液化天然气储运及安全问题分析

1液化天然气储运及安全问题分析摘要：随着世界和我国LNG工业的发展，LNG工业产业的完整链系包括上游天然气的开采、液化储运、气化、销售等环节，其中主要环节为液化站、LNG运输和供气站三个接点。而LNG储运及安全问题是整个LNG产业链中尤为重要的环节。本文在简述了LNG特性和储运方式后，分析了LNG储运中的安全问题及危险因素，提出了相应的安全措施。LNG是天然气储存和输送的一种有效的方法，在实际应用中，LNG也是要转变为气态使用，因此，在考虑LNG设备或工程的安全问题时，不仅要考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性，还要考虑其转变为液态以后，其低温特性和液体特征所引起的安全问题，并进行安全技术管理与评价。关键词：LNGLNG特性LNG储运LNG安全Abstract:WiththedevelopmentofworldandChina'sLNGindustry,LNGindustries’completechainsystemincludesupstreamgasexploration,liquefactionstorage,gasification,marketingandotheraspects,themainpartincludingtheliquefactionstations,LNGtransportationandgasstation.Thestorage,transportationandsecurityofLNGisparticularlyimportantintheentireLNGchain.ThispaperoutlinesthefeaturesofLNG,LNGstorageandtransportationmethods,theanalysisofsecurityissuesintheLNGstorageandriskfactorsandthecorrespondingsecuritymeasures.LNGisaneffectivewayofthenaturalgasstorageanddelivery.Inpracticalapplications,LNGisusedafteritistransformedintoagaseousstate.Therefore,whenconsideringthesafetyofLNGfacilitiesorengineeringproblems,notonlyconsiderthatthenaturalgashastheexplosiverisk,butalsoconsideritslow-temperaturepropertiesandcharacteristicsoftheliquidcausedbysafetyissuesafteritbecomesliquid,,andmakingtheevaluationofthesafetyandtechnicalmanagement.Keywords:LNG，LNGfeatures，LNG，LNGsafety1.前言LNG(液化天然气)是一种经天然气净化并深冷液化而成的液体，它是以甲烷为主要成分的低温液态混合物，其体积约为气态时的1/600，它是一种清洁、优质燃料。液化了的天然气更有利于远距离运输、储存，使天然气的应用方式更灵活、范围更广，主要体现在以下几方面：①LNG便于经济可靠的运输，方便灵活，适应性强；②储存效率高，占地少，投资省；2③有利于城市燃气负荷的调节，同时可以利用LNG的冷能，如冷藏、冷冻、温差发电等；④LNG可用作优质的车用燃料，具有抗爆性好、燃烧完全、排气污染少、发动机寿命长、降低运输成本等优点；⑤有利于保护环境，减少城市污染，属于国家重点扶持的新兴环保产业。目前，我国LNG产业正处于起步阶段。国内已建有数套LNG生产装置，其中分别位于上海、广东、福建等沿海城市。随着国家对能源结构、能源安全和环境治理的重视，一批规模更大的LNG工厂和进口LNG接受终端正在紧锣密鼓地筹建中。因此，液态天然气（LNG）储运及安全问题是摆在我们面前的一个重要课题。2.LNG基本特性LNG主要成分为甲烷，另外还含有少量的乙烷、丙烷、N2及其他天然气中通常含有的物质。LNG的密度取决于其组分，通常为430～470kg/m³，甲烷含量越高，密度越小；密度还是液体温度的函数，温度越高，密度越小。LNG的沸腾温度也取决于其组分，在大气压力下通常为-166～-157℃。LNG储存在绝热储罐中，任何热量渗漏到罐中，都会导致一定量的液体气化为气体，这种气体就叫做蒸发气。蒸发气的组成取决于液体的组成，一般地，LNG蒸发气含有20%的N2，80%的甲烷及微量的乙烷。LNG的溢出与扩散：LNG倾倒至地面上时，最初会猛烈沸腾蒸发，后蒸发率将迅速衰减至一个固定值，蒸发气体沿地面形成一个层流，从环境中吸收热量逐渐上升和扩散，同时将周围的环境空气冷却至露点以下，形成一个可见的云团，可作为蒸发气体移动方向的指南，也可作为气体空气混合物可燃性的指示。LNG具有天然气的易燃易爆特性，在-162℃的低温条件下，其燃烧范围为6%～13%(体积百分比)；LNG着火温度随组分的变化而变化，重烃含量的增加使着火温度降低。熟悉理解LNG的基本特性，有利于正确认识来自LNG的危险因素，并进行安全问题分析与处理。3.LNG储存运输3.1LNG储存在基地型LNG生产厂、调峰型LNG工厂和LNG接收终端,以及在LNG运输过程中，LNG储存是不可或缺的重要环节,储存设施所占投资比例相当大。LNG的储存方式有储罐储存和岩腔中储存,储罐储存是最主要的储存方式。LNG储罐分地面储罐和地下储罐两种。LNG低温储罐的结构很像暖水瓶，是双层结构，内胆存储低温液体，它要承受介质的压力和低温，所以制作内胆的材料必须采用耐低温合金钢；外壳的作用是为了形成内胆的绝热层，它使外壳与内胆之间保持一定距，形成绝热空间，并通过支撑装置固定内胆，它要承受内胆和介质的重力载荷以及绝热层的真空负压。低温储罐绝热性能的一个重要技术指标，叫做蒸发率，3对LNG罐一般为=＜0.2%，它表示的是一天24小时中，由于储罐绝热层泄露而使得外部热量传入储罐内胆，导致气化的液体体积与储罐容积的百分比。低温储罐的接口与LPG储罐相似，有气相接口、进液口、出液口和液位检测口。不同的是，由于绝热和内部结构原因，所有接口都集中在储罐的一个封头上，一般不能随处开口。比如，安全阀是安装在气相管上的，不单独开口；一般也不单独设置排污口。另外需要特别说明的是，进液管一般有两个，一个下部进液管，还有一个上部进液管。3.2LNG运输天然气的输送,凡管道能直达的地区,以管道输送为好。当管道难以直达或敷设管道不经济时,特别是跨洋运输天然气,则以液化天然气形式采用油轮运输较为经济。3.2.1槽车运输运输距离短、数量不大的LNG输送,可采用公路槽车运输。用公路槽车运输深冷液体已有多年历史,国内外技术都十分成熟。超过一定距离,采用铁路槽车运输LNG比采用公路槽车较为经济。3.2.2LNG船舶运输多年以来，在LNG国际贸易中，主要采用专用油轮进行LNG跨洋运输。LNG船舶主要有两种，球式和膜式。两种类型LNG船舶的主要不同是：①一些老的膜式船舶由于多孔，在主膜屏障内遭受气体浓度困扰，尽管由于氮气不断地净化，不会成为严重威胁，但也应引起注意。②膜式船舶比球式船舶有更快的冷却时问，常见的为9～10h。③膜式船舶在相同装载能力下外形小。结构需要钢材也较少，这也导致了净空高度减小，并且降低费用。④球式船舶相对于膜式船舶而言，对一些货物装载的限制较少3.3.3管道输送目前，在陆地上，由于受到管道低温输送技术、经济、气源等各方面的影响，世界上约75%的天然气仍采用常态管道方式输送的方式。只在LNG调峰装置和油轮装卸设施上设有LNG低温管线，还没有长距离LNG管线的实例。长距离LNG管线的初期投资较大，受气源的限制较大。4.LNG安全问题分析4.1LNG具有的危险性4.1.1低温的危险性人们通常认为天然气的密度比空气小，LNG泄漏后可气化向空气飘散，较为安全。但事实远非如此，当LNG泄漏后迅速蒸发，然后降至某一固定的蒸发速度。开始蒸发时其气体密度大于空气的密度，在地面形成一个流动层，当温度上升到约-110℃以上时，蒸气与空气的混合物在温度上升过程中形成了密度小于空气的“云团”。同时，由于LNG泄漏时的温度很4低，其周围大气中的水蒸气被冷凝成“雾团”，然后LNG再进一步与空气混合过程中完全气化。LNG的低温危险性还能使相关设备脆性断裂和遇冷收缩，从而损坏设备和低温冻伤操作者。4.1.2BOG的危险性虽然LNG存在于绝热的储罐中，但外界传入的能量均能引起LNG的蒸发，这就是BOG（BoilofGas）蒸发气体。故要求LNG储罐有一个极低的蒸发率，要求储罐本身设有合理的安全放空系统，否则BOG将大大增加，严重者使罐内温度、压力上升过快，直至储罐破裂。4.1.3着火的危险性天然气在空气中百分含量在5%～15%（体积%）时，遇明火可产生爆燃。因此，必须防止可燃物、点火源、氧化剂（空气）这三个因素同时存在。4.1.4翻滚的危险性通常储罐内的LNG长期静止将形成两个稳定的液相层，下层密度大于上层密度。当外界热量传入罐内时，两个液相层引发传质和传热并相互混合，液层表面也开始蒸发，下层由于吸收了上层的热量，而处于“过热”状态。当二液相层密度接近时，可在短时间内产生大量气体，使罐内压力急剧上升，这就是翻滚现象。4.1.5对人生理上的影响人暴露在体积分数为9％以上的CH4气氛中会引起前额和眼部有压迫感，但只要恢复呼吸新鲜空气，就可消除这种不适的感觉。如果持续地暴露在这样的气氛环境下，会引起意识模糊和窒息。甲烷是一种普通的窒息性物质。虽然LNG蒸气是无毒的，如果吸进纯的LNG蒸气，人迅速失去知觉，几分钟后死亡。当大气中的氧的含量逐渐减少时，工作人员有可能察觉不到，慢慢地窒息，待到发觉时已经很晚了。LNG缓慢窒息的过程分成4个阶段，见表1。表1LNG对人窒息的生理特征Table1.LNGonhumanphysiologicalcharacteristicsofsuffocation阶段氧气的体积分数生理特征第一阶段14％～21％脉搏增加，心跳加快，影响呼吸第二阶段10％～14％判断失误，迅速疲劳，对疼痛失去知觉第三阶段6％～10％恶心，呕吐，虚脱，造成永久性脑部伤害第四阶段6％痉挛，呼吸停止，死亡当空气中氧气的体积分数低于10％，天然气的体积分数高于50％，对人体会产生永久伤害。在这情况下，工作人员不能进入LNG蒸气区域。54.2LNG安全对策根据LNG的特性以及LNG储运生产的实际过程，我们可以得出以下几点LNG的安全问题。4.2.1LNG气化超压爆炸LNG超压爆炸，这与LNG处于沸腾(或接近于沸腾)状态有关。在LNG储槽中，LNG处于沸腾状态，当外来的热量传入时会导致LNG气化使压力超高，从而致使安全阀打开，造成泄漏，引起火灾和爆炸。为避免这种危险，应采取特殊处理的方法：①轻LNG从槽底进料，或重LNG从槽顶进料，或两者结合使用；②在槽内安装自动密度仪，以检测不同密度的层；③用槽内泵使液体从底至顶循环；④保持LNG的的含氮量低于1%，并且密切监测气化速率。4.2.2LNG的泄漏由于低温操作，金属部件会出现明显的收缩，在储槽系统的任何部位尤其是焊缝、阀门、法兰、管件、密封及裂缝处，都可能出现泄漏和沸腾蒸发。特别是在储运过程中，由于对储存容器的振动时间长，更容易出现泄漏的情况。如果不及时对部件加固和封闭这些蒸气，它就会逐渐上浮，且扩散较远，容易遇到潜在的火源，引起火灾或爆炸等事故。4.2.3LNG火灾LNG蒸气遇到火源着火后，火焰会扩散到氧气所及的地方。游离云团中的天然气处于低速燃烧状态，云团内形成的压力低于5kPa，一般不会造成很大的爆炸危害。燃烧的蒸气就会阻止蒸气云团的进一步形成，然后形成稳定燃烧。当蒸气和空气混合达到爆炸的极限时，就会发生爆炸或爆轰，造成更大的事故。4.2.4低