再气化模块安全性设计原则分析.pdf

15 再气化再气化模块安全性设计原则分析模块安全性设计原则分析 刘晓枫，孙 攀，戴数峰，刘 凯（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）摘摘 要：要：从安全角度出发，对再气化模块的整体布置方案、火气系统、消防灭火系统和管道超压保护等方面的设计原则进行分析，提出相应设计要点，为浮式再气化装置（FSRU）以及再气化模块的设计优化和建造提供相关经验和指导意见。关键词：关键词：浮式再气化装置（FSRU）；再气化模块；安全性设计 中图分类号：中图分类号：U662.3 文献文献标志标志码：码：A DOI：10.16443/ki.31-1420.2023.03.005 Analysis of Safety Design Principles for Regasification Module LIU Xiaofeng,SUN Pan,DAI Shufeng,LIU Kai(Hudong-Zhonghua Shipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200129,China)Abstract:From a safety perspective,the design principles of the overall layout plan,fire and gas system,fire extinguishing system,and pipeline overpressure protection of the regasification module are analyzed,and corresponding design points are proposed to provide relevant experience and guidance for the design optimization and construction of floating storage regasification unit(FSRU)and the regasification module.Key words:floating storage regasification unit(FSRU);regasification module;security design 0 引言引言 浮 式 再 气 化 装 置（Floating Storage Regasification Unit，FSRU）是一种配备液化天然气存储及再气化功能的海上浮式接收站，再气化模块是最核心的工艺处理单元，可以将液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）增压气化为常温高压天然气，然后调压外输至陆地管网。天然气属于易燃易爆介质，在天然气的应用中，安全问题始终处于非常重要的位置1。为确保FSRU高效、稳定、可靠地运营，在进行再气化模块安全性设计时，除了考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性，还须考虑由LNG低温特性和再气化高压特性所引起的安全问题。1 再气化再气化模块简介模块简介 再气化装置主要包括吸入罐、增压泵、印刷电路板式换热器、管壳式换热器和高完整性压力保 护 系 统（High Integrity Pressure Protection System，HIPPS）等，其工艺过程是利用增压泵将LNG增压输入管壳式换热器并由中间工质加热气化，而后经印刷电路板式换热器通过中间工质加热升温至5，最终经调压输送至陆地管网。考虑到船体空间限制、承重要求以及经济性、适用性等因素，再气化模块采用独立开放式框架结构设计。根据工作原理和换热工质不同，再气化模块工作模式主要包括开环模式、闭环模式和联合模式等3大类。作者简介：刘晓枫（1985），男，工程师。研究方向：液货船舶甲装管系设计与建造。16 cademic Research 技术交流 A 1.1 开环模式开环模式 开环模式采用海水作为热源，利用作业海域的天然海水加热中间工质，如乙二醇和丙烷等，而后利用中间工质加热LNG，使其气化，并将完成热量交换后的海水直接排出舷外。一般情况下，海水换热后温度降低7 左右，故开环模式对作业海域水温要求较高，不适用于水温低于8 的海域2。此外，虽然在海水泵进口/出口处配备了常规滤器和反冲洗滤器，但海水中各种藻类、污染物以及潮汐带起的沙土等仍会不可避免地进入管道及设备中，引起堵塞等故障。为了延长设备使用寿命、保障再气化装置长期稳定运行，开环模式对作业海域水质也有一定的要求。1.2 闭环模式闭环模式 闭环模式采用蒸汽作为热源，利用锅炉产生的水蒸气加热中间工质，如乙二醇和丙烷等，然后中间工质加热LNG，使其气化。闭环模式对作业海域的水温和水质依赖性不高，有效减少了海水腐蚀，但增加了再气化锅炉和冷凝器等设备。总体而言，闭环模式对机舱区域布置空间要求较高，且气化输出量小于开环模式。1.3 联合模式联合模式 联合模式包含2套加热系统，热源既可以是海水，也可以是蒸汽，且2种热源能并行作业。该模式作业方式更为灵活，适用于不同作业海域。2 再气化再气化模块安全性设计原则分析模块安全性设计原则分析 2.1 再气化再气化模块整体设计和布置原则模块整体设计和布置原则 从安全性角度考虑，再气化模块的整体设计和FSRU上的布置方案应遵循以下原则：1）将危险区域与非危险区域分开，避免将一个危险区扩散叠加至另一个危险区域。2）谨慎布置潜在起火源，以减小着火风险。3）设计足够的通风能力，确保易燃易爆介质的积聚和扩散保持在最低限度。4）直升机悬停区和救生设施应布置在盛行风的上游区域，避免受再气化模块内天然气泄漏、扩散的影响。5）提供有效的应急救援措施，设置合理的逃生通道。基于上述原则，确定再气化模块布置方案：1）再气化模块布置在船首，远离居住区、高压气体外输集管和LNG装货/卸货集管。2）再气化模块采用开放式框架结构设计，充分利用自然通风，确保将易燃易爆介质的积聚和扩散情况保持在最低限度，如图1所示。图 1 再气化模块三维示意图 3）至少设计2条从再气化模块至安全区域的逃生路线，且直升机悬停区域和疏散救援设施尽量远离再气化模块，以便有时间作出有效的应急反应。4）再气化透气桅位于穹顶甲板艏部区域，远离居住区，并和再气化模块保持安全距离，确保经透气桅排出的天然气扩散对再气化模块不会产生影响。2.2 再气化再气化模块消防灭火系统设计原则模块消防灭火系统设计原则 再气化模块消防灭火系统的设计目的是减少或减轻火灾发生后造成的严重后果，主要包括：1）控制火势，并防止其蔓延至邻近区域。2）保护人员免受火灾伤害，做好紧急逃生和疏散准备。3）保护对安全至关重要的系统和设备。4）可以在确认安全的地方熄灭火灾。5）在规定时间内，再气化模块仍然保持结构完整性。基于上述目的，再气化模块消防灭火系统设计原则如下：1）模块内部各系统布置空间留有足够的安全距离，尽量减少火势蔓延的可能性。2）再气化模块承重结构具有足够的耐火性，在火灾期间保证结构完整性；如有必要，可以考 17 虑在主要结构上增加防火涂层。3）应尽量减少可燃材料的使用，并要求供应商提供材料阻燃或不燃性能的第三方检测报告。4）再气化模块内用于存储、驳运和处理大量LNG或天然气的区域应配备足够数量的消防栓，并接至全船海水灭火系统。5）再气化模块内的水喷淋系统主要用于设备、管汇和围蔽处所内的灭火和控火，以及结构件的冷却和水幕隔离3。设计合理的喷嘴位置，以确保水能够按规范要求均匀地喷洒在受保护区域。6）布置在船上货舱区域的干粉灭火系统可以覆盖再气化模块，并确保人员可以在安全的地方熄灭模块上的火灾。2.3 再气化再气化模块火气探测系统设计原则模块火气探测系统设计原则 火气探测系统的设计目的是对再气化模块可能发生或已经发生的火情或可燃气体泄漏进行及时、准确的探测，并及时采取相应的措施，以保证船上人员和设备的安全。火气探测系统覆盖范围包括再气化模块和再气化透气桅等，能够提供持 续 自 动 监 测 功 能，且 与 应 急 关 断 系 统（Emergency Shutdown System，ESD）、放空系统（Blow-Down System）、报警系统、消防灭火系统等有通信连接。再气化模块的火气探测系统包括火灾探测和可燃气体探测2部分。火灾探测系统是一个完整的火灾监测和报警系统，系统设计方案需根据每个区域火灾发生的概率和类型确定。再气化模块的可燃气体探测系统采用固定式探头监测方式，合理的探头布置使所有可能发生可燃气体泄漏的点和可能积聚的区域都处于探测覆盖范围内。位于开敞区域的天然气管路的少量可燃气体泄漏是很难被探头监测到的，因此，人工检测方式是用于再气化模块至高压外输集管区段可燃气体泄漏检查的主要手段。此外，对于可燃气体泄漏报警导致再气化处理链条停机的监测区域，可以考虑采用2ooN的表决架构，尽量减少误报警造成的停机可能性。2.4 管道超压保护设计原则管道超压保护设计原则 管道超压保护的设计目的是避免或推迟超压引起的管道和压力容器破裂，进而减少LNG或天然气的泄漏率和泄漏时间，保证再气化工艺系统的安全运行。管道超压保护主要通过设置管道安全阀、放空阀（Blow-Down Valve）、高完整性压力保护系统（High Integrity Pressure Protective System，HIPPS）等实现。管道安全阀的设计原则与常规LNG船一致。放空阀在收到管道超压的危险报警信号后，通过手动操控方式开启阀门泄放压力，从而保护设备或系统。放空阀的手动操控按钮布置在货物控制室，并且通常集成在ESD系统中。放空阀的设计原则是将管道内的流体压力在1 min内降至0.59 MPa或系统设计压力的50%（取两者最小值）。考虑到预留给作业人员3 min的操作时间裕度，管道压力放空计算时间实际为12 min。HIPPS是基于安全仪表保护的独立控制系统，其通过及时准确的监测和可靠的运算获得上游系统的工作压力数据，一旦压力超出操作设定临界值，及时切断上游工艺系统的物流，达到保证人员安全、保护下游工艺系统功能和避免在泄压保护时向环境或下游设备泄放大量物流的目的。HIPPS系统的安全等级更高，一般要求关断阀门在收到执行指令的2 s内完成关断操作。2.5 再气化再气化模块泄放系统设计原则模块泄放系统设计原则 设计再气化模块泄放系统的目的是采用合适的处理方式保持模块内部各层甲板的干燥和洁净，为人员操作和设备运营提供安全舒适的工作环境。不同泄放介质，其处理方式不同4。对于暴雨或大雨等自然降水，以及消防水或喷淋水等人为释放的相对洁净的水介质，采用直接排舷外的泄放设计，即开式泄放；对于乙二醇溶液和油类介质，出于污染物控制原则和FSRU运营地环境保护法规要求，泄放方式是将其收集在特定的储存柜中，然后驳运至机舱或其他处所进行废物处理，即闭式泄放；对于低温介质，管道连接处配备了防喷溅和滴漏盘装置用以处理少量的低温溢流和泄漏，如果发生低温流体大量泄漏的紧急情况，先利用消防水或喷淋水中和冷能，然后通过开式泄放渠道排至舷外。（下转第（下转第 109109 页）页）109 表 1 仿真结果数据表 突加负载前母线 电压/kV 母线电压最大值/kV 突加负载后母线电压 最小值/kV 最小值时刻/s 电压降/%4.060 4.072 3.568 3.017 12.1 5 结论结论 直接建立并利用十二相整流发电机系统的数学模型，精度较高，可直接用于对其暂态性能和稳态性能的仿真分析，缺点是较为复杂，在此模型基础上研究突加负载的瞬时电压计算方法困难较大，在分析多机并联情况下系统性能时候更是如此。本文利用其他文献取得的研究成果，提出在十二相整流发电机降阶等效三相电机模型的基础上研究突加负载造成的电压瞬态降问题。将直流侧的突加负载效应等效到交流侧，并考虑三相整流桥自身特性，推导出突加阻性负载时的瞬时电压计算式。最后，利用此降阶等效模型讨论了在多机并联情况下的综合电力系统突加阻性负载瞬时电压降估算方法。需要指出的是，由于并联系统动态模型是基于降解等效模型的进一步推导，因此假设的理想化条件进一步增多。实际应用中可通过真实的联调试验获得真实数据，对该模型进行修正。参考文献：参考文献：1 中国造船工程学会,中国船舶工业集团公司,中国船舶重工集团公司.船舶设计实用手册(电气分册)M.北京:国防工业出版社,2013.2 中国船级社,上海海规所.钢质海船入级规范2021(第 4 分册)S.2021.3 马凡,付立军,郭云珺,等.十二相同步发电机整流系统直流极间短路电流的解析计算方法J.中国电机工程学报,2021,41(20):7177-7125.4 夏维,郑晓东,吕承,等.多相整流同步发电机系统直流侧短路故障分析J.海军工程大学学报,2020,32(4):25-31.5 纪锋,王公宝,付立军,等.十二相同步发电机降阶等效模型研究J.电力系统保护与控制,2012,40(2):28-33.6 MIN H C,FERNANDO P,ENRIQUE M.Accurate Reduced Order Models for Coherent Synchronous GeneratorsC/57th Annual Allerton Conference on Communication.2019.7 霍承祥,高磊,吴剑超,等.励磁系统动态增益对凸极发电机暂态稳定的影响J.电力系统自动化,2020,44(21):116-121.8 张建承,张甜甜,熊鸿韬,等.柔性励磁系统无功阻尼控制器参数整定方法及现场应用J.电工技术学报,2022,37(17):4435-4445.（上接第（上接第 1717 页）页）3 再气化模块安全性设计分析方法与内容再气化模块安全性设计分析方法与内容 基于本文第2节所述的安全性设计原则进行再气化模块系统设计时，还要结合下列风险分析，确定必要的风险降低指标，并综合考虑系统运行的功能性和可靠性，合理地设计再气化模块5。1）危险与可操作性分析和危险源识别分析。2）定量风险评价。3）应急逃生和救援分析。4）工艺切断和放空系统逻辑分析。5）低温溢流保护方法。6）透气扩散影响性分析。7）ESD和HIPPS系统压力冲击研究。4 结论结论 本文从安全性角度考虑，阐述分析了再气化模块整体布置方案、消防灭火系统、火气探测系 统、管道超压保护系统和泄放系统的设计目的和设计原则，并介绍了系统安全性设计所需的分析方法和主要内容，期望可以为FSRU以及再气化模块的设计优化和建造提供相关经验和指导意见。参考文献：参考文献：1 王德云.LNG 船安全系统设计研究D.上海:上海交通大学,2010.2 朱锋.LNG-FSRU 再气化模块设计优化研究D.江苏镇江:江苏科技大学,2016.3 王文若.海上移动钻井平台水消防系统设计D.辽宁大连:大连海事大学,2013.4 朱崇远,朱永凯,时光志.FSRU 气化装置遮闭式布置J.机电设备,2021,38(3):77-79.5 杜晓程.大型 LNG 船玻璃钢压载水管道应力校核方法J.船舶工程,2021,43(1):119-124.