小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站防火間距探討

劉盛兵 劉坤 唐春凌 趙松 孫明炬 王禮翔 謝仲海

1.中國石油西南油氣田公司安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2.四川天宇石油環(huán)保安全技術(shù)咨詢服務(wù)有限公司 3.中國石油西南油氣田公司成都天然氣化工總廠

進(jìn)入21世紀(jì)后，對能源的需求不斷增加，液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，LNG站場日益增多，站場的安全問題隨之凸顯。當(dāng)前，我國投產(chǎn)的LNG生產(chǎn)裝置朝大型化和小型化兩個(gè)方向發(fā)展:大型化生產(chǎn)裝置通過增加產(chǎn)能、降低能耗來實(shí)現(xiàn)，產(chǎn)能普遍在50×104m3/d以上，常采用EPC模式，建設(shè)周期長，總體投資大，均為固定式裝置；小型化生產(chǎn)裝置通過降低投資、增加效率來推廣，常為小型移動(dòng)式LNG橇裝回收裝置，產(chǎn)能為(5～10)×104m3/d，具有集成度高、建設(shè)周期短、安裝方便、移動(dòng)靈活、成本較低等顯著優(yōu)勢[1-4]。對陸上零散的天然氣資源及非常規(guī)氣資源來說，建設(shè)長輸管道不具備經(jīng)濟(jì)性，使用小型橇裝液化設(shè)備可以有效地提高國產(chǎn)天然氣資源的利用效率。小型移動(dòng)式LNG橇裝回收裝置在塔里木油田、吐哈油田、江蘇油田、長慶氣田、西南油氣田等油氣田的零散氣井均有回收零散天然氣的應(yīng)用[5-10]。

LNG的儲存溫度很低，在-162 ℃左右，此外還具有易燃、易爆、易擴(kuò)散等特點(diǎn)，被列為甲類火災(zāi)危險(xiǎn)性物品。LNG的泄漏一方面可能造成低溫凍傷、窒息等危害，泄漏到水面上還可能造成快速相變(RPT)爆炸；另一方面，泄漏出來的LNG蒸汽云一旦遇到火源將引發(fā)池火、噴射火、蒸氣云爆炸和擴(kuò)散等。

1 小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站工藝流程及現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)

1.1 小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站工藝流程

根據(jù)零散氣井氣質(zhì)的不同，目前小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站生產(chǎn)工藝有兩種：原料氣含重?zé)N或不含重?zé)N生產(chǎn)工藝流程。

含重?zé)N工藝流程：井口原料氣經(jīng)調(diào)壓過濾計(jì)量后順序進(jìn)入“脫酸氣單元”“脫水脫汞單元”“脫重?zé)N單元”“預(yù)冷單元”，最后進(jìn)入“低溫液化單元”液化成LNG，輸入裝車區(qū)，裝車?yán)\(yùn)。此外，回收站還設(shè)置有輔助和公用工程單元：燃料氣及BOG回收單元、導(dǎo)熱油單元、重?zé)N緩沖罐單元、儀表空氣與制氮單元、脫鹽水與污水儲存單元、冷劑壓縮單元、安全泄放單元和燃?xì)獍l(fā)電機(jī)單元。其工藝流程如圖1所示。

不含重?zé)N工藝流程與含重?zé)N工藝流程區(qū)別在于少了脫重?zé)N和預(yù)冷兩個(gè)單元。

1.2 小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第10章10.2.5條“1 液化天然氣儲存總?cè)萘坎淮笥? 000 m3時(shí)，可按本規(guī)范表3.2.2和表4.0.4中的液化石油氣站場確定”[11]，即表5.2.1規(guī)定“集中控制室與甲、乙類廠房和密閉工藝裝置的距離不小于25 m，車間辦公室、儀表控制間與甲、乙類廠房和密閉工藝裝置的距離不小于15 m”；LNG工藝設(shè)備間防火間距按GB/T 20368-2021《液化天然氣( LNG) 生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)》確定[12]，即第5.5.1節(jié)規(guī)定“含有LNG、致冷劑、易燃液體和可燃?xì)怏w的工藝設(shè)備與點(diǎn)火源、集中控制室、儀表控制間、辦公室、廠房和其他有人建、構(gòu)筑物的距離不應(yīng)小于15 m?！焙偷?.6.3節(jié)規(guī)定“除與裝卸操作有直接關(guān)聯(lián)的設(shè)備外，LNG和易燃制冷劑的裝卸臂到不受控制的點(diǎn)火源、工藝區(qū)、儲罐、控制室、辦公室、車間和其他有人設(shè)施或重要站場設(shè)施的距離應(yīng)不小于15 m。”

目前，小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站的防火間距是根據(jù)GB 50183-2004和GB/T 20368-2021的規(guī)定，按照五級站場標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行平面布置。但因GB 50183-2004針對LNG主要采用的是美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 59A-2001《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)》[13]，GB/T 20368-2021主要采用的是美國標(biāo)準(zhǔn)NFPA 59A-2016《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運(yùn)》[14]，兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)存在原文轉(zhuǎn)化與實(shí)際情況不匹配的問題，故針對性不夠強(qiáng)。同時(shí)，GB 50183-2004規(guī)定，LNG站場的區(qū)域布置除滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防火間距外，尚應(yīng)按“國際公認(rèn)的液化天然氣燃燒的熱輻射計(jì)算模型和高濃度氣體擴(kuò)散模型”進(jìn)行校核。本研究重點(diǎn)針對移動(dòng)式LNG橇裝回收站內(nèi)LNG設(shè)施泄漏發(fā)生不同事故情況下模擬計(jì)算其影響距離，并與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的集中控制室、裝車區(qū)值班室與LNG設(shè)施的間距進(jìn)行對比，提出防火間距建議。

2 事故后果模擬計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

本研究采用軟件PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)對氣體擴(kuò)散影響距離進(jìn)行模擬計(jì)算。PHAST是挪威DNV Technical公司開發(fā)的一款專門用于石油石化和天然氣領(lǐng)域危險(xiǎn)分析和安全計(jì)算的軟件。該軟件內(nèi)嵌了多種計(jì)算模式，包括泄放擴(kuò)散、燃燒、爆炸和毒氣擴(kuò)散等，其計(jì)算范圍較廣，可以快速地模擬事故的各種數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為吻合。PHAST軟件中氣體擴(kuò)散部分的計(jì)算一般運(yùn)用PHAST UDM(Unified Dimensional Model)模型來計(jì)算泄漏及擴(kuò)散。UDM 為一種復(fù)合模型，分為準(zhǔn)瞬時(shí)模型和有限時(shí)間修正模型兩種，模型以距離和時(shí)間作為關(guān)鍵變量，通過一系列代數(shù)方程來描述云團(tuán)的擴(kuò)散狀態(tài)[15-18]。

2.2 計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1熱輻射標(biāo)準(zhǔn)

熱輻射采用GB/T 22724-2008 《液化天然氣設(shè)備與安裝 陸上裝置設(shè)計(jì)》規(guī)定的界區(qū)內(nèi)池火焰熱輻射和噴射火焰熱輻射影響距離[19]。池火焰熱輻射和噴射火焰熱輻射取值說明見表1和表2。

表1 池火焰界區(qū)內(nèi)允許的熱輻射界區(qū)內(nèi)的設(shè)備最大熱輻射/(kW·m-2)相鄰壓力儲存容器和工藝設(shè)施的外表面15控制室、維修間,實(shí)驗(yàn)室,倉庫、裝車區(qū)值班室等8行政辦公樓5

表2 噴射火焰界區(qū)內(nèi)允許的熱輻射界區(qū)內(nèi)的設(shè)備最大熱輻射/(kW·m-2)訓(xùn)練有素的操作人員只為維護(hù)才會進(jìn)入的禁區(qū)內(nèi)火焰底部9行政辦公樓,控制室、維修間、實(shí)驗(yàn)室、庫房等、道路及露天場所,儲罐和工藝設(shè)備5城區(qū)3

2.2.2蒸氣云爆炸沖擊波超壓標(biāo)準(zhǔn)

蒸氣云爆炸沖擊波依據(jù)GB/T 20368-2021附錄A和附錄B，取值說明按表3確定。

表3 站場界區(qū)和有人場所爆炸超壓限值爆炸超壓超壓值/kPa后果暴露區(qū)域6.9對非抗爆建筑物內(nèi)的人員造成不可逆轉(zhuǎn)傷害工藝裝置區(qū)集中控制室和裝車區(qū)值班室13.8對人造成直接影響站場界區(qū)線(考慮設(shè)計(jì)泄漏工況的蒸汽云爆炸)

2.2.3蒸氣云擴(kuò)散標(biāo)準(zhǔn)

蒸氣云擴(kuò)散依據(jù)GB/T 20368-2021附錄A和GB 50183-2004第10.3.5條，蒸氣云擴(kuò)散影響距離取蒸氣云擴(kuò)散爆炸上限、爆炸下限和爆炸下限50%的最遠(yuǎn)距離。LNG主要成分為甲烷，其爆炸極限范圍為5%～15%，本研究取甲烷的爆炸上限為15%、爆炸下限為5%和爆炸下限50%為2.5%。

2.3 模擬計(jì)算條件

2.3.1處理規(guī)模

根據(jù)氣田實(shí)際應(yīng)用情況，目前小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站單套回收裝置處理規(guī)模為5×104m3/d和10×104m3/d兩種類型，本研究以實(shí)際運(yùn)行的兩種處理規(guī)?；厥昭b置參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算，模擬計(jì)算參數(shù)分別見表4和表5。

表4 處理規(guī)模為5×104 m3/d的計(jì)算參數(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)壓力/MPa運(yùn)行壓力/MPa溫度/℃連接管道直徑/mm備注冷箱4.203.75-16250容積1 m3LNG管道1.000.25-16280管長(100 m、200 m)LNG槽車0.700.10-16250容積20 m3

表5 處理規(guī)模10×104 m3/d的計(jì)算參數(shù)設(shè)備設(shè)計(jì)壓力/MPa運(yùn)行壓力/MPa溫度/℃連接管道直徑/mm備注冷箱5.604.50-16250容積1 m3LNG管道1.000.25-16280管長(100 m、200 m)LNG槽車0.700.10-16250容積50 m3

2.3.2泄漏孔徑

根據(jù)裝置連接管線情況，分別選取小孔(直徑5 mm)、中孔(直徑25 mm)、大孔(直徑50 mm，連接管道DN50 mm為完全破裂)、完全破裂(LNG管道為DN80 mm或槽車儲罐完全破裂)進(jìn)行模擬。

2.3.3氣象條件

依據(jù)GB/T 22724-2008 第4.4.5.2條，選取擴(kuò)散的天然氣條件：風(fēng)速2 m/s，大氣穩(wěn)定度F，空氣濕度50%。

2.4 模擬計(jì)算結(jié)果

2.4.1池火熱輻射模擬

LNG管道、槽車和冷箱池火熱輻射計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 LNG管道、槽車和冷箱池火熱輻射計(jì)算結(jié)果設(shè)備名稱破裂程度影響距離/m熱輻射為5 kW/m2熱輻射為8 kW/m2熱輻射為15 kW/m2LNG管道(管長100 m)小孔---中孔252319大孔423631完全破裂363024LNG管道(管長200 m)小孔---中孔312723大孔524537完全破裂473931LNG槽車(容積20 m3)小孔---中孔201917大孔867461完全破裂201165125LNG槽車(容積50 m3)小孔---中孔222019大孔1038872完全破裂282231174冷箱(處理規(guī)模5×104 m3/d)小孔、中孔、大孔、完全破裂---冷箱(處理規(guī)模10×104 m3/d)小孔、中孔、大孔、完全破裂--- 注:表中“-”表示未形成池火。

由表6可知，小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站內(nèi)LNG管道和LNG槽車發(fā)生小孔泄漏、冷箱在各種泄漏孔徑情況下，LNG泄漏時(shí)直接汽化，不能形成池火。在此種情況下，站場內(nèi)集中控制室、裝車區(qū)值班室與LNG設(shè)施無防火間距要求。

2.4.2噴射火熱輻射模擬

LNG管道、槽車和冷箱噴射火熱輻射計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 LNG管道、槽車和冷箱噴射火熱輻射計(jì)算結(jié)果設(shè)備名稱破裂程度影響距離/m熱輻射為3 kW/m2熱輻射為5 kW/m2熱輻射為9 kW/m2LNG管道(管長100 m)小孔151312中孔645649大孔11810591完全破裂625548LNG管道(管長200 m)小孔151312中孔645649大孔11810591完全破裂625548LNG槽車(容積20 m3)小孔181614中孔786961大孔144128112完全破裂---LNG槽車(容積50 m3)小孔181614中孔786961大孔144128112完全破裂---冷箱(處理規(guī)模5×104 m3/d)小孔242219中孔1039282完全破裂193171151冷箱(處理規(guī)模10×104 m3/d)小孔252220中孔1069584完全破裂198176156 注:表中“-”表示未形成噴射火。

由表7可知，小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站的LNG設(shè)施發(fā)生小孔泄漏時(shí)，噴射火焰熱輻射為5 kW/m2時(shí)，影響距離最近為13 m，最遠(yuǎn)為22 m。

2.4.3蒸氣云爆炸模擬

LNG管道、槽車和冷箱蒸氣云爆炸模擬計(jì)算結(jié)果見表8。

表8 LNG管道、槽車和冷箱蒸氣云爆炸模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)備名稱破裂程度爆炸沖擊波最遠(yuǎn)影響距離/m超壓6.9 kPa 超壓13.8 kPaLNG管道(管長100 m)小孔1815中孔137108大孔155123完全破裂125101LNG管道(管長200 m)小孔1815中孔161131大孔183143完全破裂163136LNG槽車(容積20 m3)小孔2925中孔230191大孔443364完全破裂403310LNG槽車(容積50 m3)小孔2925中孔230192大孔464385完全破裂548385冷箱(處理規(guī)模5×104 m3/d)小孔3026中孔175143完全破裂210167冷箱(處理規(guī)模10×104 m3/d)小孔3026中孔176143完全破裂209167

由表8可知，小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站的LNG設(shè)施發(fā)生小孔泄漏時(shí)，LNG氣化形成的天然氣云團(tuán)爆炸沖擊波超壓6.9 kPa時(shí)，影響距離最近為18 m、最遠(yuǎn)為30 m。

2.4.4蒸氣云擴(kuò)散模擬

LNG管道、槽車和冷箱蒸氣云擴(kuò)散模擬計(jì)算結(jié)果見表9。

表9 LNG管道、槽車和冷箱蒸氣云擴(kuò)散模擬計(jì)算結(jié)果設(shè)備名稱破裂程度風(fēng)速2 m/s、穩(wěn)定度F條件下,擴(kuò)散最遠(yuǎn)影響距離/m爆炸下限50%爆炸下限LNG管道(管長100 m)小孔198中孔8261大孔8560完全破裂8246LNG管道(管長200 m)小孔198中孔9468大孔11084完全破裂11164LNG槽車(容積20 m3)小孔239中孔14397大孔274197完全破裂247166LNG槽車(容積50 m3)小孔239中孔14397大孔288202完全破裂371253冷箱(處理規(guī)模5×104 m3/d)小孔2911中孔10674完全破裂11590冷箱(處理規(guī)模10×104 m3/d)小孔2912中孔10874完全破裂11791

由表9可知，小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站的LNG設(shè)施發(fā)生小孔泄漏時(shí)，LNG氣化形成的天然氣云團(tuán)擴(kuò)散達(dá)到爆炸下限50%(體積分?jǐn)?shù),下同)，可爆云團(tuán)擴(kuò)散影響距離最近為19 m、最遠(yuǎn)為29 m。小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站內(nèi)LNG設(shè)施發(fā)生小孔泄漏時(shí)，LNG氣化形成的天然氣云團(tuán)爆炸上限、爆炸下限和爆炸下限的50% 3種體積分?jǐn)?shù)的擴(kuò)散側(cè)視圖分別如圖2～圖7所示。其中，紅線為爆炸上限擴(kuò)散側(cè)視圖，綠線為爆炸下限擴(kuò)散側(cè)視圖，藍(lán)線為爆炸下限的50%擴(kuò)散側(cè)視圖。

3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.1 采標(biāo)依據(jù)分析

小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站人員集中場所為工藝裝置區(qū)集中控制室和裝車區(qū)值班室兩個(gè)點(diǎn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中對人員集中場所影響距離標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，站場界區(qū)內(nèi)池火熱輻射值取8 kW/m2，噴射火熱輻射取5 kW/m2，蒸氣云爆炸沖擊波超壓取6.9 kPa，蒸氣云擴(kuò)散取爆炸下限50%。

根據(jù)國際油氣生產(chǎn)協(xié)會對事故狀況下工藝管道泄漏概率統(tǒng)計(jì)[20]，對于DN50管道只會出現(xiàn)小孔泄漏和中孔泄漏，不會出現(xiàn)大孔泄漏和破裂兩種類型。小孔泄漏和中孔泄漏概率分別為91.25%和8.75%；對于DN150管道只會出現(xiàn)小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏，不會出現(xiàn)破裂類型，小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏概率分別為90.78%、7.1%和2.12%。小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站處理規(guī)模((5～10)×104m3/d)LNG工藝管道只有DN50 mm和DN80 mm兩種類型，小孔泄漏概率占90%以上，事故后果影響距離以小孔泄漏影響距離為主。

3.2 小孔泄漏統(tǒng)計(jì)分析

LNG管道、LNG槽車和冷箱小孔泄漏影響距離統(tǒng)計(jì)見表10。

表10 LNG管道、LNG槽車和冷箱小孔泄漏影響距離統(tǒng)計(jì)表設(shè)備名稱影響距離/m池火熱輻射為8 kW/m2時(shí)噴射火熱輻射為5 kW/m2時(shí)蒸氣云爆炸沖擊波超壓6.9 kPa時(shí)蒸氣云擴(kuò)散至爆炸下限50%時(shí)LNG管道(管長100 m)-131819LNG管道(管長200 m)-131819LNG槽車(容積20 m3)-162923LNG槽車(容積50 m3)-162923冷箱(處理規(guī)模5×104 m3/d)-223029冷箱(處理規(guī)模10×104 m3/d)-223029 注:表中“-”表示未形成池火。

根據(jù)表10統(tǒng)計(jì)可知：在小孔泄漏條件下，LNG管道、LNG槽車、冷箱均未形成池火，無防火間距要求；當(dāng)噴射火熱輻射為5 kW/m2時(shí)，LNG管道、LNG槽車、冷箱熱輻射影響距離分別為13 m、16 m和22 m；當(dāng)蒸氣云爆炸沖擊波超壓6.9 kPa時(shí)，LNG管道、LNG槽車、冷箱爆炸沖擊波影響距離分別為18 m、29 m和30 m；當(dāng)蒸氣云擴(kuò)散至爆炸下限50%時(shí)，LNG管道、LNG槽車、冷箱蒸氣云擴(kuò)散影響距離分別為19 m、23 m和29 m。

3.3 小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站防火間距建議

根據(jù)上述模擬計(jì)算結(jié)果，LNG管道、LNG槽車、冷箱發(fā)生泄漏事故時(shí)，影響距離大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的15 m，建議小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站內(nèi)集中控制室、裝車區(qū)值班室與LNG管道、LNG槽車、冷箱的防火間距分別為20 m、30 m、30 m，站場其他密閉工藝裝置防火間距按GB 50183-2004和GB/T 20368-2021確定。

4 結(jié)論與建議

本研究根據(jù)氣田實(shí)際應(yīng)用情況，針對不同處理規(guī)模的小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站，選取LNG設(shè)施(LNG管道、LNG槽車、冷箱)發(fā)生泄漏時(shí)引發(fā)池火熱輻射、噴射火熱輻射、蒸氣云爆炸沖擊波和蒸氣云擴(kuò)散不同情況進(jìn)行模擬計(jì)算。

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站內(nèi)LNG管道、LNG槽車、冷箱發(fā)生小孔泄漏時(shí)不同事故情況下最大影響距離分別為19 m、29 m和30 m，即站內(nèi)有人值守集中控制室、裝車區(qū)值班室與LNG管道、LNG槽車、冷箱的防火間距至少保持19 m、29 m和30 m。

GB 50183-2004和GB/T 20368-2021規(guī)定集中控制室與密閉工藝裝置的距離不小于25 m，裝車區(qū)值班室與密閉工藝裝置、裝車工藝設(shè)施的距離不小于15 m，對工藝管道無具體要求。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，建議站內(nèi)集中控制室、裝車區(qū)值班室與LNG管道、LNG槽車、冷箱分別為20 m、30 m、30 m，此間距可作為制定小型移動(dòng)式LNG橇裝回收站內(nèi)集中控制室、裝車區(qū)值班室與LNG設(shè)施防火間距的參考。

對于固定式LNG橇裝回收站，站場外部安全防護(hù)距離建議按照GB/T 20368-2021附錄B采用定量風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行模擬計(jì)算確定。