【論文精選】LNG事故案例及安全防范措施
作者：梅永春，吳洪松
第一作者單位：佛山市天然氣高壓管網(wǎng)有限公司
摘自《煤氣與熱力》2016年10月刊
近年來天然氣市場和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，作為清潔能源的LNG也被廣泛應(yīng)用，我國已建成投產(chǎn)大型LNG碼頭接收站逾10座，許多城市也陸續(xù)建設(shè)了LNG應(yīng)急調(diào)峰站。LNG很好地解決了城市天然氣氣源問題，但其在儲存、運(yùn)輸中存在一定的危險(xiǎn)性，本文結(jié)合LNG低溫、火災(zāi)爆炸等危險(xiǎn)特性及分層翻滾、快速相變現(xiàn)象，并結(jié)合LNG工程中的典型事故案例，對安全防范措施進(jìn)行探討。
1 LNG危險(xiǎn)特性
LNG的固有性質(zhì)決定了其具有低溫、分層翻滾、快速相變、火災(zāi)爆炸等危害特性，其中低溫、火災(zāi)爆炸的特性認(rèn)知比較普遍，分層翻滾、快速相變的破壞性更強(qiáng)，危害性更大，需要特別關(guān)注。
①分層翻滾
分層翻滾是指兩層不同密度的LNG在儲罐內(nèi)分層后，隨著外部熱量的導(dǎo)入，底層LNG溫度升高，密度變小，頂層LNG由于BOG的揮發(fā)而密度變大。經(jīng)過傳質(zhì)，下部LNG上升到上部，壓力減小，積蓄的能量迅速釋放，產(chǎn)生大量的BOG，即產(chǎn)生翻滾現(xiàn)象。罐內(nèi)LNG的氣化量可達(dá)到平時(shí)自然蒸發(fā)量的100多倍，這將導(dǎo)致儲罐內(nèi)的氣壓迅速上升并超過設(shè)定的安全壓力，使儲罐超壓產(chǎn)生危險(xiǎn)。當(dāng)LNG蒸發(fā)時(shí)，氮?dú)夂图淄槭紫葰饣?，剩余的液體中相對分子質(zhì)量較大的烴類組分比例增加。一般情況下，蒸發(fā)氣包括體積分?jǐn)?shù)約20%的氮?dú)?、體積分?jǐn)?shù)約80%的甲烷和微量的乙烷，其含氮量是LNG中含氮量的20倍。
②快速相變
快速相變即當(dāng)溫度不同的兩種液體在一定條件下接觸時(shí)，可產(chǎn)生爆炸力，也稱冷爆炸。當(dāng)LNG與水接觸時(shí)，LNG會迅速氣化，體積瞬時(shí)擴(kuò)大600倍，即產(chǎn)生快速相變。盡管不發(fā)生燃燒，但是這種現(xiàn)象具有爆炸的特征，危害可能很嚴(yán)重。
2 LNG事故典型案例和安全防范措施
伴隨著LNG市場的應(yīng)用和發(fā)展，國內(nèi)外曾經(jīng)發(fā)生過多起重大事故。針對LNG泄漏火災(zāi)爆炸、分層翻滾和快速相變等事故類型，筆者列舉LNG事故典型案例，分析事故原因，并提出安全防范措施。
2.1 LNG儲罐泄漏發(fā)生火災(zāi)爆炸事故
2.1.1 事故一
①事故情況
1944年10月20日14:30，美國克利夫蘭LNG調(diào)峰站4號1×104 m3 LNG低溫常壓儲罐僅僅運(yùn)行幾個(gè)月就突然破裂，溢出4 542 m3 LNG。20 min后3號球罐發(fā)生坍塌，LNG流進(jìn)街道和下水道，在下水道氣化引起爆炸，部分天然氣滲透到附近住宅地下室，被熱水器點(diǎn)火器引爆，炸毀房屋并起火，火海覆蓋了近14個(gè)街區(qū)。約2×104 m2范圍內(nèi)的建筑被摧毀，死亡131人，225人受傷，毀壞轎車200多輛，損失巨大。
②發(fā)生原因
儲罐內(nèi)罐用不銹鋼Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，耐低溫性能差，遇低溫易脆裂；儲罐在交接檢驗(yàn)時(shí)已發(fā)現(xiàn)罐底產(chǎn)生了一道裂縫，但沒有去調(diào)查裂縫的成因，只是對該罐進(jìn)行了簡單修補(bǔ)后即投入運(yùn)行。儲罐區(qū)外無攔蓄區(qū)，出現(xiàn)LNG任意流淌并最終引起爆炸。
2.1.2 事故二
①事故情況
2011年2月8日19:07，江蘇徐州二環(huán)西路北道、沈場立交橋西南側(cè)LNG加氣站儲罐底部出現(xiàn)泄漏，遇居民燃放煙花引發(fā)大火，火焰高逾20 m，徐州消防支隊(duì)先后出動(dòng)15輛消防車、80余名官兵趕往現(xiàn)場處置火情。直到2月9日16:30左右，儲罐內(nèi)LNG全部燒盡，火勢最終被消防隊(duì)員成功撲滅，排除了隱患。
②發(fā)生原因
LNG儲罐區(qū)域可燃?xì)怏w報(bào)警裝置安裝位置不當(dāng)，或者是可燃?xì)怏w報(bào)警裝置靈敏度不夠，在發(fā)生LNG泄漏的情況下，沒有及時(shí)報(bào)警；進(jìn)出LNG儲罐的液相管上無緊急切斷閥，因此不具備自動(dòng)切斷功能；LNG儲罐進(jìn)出管路中有多個(gè)法蘭連接件，是LNG最易泄漏的部位。
2.1.3 LNG儲罐泄漏的安全防范措施
①在LNG儲罐區(qū)設(shè)有不燃燒實(shí)體防液堤，防液堤內(nèi)設(shè)置集液池，防止儲罐泄漏時(shí)LNG任意外流。
②LNG儲罐進(jìn)出液管必須設(shè)有緊急切斷閥，與儲罐液位控制聯(lián)鎖，并應(yīng)有遠(yuǎn)程控制操作和緊急停機(jī)功能。
③LNG管道法蘭密封面，應(yīng)采用耐低溫的金屬纏繞墊片，不宜選用聚四氟乙烯墊片，以免長期冷熱交替墊片收縮變形造成泄漏事故。
④建立并實(shí)施班組日常安全巡查制度，配置低濃度泄漏檢測儀定期進(jìn)行查漏，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理天然氣泄漏。
⑤定期檢測和維護(hù)可燃?xì)怏w報(bào)警裝置、低溫報(bào)警裝置、超限報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)、超壓自動(dòng)排放系統(tǒng)以及消防冷卻和泡沫滅火系統(tǒng)等安全設(shè)施，使其處于完好狀態(tài)下運(yùn)行。
⑥加強(qiáng)員工的LNG基本知識和安全技能培訓(xùn)，并嚴(yán)格考核，使其熟悉LNG的危險(xiǎn)特性以及崗位安全管理規(guī)章制度和操作規(guī)程，掌握本崗位所需的安全操作技能和應(yīng)急處置措施。
⑦制定切實(shí)可行的事故應(yīng)急預(yù)案，定期開展事故應(yīng)急預(yù)案演練。與周邊相關(guān)方建立應(yīng)急聯(lián)動(dòng)機(jī)制。發(fā)生事故時(shí)，及時(shí)通報(bào)發(fā)布事故警報(bào)，迅速組織人員疏散和開展應(yīng)急處置，降低事故影響。
⑧當(dāng)LNG泄漏后，應(yīng)利用導(dǎo)液槽將LNG收集到集液池中，用高倍數(shù)泡沫將其覆蓋，控制LNG的氣化速率。
⑨當(dāng)LNG泄漏起火后，應(yīng)首先疏散周圍居民和車輛，然后開始滅火和采取防爆處置。要用干粉或隋性氣體隔離滅火，并用固定式噴淋裝置或水槍、水炮對儲罐及其他需要保護(hù)的設(shè)施進(jìn)行噴淋降溫。
2.2 LNG儲罐分層翻滾事故
2.2.1 事故一［1］
①事故情況
英國BG公司Pantington LNG調(diào)峰站設(shè)有2套天然氣液化裝置，4座5×104 m3的LNG儲罐，1993年10月儲罐充裝前有存液17 266 t。在第1階段充裝新液的過程中，液化裝置的原料氣和生產(chǎn)工藝基本上沒有變化，因此生產(chǎn)出的LNG與儲罐內(nèi)的LNG比較一致，密度差為3 kg/m3，新液加入量為1 533 t。由于北海新的氣田投產(chǎn)，原來向調(diào)峰站供氣的氣田關(guān)閉。北海新氣田的天然氣含氮量少，致使生產(chǎn)的LNG密度減小，又由于新原料氣中的二氧化碳和重?zé)N含量較高，液化生產(chǎn)工藝中新增的脫碳裝置和重?zé)N提取塔同時(shí)投產(chǎn)，使生產(chǎn)出的LNG中的乙烷體積分?jǐn)?shù)只有2%，生產(chǎn)出的LNG密度僅為433 kg/m3，與存液的密度差高達(dá)13 kg/m3，LNG加液量為1 900 t。充裝完畢后的最初58 d內(nèi)，只蒸發(fā)掉160 t LNG，而不是預(yù)計(jì)的350 t。充裝完畢后的第68天，突然發(fā)生翻滾，儲罐壓力迅速上升，安全放散閥和緊急放散閥全部打開，整個(gè)過程持續(xù)2 h。由于翻滾排入大氣的天然氣約為150 t，排放的平均質(zhì)量流量為75 t/h。因儲罐排放天然氣的總能力為123.4 t/h，可以滿足75 t/h的排放，儲罐本身沒有受到損壞。儲罐正常BOG的排放量為0.25 t/h，因此翻滾的排放量為正常排放量的300倍。
②事故原因
新充裝的LNG密度比存液小13 kg/m3，形成了分層；上進(jìn)液使重量輕的LNG積聚在上層而蓋滿了表層，阻礙了下層LNG的蒸發(fā)。Pantington站是LNG調(diào)峰站，充裝后在長達(dá)68 d的儲存時(shí)間內(nèi)，使兩層的密度趨于一致有了足夠的時(shí)間，為翻滾創(chuàng)造了條件。
2.2.2 事故二［1］
①事故情況
1971年8月，意大利拉斯佩齊亞市的某LNG接收終端站，S-1儲罐充裝完畢18 h后發(fā)生翻滾事故。突然產(chǎn)生的大量LNG蒸發(fā)氣使儲罐內(nèi)壓力迅速上升。在壓力達(dá)到57.3 kPa時(shí)，8個(gè)安全放散閥打開。此時(shí)壓力仍然繼續(xù)上升，最高壓力達(dá)94.7 kPa，然后壓力開始下降，壓力降至42.1 kPa時(shí)安全放散閥關(guān)閉。蒸發(fā)氣通過通常的放散途徑繼續(xù)高速排放，直至儲罐內(nèi)壓力下降至24.5 kPa時(shí)恢復(fù)正常。整個(gè)過程歷時(shí)2 h。事故導(dǎo)致排放損失LNG 181.44 t。
②事故原因
充裝的新LNG密度比存液密度大，密度差為3.8 kg/m3，形成分層。充裝的新LNG的溫度比存液溫度高，溫差約為4 ℃，帶入了較多熱量，促進(jìn)層間混合。充裝量比存液量大得多，且充裝時(shí)間短，僅為18 h，在翻滾發(fā)生前4 h，由于控制閥的故障使儲罐內(nèi)壓力下降，上層的蒸發(fā)量增大，使上層LNG的密度增大，加快了上下兩層的混合。
2.2.3 儲罐分層翻滾的安全防范措施
儲罐分層翻滾的破壞性非常強(qiáng)，一旦發(fā)生，其事故后果將難以控制，在運(yùn)行安全管理中必須嚴(yán)格防范并從源頭上消除其發(fā)生的條件。
a.選擇的LNG供應(yīng)商應(yīng)相對穩(wěn)定，防止由于組成差異而產(chǎn)生分層。
b.檢測控制進(jìn)站的LNG中氮的體積分?jǐn)?shù)在1%以下，并保證安全放散閥在翻滾時(shí)能全部打開，防止儲罐超壓破壞。
c.不允許密度差和溫度差過大的LNG存入同一個(gè)儲罐中，充裝液和罐內(nèi)液密度差不宜超過10 kg/m3。
d.若確實(shí)不具備條件進(jìn)行分罐儲存，應(yīng)正確選擇上、下進(jìn)液方式，以應(yīng)對不同密度的LNG進(jìn)入同一儲罐。密度小的LNG充裝到存液密度大的LNG儲罐中時(shí)，應(yīng)該采用底部進(jìn)液；密度大的LNG充裝到存液密度小的LNG儲罐中時(shí)，應(yīng)該采用頂部進(jìn)液。
e.對LNG儲罐的壓力、液位和日蒸發(fā)率進(jìn)行密切監(jiān)控。對于安裝有密度、溫度監(jiān)測設(shè)備的LNG儲罐，應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)測儲罐內(nèi)垂直方向的密度和溫度。當(dāng)分層液體之間的溫差大于0.2 ℃、密度差大于0.5 kg/m3時(shí)，可采用內(nèi)部攪拌、倒罐或輸出部分液體的方法來消除分層。未安裝密度監(jiān)測設(shè)備的儲罐不宜長時(shí)間儲存LNG，儲存期超過一個(gè)月時(shí)應(yīng)進(jìn)行倒罐處理。
2.3 LNG快速相變事故
2.3.1 事故情況［2］
①1973年5月，英國坎維依一艘LNG運(yùn)輸船進(jìn)行卸液作業(yè)時(shí)，卸液管道爆破片破裂，LNG泄漏，流經(jīng)有雨水的碼頭，發(fā)生爆炸，損壞了鄰近建筑物的窗戶。
②1977年3月，阿爾及利亞阿爾澤天然氣液化廠，由于閥門破裂，在10 h內(nèi)泄漏了大量LNG，LNG流入海中，產(chǎn)生若干次快速相變，沖擊波損壞了海邊建筑物的門窗。
③1995年10月，法國Montoir LNG接收站，開架式海水氣化器頂部高壓閥的盤根盒處出現(xiàn)了泄漏，海水在氣化器管束的外側(cè)由上而下流動(dòng)，泄漏的高壓LNG流進(jìn)海水收集池中與海水接觸，產(chǎn)生快速相變，造成環(huán)繞著氣化器的波紋狀塑膠結(jié)構(gòu)破壞。
2.3.2 快速相變事故的安全防范措施
在一定條件下，當(dāng)LNG與水接觸時(shí)會迅速氣化，產(chǎn)生快速相變現(xiàn)象。防范快速相變事故的發(fā)生，首先考慮的是采取有效的技術(shù)手段和運(yùn)行安全管理措施預(yù)防LNG泄漏。預(yù)防泄漏的安全防范措施前文已闡述，在此僅補(bǔ)充兩條快速相變事故的防范措施。
①在LNG儲罐區(qū)防護(hù)堤內(nèi)應(yīng)設(shè)置集液池，并配備潛水泵以抽排集液池內(nèi)積水。在實(shí)際應(yīng)用中潛水泵宜實(shí)現(xiàn)與水位聯(lián)動(dòng)功能，以及時(shí)實(shí)現(xiàn)集液池內(nèi)無積水。
②當(dāng)LNG泄漏后，應(yīng)利用導(dǎo)液槽將LNG收集到集液池中，用高倍數(shù)泡沫將其覆蓋，控制LNG的氣化速率，不可用水進(jìn)行稀釋，避免產(chǎn)生快速相變現(xiàn)象。
3 結(jié)語
隨著LNG的不斷推廣應(yīng)用，LNG廠站的安全管理成為一個(gè)重要課題。從規(guī)劃設(shè)計(jì)、廠區(qū)布置、設(shè)備設(shè)施和運(yùn)行管理方面，都必須重點(diǎn)關(guān)注、嚴(yán)格把關(guān)，以確保LNG廠站的安全運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LNG產(chǎn)業(yè)的安全發(fā)展。
參考文獻(xiàn)：
［1］陳福明. 意大利和英國LNG貯槽滾翻事故的啟示［J］. 上海煤氣，2003（6）：14-17.
［2］王泓. 快速相變——在LNG儲運(yùn)中應(yīng)注意的問題［J］. 上海煤氣，2006（4）：20-22.