液化天然气安全技术.docx
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液化天然气安全技术
第四章液化天然气安全技术
第一节概述
天然气属于易燃易爆介质，在天然气的应用中，安全问题始终放在非常重要的位置。
液化天然气是天然气储存和运输的一种有效的方法，在实际应用中，液态天然气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，还要考虑由于转变为液态以后，其低温特性和液体特征所引起的安全问题。
在考虑LNG系统的安全问题时，首先要了解液化天然气的特性及其潜在的危险性，针对这些潜在的危险性，充分考虑对人员、设备、环境等可能造成的危害，考虑相应的防护要求和措施。
其次是要了解相关标准，我国液化天然气工业起步较晚，相关的标准还不太健全，对于不同的LNG系统，还必要参照一些液化天然气工业比较发达的国家标准。
如美国的NFPA59A.NFPA57、加拿大的49CFR193、英国的EN-1473.国际海事组织的（IMO）关于液化天然气体船运规定等。
对于液化天然气的生产、储运和气化供气各个环节，主要考虑的安全问题，就是围绕如何防止天然气泄漏，与空气形成可燃的混合气体，消除引发燃烧的基木条件以及L\G设备的防火剂消防要求；防止低温液化天然气设备超压，引起超压排放或爆炸；由于液化天然气的低温特性，对材料选择和设备制作方面的相关要求；在进行LNG操作时，操作人员的防护等。
多年来，LNG在世界上己经大量应用，如发电、民用燃气、汽车或火车的燃料等。
在城市里布有天然气的输配管线，数以千计的LNG槽车在美国的高速公路上运输，没有发生过重大事故。
与LNG或CNG作燃料的汽车，虽然发生过一些碰撞事故，但LNG燃料系统没有发生重大损害，没有引起LNG的泄漏和火灾。
作为汽车燃料，从某种角度上说，LNG比汽油和柴油还安全一些。
当然，LNG的温度很低，极易产生气化，会引发一些低温液化气体带来的安全问题。
无论是设计还是操作，都应该像对待所有的易燃介质那样小心。
了解和掌握天然气不同相态的物理特性及其燃烧特性，可有助于天然气的安全使用。
第二节液化天然气的有关安全特征
液化天然气是以甲烷为主的液态混合物，常压下的沸点温度约为-162°C,密度大约为424kg/m3oLNG是非常冷的液体，在泄漏或溢出的地方，会产生明显的白色蒸汽云。
白色蒸汽云的形成，是空气中的水蒸气被溢出的LXG冷却所致。
当LXG转变为气体时，其密度为1.5kg/m3o气体密度上升到-107°C时，气体密度与空气密度相当。
意味着LNG气化后，温度高于-107°C时，气体的密度比空气小，容易在空气中扩散。
液态天然气的容积大约是气态的l/625o天然气无毒、无味、无色，泄露到空气中不易发觉，因此，通常在天然气管网系统中，有意地加入一种难闻的气味，即加臭处理，以便气体泄漏时易于发觉。
2.1燃烧（爆炸）范围
天然气与空气的混合物在一定条件下是可燃的。
众所周知，产生燃烧需同时具备三个条件：
可燃物、点火源、氧化剂（空气）。
必须尽量防止三个条件同时存在，如果三个条件同时出现，将产生燃烧，在密闭的空间内的燃烧还有可能引起爆炸。
燃烧范围是指可燃气体与空气形成混合物，能够产生燃烧或爆炸的浓度范围。
通常用燃烧下限（LEL）和燃烧上限（UEL）来界定其燃烧范围，只有当燃料在空气中的比例在燃烧范围内，混合物才可能产生燃烧。
对于天然气，在空气中达到燃烧的比例范围比较窄，其燃烧范围大约在体积分数为5%-15%之间，即体积分数低于5%和高于15%都不会燃烧。
由于不同产地的天然气组分会有所差别，燃烧范围的值也会略有差别。
LNG的燃烧下限明显高于其它燃料，柴油在空气中的含量只需要达到体积分数0.6%,点火就会燃烧。
在-162°C的低温条件下，其燃烧范围为体积分数6%-13%o另外，天然气的认识速度相对比较慢（大约为0.3m/s）0所以在敞开的环境条件下，LNG和蒸汽一般不会因燃烧引起爆炸。
天然气燃烧产生的黑烟很少，导致热辐射也少。
LNG组分的物性见表6-1,碳氢化合物的燃烧极限比甲烷的低。
如果LNG中碳氢化合物的含量增加，将使LNG的燃烧范围的下限降低。
天然气与汽油、柴油等燃料的特征比较见表8-2。
LNG与其它燃料的比较见表8-3o
表8—1LNG主要组分物性
气体名称
相对分子质量
沸点/
•C
密度（kg/m3）
液/气密度比
气/空密度比
汽化热④/
（kj/kg）
气体①
蒸气②
液体③
甲烷
16.01
-161.5
0.6664
1.8261
426.09
639
0.544
509.86
乙烷
30.07
-88.2
1.2494
一
562.25
450
1.038
489.39
丙烷
44.10
-42.3
1.8325
一
581.47
317
1.522
425.89
1常温常压条件下（20°C,0.lMpa）o
2、④常压下的沸点（0.lMpa）o
3在空气中的体积分数。
表8-2天然气与汽油、柴油燃烧特性比较
燃料气种类
天然气
汽油
柴油
燃烧极限（％）（体积
分数）
5-15
1.4-7.6
0.6-5.5
自然温度/°c
450
300
230
空气中的最小点火能
/10-3J
0.285
0.243
0.243
火焰峰值温度/°c
1884
1977
2054
表8-3L\G与其它燃料的比较
名
称
LNG
丙烷
柴油
汽汕
甲醇
乙醇
着火
温度/°c
538
493
252
257
464
423
燃烧极限（％）
（体积分数）
5-15
3.4-13.8
0.6-5.5
1.4-7.6
6.7-36
3.3-19
壳
度（%）
60
60
100
100
0.03
3.0
蒸汽密度/
（kg/m3）
0.60
1.52
>4
3.4
1.1
1.59
1・也火迫
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2.2着火温度与燃烧速度
自动着火温度是指可燃气体混合物，在达到某一温度后，能够自动点燃着火的最低温度。
自动着火温度并不是一个固定值，它和空气与燃料的混合浓度和混合气体的压力有关。
在大气压条件下，纯甲烷的平均自动着火温度为
650°Co如果混合气体的温度高于自动着火点，则在很短的时间内，气体将会自动点燃。
如果温度比着火点高得多，气体将立即点燃。
LXG的自动着火点温度随着组分的变化而变化，例如，若LNG中碳氢化合物的重组分比例增加，则自动着火温度降低。
除了受热点火外，天然气也能被火花点燃。
如衣服上的静电，也能产生足够的能量点燃天然气。
因此，工作人员不能穿化纤（晴纶、尼纶等）类的衣服操作天然气，化纤布比天然纤维更容易产生静电。
燃烧速度是火焰在空气-燃料的混合物中的传递速度。
燃烧速度也称为点燃速度或火焰速度。
天然气燃烧速度较低，其最高燃烧速度只有0.3m/so随着天然气在空气中的比例增加，燃烧速度亦增加。
2.3LNG的低温特性
LNG既有可燃的特性，又有低温的特性。
低温特性的处理和操作并不是一门新的技术。
在许多标准中，低温设备的操作有比较明确的要求。
对于安全的考虑，主要是在低温条件下一些材料会变脆、易碎。
使设备产生损坏，引起LNG的泄露。
如今低温液体应用较为广泛。
液氮液氧的应用更为广泛。
LNG的温度还没有液氮和液氧的温度低。
从低温介质安全操作的角度，与液氮和液氧的安全考虑基本是一致的，主要是防止低温条件下材料的脆性断裂和冷却收缩对设备引起的危害。
操作时主要是防止低温流体对人体的低温灼伤。
2.4对生理上的影响
曾经有过报道，人员暴露在甲烷的体积分数为9%的气氛中没有什麼不良反应。
如果吸入含量更高的气体，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物质。
LNG与外露的皮肤短暂地接触，不会产生什麼伤害，可是持续的接触，会引起严重的低温灼伤和组织损坏。
天然气在空气中的体积分数大于40%时，如果吸入过量的天然气会引起缺氧窒息。
如果吸入的是冷气体，对健康是有害的。
若是短时间内吸入冷气体，会使呼吸不舒畅，而长时间的呼吸冷气体，将会造成严重的疾病。
虽然LNG蒸汽是无毒的，如果吸进纯的LNG蒸汽，会迅速失去知觉，几分钟后死亡。
当大气中的氧的含量逐渐减少时，工作人员有可能警觉不到，慢慢的窒息，待到发觉时己经晚了。
缓慢窒息的过程分成四个阶段，见表8-4。
表8-4窒息的生理特征的四个阶段
第一阶段
氧气的体积分数14%-21%,脉搏增加，肌肉跳动影响呼吸。
第二阶段
氧气体积分数10-14%,判断失误，迅速疲劳，对疼痛失去知觉年。
第三阶段
氧气体积分数6%-10%,恶心，呕吐，虚脱，造成永久性脑部伤害。
第四阶段
氧气体积分数＜6%,痉挛，呼吸停止，死亡。
当空气中氧气体积分数低于10%,天然气的体积分数高于50%,对人体会产生永久性的伤害。
在这种情况下，工作人员不能进入LNG蒸汽区域。
第三节LNG安全检测设备
在有可燃气体、火焰、烟、高温、低温等潜在危险存在的地方，安装一些必要的探测器，对危险状况进行预报，可以使工作人员能及时采取警级处理措施。
LNG工厂中通常用以下几种检测器：
甲烷气体检测器，火焰检测器，高低温检测器，烟火检测器。
除了低温检测器外，其它几种检测器都是必备的设备。
每一个检测器都要与自动停机系统相连，在发现危险时能自动起作用。
3.1可燃气体检测器（CGD）
防火控制系统必须对LNG的泄露进行检测。
可以通过观察、检测仪器或两者综合使用。
白天L\G发生溢出，可以通过产生的蒸汽云团看见。
然而，在晚上或照明不好的情况下就不容易看清楚。
如果仅仅靠人工观察来检测泄露，显然是不够的。
对于比较大的LNG装置，应当安装可燃气体检测装置，对系统进行连续的检测。
在最有可能发生泄露的地方安装传感器。
当检测系统探测到空气中可燃气体的含量达到最低可燃范围下限（LFL）的10%-25%时，将向控制室发出警报。
控制室的人员确定应对措施并发出控制命令。
在一些关键的地方，当含量达到燃烧下限（LFL）的25%时，会自动切断整个系统。
考虑到LNG装置有限的人员配备和可燃气体的存在，有必要设置适时的检测系统，连续的进行监控，消除人为的疏忽和大意的可能性。
对于比较小的装置，由于系统相对简单，产生泄露的可能性较小，因此没有必要安装过多的自动报警系统。
经验证明，工作人员的误操作，经常引起这些系统误报警，发出一些不必要的报警。
应正确分析报警器及传感器的安装位置和可燃气体源的位置，并对报警系统进行有效的定期保养。
每一个可燃气体检测系统发出的报警，控制室或操纵台的工作人员都要能听得到或看得见，除此以外，气体泄漏的区域也应能听得报警声。
气体检测系统安装后要进行测试，并符合有关的要求。
有LNG设备或管道等设施的建筑都应安装可燃气体检测系统，当可燃气体在空气中的含量达到一定的程度就能发出警报。
可燃气体传感器的灵敏度要有合适的等级。
安装区域和相关的检测器灵敏度等级分类如下：
1）没有可燃气体设备的区域。
主要是办公区。
这些区域的检测器应当非常灵敏，当检测到可燃气体后发出报警。
2）可能含有被检测气体的区域。
这里的传感器在较低含量下（最低可燃极限的10%-20%）发出报警。
这种区域主要是在一般操作时，可能含有可燃气。
3）很有可能含有被检测气体的区域。
在这些区域中，当气体达到危险程度（最低可燃极限的20%-50%）时发出报警。
该工作区可能有自动切断系统，因此在检测到可燃性气体后有两种选择：
每隔30s发出一声报警，并切断整个设备运行;或者只是发出报警，警告工作人员。
这些区域主要是安装压缩机的气体涡轮机的厂区、LNG车补给燃料处和汽车发动机等部位。
在一些危险性比较大的区域，应合理地安装检测器，这些区域如下：
1）靠近LNG或天然气的设备。
特别是容易发生泄漏的设备周围。
2）靠近火源或火源的空气入口处，如建筑和锅炉的进风口。
3）地势较低区域。
受热的LNG蒸汽将聚集在这些地方，LNG蒸汽在受热上升前，将向地形较低的区域聚集。
4）地势高的区域。
受热的LNG蒸汽将聚集在这些地方，包括泄露设备上方的封闭区域的天花板下。
主要是靠近有LNG或LNG蒸汽泄露危险的区域。
因此建筑物应没有空气不易流通的死角。
3.2火焰检测器
火焰检测器有紫外线（UV）火焰检测器和海王星（IR）火焰检测器，检测热辐射产生的热量。
火焰产生的辐射能通过紫外线和红外线探测器的波长信号来检测。
当辐射达到一定的程度后，会发出报警。
应该注意的是某些光源可能导致误报警，如焊接产生的电弧光和太阳光的反射等，也能产生紫外线或红外线。
解决误报警的方法如下：
1）使用不同类型的检测器。
如同时使用紫外线和红外线检测器来
检测。
检测系统中，信号必须通过两种波长的同时确认。
这样可减少误报警。
2）多点检测。
在危险区域内设置的传感器，有可能被一个辐射源激活，但该辐射源不能激活多个传感器。
还有一种情况是工作人员接到一个报警信号，但自动切断和消防系统不起作用，只能收到确认信号后才能动作。
确认信号是通过多数的检测器的检测结果来确定的。
3）延迟报警。
检测系统在有连续的火焰信号后，才能发出报警。
3.3高温检测器
高温检测器对固定温度和温度上升的速度都很灵敏。
检测器对温度上升速度的检测，可以避免由于温度波动产生的误报警。
高温检测器中有一个可熔化的钢丝，在高温下熔化（如82°C）o熔化后可以触发报警、使设备关闭、或启动消费系统。
这些检测器直接安装在有着火危险的区域或设备上。
危险性高的设备不仅安装高温检测器，有时还需安装可燃气体检测器。
3.4低温检测器
低温检测器在LNG或冷蒸汽泄露时发出报警。
这些检测器的传感器主要是热电偶或热电阻。
随着温度的变化，其电特性也会变化，因此可以间接的测量温度。
低温检测器安装在LAG设备的底部，以及产生溢流后，可能聚集液体和蒸汽的底部位置。
3.5烟火检测器
烟火检测器主要是来检测烟雾和火焰。
LXG蒸汽燃烧时产生的烟很少。
因此，这些检测器主要用来检测电器设备和仪器是否着火。
这些设备着火是会产生烟。
除了高温检测器外，采用烟火检测器是因为少量的烟火，有可能产生不了足够的热量来触发高温检测器。
主要用于防止火焰延伸到LNG设备。
烟火检测器通常安装在控制室的电器设备和其它有可能产生烟火的设备上面。
3.6缺氧检测设备
可采用多通道的气体检测系统，对不同区域是否缺氧进行检测。
气体检测器使用一个内置式的取样泵，抽取来自不同区域的气体样品，通过气体成分分析，指示是否缺氧及缺氧的程度。
检测系统应具有同时指示可燃气体含量和缺氧状况的功能。
第四节：
LNG溢出或泄漏
LNG溢出能使现场的人员处于非常危险的境地。
这些危险包括低温灼伤、冻伤、体温降低、肺部伤害、窒息等。
当蒸汽云团被点燃发生火灾时，热辐射也将对人体造成伤害。
在意外情况下，如果系统或设备发生L\G溢出或泄漏，LNG在短时间内将产生大量的蒸汽，与空气形成可燃的混合物，并将很快扩散到下风处。
于是，产生L\G溢岀的附近区域均存在发生火灾的危险性。
LNG蒸汽受热以后，密度小于空气，有利于快速扩散到高空大气中。
蒸汽扩散的距离与初始溢出的数量、持续的时间、风速和风向、地形，以及大气温度和湿度有关。
从对LNG溢出的研究表明：
风速比较高时，能很快地驱散LNG蒸汽云团；风速较低（或无风）时，蒸汽云团主要聚集在溢出附近。
移动的蒸汽云团容易产生燃烧的区域，主要是在可见气云团的周围，因为这些区域内的部分混合气体处于燃烧范围之内。
LNG溢出或泄漏是属于一种比较严重的事故，由设备的损坏或操作失误等原因引起。
正确评估L\G的溢出，以及蒸汽云团的产生与扩散，是有关安全的一个重要问题。
溢出的LNG蒸发速度非常快，形成大量的蒸汽云。
蒸汽云将四面扩散，比较危险的情况是遇到火源产生火灾。
因为蒸汽的数量多，溢出的LNG能不断地蒸发和扩散。
在蒸发和扩散过程中，如果遇到有风的情况，火灾可能迅速蔓延。
而且火灾木身也能产生强劲的空气对流。
因此，在考虑人员和设备的安全问题时，应重视风和火的相互作用的影响。
最危险的情况是由于燃烧产生强烈的空气对流，能对L\G设备造成进一步的损坏，扩大事故的严重性。
LNG的溢岀可分为溢出到地而和水而两种类型。
4.1LNG溢出到地面
主要是指陆地上的L\G系统，因设备或操作原因，使LNG泄漏到地而。
由于LNG与地而之间存在较大温差，LNG将吸收地面的热量而迅速气化，这是一个非常快速的气化过程，初期的气化率很髙，只有当土壤中的水分被冻结以后，土壤传递给IAG的热量逐渐地减少，气化速率才开始下降。
另外，周围空气的传导和对流，以及太阳辐射也会增加LNG的气化速率。
在考虑系统或设备的安全问题时，应考虑两方而的问题：
首先是设备本身，在万一发生泄漏的情况下，设备周围应具备有限制LNG扩散的设备（围堰或蓄液池），应使LNG影响的范围尽可能缩小；其次是L\G溢出后，抑制气体发生的速率及影响的范围O
围堰是用于液化天然气储罐发生泄漏时，防止LNG扩散的设施。
围堰内的容积应足够容纳储罐内的液态天然气。
在某些设计中，则在储罐周围的地而采用低热导率的材料，如用具有隔热作用的水泥围起来，以减少蒸发的速率。
另一种减少蒸发速率的安全措施是围绕围堰,安装有固定的泡沫发生器，在发生LNG溢出时，泡沫发生器喷出泡沫,泡沫覆盖在围堰中的LNG上而，即可以减少来自空气的热量，降低了LNG蒸发产生的速率。
目前有一些新的设计理念，储罐周围不设围堰。
LNG储罐安装在一钢筋混凝土的外壳上，内罐通常使用9Ni钢制造。
如果内罐发生溢出或泄漏，逸岀的液体包含在水泥外壳的内部，液体表而暴露于空气的面积相对很小，气体产生的速度比LNG围堰内要小得多。
比较危险的是LNG气体在飘散的过程中，可能遇到点火源，然后产生燃烧，火焰顺着蒸汽云往回蔓延到蒸汽发生点，对设施具有潜在的毁坏作用。
4.2LNG溢出到水面
LNG溢出到水面上时，水面会产生强烈的扰动，并形成少量的冰。
气化的情况与LNG溢出到地面差不多，当然，溢出到水而的蒸发速度要快的多。
而且水是一个无限大的热源，水的流动性为LNG的气化提供了稳定的热量。
有关的LNG工业机构和航运安全代理机构，对LNG在水上溢出的情况进行了深入的研究。
根据有关报道，LNG溢出到水而的蒸发速率为0.18kg/m
3.S,基木上不受时间的影响。
LNG溢出到水而上，最重要的安全问题是蒸汽云的形成和引起火灾的可能性。
在空旷的地方，LNG产生的蒸汽云一般不会产生爆炸，但有可能引起燃烧和快速蔓延的火灾。
蒸汽云产生以后，主要有两个方而的问题：
一是随着蒸汽云的扩散方向，如果在下风向存在高温热源或火源，就有可能点着这些可燃气体云团；二是天然气云团被点着以后，火焰的扩散及火焰产生的热流，点燃飘逸的天然气云团。
蒸汽云团在大气中的扩散是个令人关注的问题。
一旦发生类似的事故以后，需要利用气象学方面的技术，对可能扩散到的区域，提前进行预报，预先采取防火和防空气污染的措施。
表8-5LNG和液氮在水而上的蒸发量和热流范围。
蒸发条件
蒸发率/（kg/m2.s）
热流密度/（103W/m2）
最大值
平均值
最大值
平均值
LNG在水
面蒸发
0.229-0.303
0.146-0.159
132.5-176.6
84.9-113.3
LNG在冰
上蒸发
0.332-0.732
0.171-0.190
192.4-328.1
99.1-123.0
LN2在水
面蒸发
0.151-0.342
0.063-0.171
30.3-68.1
12.62-34.1
4.3LNG储罐处于火灾情况下的传热计算
在设计时，要充分考虑火灾情况下对储罐的影响，绝热储罐周围发生火灾时绝热结构要经得起消防灭火剂的冲击，不会有移动，温度高达538°C时不溶化，如果绝热材料不能满足这些标准，将不能允许用作储罐的绝热。
当IAG储罐暴露在火灾条件下，为防止储罐内的压力过高，应释放储罐内的气体。
气体排放的量按照传热进行估算。
这种特殊情况下的总热流可按下列公式计算：
=71000FA°82+
式中，为总的流量（W）;为液化天然气储罐的正常热损失（W）;A为储罐所暴露的湿表而面积（M‘）;F为环境系数，
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