液化气站防火防爆设计.docx
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液化气站防火防爆设计
第一章引言
设计是工程建设灵魂，对工程建设起着主导和决定性作用。
防火防爆设计是以系统科学分析为基础，定性定量地考虑工艺合理性、装置危险性，在兼顾技术上先进性、可行性，经济上合理性前提下，综合分析设计任务要求，确定设计项目具体方案，并提出保证设计项目正常、安全运行所需要手段和措施，同时以过去事故等所提供教训和资料来考虑更安全有效措施，以防再次发生类似事故。
在进行液化石油气灌装加气站设计时，必须同时进行消防设计。
设计中应贯彻“以防为主，以消为辅，消防结合”消防工作方针，在采取有效防火设施同时，根据设计规模、火灾危险性和相邻单位消防协作可能性，设置相应地先进灭火设施。
随着石油化学工业发展，液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，已愈来愈受到人们重视。
在化工生产方面，液化石油气经过分离得到乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯等，用来生产合塑料、合成橡胶、合成纤维及生产医药、炸药、染料等产品。
用液化石油气作燃料，由于其热值高、无烟尘、无炭渣，操作使用方便，已广泛地进入人们生活领域。
第二章液化石油气性质及火灾爆炸危险性
2.1液化石油气理化性质
液化石油气（Liquefiedpetroleumgas简称LPG）为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等轻烃组成混合物，各组分物理化学性质如下表，一般前两者为主要组分。
常温常压下为无色低毒气体。
由炼厂气或天然气（包括油田伴生气）加压、降温、液化得到一种无色、挥发性气体。
当临界温度高达90℃以上，5~10个大气压下即能使之液化。
LPG各组分物理化学性质
项目
甲烷
乙烷
丙烷
正丁烷
异丁烷
分子式
CH4
C2H6
C3H8
n-C4H10
i-C4H10
相对分子量
16.04
30.07
44.004
58.124
58.12
蒸气压/Mpa
0℃
-----
2.43
0.476
0.104
0.107
20℃
-----
3.75
0.8104
0.203
0.299
气体密度/（kg/m3）
0℃
0.7168
1.3562
2.020
2.5985
2.6726
15.5℃
0.677
1.269
1.860
2.452
2.452
沸点（0.1013Mpa）/℃
-161.5
-88.63
-42.07
-0.5
-11.73
汽化潜热（沸点及0.1013Mpa下）/（kJ/kg）
569.4
489.9
427.1
386.0
367.6
临界压力/Mpa
4.64
4.88
4.25
3.8O
3.66
临界密度/（kg/L）
0.162
0.203
0.236
0.227
0.233
临界温度
-82.5
32.3
96.8
152.0
134.9
低热值（0，1013MPa,15.6℃）（kJ/kg）
液态
-----
-----
46099
45358
45375
气态
34207
60753
88388
115561
115268
气态比热容（0，1013Mpa,15.6℃）[（kJ/kg·k）]
定压比热容
2.21
1.72
1.63
1.66
1.62
定容比热容
1.68
1.44
1.44
1.52
1.47
爆炸极限（体积分数）/%
上限
5.3
3.2
2.37
1.86
1.80
下限
14.0
12.5
9.50
8.41
8.44
当空气中含量达到一定浓度范围时，LPG遇明火即爆炸。
故具有易燃易爆、低温、腐蚀等特性，添加恶臭剂后，有特殊臭味，低温或加压时为棕黄色液体。
（一）比重
LPG是混合物，其比重随组成变化而变化，气态时比重比空气大1.5-2.0倍，在大气中扩散较慢，易向低洼处流动。
（二）饱和蒸汽压
LPG饱和蒸汽压是指在一定温度下，混合物气、液相平衡时蒸汽压力也就是蒸汽分子蒸发速度同凝聚速度相等时压力。
受温度、组成变化影响，常温下约为1.3-2.0MPa。
（三）体积膨胀系数
LPG液态时和其他液体一样，受热膨胀，体积增大；温度越高，体积越大，同温下约为水11-17倍。
（四）溶解度
溶解度是指液态时LPG含水率。
LPG微溶于水。
（五）爆炸极限窄，点火能量低，燃烧热值高
LPG爆炸极限较窄，约为2-10%，而且爆炸下限比其他燃气低。
着火温度约为430--460℃，比其他燃气低燃烧热值高，约为22000-29000
.燃烧所需要空气量大，约需23-30倍空气量，而一般城市煤气只需3-5倍空气量。
（六）电阻率
LPG电阻率为10-10
，LPG从容器、设备、管道中喷出时产生静电压达到9000V。
2.2火灾爆炸危险性
（1）易燃性。
液化石油气,属甲类火灾危险物质。
它只需极小能量（0.2一0.3mJ）即可引燃,并能在空气中迅猛燃烧。
（2）易爆性。
液化石油气在空气中爆炸极限是2%一12%,爆炸上下限范围比较宽,1m³液化石油气（液态）气化后及空气混合后浓度达到2%时,可以形成1.2万m³爆炸性混合物,遇火即可发生化学性爆炸。
（3）易积性。
液化石油气在气化后,密度比空气要大1.5一2倍,极易在厂房和房屋不通风或地面坑、沟、下水道低洼处聚积,不易挥发飘散而形成爆炸性混合物，一遇明火很易燃烧。
（4）易挥发性。
LPG是由多种低碳数烃类组分组成，其中有些轻组分物质密度小于或接近空气。
在空气中扩散范围和空间极大，引燃一点即可造成大面积化学性爆炸。
（5）易产生静电。
LPG在机泵管线中输送、充装和移动过程中，极易及输送管道、充装设备、LPG钢瓶因摩擦产生高位静电。
特别是LPG中含有其它因窒息造成死亡。
（6）易冻伤。
LPG沸点在－6.3℃～－47.70℃之间，在气化过程中，需要大量吸收热量造成局部温度骤降，特别是在事故状态下，容易造成人员冻伤。
（7）易膨胀性。
LPG饱和蒸汽压随温度升高而急剧增加，其膨胀系数也比较大。
一般为水10倍以上，气化后体积可急剧膨胀250~300倍左右。
（8）破坏性大。
LPG爆燃速度可达2000～3000以上，其火焰燃烧温度达2000℃以上。
在标准情况下，1LPG完全燃烧其发热量高达25000。
第三章总平面布置
3.1功能分区
液化气站是一个接受储存和分配液化石油气基地，是城镇或燃气企业把液化石油气从生产厂家转往用户中间场所。
根据功能，可将其分为：
储罐区：
（共2个50m3/罐，和1个5m3/罐卧式储罐。
）
生产区：
（卸车点，泵房，灌瓶车间，气瓶间）
辅助区：
（消防泵房，空港瓶库，配电室，发电室，办公室，寝室，卫生间）
3.2耐火等级确定
根据《厂房（仓库）耐火等级及构件耐火极限》查得：
生产区为一级耐火等级，辅助区为三级耐火等级。
3.3选址和布置
3.3.1选址
液化石油气供应基地布局应符合城市总体规划要求，且就远离城市居住区、村镇、学校、剧院、体育馆等人员集中地区和工业区。
液化石油气供应基地站址宜选择在所在地区全年最小频率风向上风侧，且应是地势平开阔、不易积存液化石油气地段。
同时，应避开地震带、地基沉陷和废弃矿井等地区。
3.3.2布置
（1）液化石油气供应基地生产区和生产区及辅助区之间设置高度不低于2m不燃烧体实体围墙。
辅助区设置不燃烧体非实体围墙。
（2）液化石油气供应基地生产区设置环形消防车道。
消防车通道宽度不小于4m。
储罐总容积小于500m3时，设置尽头式消防车通道和面积不小于12m×12m回车场。
（3）液化石油气供应基地生产区和辅助区至少各设置1个对外出入口。
对外出入口宽度不小于4m。
（4）液化石油气供应基地生产区内严禁设置地下和半地下建、构筑物（地下储罐和寒冷地区地下式消火栓和储罐区排水管、沟除外）。
生产区内地下管（缆）沟必须填满砂子。
（5）全压力式液化石油气罐不应少于2台（残液罐除外），地上储罐之间净距不小于相邻较大罐直径；
（6）地上储罐（卧式储罐组）设置联合钢梯平台。
（7）储罐区四周应设置不燃烧体防火堤，防火堤内侧基脚线至卧式储罐水平距离不小于3.0m，防火堤外坡基础脚线至消防车道间距为5m，至其他建筑物不小于10m；防火堤设计高度比计算高度高出0.2m，其高度应为1.0～2.2m，并在防火堤适当位置设置灭火时便于消防队员进出防火堤踏步。
（8）液化石油气泵设置在储罐区泵房内，其外墙及储罐间距不小于15m。
当泵房面向储罐一侧外墙采用无门、窗洞口防火墙时，其间距可减少至6m。
液态液化石油气泵安装高度保证不使其发生气蚀，并采取防止振动措施。
（9）灌瓶间和瓶库内气瓶应按实瓶区、空瓶区分组布置。
3.3.3防火间距
根据《城镇燃气设计规范GB50028-2006》、《汽车加油加气站设计及施工规范》查得：
（1）储罐及周围设施防火间距：
储罐及围墙防火间距要求15m，取16m；
储罐及办公室、寝室防火间距要求45m，取55m；
储罐及灌瓶车间防火间距要求20m，取23m；
储罐及气瓶间防火间距要求20m，取26m；
储罐及卸车点防火间距要求20m，取26m；
储罐及泵房防火间距要求20m，取24m；
储罐及配、发电间防火间距要求20m，取40m；
储罐及消防泵房防火间距要求40m，取48m；
（2）建（构）筑物之间防火间距：
泵房及消防泵房防火间距要求8m，取27m；
泵房及配、发电间防火间距要求7m，取21m；
灌瓶车间及办公室、寝室防火间距要求20m，取25m；
灌瓶车间及配、发电间防火间距要求15m，取26m；
灌瓶车间及消防泵房防火间距要求25m，取31m；
寝室及空钢瓶库防火间距要求8m，取10m。
消防泵房及办公室、寝室防火间距要求8m，取17m.
（3）储罐之间防火间距：
（液化石油气液化时属于甲类液体，储罐属于卧式储罐）
50m3储罐及50m3储罐防火间距要求不小于0.8m，取3m；
50m3储罐及5m3参残液罐防火间距要求不0.8m，取3m。
第四章防爆电器设计
4.1爆炸和火灾危险场所等级划分
爆炸和火灾危险场所等级，按其物质状态不同和发生事故可能性及危险程度划分为三类八级。
根据发生事故可能性和后果及危险程度，在《电力装置设计规范》中，将爆炸火灾危险场所划分三类八级，见表4.1-1。
表4.1-1 爆炸火灾危险场所等级划分
类别
分类场所
级别
分级场所
第一类
气体或蒸汽爆炸性混合物场所
O-1级
在正常情况下能形成爆炸性混合物场所
O-2级
正常情况下不能形成，仅在不正常情况下才能形成爆炸性混合物场所
Q-3级
在不正常情况下整个空间形成爆炸性混合物可能性较小，爆炸后果较轻场所
第二类
粉尘或纤维爆炸性混合物场所
G-1级
正常情况下能形成爆炸性混合物（如镁粉、铝粉、煤粉等及空气混合物）场所
G-2级
正常情况下不能形成，仅在不正常情况下能形成爆炸性混合物场所
第三类
火灾危险场所
H-1级
在生产过程中产生，使用、加工储存或转运闪点高于场所环境温度可燃物体，而它们数量和配置能引起火灾危险场所
H-2级
在生产过程中出现悬浮状、堆积可燃粉尘或可燃纤维，它们虽然不会形成爆炸性混合物，但在数量上及配置上能引起火灾危险场所
H-3级
有固体可燃物质，在数量上和配置上能引起火灾危险场所
液化石油气站属于第一类，即可燃气体、易燃或可燃液体蒸汽及空气形成爆炸性混合物场所。
（1）Q-1级场所
在正常情况下，爆炸性混合气体连续地、短时间频繁地出现或长期存在场所。
在液化石油气站Q-1级场所原则上是不存在。
只有Q-2级场所中比地面低洼，易积存液化石油气部位，可视为Q-1级场所。
（2）Q-2级场所
在正常情况下，爆炸性混合气体可能出现场所。
① 封闭式灌瓶间及附属瓶库、压缩机室、烃泵房、汽车槽车库、储罐室气化间、混气间、调压室。
瓶装供应站瓶库、瓶组间等建筑物内部空间。
② 敞开式或半敞开式灌瓶间内部空间，以及敞开面向外水平距离15m以内和敞开面高度以下空间。
③ 敞开式或半敞开式灌瓶间附属瓶库、压缩机室、烃泵房汽车槽车库、储罐室、气化间、混气间、调压室、瓶装供应站瓶库、瓶组间等内部空间，以及敞开面向外水平距离7.5m以内和敞开面高度以下空间。
④ 铁路槽车和汽车槽车装卸口以外水平距离15m和装卸口2m以下空间。
⑤ 储罐和容器安全阀口和排污阀口以外以3m为半径空间。
⑥ 储罐、容器和管道上阀门1m以内空间。
⑦Q-2级场所中比地面低洼，易积聚液化石油气部位。
（3）Q-3级场所
在正常情况下，爆炸性混合气体不能出现，仅在不正常情况下偶尔短时间出现场所。
①2第①项所列封闭式建筑物以厂房为界，在自然通风良好条件下，通风室外门、窗开口垂直高度和水平距离1m内空间。
②2第②项建筑物Q-2级场所以外，水平距离7.5m以内敞开面高度以下空间。
③2第③项所列建筑物Q-2级场所以外，水平距离7.5m和敞开高度以下空间。
④ 铁路槽车和汽车槽车装卸口Q-2级场所以外，水平距离3m以内和装卸口高度2m以下空间。
⑤ 露天设置储罐，容器和设备自外壁以外水平距离和垂直距离3m以内空间。
当设有防护墙时，还包括防护墙高度以内空间。
⑥ 储罐和容器安全阀阀口和排污阀阀口Q-2级场所以外，以3m为半径空间。
⑦第⑥项Q-2级场所以外，3m以内空间。
综上可知：
Q-2级场所：
储罐区、生产区。
Q-3级场所：
辅助区。
4.2爆炸危险区域范围确定
对于易燃物质重于空气贮罐，其爆炸危险区域范围划分，宜符合下列规定：
（1）固定式贮罐，在罐体内部未充隋性气体液体表面以上空间划为Q-1区，浮顶式贮罐在浮顶移动范围内空间划为Q-2区；
（2）以放空口为中心，半径为1.5m空间和爆炸危险区域内地坪下坑、沟划为Q-2区；
（3）距离贮罐外壁和顶部3m范围内划为Q-3区；
（4）当贮罐周围设围堤时，贮罐外壁至围堤，其高度为堤顶高度范围内划为Q-3区。
Q-2区
Q-3区
图4.2-1易燃物质重于空气、设在户外地坪上固定式贮罐
Q-2区
Q-3区
图4.2-2易燃物质重于空气、设在户外地坪上浮顶式贮罐
4.3爆炸性混合物分类、分级和分组
液化石油气是炼油厂在进行原油催化裂解及热裂解时所得到副产品。
催化裂解气主要成份如下（%）：
氢气5～6．甲烷10．乙烷3～5．乙烯3．丙烷16～20．丙烯6～11．丁烷42～46．丁烯5～6等。
主要成分是丙烷，
（1）分类：
爆炸性混合物危险性，是由它爆炸极限、传爆能力、引燃温度和最小点燃电流决定。
根据爆炸性混合物危险性并考虑实际生产过程特点，一般是将爆炸混合物分为三类：
I类——矿井甲烷；
II类——工业气体（如工厂爆炸性气体、蒸气、薄雾）；
III类——工业粉尘（如爆炸性粉尘、易燃纤维）。
即，液化石油气属于II类气体。
（2）分级：
在分类基础上，各种爆炸性混合物是按最大试验安全间隙和最小点燃电流分级,，见表4.3-2：
最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流（MICR）分级
表4.3-2
查《气体和蒸汽分级表》得，丙烷需按（MESG）和（MICR）分级，查得，丙烷（MESG）为0.92，（MICR）值＞0.8.即选ⅡA级别。
（3）分组：
按引燃温度分组，主要是为了配置相应电气设备，以达到安全生产目。
见表4.3-3：
表4.3-3引燃温度分组
查《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范（GB50058-92） 》附录三，丙烷属于T1组别，引燃温度为大于450℃。
4.4防爆电器选择
防爆电气设备可分六种类型，及其相应标志如表4.4-4所示。
爆炸性混和物在标准试验条件下，按其传爆能力可分4级（只适用于隔爆型），如表4.4-5所示。
所谓传爆能力是指爆炸性混合物对爆炸传播能力，通常用使它们不能连续传爆最大狭窄间隙尺寸来表示。
这及燃烧过程火焰传播时，在孔口出流孔径小于极限值情况下，火焰就不能再继续传播意义相仿。
表4.4-4 防爆电气设备新旧类型标志对照表
类型
标志
类型
标志
旧
新
旧
新
—
充砂型
—
q
防爆安全型
增安型
A
e
—
无火花型
—
n
隔爆型
隔爆型
B
d
安全火花型
本质安全型
H
i
防爆充油型
充油型
C
o
防爆特殊型
特殊型
T
s
防爆通风、充气型
通风充气型
F
p
注：
1. 旧类型在标志前加“K”字者为煤矿用防爆电气设备。
2. 新类型标志“Ⅱ”者为工厂用防爆电气设备；标志“Ⅰ”者为煤矿用防爆电气设备。
表4.4-5 爆炸性混合物级别
级别
试验最大不传爆间隙σ/mm
级别
试验最大不传爆间隙σ/mm
1
1.0＜σ
3
0.4＜σ≤0.6
2
0.6＜σ≤1.0
4
σ≤0.4
防爆电气设备除了按上述类型、级别、组别标识在铭牌上之外，还必须在设备明显处有清晰凸纹标志。
仪器和仪表允许采用非凸纹永久性标志。
标志方法为：
类型、级别、组别均按主体和部件顺序标出。
当无隔爆型或安全火花型部件时，则级别标以“0”。
液化石油气储配站生产区选用电气设备，均采用隔爆型防爆电气设备。
由于电气设备多已形成系列产品，并非每个级别都有定型产品可选，故在城市燃气系统中只能选用不低于3级防爆级别电气设备。
可见，在液化石油气储配站生产区内使用电动机应选B3d型防爆级别。
其他电气设备（如启动器），也应选用相应等级产品。
对于照明用灯，由于安装位置较高，在局部或全部敞开瓶库（或瓶棚）内部距地面高度2m以上，可按Q-3级选用，既可用隔爆型，也可用防爆型；而灌瓶间内照明灯仍需采用隔爆型。
综上所述，生产区选用电气设备为ⅡA类隔爆型T1组，标志ExdⅡAT1，辅助区选用电气设备为ⅡA类增安型T1组，标志ExeⅡAT1。
第五章LPG罐区危险性分析
5.1危险性分析
液化石油气（LPG）是非常重要燃料，在工业和日常生活中使用量大。
一旦大量泄漏，极易及周围空气混合形成爆炸性混合物，如遇明火引起火灾爆炸，其产生爆炸冲击波及爆炸火球热辐射破坏、伤害作用极大，并且伤害范围大，极易导致次生灾害。
国内外曾发生过多起LPG灌区池火灾（PoolFire）、蒸气云爆炸（UVCE）、沸腾液体扩展蒸气爆炸（BLEVE）事故，伤亡、损失极为严重。
因此对LPG灌区进行危险分析对指导灌区安全设计、科学防灾和应急救援，有着重要社会意义和经济价值。
根据分析灌区主要危险性是：
PoolFire、UVCE、BLEVE等。
5.1.1LPG灌区池火灾危险性
LPGPoolFire大多是由于设备及管线跑冒滴漏、容器破裂、阀门开启或失效、超载、雷击等因素所造成。
LPG灌区火灾有以下特点：
燃烧伴随爆炸、破坏性大、火焰温度高，辐射热强、易形成二次爆炸、火灾初发面积大。
灌区PoolFire危害是火焰强烈辐射对周围人员及装备危害，在火焰环境下，易导致周围储罐破裂而引发二次灾害。
5.1.2LPG灌区蒸气云爆炸危险性
当LPG灌区储存LPG等物质设备罐体在机械作用（如撞击、打击）、化学作用（如腐蚀）或热作用（如火焰环境、热冲击）下发生破坏，就会导致大量液化气泄漏，此外工作人员在装运取样等业务中不正确操作，也是导致罐内液化气泄漏一个重要因素。
容器破裂后，LPG就会快速泄漏并及周围空气形成爆炸性混合气云，在遇到延迟点火情况下，就会导致UVCE发生。
由此可见，罐体破裂是导致UVCE发生直接原因。
LPG灌区发生UVCE具有以下特点：
一般由火灾发展为爆燃，而不是爆轰；是由于存储温度一般高于LPG常压沸点LPG大量泄漏结果；是一种面源爆炸模型。
UVCE发生后破坏作用有爆炸冲击波，爆炸火球热辐射对周围人员，建筑物，储罐等设备伤害，破坏作用。
本液化气站有液化石油气卧室储罐50m3两个，残液罐5m3一个，容积为105m³，查得液化石油气液态密度为2.35kg/m³，蒸汽云中液化石油气总能量WF为246.75kg，代入表5.1.2-6：
表5.1.2-6蒸汽云爆炸计算
序号
项目名称
符号
单位
来源或算式
计算结果
1
地面爆炸系数
λ
1.8
2
破坏系数
k
5.6
3
液化石油蒸汽云TNT当量系数
a
0.04
4
蒸汽云中液化石油气总能量
WF
kg
246.75
5
液化石油气燃烧热
QF
MJ/kg
46.5
6
TNT爆炸热
QTNT
MJ/kg
4.19
7
液化石油气爆炸总能量
E
Kg
E=1.8aWFQF
826.12
8
液化石油气蒸汽云TNT当量
WTNT
m
WTNT=1.8aWFQF/QTNT
197.16
9
死亡半径
R
m
R=13.6（WTNT/1000）0.37
7.46
10
财产损失半径
Rc
m
Rc=5.6（WTNT）1/3
32.59
11
火球半径
R
m
R=2.9（WTNT）1/3
16.88
12
火球持续时间
t
s
t=0.45（WTNT）1/3
2.62
5.1.3LPG灌区沸腾液体扩展蒸气爆炸危险性
BLEVE是指LPG储罐在外部火焰烘烤下突然破裂，压力平衡破坏，LPG急剧汽化，并随即被火焰点燃而产生爆炸。
BLEVE发生有以下条件：
储罐内LPG在外部热作用下，处于过热状态，罐内气液压力平衡破坏，LPG急剧汽化；罐壁不能承受LPG急剧汽化导致超压。
LPG储罐BLEVE发生有它自生规律及条件要求，不同BLEVE事故发生原因也不同，但它们都有一些共性规律。
其中大多数BLEVE发生是由于外来热辐射作用使容器内LPG处于过热状态，容器内压力超过对应材料爆炸压力，导致容器发生灾难性失效，容器内LPG爆炸气体快速泄放，即BLEVE发生。
装有LPG容器发生失效时，可能会有以下结果：
容器部分失效，伴有LPG喷射泄放或产生喷射火焰；容器罐体产生抛射物；容器内LPG完全快速泄放（TLOC）并导致BLEVE发生。
导致TLOC和BLEVE因素很多，包括罐体材料缺陷材料疲劳腐蚀热应力压应力池火焰包围或喷射火焰条件下罐体材料强度下降，容器过载，操作不当等，通常BLEVE发生是以上几种因素联合作用结果。
灌区BLEVE发生后爆炸产生火球热辐射是主要危害，同时爆炸产生碎片和冲击波超压也有一定危害，但及火球热辐射危害相比，危害次要。
5.2爆炸计算
5.2.1爆炸极限
查得液化石油气中氢气5%、甲烷10%、乙烷4%、乙烯3%、丙烷18%、丙烯9%、丁烷45%、丁烯6%，计算出各组分爆炸极限。
其经验公式如下：
Lx=100/4.76（N-1）+1
Ls=4x100/4.76N+4
式中：
Lx————可燃性混合物爆炸下限，%；
Ls————可燃性混合物爆炸上限，%；
N————每摩尔可燃气体完全燃烧所需氧原子数。
计算得：
氢气4.1~75%、甲烷5.2~14.3%、乙烷3.3~10.7%、乙烯9.5~21.9%、丙烷2.2~9.5%、丙烯2.6~8.5%、丁烷1.7~8.5%、丁烯1.8~9.6%
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