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LNG—液化天然气站消防设计探讨

1 概述
LNG—液化天然气的缩写，按照美国国家标准NFPA59A定义为：一种基本上是甲烷构成的液态流体，含有微量的乙烷、丙烷、氮或通常在天然气中存在的其他成分。天然气主要来源于气田和油井伴生气，通常是作为燃料使用。由于其液化储运技术要求较高，所以国内一直是近距离管道输送，资源浪费严重。发达国家很早就将天然气进行液化储运，应用于生活、工业、汽车燃气等各个行业。1999年上海引进法国工艺技术建成了第一个LNG站，作为城市燃气的备用气源。2000年淄博引进日本技术建设了LNG气化站，主要供应工业生产用气。由于目前我国未出台LNG站消防设计规范，笔者结合淄博LNG站消防设计审查经验，提出一点浅见，供同行及设计人员参考。
2 设计依据探讨
2．1 目前国内相关规范
①《石油化工企业设计防火规范》(1999年修订版)GB50160—92
②《城镇燃气设计规范》(1998年版)GB50028—93
⑧《建筑设计防火规范》(1997年修订版)GBn687
④《建筑防雷设计规范》GB50057-94
⑤《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058—92
⑥《建筑灭火器配置设计规范)2BJl40—90
⑦《火灾自动报警系统设计规范》》GB50116—98
⑧《石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》SH3004—1999
2．2 国外有关规范
①美国国家标准NFPA;59A《液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准》(1996年版)
②日本部颁标准KHK—4《一般高压瓦斯保安法则》(平成6年修订版)
2．3 适用规范探讨
由于目前国家尚未出台LNG站消防设计规范或标准，现对以上列出的有关规范的适用性作如下分析：
《城镇燃气设计规范》(1998年版)(以下简称《燃规》)第102条规定：本规范适用于新建、扩建或改建的城镇燃气工程和装置设计。另据《燃规》名词解释，城镇燃气是指符合本规范燃气质量要求的，供给居民生活、公共建筑和工业企业生产作燃料用的，公用性质的燃气。一般包括天然气、液化石油气和人工煤气。《燃规》第六章对液化石油气储运供应做了明确规定，但对液化天然气未作说明。《石油化工企业设计防火规范》(1999年修订版)(以下简称《石化规》)第102条规定：本规范适用于以石油、天然气及其产品为原料的石油化工新建、扩建或改建工程的防火设计。《石化规》对液化烃的储运设计做了明确规定。另据《石化规》名词解释，液化烃指的是15℃时蒸汽压大于0.1MPa的烃类液体及其他类似的液体。应包括液化天然气。淄博新建LNG站属液化天然气气化、供气站，向周围企业、居民提供工业与民用天然气，应属城镇燃气范围，但《燃规》对液化天然气储运供应设计未作规定。本着无明确规范执行相近规范的原则，可执行《石化规》。该工程LNG储罐储存条件为0.3MPa(绝)、一145℃，按照《燃规》规定应属于“半冷冻式储罐”。但《石化规》把液化烃储罐分为两类：“全压力式储罐”和“全冷冻式储罐”，没有“半冷冻式储罐”。为此，设计组专门向《石化规》国家标准管理组进行了请示，得到明确答复：“液化烃半冷冻式储罐可参照《石化规》对液化烃全压力式储罐的要求进行防火设计”。综上所述，淄博新建LNG站工程的消防设计主要依据《石化规》有关条款，其他专业规范均参照执行。美国、日本规范标准对LNG站的储罐、电器仪表、工艺设施、安全消防均作了详细规定，虽不能作为设计依据，但可以借鉴参考。
3 火灾危险性分析
3．1 LNG火灾危险性分析
淄博的液化天然气来源于中原油田，主要组分为(体积百分比V％)：甲烷93.609；乙烷4.1154，丙烷1.1973；其它组分(丁烷、戊烷、氮、二氧化碳等)1.0783。物性参数：分子量：17.3；气化温度：-162.3℃：液相密度：447kg／m3；气相密度：0.722kg／m3；液态／气态膨胀系数：612.5m3／m3(15.5℃)；燃点：650℃；热值：9260 kcal／m3；气化潜热；121kcal／kg;储存条件：温度-145℃；压力0.3MPa(绝)。天然气闪点为-190℃，与空气混合能形成爆炸性混合物，爆炸下限(V％)为3.6—6.5，爆炸上限(V％)为13—17，最大爆炸压力6.8kg。天然气火灾有以下特点：火灾爆炸危险性大；火焰温度高、辐射热强；易形成大面积火灾；具有复燃、复爆性。
3．2 主要设计火灾危险性
3．2．1 LNG储罐
LNG储罐为100m3卧式真空粉末绝热低温储罐，双层结构，内胆材料为不锈钢0Cr18Ni9(0表示含碳量不足1％)，其化学成分、含量与美国(ASTM)304钢以及日本(JIS)SUS304钢的成分基本相同，外壳材料为Q235A(一种A型钢)。内胆与外壳之间填充珠光砂并抽真空绝热，内胆外面包一层弹性绝热材料以防止珠光砂沉积压实造成绝热性能下降。其最大的危险在于绝热性能下降，因为LNG是低温深冷储存，一旦绝热性能下降，储罐压力剧增，会造成储罐破裂事故。
3．2．2 气化器
气化器有冬季使用的水浴式气化器和其他季节使用的空浴式气化器两种，其主要作用是LNG流经气化器换热发生相变，转化为气体并提高温度，经过调压器调至0.4MPa(绝)后进入管网，然后送给用户。因为进入气化器的是液化天然气，在气化之前一旦发生泄漏
极易造成火灾爆炸事故。
3．2．3 BOG储罐
钢制储罐，用来储存LNG储罐罐顶蒸发气体(Boiloffgas)。该罐主要用来平衡LNG储罐的压力，一旦LNG储罐温度发生波动，气化出的气体便进入该罐。因此BOG储罐应有配套的液化回收系统或放空设施，避免超压造成泄漏事故。
3．3 工艺火灾危险性
本工艺装置的火灾危险性为甲类，装置区内的大部分区域为爆炸危险1区。工艺流程比较简单，LNG用槽车运至气站后卸入储罐，气化、加臭、计量后进人管网送给用户。主要火灾危险有以下几点：
3．3．1 LNG运输中的分层和涡旋问题
LNG是一种多组分混合物，温度和组成的变化会引起密度变化，继而引起分层和涡旋，表面蒸发率剧增(涡旋时的蒸发率比正常状态要大20倍)，引起槽车内压力骤增造成泄漏事故，1971年意大利曾发生过类似事故。
3．3．2 LNG泄漏问题
由于LNG是低温深冷储存，所以它的泄漏一般液化烃有所不同。LNG一旦从储罐或管道中泄漏，一小部分立即急剧气化成蒸气，剩下的泄漏到地面，沸腾气化后与周围的空气混合成冷蒸气雾，在空气中冷凝形成白烟，再稀释受热后与空气形成爆炸性混合物。LNG泄漏冷气体在初期比周围空气浓度大，易形成云层或层流。气化量取决于土壤、大气的热量供给，刚泄漏时气化率很高，一段时间后趋近于一个常数，这时的LNG泄漏到地面上会形成一种液流。
4消防设计探讨
4．1 总平面布局
站址选择及总平面布置均参照《石化规》有关要求执行。
4．1．1 站址选择
站址应处于全年最小频率风向的上风侧，站内应平坦，通风良好，便于LNG的扩散。距离公共建筑及民用建筑均应大于120米(日本规范分别为98.3米和65.6米)。
4．1．2总图布置
在满足工艺流程的前提下，应合理布置功能分区，储存区生产及辅助区和办公区应分开设置。综合考虑防火间距、消防车道及防火防爆要求。
4．2 建筑结构(耐火等级)
站内建构物均应按《建筑设计防火规范》进行设计，其耐火等级、层数、长度、占地面积、防火间距、防爆及安全疏散均按规范要求进行设计；建构筑物墙、楼板、柱、梁、吊顶的选材和结构均需要满足规范规定的强度、耐火、防爆要求。建构筑物及重要设备的联合平台，均应设置两个以上的安全疏散口；生产装置内的承重钢框架、支座、裙座、管架等按规范要求涂覆耐火层保护，耐火层的耐火极限不低于1.5小时。由于LNG的特殊性质，站内建构筑物及重要设备支架除应满足相应的耐火等级外，还要满足抗冷性能。特别是储罐基础、防火堤及挡液堤必须能承受-145℃以下的低温。
4．3 工艺装置
装置均设计成密闭系统，在控制的操作条件下使被加工的物料保持在由设备和管道组成的密闭系统内。在装置的进出口总管上设置紧急切断阀，以杜绝引起火灾爆炸的可能性。
4．4 储运设施
储运设施的设计均严格按照《石化规》有关要求执行。
4．4．1储罐安全措施
在储罐的液相管上设紧急切断阀，每个储罐两个，以便在装置发生意外时切断储罐与外界的通道，防止储罐内的LNG泄漏。
储罐内罐设安全放空阀，连通火炬；外罐设泄压设施，放空气体引至高点排放。
4．4．2 管道安全措施
在液相管道的两个切断阀之间设置安全阀，一旦两个切断阀关闭，管道内的液体受热气化时，安全阀自动起跳，以防超压造成事故。
气相总管上设紧急放空装置，一旦有误操作或设备超压，安全阀起跳，以保护气相管道的安全。
4．4．3 泄漏处置措施
根据LNG的特殊性质，LNG的泄漏处置是最重要的设施。美国国家标准NFPA 59A《液化天然气(LNG)生产、储存和装卸标准》明确提出：LNG站内应按规范要求设置拦截区，服务于LNG储灌区、装卸区和生产工艺区。且LNG和可燃制冷剂、储罐防护堤、拦截墙和泄流系统必须采用压实土、混凝土、金属等耐低温材料建造。储罐周围设置防护堤，高度1米，储罐与防护堤的间距按照储罐液位高度减去防护堤高度计算。在储罐防火堤内设置LNG导流沟和集液池，以防泄漏的LNG接触其他储罐基础。卸车台处另设一集液池，用来收集卸车过程中泄漏的LNG。所有集液池内的LNG均应采取可靠的保护措施，使其安全气化，避免造成危险。
4．4．4 安全放散
站内设专用放空火炬，高30～40米，LNG储罐、BOG储罐、工艺管道及各生产工段的超压泄放气体均引入火炬，避免在站内形成爆炸性混合物。
4．5 电气仪表
4，5．1 火灾探测及DCS联动系统
DCS为自动监视控制系统，有异常发生时及时报警并通过ESD(紧急停车)快速切断使各部设备处于安全状态。在储罐区、气化区、卸车台等可能产生天然气泄漏的区域均设置可燃气体浓度监测报警装置，在储罐、气化器等关键设备的适当部位安装火灾探测器；在控制室设有集中报警控制系统，一旦有气体泄漏或发生火灾，能够及早发现并采取措施。另外站内还设有一套先进的监控系统，能监控各装置设备的工艺参数(温度、压力、液位等)并能连锁控制，有异常情况时发出警报提醒操作人员及时处理，特殊情况下可以启动紧急切断装置(站内所有紧急切断阀均从日本进口，电动控制)，确保各主要设备处于安全状态。
4．5．2 电气设备及电缆
站内电气设计严格执行《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》要求。电气设备和灯具均满足相应的防爆级别，电缆沟进行防火封堵并采用阻燃性电缆。
4．5．3 防雷防静电
根据生产性质、发生雷电的可能性和后果，站内生产装置和辅助设施、工业建筑均采用装设避雷网和避雷针防止雷击。装置区内的封闭金属罐、塔及设备管道按规范要求作好防雷接地。
4．5．4 消防用电及通讯
应确保站内的消防用电及通讯设施。消防控制系统、消防水泵、气压给水设备等主要用电设备应有备用电源(双电源供电或采用备用发电设备)；站内控制中心应设外线报警电话或与消防队直通的专线电话。
4．6 消防设施
消防系统的设计均严格按照《石化规》有关要求并参照国外的先进经验执行。
4.6．1 消防给水系统
消防给水系统由消防泵房、消防水罐、消防管道及消火栓、消防水炮等组成。站内按一次火灾计算，LNG储罐所需消防用水量最大，一次用水量为478m3／h，火灾延续时间为6h，贮水量不应小于2866m3(站内设置两个公称容量1500m3的固定顶消防水储罐)。
站内设置环状DN300消防水管网，管网上设置地上式消火栓。罐区周围设置固定式消防水炮及箱式消火栓，另外设两台移动消防水泡，放在泵房内备用。
消防泵房内除按照站区所需消防用水量要求设置主备用泵外，另设一套消防气压给水设备，平时用来维持管网的恒压状态(0.38MPa)，火灾时自动启动消防水泵，达到0.8～0.9MPa，形成临时高压消防给水系统。
4．6．2 蒸汽灭火系统：
按照《石化规》要求，在生产工艺装置处设置蒸汽消防系统，利用站内锅炉产生的高压蒸气，在工艺设备、管道及框架、平台等易泄漏处设有消防蒸汽管及接头，遇有紧急情况时，可方便地灭火或对设备、管道进行保护。
4．6．3 泡沫系统(高倍数泡沫保护和低倍数泡沫灭火系统)
为了有效地控制泄漏的LNG流淌火灾，借鉴国外先进经验，站内设置了高倍数泡沫保护系统。采用PF4型水轮式高倍数泡沫发生器和3％的高倍数泡沫液，发泡量为100～200m3／min。主要用来覆盖保护储罐区、管道、卸车台泄漏及事故集液池内的LNG，使其安全气化，避免产生危险。有条件的站内还可按规范要求设置固定式低倍数泡沫灭火系统。在储罐区、管道、卸车台及事故集液池等处设置泡沫管道及管牙接口，并配置一定数量的泡沫钩枪。也可在储罐、管道、卸车台及重要设备上方设置泡沫喷淋灭火装置。
4．6．4 干粉灭火系统
在LNG储罐、BOG储罐、管道安全阀等气体放空部位，可设置于粉灭火装置，一旦排出的气体被点燃，可以自动释放干粉灭火，避免事故扩大造成危险。
4．6．5 气体灭火系统
在总控制室、自备发电机房、变配电室等封闭空间内可采用气体自动灭火系统，有人值班的可采用手动控制，现场无人值班的应采用自动控制。
4．6．6 移动式灭火器材
根据《建筑灭火器配置设计规范))GBJl40—90规定，该装置生产区为严重危险级场所，设置MFA8型手提式干粉灭火器和MFAT50型推车式干粉灭火器。辅助生产区属轻危险级，设置MFA8型手提式干粉灭火器。控制室、变配电室内配置MT7型手提式二氧化碳灭火器，以保证迅速有效地扑灭初期火灾和零星火灾。
4．7 灭火对策
4．7．1 切断气源，控制泄漏。如不能有效控制堵住泄漏，可允许泄漏气体稳定燃烧，防止大量气体扩散造成二次危害。
4．7．2
对着火罐及邻近罐和设备进行冷却保护，固定式冷却设备失效时应迅速采用消防水泡等移动式设备进行冷却，避免储罐设备受热超压造成更大灾害。
4．7．3
要控制泄漏出的LNG流淌，可筑堤堵截或挖导向沟，将LNG引至事故集液池等安全地带，然后用高倍数泡沫覆盖，使其安全气化，避免燃烧扩大。
4．7．4 初起小火可利用现场配置的移动式灭火器材进行扑救，火势较大时应立即报警，调动大型消防车辆灭火。
5 结论
在目前我国没有LNG站消防设计规范的情况下，参照《石化规》的有关要求及国外的先进经验进行的上述设计，基本能够满足LNG站的消防安全要求，各种设备得到了最大程度的保护，为LNG站的安全运行提供了有力的保障，实践证明是行之有效的。