LNG加注站危险因素解析

2022-09-11

LNG (液化天然气) 是一种以液态形式储存的无色烃类混合物流体, 其主要成分除甲烷外, 还含有少量的乙烷、丙烷、氮及普遍存在于天然气中的其他组分。由于其清洁、高效的特点, 在世界范围内获得了广泛的应用[1], 作为车用燃料, 相对汽柴油具有明显的价格优势, 更因其显著的节能减排效果而被冠以绿色环保燃料的称号。发展低碳经济需要低碳能源的支撑, 在我国能源结构调整的过程中, 加快LNG的开发和利用是重要举措之一[2]。而作为LNG的主要利用形式, 汽车LNG加注站发挥着重要作用。但与国外相比, 我国目前LNG加注站的建设还处在初始阶段, 在安全管理方面常常是只重补救而轻预防。由于LNG具有易燃易爆和低温深冷的特性, 同时加注作业环境相对复杂, 致使LNG加注站的安全问题不容忽视[3,4]。要做好LNG加注站的安全管理工作, 首先要对危害因素进行充分辨识, 以根据识别出的危害制定相关的制度、程序加以有效控制, 从而保证加注站的运营安全。

一、LNG加注站工艺流程简述

LNG加注站一般由LNG储罐、LNG加气机、卸车 (储罐) 高压气化器、EAG复热器、LNG潜液泵以及工艺管道系统、站控系统、安监系统等组成[5,6], 具备LNG卸车、计量、加注、安全故障监控及报警等功能。通常情况下, LNG由专用运输槽车运送至加注站场地, 在卸车台通过槽车自带的增压气化器和潜液泵在压差作用下卸入到站内低温储罐储存。当需要对外加注时, 再由潜液泵将LNG送入加注机, 通过LNG加注枪 (一种LNG加注时的快速接头) 将LNG注入至车载储瓶中。产生的BOG (Boil Of Gas) 加热气化到常温后, 经加臭、调压后进行储存以供服务区使用。EAG复热器对EAG (Escape Air Gas) 进行加热后通过放散管直接排到大气中。其工艺流程可以分为待机流程和加注流程两种。

1. 加注站待机流程

在待机流程下, 各系统阀门按设计要求处于关闭或者开启状态, 以保证储罐内的低温液体不流入泵池。此时, 若系统漏热带进外界热量会导致LNG的气化, 进而致使整个系统压力升高, 当系统压力高至超过预先设定值时, 系统卸压气动阀会自动打开 (或采取手动开启旁通阀的方式) , 释放系统中的气体以降低压力, 从而保证系统安全。

2. LNG加注流程

在加注流程下, LNG储罐中的饱和液体经过泵加压后通过计量系统由加注机加入LNG汽车。车载储气瓶一般为上进液喷淋式, 车载气瓶内气体的热量被加注进入的液化天然气直接吸收, 使瓶内压力降低, 减少放空气体, 以提高加气速度。

二、危险因素及措施分析

1. 介质的危险性分析

(1) 火灾、爆炸特性

LNG是一种液态烃类混合物, 其主要成分为CH4, 在一个标准大气压下沸点-161.5℃左右, 密度通常介于420~470 kg/m3之间[7]。其主要危险性在于气化的LNG比空气密度低, 一旦发生泄漏, 由于与空气大量的热量传递, 会生成比空气较轻的白色蒸气云, 并在空气中快速扩散, 遇明火会引着点燃, 甚至引发爆炸, 其爆炸极限浓度为5%~15% (体积百分比) 。在物料的输送保存过程中, 如果不小心产生大量静电或者受到猛烈撞击都可能引发火灾和爆炸。对于泄漏量大且来不及气化LNG, 可通过集液池进行收集, 并用干粉灭火器充分喷洒液体表面, 将其与空气隔绝以降低气化速度。

此外, LNG还能与氟、氯等发生剧烈的化学反应, 水与LNG之间也有非常之高的热传递速率, 泄露的LNG遇水后会发生快速的相态转变, 表现为激烈地沸腾并伴随巨大的声响喷出水雾, 发生LNG蒸气爆炸即所谓的冷爆炸。

(2) 低温特性

由于LNG是-162℃的深冷液体, 在标准大气压下具有极低的温度, 人体皮肤与低温物体表面直接接触时, 皮肤表面的潮气会凝结并粘在低温物体的表面。LNG在发生泄漏后的初始阶段会吸收周围空气及地面热量并迅速气化[8]。经过一定的时间后, 不仅地面被冻结, 周围的空气在无对流的情况下其温度也会迅速下降, 此时气化速度会大幅减慢, 可能导致部分液体来不及气化而被防护堤拦蓄。LNG泄漏后气化的冷蒸气云以及未能气化的液体, 都会对人体产生冻伤、低温灼烧等严重伤害。同时, 人体在没有采取任何防护措施情况下, 长时间暴露于10℃以下的环境温度中时, 还会发生低温麻醉的危险, 随着体温下降, 人体生理功能和智力活动均会下降, 严重时心脏功能出现衰竭, 甚至死亡。

除了对人体的危害性以外, LNG泄漏产生的冷蒸气云和液体, 还会使与其接触的部分材料变脆、易碎, 产生脆性断裂或者遇冷收缩, 从而对加注机、加注车、储罐、LNG高压柱塞泵、潜液泵等加注设备造成损坏。特别针对LNG储罐和LNG槽车储罐, 可能引起外筒脆裂或变形, 导致真空失效和保冷性能降低, 进而引起内筒液体膨胀造成更大事故。

(3) 窒息性

天然气按照职业危害程度划分, 属于五级低毒职业危害, 一般条件下对人体毒性极低, 但长期暴露于LNG环境, 人体会产生头晕、头痛、失眠、记忆减退和食欲不振等神经衰弱性症状。LNG对人体健康的主要危害性在于其极低的含氧量易引发人体窒息。一旦人体吸入纯净LNG蒸气而不迅速脱离或者采取其他相应措施, 很快会失去知觉, 若非及时脱离, 甚至几分钟内就可能使人死亡。表1为按照含氧量划分的人体产生窒息的四种不同程度类型。

2. 装置的危险性分析

(1) LNG储罐

由于LNG具有易燃易爆的特性, LNG储罐具有较大的危险性, 储罐基础沉降的不均匀下沉会对罐体稳定性产生严重影响, 罐体的变形、腐蚀穿孔及焊缝开裂均会使真空性受到破坏, 绝热性能降低, 导致储存的低温深冷液化气体因受热而气化, 进而引发储罐内压力剧增而破裂, 产生大量LNG泄漏。其最易发生泄漏的部位在于储罐进出液管道或内罐。对于前者, 一般的预防措施是在储罐顶部安装安全放散阀, 当储罐压力升高至一定值时, 安全放散阀便自动开启, 通过集中放散管释放压力。对于内罐泄漏, 可通过爆破片进行安全防护, 一旦发生泄漏, 爆破片开启, 从而降低内外压力, 避免引发储罐爆裂等更为严重的事故发生。此外还需要定期的检查罐体的防雷、防静电设备以及给类阀门开关的有效性以防止引发火灾爆炸危险。对于生产过程中可能发生的储罐液位超限而引发液体溢出, 可设置储罐液位检测传送及报警系统, 通过与储罐进出液气动阀联锁, 避免此类事故的发生。

(2) LNG槽车

LNG槽车容积一般在42m3以上, 由内、外壳组成, 通过抽真空进行绝热保冷。槽车上装有低温储罐, 其危险性与LNG储罐相同, 主要依靠规范的人为操作和严格的管理制度进行控制。槽车一般采用了密闭卸液工艺, 但在操作中还应尽量做到卸车时间短 (卸车时间控制在2小时左右) , 次数少 (每天最多卸车一次) , 并选择人流量较少的时段卸车, 卸车时操作人员应在现场进行管理, 若发生意外泄漏, 应立即停泵以减少事故的进一步扩大。

(3) 低温泵

各类低温泵是LNG加注系统不可或缺的组成部分, 输送的介质均是易燃易爆的物料, 其最大的危险性在于密封失效而引发危险物质的大量泄露, 并与空气混合形成于爆炸极限范围内, 遇火源发生爆炸事故。对于泄漏量很小的情况, 一般可以通过关闭LNG槽车液相阀门或者储罐阀门来进行控制。除了因密封问题引发的泄露外, 机泵在工作中会不可避免的产生振动, 使与其相连的管道出现一定的应力拉伸和疲劳损坏, 或因振动引起相应零部件的疲劳老损, 最终均会导致管线或零部件失效而至物料泄露产生火灾爆炸。

(4) 卸车软管

卸液操作中与槽车相连的接口软管, 也是安全管理中应予以关注的对象。由于软管易老化, 在接口处因长期磨损可能导致密封不严, 甚至因卸气时受到剧烈震动而发生爆裂。这些都会产生LNG泄露, 对泄漏量不大的情况, 可通过关闭LNG槽车出液口或停止潜液泵进行控制。

(5) LNG加注机

LNG加注机用于直接给汽车加气, 其接口采用软管连接。因软管发生的泄露同以上对卸车软管的分析类似, 泄漏发生后采取及时停泵、关闭储罐出液口或储气瓶出气口等措施可有效控制泄漏量。除此之外, 加注机受到外力撞击或因作业人员操作不当导致加注机憋压, 或者设备超期服役以及在受到严重腐烛等情况下都会发生不同程度的泄漏, 为事故埋下极大的安全隐患, 同样应对这些方面予以适当关注。

3. 管道系统的危险性分析

(1) 保冷失效

LNG液相管道输送的介质属于低温深冷流体, 在管道设计时就考虑了温度变化及大温差对材料性能的要求, 采用真空绝热设计, 其保温材料具有良好的防水、隔热和阻燃功能。但因真空度受到破坏等原因导致管道绝热性能下降时, 管内介质受热会致使液相管道内压急剧增高[9], 使发生泄露或爆炸的危险性大大增加。此时通过开启管线安全阀以防止管道超压造成事故, 并需要注意对放散气体进行集中放散处理。此外, 生产过程中在每次开车前也需要对工艺管道进行预冷, 若不按要求进行操作或操作不当, 可能导致管道连接部位发生冷收缩和脆性断裂, 进而引发泄漏, 造成人员火灾爆炸和人员伤亡事故。

(2) 液击现象

LNG的管路是带压输送, 由于加注车辆的随机性, 输送管路中的装置经常反复开停, 致使液相管道内的液体流速发生频繁而剧烈的变化, 速度的变化引起液体动量的变化, 反映为管道内压力的大幅度波动, 同时伴有液体锤击的声音, 即液击现象 (或称“水锤”或“水击”) 。液击一般会造成管道系统强烈的振动, 其对管道产生的影响不容忽视。突然升压, 严重时可使管道爆裂;急剧降压, 造成管道内负压, 易引发使管子失稳和产生振动。除了在设计和安装上的安全考虑, 控制装置启停的速度是避免严重液击的有效措施之一。

(3) BOG及“间歇泉”现象

与LNG储罐相连接的液相管道线一般较长, 在管路阀门等处会不可避免的产生漏冷, 使得管内液体受热而产生闪蒸气即BOG气体[10] (其自然蒸发量一般在每天2‰左右) 。随着受热不断增加, 当管内的闪蒸气体量不断增大, 聚集到一定压力足以克服储罐中的静压而上升至储罐液面时, 气体会突然喷发, 并将管路中的液体同时推向储罐内, 导致管道内一定空间液体被排空, 罐内液体又迅速补充至管内, 以此为一个周期重新开始BOG的聚集过程, 一段时间后再次形成喷发, 在整个循环过程中, 同时伴随着管道中的液体、气体和储罐中的液体充分的热交换, 这种间歇性的喷发现象称为“间歇泉”现象。这种现象会导致储罐内压力的骤然上升, 主要依靠储罐安全阀开启进行放散。为及时消除这种隐患, 就需要对产生的BOG进行及时排除, 现场一般通过设置降压调节阀进行控制, 根据储罐或管道内压力, 自动排除产生的BOG以维持其内部压力在安全许可范围内。

(4) 两相流影响

如前所述, 在LNG的输送管路中, 由于管道的漏冷吸热、泵内加压以及内部介质流动产生的磨擦等因素影响, 会有部分液体气化, 气化后生成的气体在管道中很容易形成“长泡带”;当气体流速继续增大时, 气泡随之增大, 直至充满整个管径, 此时气液两相流体在管道中串联排列形成所谓“液节流”。同时, 未气化的液体受热后也会发生体积膨胀, 这种介质流动过程中发生相变的两相流和由此产生的各种流型会使管内压力增加, 并激发管道振动, 易引发管道疲劳失效, 对管道输送安全产生很大影响。

4. 人员及环境因素的危险性分析

保证LNG加注站的安全运行, 人的因素始终处于核心地位, 根据国内外的相关事故统计, 石油石化行业的很多事故均是由于操作人员的安全环保意识差、责任感不强、违章作业等引起的, 和人员作业有关的影响因素包括环境和管理两个方面。

环境因素包括自然环境、社会环境和工作环境。对于自然环境应重点考虑的是气候灾害、地质灾害、火灾和环境污染等方面;社会环境危害主要表现为第三方破坏、违章占压和恶意破坏;工作环境则主要体现在对加注战场内环境卫生的要求, 如站内地面、值班室、控制室等室外室内应该保持干净清洁, 达到窗明地净, 无积水和废物杂草, 并明禁烟火 (如烟头、静电等) 。

操作人员的安全行为在LNG加注站的安全管理中起着至关重要的作用, 在LNG战场的生产处理过程中, 触发生产工艺、设备潜在危险、有害事故的重要因素常常是人员的违规操作。例如由于安全阀门的不当操作造成相关装置和设备超压;进行卸车作业时没有将车辆用接地线接地而产生静电危害;对汽车加注前未对汽车媳火而致汽车突然启动造成加气枪拉断引发事故;汽车加注完毕后, 在未对加气枪排空情况下就将其强行拔掉引发枪头反弹而伤害临近人员等事故。针对人员的安全行为管理, 首先应建立健全完善的安全规章制度, 给出合适的操作示范规程, 并根据各LNG加注站的实际情况, 每年制定有针对性的检修和保养计划, 并将安全管理责任制度落实到位, 保证各级管理人员和作业人员严格执行, 使站场的安全管理和操作有章可循、有规可依。同时注重加强对各级管理人员和技术人员的业务技能和安全培训, 并按要求开展事故应急演练工作。以此才能从人员的思想意识、技术以及生理和心理等各方面树立起坚实的安全关口, 从根本上杜绝人为因素所导致的各类伤害事故。

结束语

LNG加注站的危险因素来自于介质、装置、工艺管线、人员及环境因素四个方面。对于设备设施及物料介质的危险性, 在设计上可能已经进行了相应考虑, 如采用安全阀泄压、液位检测传送及报警系统等, 但要从根本上杜绝事故的发生还有赖于良好的安全管理和人为操作。国内外大部分的加注站事故均源于人员的违规行为, 现场操作安全来源于每一个细节、每一个动作的精准到位, 以及每一位员工的细心参与。通过对加注站的危险因素辨识, 有助于认清每个环节的事故风险, 使现场安全管理有的放矢, 保证安全作业, 提升企业安全管理水平。

摘要：LNG (液化天然气) 以其无毒、清洁、高效的能源特征, 在改善能源环境、优化能源结构中发挥着重要作用, LNG加注站是其重要的利用形式, 由于加注介质的危险性和作业环境的复杂性, 保证加注站的安全运行至关重要。从介质、装置、工艺管线、人员及环境四个方面对LNG加注站危险因素进行了解析, 提出了相应的安全技术措施, 并指出现场的安全管理和人员作业等人为因素是影响站场安全运行的核心要素, 对做好LNG加注站安全管理, 有意识地控制主要风险, 保证加注站的安全运营具有重要意义。

关键词：LNG,加注,危险因素