(qū)域內(nèi)的電纜不允許有中間接頭。敷設電氣線路的溝道、電纜或鋼管所穿過的不同區(qū)域之間墻或樓板處的孔洞處均采用非燃燒性材料嚴密堵塞。

（5）危險區(qū)域內(nèi)的電器、儀表必須獲得相關機構的認證，并在永久性銘牌上標注防護等級、氣體類別、溫度組別，認證標準及認證機構和認證號。

5.2 LNG接收站常用的防爆電氣設備類型選擇

（1）LNG接收站常用防爆電氣設備類型有：隔爆型“d”、增安型“e”、本質(zhì)安全型“i”、正壓型“p”、無火化型“n”，其他類型基本不用。

（2）允許在危險區(qū)域安裝的電氣設備防爆類型、標志和電纜見表4。

表4 電氣設備防爆類型、標志Table 4 Anti－explosion types and marks of electric protection equipment

6 結論與建議

6.1 對LNG爆炸性氣體混合物級別和組別確定要合理，并不是級別和組別越高越好

國內(nèi)已建大型LNG接收站的工程設計中都把LNG爆炸性氣體混合物級別和組別定為IIA，T3；這是沿用了最初國外工程公司的設計理念，但是目前有2個在建項目對LNG爆炸性氣體混合物級別和組別定為IIB，T4。

分析表明，LNG組分中甲烷占組分90%（y，下同）以上，其引燃溫度是537℃，溫度組別T1；戊烷約占LNG組分的0.003%，其引燃溫度是285℃，溫度組別T3，以戊烷來確定LNG溫度組別顯然是保守的。如果按照II B，T4定級，則更是偏嚴了，按照II B，T4選擇電氣設備，會增加設備的投資，而且只有LED燈具能滿足II B，T4的要求，其他常用的防爆燈具達不到防爆要求。

6.2 在投資增加不多的前提下，可以利用一次防爆措施，加強LNG接收站的安全防護

按照GB 50058－1992的規(guī)定，當變、配電室內(nèi)為正壓室，可以布置在1、2類危險區(qū)。福建LNG接收站的總變電所雖然布置在危險區(qū)外，但還是采用了微正壓室設計，既保證了室內(nèi)溫度，又有效地防止了可燃氣體進入。

6.3 LNG碼頭控制／配電室布置應慎重

為了操作方便，碼頭控制室布置在LNG碼頭操作平臺上或鄰近碼頭的位置，從安全考慮，最好是布置在爆炸危險區(qū)域以外。因為，操作平臺上布置了卸料臂、LNG低溫管線、天然氣管線、閥門、積液池等危險物釋放源，操作平臺幾乎都是爆炸危險區(qū)域。廣東大鵬LNG接收站和浙江LNG接收站的碼頭控制／配電室布置在棧橋上鄰近碼頭的位置，正是出于安全考慮；而上海LNG接收站碼頭控制／配電室布置在操作平臺上，雖然在非危險區(qū)域內(nèi)，但是離釋放源很近。建筑物設計上必須加強防爆、防火措施。為了安全起見，建議碼頭控制／配電室盡量不要布置在碼頭操作平臺上，這樣既保障安全，又可以節(jié)約防爆設施的工程建設費用。

［1］顧安忠.液化天然氣技術手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2010.

［2］王天明，邵擁軍，王春燕，等.中小型液化天然氣裝置凈化和液化工藝研究［J］.石油與天然氣化工，2007，36（3）：191－193.

［3］徐文淵.小型液化天然氣生產(chǎn)裝置［J］.石油與天然氣化工，2005，34（3）：161－164.

［4］中華人民共和國建設部.GB 50058－1992爆炸和火災危險環(huán)境電力裝置設計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2004.

［5］全國防爆電氣設備標準化技術委員會.GB 3836.1－2010爆炸性環(huán)境第一部分：設備通用要求［S］.北京：中國標準出版社，2011.

［6］王祥，朱煥勤.油庫電氣安全防爆技術［M］.北京：中國電力出版社，2009.