液化天然氣接收站在卸船、接收、儲(chǔ)存及氣化過程中影響安全的主要因素是火災(zāi)爆炸，次要因素包括低溫凍傷、噪聲、觸電及機(jī)械傷害等。
一、LNG的泄漏
液化天然氣生產(chǎn)過程中發(fā)生的火災(zāi)爆炸或低溫凍傷等安全事故多因LNG泄漏(或溢出)引起，LNG泄漏能使現(xiàn)場(chǎng)的人員處于非常危險(xiǎn)的境地。這些危害包括低溫灼燒、凍傷、體溫降低、肺部傷害、窒息等。當(dāng)蒸氣云團(tuán)被點(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱輻射也將對(duì)人體造成傷害。如果系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生LNG溢出或泄漏，LNG在短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生大量的蒸氣。與空氣形成可燃的混合物，并將很快擴(kuò)散到下風(fēng)處。于是，產(chǎn)生LNG溢出的附近區(qū)域均存在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性。
LNG蒸氣受熱以后，密度小于空氣，有利于快速擴(kuò)散到高空大氣中。蒸氣擴(kuò)散的距離與初始溢出的數(shù)量、持續(xù)的時(shí)間、風(fēng)速和風(fēng)向、地形，以及大氣的溫度和濕度有關(guān)。從對(duì)LNG溢出的研究表明：風(fēng)速比較高時(shí)，能很快地驅(qū)散LNG蒸氣云團(tuán)；風(fēng)速較低(或無風(fēng))時(shí)，蒸氣云團(tuán)主要聚集在泄漏點(diǎn)附近。移動(dòng)的蒸氣云團(tuán)容易產(chǎn)生燃燒的區(qū)域，主要是在可見氣團(tuán)的周圍，因?yàn)檫@些區(qū)域內(nèi)的部分混合氣體處于燃燒范圍之內(nèi)。
LNG泄漏屬于一種比較嚴(yán)重的事故，由設(shè)備的損壞或操作失誤等原因引起。正確評(píng)估LNG的溢出以及蒸氣云的產(chǎn)生與擴(kuò)散，是有關(guān)安全的一個(gè)重要問題。溢出的LNG蒸發(fā)速度非?？欤纬纱罅康恼魵庠?。蒸氣云將四處擴(kuò)散，比較危險(xiǎn)的情況是遇到火源產(chǎn)生火災(zāi)。因?yàn)檎魵獾臄?shù)量多，溢出的LNG能不斷地蒸發(fā)和擴(kuò)散。在蒸氣擴(kuò)散的過程中，如果遇到有風(fēng)的情況，火災(zāi)可能迅速蔓延。而且火災(zāi)本身也能產(chǎn)生強(qiáng)勁的空氣對(duì)流。因此，在考慮人員和設(shè)備的安全問題時(shí)，應(yīng)重視風(fēng)和火相互作用的影響。最危險(xiǎn)的情況是由于燃燒產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，能對(duì)LNG設(shè)備造成進(jìn)一步的損壞，擴(kuò)大事故的嚴(yán)重性。
(一) LNG泄漏危害分析
LNG的泄漏可以分為泄漏到地面和水面兩種情況。
1. LNG泄漏到地面
主要是指陸地上的LNG系統(tǒng)，因設(shè)備或操作原因，使LNG泄漏到地面。由于LNG與地面之間存在較大的溫差，LNG將吸收地面的熱量迅速氣化。這是一個(gè)非常快速的氣化過程，初期的氣化率很高，只有當(dāng)土壤中的水分被凍結(jié)以后，土壤傳遞給LNG的熱量逐漸地減少，氣化速率才開始下降。另外，周圍空氣的傳導(dǎo)和對(duì)流，以及太陽輻射也會(huì)增加LNG的氣化速率。在考慮系統(tǒng)或設(shè)施的安全性問題時(shí)，應(yīng)考慮兩方面的問題：首先是設(shè)備本身，在萬一發(fā)生泄漏的情況下，設(shè)備周圍應(yīng)具備有限制LNG擴(kuò)散的設(shè)施(圍堰或蓄液池)，應(yīng)使LNG影響的范圍盡可能縮??；其次是LNG溢出后，抑制氣體發(fā)生的速率及影響的范圍。
圍堰是用于液化天然氣儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，防止LNG擴(kuò)散的設(shè)施。圍堰內(nèi)的容積應(yīng)足夠容納儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)天然氣。在某些設(shè)計(jì)中，則在儲(chǔ)罐周圍的地面采用低熱導(dǎo)率的材料，如用具有隔熱作用的水泥圍起來，以減少蒸發(fā)的速率。另一種減少蒸發(fā)速率的安全措施是圍繞圍堰，安裝有固定的泡沫發(fā)生器，在發(fā)生LNG溢出時(shí)，泡沫發(fā)生器噴出泡沫，泡沫覆蓋在圍堰中的LNG上面，可以減少來自空氣的熱量，降低LNG蒸氣產(chǎn)生的速率。目前有一些新的設(shè)計(jì)理念，儲(chǔ)罐周圍不設(shè)圍堰。LNG儲(chǔ)罐安裝在一鋼筋混凝土的撲殼內(nèi)，內(nèi)罐通常使用9Ni鋼制造。如果內(nèi)罐發(fā)生溢出或泄漏，泄漏的液體包含在水泥外殼的內(nèi)部，液體表面暴露于空氣的面積相對(duì)很小，氣體產(chǎn)生的速度比LNG在圍堰內(nèi)要小得多。
比較危險(xiǎn)的是LNG氣體在飄散的過程中，可能在途中遇到點(diǎn)火源，然后產(chǎn)生燃燒，火焰順著蒸氣云往回蔓延到蒸氣發(fā)生點(diǎn)，對(duì)設(shè)施具有潛在的毀壞作用。
2. LNG泄漏到水面
LNG在水面上產(chǎn)生溢出時(shí)，水面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，并形成少量的冰。氣化的情況與LNG泄漏到地面差不多，當(dāng)然，溢出到水面的蒸發(fā)速度要快得多。而且水是一個(gè)無限大的熱源，水的流動(dòng)性為L(zhǎng)NG的氣化提供了穩(wěn)定的熱量。有關(guān)的LNG工業(yè)機(jī)構(gòu)和航運(yùn)安全代理機(jī)構(gòu)，對(duì)LNG在水上泄漏的情況進(jìn)行了深入地研究。根據(jù)有關(guān)的報(bào)道，LNG泄漏到水面的蒸發(fā)速率0.181kg/(m2·s)，基本上不受時(shí)間的影響。
LNG泄漏到水面上，最重要的安全問題是蒸氣云的形成和引起火災(zāi)的可能性。在空曠的地方，LNG產(chǎn)生的蒸氣云一般不會(huì)產(chǎn)生爆炸，但有可能引起燃燒和快速蔓延的火災(zāi)。蒸氣云產(chǎn)生以后，主要有兩個(gè)方面的問題：一是蒸氣云隨著風(fēng)向的擴(kuò)散，如果在下風(fēng)方向存在高溫?zé)嵩椿蚧鹪?，就有可能點(diǎn)燃這些可燃?xì)怏w的云團(tuán)；二是天然氣云團(tuán)被點(diǎn)燃后，火焰的擴(kuò)散及火焰產(chǎn)生的熱流將點(diǎn)燃飄逸的天然氣云團(tuán)。
蒸氣云團(tuán)在大氣中的擴(kuò)散是個(gè)令人關(guān)注的問題。一旦發(fā)生類似的事故以后，需要利用氣象學(xué)方面的技術(shù)，對(duì)可能擴(kuò)散到的區(qū)域提前進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)先采取防火和防空氣污染的措施。表6-5列出了LNG和液氮在水面的蒸發(fā)量和熱流范圍。
表6-5 LNG和液氮在水面的蒸發(fā)量和熱流范圍
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蒸發(fā)條件 | 蒸發(fā)率[kg/(m2·s)] | 熱流密度/(103W/m2) |
最大值 | 平均值 | 最大值 | 平均值 |
LNG水面蒸發(fā) | 0.229～0.303 | 0.146～0.195 | 132.5～176.6 | 84.9～113.3 |
LNG冰上蒸發(fā) | 0.332～0.732 | 0.171～0.190 | 192.4～328.1 | 99.1～123.0 |
液氮水面蒸發(fā) | 0.11～0.342 | 0.063～0.171 | 30.3～68.1 | 12.62～34.1 |
(二) LNG泄漏后的蒸氣擴(kuò)散
對(duì)LNG的泄漏，希望能夠預(yù)測(cè)LNG蒸氣量與溢出距離和溢出時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。這樣可以通過用溢出的流量和時(shí)間來預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生危險(xiǎn)的區(qū)域。
預(yù)測(cè)首先要估計(jì)溢出發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的蒸氣量，有突然溢出和逐步溢出之分。突然溢出后，LNG的蒸發(fā)速率隨著時(shí)間的增加而減少。逐步溢出的LNG則像在溢出到?jīng)]有限制的水面上一樣，蒸發(fā)很快。特別要考慮溫度較低的蒸氣，因密度比空氣大，流出圍堰后會(huì)四處彌散。LNG蒸氣充滿圍堰后，然后會(huì)流出圍堰，所需的時(shí)間要等于或大于達(dá)到穩(wěn)定蒸發(fā)的時(shí)間。蒸氣在達(dá)到穩(wěn)定蒸發(fā)后流出圍堰區(qū)。蒸氣也有可能在充滿圍堰前，密度就已經(jīng)減小，能上升擴(kuò)散到空氣中，這是比較理想的情況。
泄漏后蒸氣量與泄漏距離和溢出時(shí)間的關(guān)系由LNG蒸氣的產(chǎn)生速率、圍堰等限制建筑的結(jié)構(gòu)形式、大氣條件，包括風(fēng)速、垂直溫度梯度及濕度等決定。
LNG蒸氣的擴(kuò)散與空氣流動(dòng)的情況有關(guān)。無風(fēng)條件下的擴(kuò)散，比較重的LNG蒸氣受熱上升前，只有少量的LNG蒸氣與空氣混合。蒸氣從與之接觸的地面、太陽輻射中獲取能量，同時(shí)冷凝和凍結(jié)大氣中的水分。濕空氣形成了可見的蒸氣團(tuán)。在無風(fēng)條件下模擬LNG蒸氣擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型顯示：高含量的LNG蒸氣聚集在溢出點(diǎn)附近，隨后由于溫度上升，密度減小，空氣的浮力作用使之?dāng)U散。溢出流量比較小的情況下，蒸氣逐漸擴(kuò)散和消失，而溢出流量很大時(shí)，蒸氣擴(kuò)散越來越嚴(yán)重。當(dāng)蒸氣受熱后，開始上升，在上升過程中與空氣混合。有風(fēng)的條件下擴(kuò)散時(shí)，LNG蒸氣團(tuán)被流動(dòng)的空氣帶走，向下風(fēng)方向移動(dòng)。空氣將LNG蒸氣從溢出處帶走的過程很復(fù)雜。在大氣中，空氣與溫度很低的LNG蒸氣混合，以及LNG蒸氣被空氣加熱和混合氣體變輕的過程也是很復(fù)雜的，和風(fēng)速、垂直溫度梯度、障礙物情況有關(guān)。雖然過程比較復(fù)雜，但也可以用數(shù)學(xué)模型來模擬。有些研究人員用數(shù)學(xué)模型模擬了大型圍堰區(qū)LNG溢出后，產(chǎn)生的蒸氣順風(fēng)擴(kuò)散的情況。同樣，在水面上的無限制泄漏的情況也可以模擬。風(fēng)速和垂直溫度梯度的共同作用，影響LNG蒸氣的水平和垂直的擴(kuò)散。LNG蒸氣在擴(kuò)散的過程中，溫度倒置(指空氣上部的溫度比靠近地面的溫度高)，較低的風(fēng)速將使混合過程變慢，并增加順風(fēng)方向的漂移距離。
(三) LNG泄漏的預(yù)防
焊縫、閥門、法蘭和與儲(chǔ)罐壁連接的管路等，是LNG容易產(chǎn)生泄漏的地方。當(dāng)LNG從系統(tǒng)中泄漏出來時(shí)，冷流體將周圍的空氣冷卻至露點(diǎn)以下，形成可見霧團(tuán)。通過可見的蒸氣云團(tuán)可以觀測(cè)和判斷有LNG的泄漏。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)泄漏后，應(yīng)當(dāng)迅速判斷裝置是否需要立即停機(jī)，還是在不停機(jī)的情況下可將泄漏處隔離和修復(fù)，事先應(yīng)當(dāng)制定評(píng)估泄漏的標(biāo)準(zhǔn)并決定相應(yīng)的措施。另外，安全規(guī)程中必須防止人員接近泄漏的流體或冷蒸氣，并盡量減少蒸氣接近火源。工廠應(yīng)當(dāng)安裝柵欄、警告標(biāo)志、可燃?xì)怏w檢測(cè)器等設(shè)備。
1. 管路閥門的泄漏
閥門是比較容易漏泄的部件。雖然LNG系統(tǒng)的閥門都是根據(jù)低溫憊件設(shè)計(jì)的，但當(dāng)系統(tǒng)在工作溫度下被冷卻后，金屬部分會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮，管路閥門可能產(chǎn)生泄漏。需要充分考慮這種泄漏的可能性應(yīng)對(duì)措施，并安裝必需的設(shè)備。另外，為了在冷卻過程中操作調(diào)節(jié)這些部件，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備相應(yīng)的工具和服裝。總之，暴露在外部的LNG設(shè)備上的閥門，可以通過閥門上異常結(jié)霜來判斷是否出現(xiàn)泄漏。日常的檢測(cè)可以有效地防止液體的泄漏。
2. 輸送軟管和連接處的泄漏
LNG從容器向外輸送時(shí)，LNG在管路中流動(dòng)，并有蒸氣回流。由于溫度很低，造成管路螺紋或法蘭連接處的泄漏。在使用軟管輸送LNG的情況下，軟管本身也可能產(chǎn)生泄漏。柔軟的軟管必須通過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的壓力測(cè)試，并在使用前對(duì)每根管路進(jìn)行檢查，盡量減少泄漏發(fā)生的可能性。
當(dāng)輸送管萬一發(fā)生泄漏時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧⑿孤┨幎伦?，或切斷輸送，更換泄漏部件。同時(shí)，個(gè)人安全保護(hù)和防止蒸氣點(diǎn)燃等措施也要同時(shí)啟動(dòng)。
3. 氣相管路的泄漏
在天然氣液化、存儲(chǔ)、氣化等流程中，液化流程使用的制冷劑也有可能產(chǎn)生泄漏。連接液化部分和儲(chǔ)罐的管路。、氣體回流管路及氣化環(huán)路都可能產(chǎn)生漏泄。當(dāng)氣化器及其控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，冷氣體和液體會(huì)進(jìn)入普通溫度下運(yùn)行的管路，造成設(shè)備的損壞，此時(shí)應(yīng)當(dāng)采取預(yù)防措施，使其能夠迅速隔離產(chǎn)生泄漏的管路和氣化器，同時(shí)采取緊急控制措施，阻止液體繼續(xù)流入氣化器。
冷氣體的泄漏主要發(fā)生在焊縫、閥門、法蘭、接頭和容器與管路的連接處。在一個(gè)封閉空間中，大量的泄漏有可能使工作人員產(chǎn)生窒息的危險(xiǎn)。
當(dāng)冷氣體泄漏后，應(yīng)當(dāng)像處理液體泄漏一樣采取應(yīng)對(duì)措施。這些措施包括：關(guān)閉系統(tǒng)、隔絕泄漏區(qū)域、保護(hù)人身安全、隔離火源并盡快將蒸氣云團(tuán)驅(qū)散。
在離火源很近的區(qū)域(如使用燃燒設(shè)備的氣化器)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置快速關(guān)閉系統(tǒng)。除了安裝自動(dòng)裝置防止冷氣體或液體進(jìn)入外輸管路系統(tǒng)外，氣化器還應(yīng)當(dāng)安裝可燃?xì)怏w檢測(cè)器、燃燒傳感器、自動(dòng)干粉滅火器等設(shè)備。
(四) LNG泄漏的控制
如果LNG蒸氣在室內(nèi)發(fā)生泄漏，通風(fēng)和消除點(diǎn)火源是首要的措施。LNG工廠中使用通風(fēng)機(jī)連續(xù)的通風(fēng)，將LNG蒸氣排出。除了引出蒸氣外，風(fēng)機(jī)可以使蒸氣與周圍的空氣加速混合，因此促進(jìn)了蒸氣團(tuán)的受熱與擴(kuò)散。在封閉區(qū)域，當(dāng)使用CO2滅火系統(tǒng)進(jìn)行滅火時(shí)，要關(guān)閉通風(fēng)的風(fēng)機(jī)。維護(hù)結(jié)構(gòu)和溢流通道可以抑制蒸氣的擴(kuò)散。LNG溢出如果發(fā)生，應(yīng)該首先控制溢出的液體和閃蒸的蒸氣，控制LNG液體的遷移和抑制已點(diǎn)燃的火源的擴(kuò)散。維護(hù)結(jié)構(gòu)和溢流通道的設(shè)計(jì)，由溢流區(qū)域和溢流產(chǎn)生危險(xiǎn)的可能性來確定。
當(dāng)LNG蒸氣云團(tuán)中沒有點(diǎn)火源，操作人員和設(shè)備只有被低溫液體損害的危險(xiǎn)，這是比較理想的情況。如果LNG流到未包復(fù)防護(hù)材料的設(shè)備或構(gòu)件表面，將快速氣化。LNG在表面流動(dòng)幾分鐘，物體被冷卻以后，LNG的蒸發(fā)率會(huì)有所降低。
還可以采用混凝土或泥土等材料建造圍堰，或修成溝渠，或其他形式的防護(hù)結(jié)構(gòu)，將溢出的LNG限制在一定的范圍內(nèi)，不讓其任意流淌，可以大幅度地減少LNG的蒸發(fā)。
溢出的LNG被限制在圍堰或溝渠之內(nèi)，減小暴露的LNG表面與空氣的對(duì)流換熱，也可以降低蒸發(fā)量。采用高膨脹率泡沫滅火劑噴灑到LNG液面，使LNG的液面與空氣隔離，能有效地降低LNG表面的氣化率。LNG的氣化速度降低，可以減小可燃?xì)怏w覆蓋的范圍。然而，采用這些方法以后，也將延長(zhǎng)LNG存在的時(shí)間。根據(jù)溢出的LNG是否靠近火源和是否會(huì)產(chǎn)生一些潛在的低溫傷害等因素，綜合考慮是否有必要采用泡沫滅火劑。
在少數(shù)場(chǎng)合，溢出的LNG數(shù)量較多的情況下，如果周圍是比較安全的地帶，也許有必要特意將它們點(diǎn)燃，使它們快速氣化。當(dāng)然需要分析清楚短期加速氣化和長(zhǎng)期緩慢氣化不同的危險(xiǎn)性。
