液化天然气接收站的安全设计

贾 萍

(中国石化洛阳工程有限公司，河南洛阳 471003)

液化天然气接收站的安全设计

贾 萍

(中国石化洛阳工程有限公司，河南洛阳471003)

结合LNG接收站工程设计实践，介绍了LNG接收站的工程组成和工艺流程，并对LNG接收站进行了危险辨识及风险分析。基于LNG的低温、易挥发、易扩散和易燃的特性，介绍了LNG接收站的预防泄漏、平面布置、超压保护、紧急停车、泄漏控制与探测、火灾探测与保护系统的设计原则及方法，根据蒸气云爆炸超压的后果计算，对接收站内建筑物的抗爆设计提出了要求。

液化天然气 危险辨识 风险分析 安全措施 蒸气云爆炸

液化天然气(LNG)接收站是对船运的LNG进行接收、储存、气化和外输等作业的站场。由于接收站储存和加工大量的LNG，而LNG具有低温(-196 ℃)、易挥发、易扩散和易燃的特性。因此，接收站内设备和管道一旦发生泄漏，遇火源时极易发生火灾、爆炸事故，从而造成严重的人员伤亡和财产损失。在进行LNG接收站的安全设计时，应首先进行工艺过程的危险辨识和风险分析，识别危险事件、分析潜在事故的原因和后果，并采取有针对性的安全措施加以预防和控制，使事故风险满足项目风险控制要求。

1 LNG接收站工艺流程

接收站由卸船系统、LNG储存系统、蒸发气(BOG)处理系统、LNG输送及气化系统、天然气计量及外输系统、LNG汽车装车系统、冷能综合利用系统、火炬及泄放系统组成，工艺流程见图1。

接收站设有泄放系统及火炬设施，站内超压气体根据工艺要求就地放空或排至火炬设施燃烧排放。

2 危险辨识及风险分析

目前，LNG接收站工程设计采用的主要规范有GB/T 20368-2012《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》、GB/T 22724-2008《液化天然气设备与安装陆上装置设计》和GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》，这些标准中都对风险分析(安全评估)提出了要求。

本文采用危险与可操作性分析(HAZOP)对该工程危险源识别及事故类型分析见表1。

3 LNG接收站的安全设计

3.1 预防LNG的非正常释放

图1 接收站工艺流程示意

单元名称主要泄漏源/危险源事故类型码头卸料设施LNG卸料臂、气相返回臂及相关管道、凝液罐、集液池喷火、池火、闪火、蒸气云爆炸LNG罐区LNG储罐及相关管道、集液池喷火、池火、闪火、蒸气云爆炸工艺处理设施BOG压缩机、再冷凝器、外输高压泵、开架式气化器(ORV)及相关管道、集液池喷火、池火、闪火、蒸气云爆炸计量外输设施流量计、发球筒及相关管道喷火、闪火汽车装车设施鹤管及相关管道、集液池喷火、池火、闪火、蒸气云爆炸冷能利用设施凝液罐、冷箱及相关管道、集液池喷火、池火、闪火、蒸气云爆炸

设计过程需采取下列措施，避免LNG的非正常释放。

a)设备和管道的设计温度和压力要考虑正常操作、非正常操作等各种操作工况，设计压力应留有足够的余量，避免安全阀频繁起跳。

b)由于阀门、法兰、管件及转动设备的密封是发生泄漏频率较高的部位，因此，应尽量使用焊接管道，以减少管道上阀门及法兰的数量。LNG泵使用密封性能好的泵或潜液泵。

c)管道安装需要进行各种操作条件下的应力分析，采取柔性连接并适应所有的操作条件。支撑管线的构件及盛装易燃介质的设备应设计承受极限状态。

d)由于LNG卸船工况和无卸船工况温度变化很大，管道的应力会受到热胀冷缩的影响，为消除这一影响，LNG卸船主管线需要通过LNG循环线保冷。

e)加工、储存LNG的容器和管道材料应适应低温的要求，首先考虑深冷条件下的低温韧性，其次考虑材料的可焊接性。

3.2 站场平面布置

接收站平面布置应遵循下列原则。

a)各单元按功能进行分类，同类设施集中布置，并将管理区与生产区分开、危险区域与非危险区域分开，各区域之间用道路隔开。

b)站内规划和设置环形的消防、紧急疏散通道和不少于2个接收站的出入口，便于事故时应急救援和疏散。

c)考虑风向对潜在可燃介质释放源与明火设备、有人值守建筑物相对方位的影响，如集液池布置在有人活动区域的下风向，火炬布置在工艺装置的上风向，泄压设施位于安全区域，风险较小的区域位于风险大的区域的上风向等。

d)设备、设施之间的防火间距除满足相关的标准外，还要根据安全评估的结果，如火灾热辐射的影响、爆炸冲击波的影响对平面进行调整和优化。

3.3 超压保护

LNG接收站可能由于误操作或外部火灾等原因而使设备或管道内部液体蒸发造成超压，因此，有可能超压的设备和管道需要设置超压保护，以保证设备和管道不因超压造成机械损坏。超压保护设计可采取下列措施。

a)常规压力容器或两侧切断阀关闭可能超压的管道设置安全阀，泄放物排至火炬系统或储罐。

b)LNG储罐设置二级超压保护。当BOG压缩机不能维持LNG储罐的正常压力时，在LNG储罐压力达到高报警压力时，通过放火炬调节阀，将过量的蒸发气排放到火炬总管来维持储罐压力。当储罐压力继续上升达到储罐的设计压力时，通过设置在储罐顶部的安全阀直接排入大气。

c)天然气外输管道上设置一套超压保护系统(HIPPS)用来保护出站管线，避免发生超压事故。当出站管道上3台压力变送器有2台检测出压力超过高高报警值时，HIPPS将联锁关闭进LNG气化器的LNG输送系统及海水输送系统，高压气体通过设置在气化器出口管道上设置的安全阀排至大气。

3.4 紧急停车系统

根据LNG接收站的特点，需要设置紧急停车系统(ESD)以实现单元进料和能量的切断、隔离泄漏的大容器和管道、关闭点火源，使部分单元和LNG接收站进入预先设定的安全停车状态。

为了ESD系统能够有效地发挥作用，需要独立于过程控制系统(DCS)设置，其安全完整性等级(SIL)要经评估后确定。紧急切断阀需要设置在远离危险源的地点或者采取保护措施，保证阀门能够抵御外部火灾及爆炸的影响而不会丧失安全功能。

根据事故原因及影响范围的大小，ESD对接收站进行分级、分区保护，接收站ESD响应等级、启动方式及响应结果见表2。

表2 ESD系统响应等级、启动方式及响应结果

注：高等级的ESD自动启动低等级的ESD行动。

3.5 泄漏控制

接收站内可能的泄漏源包括LNG储罐及其它工艺设备和管道。LNG储罐采用全容式预应力混凝土储罐的型式，预应力混凝土外罐可容纳内罐全部的泄漏物。其它可能泄漏LNG的工艺设备和管道根据设备的平面布置，分区设置集液池。泄漏的LNG通过露天的导液沟流入特定的集液池，并在集液池设置泡沫绝热覆盖层，以限制LNG的蒸发、扩散。集液池的设计遵循下列原则。

a)集液池的设计容积能够容纳区域内最大一处泄漏量的要求。

b)对于管道的泄漏，泄漏量要考虑两部分：一部分为在某一泄漏时间内以某一泄漏速率(孔的体积流率)通过某一孔径(代表孔径为25 mm)的泄漏量；另一部分为切断阀关闭后管道内剩余流体的量。泄漏时间一般取2 min(泄漏后可探测到的时间+切断阀关闭时间)。

c)对于容器的泄漏，按其操作工况进行分别计算，如码头凝液罐的泄漏量可考虑其全部容纳物的泄漏量，而与BOG压缩机相连接的再冷凝器除考虑其全部容纳物的泄漏外，还要考虑与其相连接的管道内的介质的量，可取1.1倍容器的容积。

d)当采用上部泡沫层进行绝热保护时，集液池的容积还应考虑能够容纳上部泡沫覆盖层的量，且泡沫覆盖层厚度一般不小于1 m。

3.6 泄漏、气体和火灾探测系统

为了防止泄漏事故扩大为更严重的火灾、爆炸事故，以及发生火灾时对相关设施进行有效保护，接收站需要设置泄漏、气体和火灾探测系统，进行早期探测，以便及时采取行动，切断相关泄漏源。

a)LNG泄漏探测设置在可能发生LNG泄漏收集的区域，包括集液池、导液沟，探测器可选择电阻式温度探测器或光纤式低温探测器。

b)可燃气体探测器设置在可能发生可燃气体泄漏的区域以及可燃气易聚积的区域，用于监测转动设备密封、容器与管道连接处、集中阀组的泄漏，以及易聚积可燃气体的低凹处，另外，还要考虑建筑物采通系统的进风口。可选用点型红外可燃气体探测器，也可考虑在面积较大区域选用开路式红外可燃气体探测器。

c)火灾探测器设置在可能发生火灾的区域，室外可选用火焰式探测器，室内可选择感温型和感烟型探测器，根据发生火灾部位的形状可选择点型和线型探测器。

d)手动火灾报警按钮设置在可能发生火灾区域的通道旁边，包括室外区域和建筑物内。

3.7 火灾保护系统

接收站应设置火灾保护系统，用于控制火灾的影响，以避免人员伤亡，防止主要设备和结构的失效造成更大的灾难。除了常规的稳高压消防水系统(包括消火栓、消防水炮等)外，还需要设置固定式的消防水喷雾系统、水幕系统、高倍数泡沫系统、干粉灭火系统，设置位置见表3。

表3 固定式消防系统设置位置

a)水喷雾系统设置于消防水炮不能有效保护的火灾场所，以及用于逃生通道的热辐射防护。

b)水幕系统设置于码头前沿，用于将着火的LNG船或码头有效隔离。当被保护区域内火灾报警控制器接到火灾报警后，自动联锁/远程遥控/现场人工开启自动喷水系统进水管道上的雨淋阀。

c)高倍数泡沫系统设置于集液池，用于降低LNG泄漏物的蒸发速率以及泄漏物被点燃而发生火灾时热辐射的影响。泡沫发生器布置在集液池，围绕被护面进行布置，泡沫发生器宜安装在集液池的上风向，以便风可以把泡沫液吹向集液池。LNG集液池3个低温探测器中有2个探测器探测到有LNG泄漏到集液池后，或火焰探测器探测到火灾信号后，自动启动泡沫发生装置向集液池内喷射泡沫混合液。

d)干粉灭火系统用于扑灭接收站内关键设备的初期火灾。干粉灭火系统的干粉量应确保充足，防止复燃。在设置干粉灭火系统的场所同时设置可燃气体探测器和火焰探测器，当被保护区域内的火灾报警控制器接到火灾报警后，自动联锁/远程遥控/现场人工开启(除LNG储罐外，其它部位均为现场手动启动)干粉灭火系统进行灭火作业。

3.8 建筑抗爆设计

根据危害辨识及危险源分析，LNG接收站存在潜在的爆炸源，发生爆炸后产生的冲击波将会造成设备、建筑物的损坏和人员伤害。目前，对于工业建筑物的抗爆设计只在GB 50779-2012《石油化工控制室抗爆设计规范》中对控制室的抗爆设计做出了规定，而对其它有人工作的建筑物并没有相关的抗爆设计要求。基于对接收站内工作人员保护的角度出发，本工程对有人工作的建筑物做了爆炸影响计算和评估，计算结果见表4，蒸气云爆炸冲击波超压对常规建筑物及其室内人员的影响见表5。

表4 爆炸计算结果

表5 蒸气云爆炸冲击波超压对常规建筑物及其室内人员影响

根据爆炸后果计算，码头综合用房的爆炸冲击波超压14 kPa，可造成普通建筑物内人员重伤和死亡。因此，建筑设计为抗爆结构。其它建筑应按爆炸超压值和持续时间考虑建筑结构、建筑材料的设计，并能满足其使用功能要求。

4 结语

a)安全设计是一个系统化的设计，除文中阐述的LNG接收站的安全措施处，还应考虑诸如电气防爆、储罐基础抗震、火炬系统、应急供电系统、通风系统、应急救援设施等等方面，只有从系统化的安全设计理念出发，才能使LNG接收站运行的风险降至合理的可接受的水平。

b)目前LNG接收站工程设计采用的国家标准基本是等同翻译美国和欧洲的标准，在一些设计理念上与国内相比还有很大差异，而且也不能与国内相关标准进行有机的结合。因此，国内应及早开展LNG接收站设计标准的编制工作。

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

贾萍，高级工程师，注册安全工程师，1989年毕业于河南大学石油化工专业，主要从事石油化工项目的安全环保工程设计和相关评估工作。