大型LNG 儲罐安全性分析與控制措施

劉培峰(中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266400)

1 背景與意義

近年來，在國家能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和環(huán)境污染治理的推動下，LNG 作為最現(xiàn)實的清潔替代能源，在國家能源消費中的地位迅速提升。為了滿足LNG 日益增長需求，我國相繼建設了廣東深圳大鵬LNG 接收站、福建莆田LNG 接收站、江蘇如東LNG 接收站、山東青島LNG 接收站等。由于LNG 具有易燃、易爆、低溫等特性，LNG 儲罐作為LNG 主要存儲設備，是生產(chǎn)運行過程中的重大危險源。

在LNG 行業(yè)發(fā)展史上，發(fā)生過許多事故。雖然因為LNG儲罐原因引起的事故相對較少，但是一旦發(fā)生事故，特別是火災爆炸，將會造成嚴重的人員傷亡、經(jīng)濟損失與環(huán)境污染。比如LNG 行業(yè)發(fā)展史上首起重大事故就是由于LNG 儲罐材料失效引起的，該事故發(fā)生在美國克利夫蘭，LNG 泄露爆炸，131 人死亡。除此例事故外，1971 年意大利拉斯佩齊亞，因充裝錯誤導致罐內(nèi)翻滾爆炸，4 人死亡；1973 年美國紐約儲罐檢修時絕熱材料燃燒，儲罐超壓爆炸，40 人死亡；1985 年美國阿拉巴馬州，儲罐焊口斷裂，LNG 泄漏后點燃，6 人重傷；1993 年英國曼徹斯特，LNG 翻滾導致150t 天然氣排空等[1]。

我國LNG 行業(yè)起步相對較晚，已頒布的關于LNG 儲存的標準較少，LNG 儲罐儲存的安全性顯得尤為重要。文章將結(jié)合某LNG 接收站實際情況，分析LNG 儲罐的危險特性，并提出相應安全控制措施，希望為其他大型LNG 儲罐的安全控制提供借鑒。

2 安全性分析

LNG 是以甲烷為主的低溫液體混合物，常壓下溫度約為-162℃，泄漏遇到空氣后會形成大量白色蒸氣云，因其無毒、無色、無味，當完全汽化后不易被人察覺。在儲存過程中，易存在以下安全問題。

2.1 翻滾

LNG 儲罐在儲存過程中，翻滾是一種非穩(wěn)定現(xiàn)象。主要是由于新注入的LNG 與密度不同的底部LNG 混合不充分，形成兩個穩(wěn)定的分層或單元，但是底部的密度大于上部密度。隨后，由于儲罐的傳熱，使儲罐內(nèi)液體形成自然對流循環(huán)，循環(huán)使各層液體密度不斷變化，當相鄰兩層密度近似相等時，會發(fā)生強烈混合，導致LNG 的大量汽化引發(fā)事故。如果上下密度差達到0.8kg/m3以上或溫度差0.3℃以上，就可能出現(xiàn)翻滾現(xiàn)象[2]。

2.2 泄漏

LNG 泄漏具有極大危險性，可造成現(xiàn)場操作人員凍傷、窒息等傷害，如被引燃會引發(fā)火災或爆炸，嚴重威脅人身安全與生產(chǎn)安全。泄漏的產(chǎn)生主要由于操作人員操作失誤或者設備損壞等原因引起。在焊縫、閥門、法蘭連接處等容易發(fā)生泄漏，在泄漏處會形成可見霧團[3]。

2.3 火災爆炸

產(chǎn)生燃燒具有三個必要條件：可燃物、助燃物、點火源[4]。當作為可燃氣體的天然氣遇到空氣后，當達到其燃燒的范圍5%～15%之間，遇到明火即會發(fā)生燃燒，如發(fā)生在受限空間易引發(fā)爆炸。在生產(chǎn)中，為防止火災與爆炸的產(chǎn)生，要從點火源、可燃物、助燃物三方面著手。點火源主要避免明火、電火花、靜電等；可燃物主要密切監(jiān)控可燃氣泄漏，以及禁止可燃材料存放在危險區(qū)域；助燃物主要配置消防設施，當發(fā)生火災時，在最短時間內(nèi)減少空氣對流。

3 控制措施

3.1 防翻滾控制

每臺儲罐采用1 套LTD(液位—溫度—密度)檢測系統(tǒng)，測量罐內(nèi)LNG 的上、下密度分布[5]。LTD 由數(shù)字邏輯單元和電機驅(qū)動單元組成，可在LNG 儲罐內(nèi)垂直移動、測量，測量可用人工或自動兩種方式完成。LTD 可以提供液位、溫度、密度數(shù)據(jù)，操作人員可以通過其了解儲罐某一液位下的密度與溫度，通過配合使用防翻滾軟件，判斷罐內(nèi)液體是否發(fā)生翻滾，有效防止翻滾的產(chǎn)生。

此外，儲罐設有兩條進料管線，分別從頂部和底部填充LNG。工藝人員通過對新注入LNG 密度進行分析，保證高密度LNG 從頂部進料，低密度LNG 從底部進料。同時，可以通過低壓泵打回流的方式，保證上下層LNG 的充分混合。

3.2 壓力控制

每臺儲罐均設有壓力測量儀表。為了減少外界大氣壓力變化對儲罐壓力的影響，采用絕壓壓力變送器測量儲罐氣相壓力，控制BOG 壓縮機的負荷。采用表壓壓力變送器測量儲罐氣相壓力控制真空閥和排火炬的調(diào)節(jié)閥。儲罐壓力除正常操作壓力范圍外，設有壓力高與低報警值、高高與低低報警值[6]。其控制過程描述如下：

(1)正常情況下，通過控制BOG 壓縮機的負荷調(diào)節(jié)儲罐壓力，將儲罐壓力控制在正常范圍內(nèi)。

(2)當儲罐壓力升高，超過正常操作壓力范圍并達到壓力高報警值時，DCS 會顯示壓力高報警，并開始排火炬。若壓力繼續(xù)升高，并達到高高報警值時，會觸發(fā)SIS 系統(tǒng)氣相壓力高高三取二聯(lián)鎖，關閉卸船管道上的切斷閥，停止卸船；切斷返回儲罐的NG。若儲罐壓力繼續(xù)升高，達到儲罐設計壓力，將打開儲罐壓力安全閥，排大氣。

(3)當儲罐壓力降低，低于正常壓力操作范圍并達到壓力低報警值時，DCS 會顯示壓力低報警，操作人員手動停BOG 壓縮機。若壓力繼續(xù)降低，并達到低低報警值時，會觸發(fā)SIS 系統(tǒng)壓力低低三取二聯(lián)鎖，停罐內(nèi)泵和BOG 壓縮機。若此后壓力仍繼續(xù)降低，將打開自氣化后的天然氣總管上的返回補氣線的控制閥，開始補氣。若采取以上措施儲罐壓力仍不可控，持續(xù)降到一定值后，真空閥打開，破真空。

3.3 液位控制

儲罐通過兩臺伺服液位計和一臺雷達液位計控制自身液位，實現(xiàn)其安全操作[7]。當液位達到高高液位時，兩臺伺服液位計會輸出高高報警信號，它與雷達液位計的報警組成三選二邏輯，作為聯(lián)鎖信號，用于儲罐入口管線切斷聯(lián)鎖以及卸料區(qū)域停車。當液位達到低低液位時，兩臺伺服液位計會輸出低低報警信號，組成二選一邏輯，作為聯(lián)鎖信號，用于停低壓泵和關閉罐內(nèi)泵出口管線切斷閥。

3.4 泄漏及消防措施

儲罐設置一套獨立DCS 系統(tǒng)之外的FGS 系統(tǒng)用于對火災及可燃氣體、液體泄漏進行預警，最大地降低火災對人員、設備的損害。

罐區(qū)FGS 系統(tǒng)包括以下幾部分：手動報警、可燃氣體檢測、低溫檢測、火焰探測、水噴淋系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)、輔助操作臺。

(1)手動報警。每臺儲罐在罐底與罐頂均安裝有手動報警開關，當現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)火災情況時，操作人員可按下觸發(fā)報警。當在罐頂觸發(fā)時，除聲光報警外，還會啟動現(xiàn)場雨淋閥，輸出報警信號至SIS 系統(tǒng)，造成罐區(qū)停車。

(2)可燃氣體檢測。每臺儲罐安裝有13 臺可燃氣體檢測器，用于檢查可燃氣體泄露，當3 臺可燃氣體報警器同時報警會觸發(fā)聯(lián)鎖保護，啟動現(xiàn)場雨淋閥，并輸出報警信號通訊到SIS 系統(tǒng)，造成儲罐聯(lián)鎖停車。

(3)低溫檢查。儲罐采用平均溫度計和多個表面檢測點進行表面溫度監(jiān)測，溫度檢測點分別分布在儲罐罐底表面、內(nèi)罐外壁、熱角保護等處，所有溫度點均通訊至DCS 系統(tǒng)，其中環(huán)隙空間溫度點從DCS 系統(tǒng)通訊至FGS 系統(tǒng)，當環(huán)形空間溫度低于設定報警值時，F(xiàn)GS 系統(tǒng)操作畫面會出現(xiàn)泄漏報警。

(4)火焰探測。儲罐在罐頂安裝兩臺火焰探測器，當一臺檢測到火災信號時，會產(chǎn)生聲光報警，兩臺同時檢測到火災信號，除聲光報警提示外，會啟動干粉滅火系統(tǒng)，并輸出報警信號通訊至SIS 系統(tǒng)，造成儲罐聯(lián)鎖停車。

(5)水噴淋系統(tǒng)。由水噴淋高壓閥、遠程雨淋閥手動啟動組成、就地雨淋閥手動啟動按鈕組成，可通過遠程、就地啟動水噴淋系統(tǒng)。

(6)高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)。在罐底設置高倍數(shù)泡沫滅火系統(tǒng)，主要控制泄漏到集液池內(nèi)LNG 的揮發(fā)[8]。

(7)干粉滅火系統(tǒng)。在罐頂安全閥處設置一套干粉滅火裝置，用于控制可能發(fā)生的火災。

(8)輔助操作臺。顯示現(xiàn)場可燃氣體報警、低溫檢測報警、火災報警燈信息，并帶有聲光報警，提示中控室操作人員。同時，操作人員可直接按下按鈕遠程啟動雨淋閥、泡沫罐等消防設施。

4 結(jié)語

文章結(jié)合某LNG 接收站實際，對LNG 儲存過程中危險性進行辨識分析，對可能發(fā)生事故進行預測，并提出防翻滾、液位控制、壓力控制、泄漏及消防安全控制措施，有效保證接收站安全平穩(wěn)運行。