秦慧艷 劉家洪 余 翔 楊成貴 李正才

中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

液化天然氣（LNG）具有清潔環(huán)保、價格低廉（相對于LPG、石油產品）及符合國家地方可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等特點，因此多應用在天然氣管道尚未到達地區(qū)的中小城鎮(zhèn)城市燃氣、工業(yè)燃料、城市燃氣調峰及事故應急、燃氣汽車、特殊氣體利用等領域。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2013年10月，國內已建LNG工廠30座，規(guī)劃和在建LNG工廠17座。然而國內LNG有關規(guī)范體系不夠健全，在此背景下，總結LNG工廠選址和總圖設計的工程實踐經驗顯得尤為重要。

1 LNG工廠

LNG工廠將原料天然氣增壓、脫硫、脫碳、脫水、脫汞、脫重烴等深度處理后，經過液化裝置進行-162℃液化，然后常壓儲存后裝車（船）外運。

1.1 LNG工廠一般構成

LNG工廠一般構成見表1。

表1 LNG工廠一般構成

1.2 LNG工廠工藝流程

原料天然氣通過工廠截斷閥組進入工廠，依次通過壓縮機增壓、脫硫、脫碳、脫水、脫汞及脫重烴等處理后，進入液化裝置進行液化。液化裝置產生的LNG產品進入儲罐區(qū)儲存和裝車外運。LNG儲罐與裝車區(qū)產生閃蒸氣（BOG），經過BOG壓縮機增壓后可作為燃料氣，或再次液化。冷劑儲存為液化裝置提供開車和運行中補充冷劑，同時回收停車時制冷循環(huán)系統(tǒng)中的冷劑。

1.3 與天然氣處理廠對比

天然氣處理廠僅對原料天然氣進行脫硫、脫碳、脫水、脫汞、脫重烴處理，使其達到產品氣要求。而LNG工廠不僅需要在天然氣處理廠處理的基礎上進行深度脫除，而且增加了液化裝置、LNG儲罐、裝車設施、冷劑儲存裝置和閃蒸汽（BOG）增壓裝置。

2 LNG工廠選址要點

2.1 國家、地方政策及法規(guī)

靠近公路的廠（站），應滿足《公路安全保護條例》對易燃易爆設施距離公路邊緣100m安全間距的要求和公路建筑控制區(qū)的范圍要求。

靠近鐵路的廠（站），應滿足《鐵路運輸安全保護條例》對易燃易爆設施距離鐵路200m安全間距的要求。

應滿足地方規(guī)劃局、國土資源局、環(huán)境保護廳和發(fā)改委等部門關于LNG廠（站）選址政策法規(guī)文件的要求。

2.2 LNG儲罐溢流

LNG儲罐若發(fā)生溢流，溢流到地面的LNG將蒸發(fā)。蒸發(fā)熱量主要來自土壤及周圍空氣對流的熱傳導，也來自太陽輻射。LNG蒸發(fā)是一個瞬態(tài)過程，初始時蒸發(fā)率較大，隨著土壤的凍結，蒸發(fā)率將逐漸減小。

溢流到水面的LNG的蒸發(fā)率比溢流到地面的高。由于劇烈的擾動，水面很少出現(xiàn)結冰。擾動的水流可為LNG的沸騰提供近乎穩(wěn)定的熱量，而不像土壤提供的熱量會逐漸減小。

溢流出的低溫LNG容易引起低溫凍傷、麻醉、窒息，并可能引起冷爆炸甚至火災。

鄰近江河、海岸選址，應采取措施防止低溫LNG溢流污染水域。

2.3 LNG蒸汽云擴散

LNG最重大的安全問題是蒸汽云的形成以及可能導致的火災。LNG在大氣壓下的液化溫度為-162℃。當溫度低于-112℃時，LNG蒸汽質量比15.6℃下的空氣質量重，但隨著溫度的升高，該氣體變得比空氣輕。LNG泄露后將大量吸收環(huán)境熱量，開始劇烈沸騰和蒸發(fā)，蒸發(fā)氣體沿地面形成擴散流層。蒸發(fā)氣體向環(huán)境吸收熱量并逐漸擴散的同時，還將周圍環(huán)境空氣冷卻到露點以下，形成可見的蒸汽云移動，蒸汽云遇到明火則發(fā)生火災和爆炸。

應盡量將LNG廠址選在人口密度較低的地區(qū)，且應采取措施阻止事故狀態(tài)下形成蒸汽云飄向明火，尤其是廠外火炬區(qū)。對于周邊情況復雜的LNG工廠，應找專業(yè)機構對廠址進行蒸汽云擴散專項評估，以進一步論證選址合理性。

2.4 LNG儲罐及火炬區(qū)熱輻射

2.4.1 LNG儲罐熱輻射

泄露后的LNG不斷汽化，逐漸形成蒸汽云，遇明火則可能引起“池火”，其火焰和熱輻射將對周邊人員和設施造成危害。

熱輻射傷害和破壞標準［1］見表2。

表2 熱輻射傷害和破壞標準

根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程防火設計規(guī)范》［2］10.2.5條：“對于儲存總量大于或等于30 000m3時，儲罐周邊500m不得有居住區(qū)、公共福利設施”；10.3.4條：“熱輻射量達4 000W/m2界線以內，不得有50人以上的室外活動場所”“熱輻射量達9 000W/m2界線以內，不得有活動場所、學校、醫(yī)院、監(jiān)獄、拘留所和居民區(qū)等在用建筑物”“熱輻射量達30 000W/m2界線以內，不得有即使能耐火且提供熱輻射保護的在用構筑物”。因此在選址過程中，應將廠址選在城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)外，避開人口稠密區(qū)，減少拆遷工程量。

對于周邊情況復雜的LNG工廠，應對儲罐熱輻射進行專項評估，進一步論證選址合理性。LNG儲罐安全間距無法滿足的，應通過調整儲罐位置、改變儲罐類型、降低LNG儲存總量或縮小圍堰大小等措施來減小安全間距，若還不能滿足要求，應考慮拆遷工程量或改變廠址。

2.4.2 火炬區(qū)熱輻射

由于LNG工廠與常規(guī)天然氣處理廠比，增設了液化裝置、LNG儲罐、裝車設施、冷劑儲存裝置和閃蒸氣（BOG）增壓裝置，因此放空量及熱輻射量相應增加，選址時不能忽視火炬區(qū)，應充分考慮其熱輻射范圍。

對于LNG儲罐區(qū)和火炬區(qū)熱輻射影響范圍是否需要征地或隔離，應在選址階段與建設方、地方相關部門充分溝通。

2.5 LNG槽車運輸

選址尚應考慮交通依托情況，應根據(jù)LNG工廠規(guī)模、儲存周期、裝車時間等參數(shù)，計算LNG槽車交通量，并結合槽車載重評估擬選廠（站）址公路依托情況，判斷其能否滿足交通運輸要求。

3 LNG工廠總圖設計使用規(guī)范

3.1 國外標準

目前常用的國外LNG工廠總圖設計標準主要有美國防火協(xié)會標準NFPA 59A-2009《LNG生產、儲存和裝運》和歐洲標準EN1473-2005《LNG設備-岸上裝置設計》。

3.2 國內標準

國內常用LNG工廠總圖設計標準是GB 50183-2004《石油天然氣工程防火設計規(guī)范》第10章《液化天然氣站場》、GB/T 20368-2012《液化天然氣 (LNG)生產、儲存和裝運》（等同于美國防火協(xié)會標準NFPA 59A－2009）及JTS 165-5-2009《液化天然氣碼頭設計規(guī)范》。

3.3 容易混亂使用的國內標準

根據(jù)GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》第2.0.19條、第3.0.1條、第3.0.2條及其對應條文解釋，LNG既不屬于液化烴［3］、也不屬于可燃液體。因此該規(guī)范不適用于LNG工廠。

GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》僅適用于總儲存容積不大于2 000m3的城鎮(zhèn)LNG供應站工程設計［4］，并不適用于LNG工廠。

故有必要特別指出，將GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》和GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》用于LNG工廠是不夠嚴謹?shù)摹?/p>

4 LNG工廠總圖設計要點

4.1 總平面布置要點

4.1.1 符合工藝流程

根據(jù)流程［5］，應將關系緊密的設施（如預處理裝置、液化裝置、儲罐區(qū)、裝車區(qū)）相對集中布置，縮短低溫管道的長度，降低BOG氣量。冷劑儲存應靠近液化裝置，并考慮運輸冷劑車輛裝卸和回車場地。閃蒸氣（BOG）增壓裝置應靠近儲罐、裝車和液化裝置。

在滿足規(guī)范的條件下，應盡量縮短火炬區(qū)和儲罐區(qū)的距離，保證低壓氣放空。

4.1.2 確定LNG儲罐區(qū)圍堰大小和高度

不同類型LNG儲罐的圍堰大小及熱輻射影響范圍不同。目前應用的絕大多數(shù)LNG儲罐可分為三類：單容罐、雙容罐和全容罐。這三種儲罐都是雙壁儲罐，但在事故狀態(tài)下，三種儲罐容納液體和氣體的能力是不同的，總圖布置也存在較大差異。

單容罐指單個儲罐或者由內罐和外罐組成的儲罐，其設計和建造僅需單容罐的內罐滿足其儲存低溫液體所應具備的低溫延展性要求。單容罐的內罐是5%～9%鎳鋼，外罐是普通碳鋼。外罐（如需要）主要起固定、保護隔熱層以及保持清掃氣體壓力的作用，而不是用來在內罐漏時容納低溫液體產品。

單容罐應設置圍堰，圍堰大小應根據(jù)LNG儲罐液位高度、儲罐內液面上的蒸汽壓力等參數(shù)確定。儲罐區(qū)圍堰的大小和高度關系［6］見圖1。

圖1 儲罐區(qū)圍堰的大小和高度關系

圍堰與儲罐內壁的距離為x，圍堰頂與最高液位的距離為y，x應大于或等于y加液面上的蒸汽壓力的LNG當量壓頭高度。

單容罐圍堰圍合的容積應滿足LNG儲罐破裂后泄露LNG的全部容積。圍合面積決定“池火”熱輻射量及其安全距離，因此圍堰面積越小，安全間距就越小。因此若滿足容積要求，圍堰高度則會高于常見高度3～6m。為了方便消防操作，圍堰相對儲罐區(qū)外地坪，高度不超過2.2m，因此需要將儲罐內地坪降低（常見高度0.8～3.8m）。單容罐圍堰熱輻射距離需從圍堰算起，而不是從儲罐壁算起。

雙容罐是在設計和建造上使其內罐和外罐都能單獨容納所儲存的低溫液體產品的雙層儲罐。雙容罐具有耐低溫的金屬材料或混凝土的外罐。為盡可能縮小所泄漏罐內液體的積聚范圍，外罐與內罐之間的距離不應超過6m。在正常工況下，低溫液體產品盛裝在內罐中。當內罐發(fā)生液體泄漏時，外罐可用來容納這些泄漏出的低溫液態(tài)產品，但不能用來容納因液體泄漏而產生的蒸發(fā)氣。

全容罐［6］是在設計和建造上使其內罐和外罐都能單獨容納所儲存的低溫液體產品的雙層儲罐，其外罐或外壁與內罐之間的距離應在1～2m之間。全容罐的結構采用5%～9%鎳鋼內罐、5%～9%鎳鋼或混凝土外罐和頂蓋。在正常情況下，內罐盛裝低溫液體產品。外罐頂由外罐支撐，外罐既能夠容納低溫液體產品，也能夠有控制地排放因液體泄漏而產生的蒸發(fā)氣。

雙容罐和全容罐無需再設置圍堰，熱輻射距離從儲罐壁算起，相應熱輻射量及其安全間距成倍減小。

4.1.3 滿足安全間距要求

LNG、冷劑的火災危險性為甲A類，在規(guī)范執(zhí)行中應特別注意安全間距。

參照NFPA 59A-2009中提供的 “LNG火災輻射模型”，結合LNG儲罐區(qū)圍堰大小，可計算出圍堰至室外活動場所、建（構）筑物的隔熱距離。

GB 50183第5.3.2條規(guī)定 “儲罐組消防車道與防火堤的外坡腳線之間的距離不小于3m，儲罐中心與最近的消防車道之間的距離不應大于80m”，在總平面布置中應特別注意。

4.1.4 充分考慮噪聲因素

廠內原料氣壓縮機、冷劑壓縮機、BOG壓縮機、空氮站、循環(huán)水冷卻裝置和裝車區(qū)均為噪聲源，在總平面布置時，應盡量將以上設施靠近廠區(qū)邊緣布置，并遠離人員集中辦公區(qū)。

4.1.5 合理布置裝車區(qū)

裝車區(qū)應獨立成區(qū)布置在工廠邊緣，并設置圍欄。LNG槽車轉彎半徑18m，轉彎半徑較大，規(guī)劃裝車路線很重要。裝車區(qū)的布置形式有環(huán)入式裝車和倒入式裝車。

環(huán)入式裝車：車輛各行其道，可在很大程度上減少車輛交錯，車輛貫穿裝車棚，進出全程不需要倒車。具有順暢、快捷、安全等優(yōu)點。但占地較大，故適合裝車位較多的工廠。環(huán)入式裝車平面圖見圖2。

圖2 環(huán)入式裝車平面圖

倒入式裝車：車輛進入裝車區(qū)后，需將車尾倒至裝車棚。倒入式裝車占地較少，但當裝車位較多時，車輛交叉較多，且車輛需要倒車，容易引發(fā)輕車和重車碰撞事故。倒入式裝車適合裝車位較少的工廠。倒入式裝車平面圖見圖3。

4.2 豎向布置要點

合理布置儲罐區(qū)［7］，應將儲罐區(qū)布置在全廠較低處，防止泄漏后大量LNG流到周邊區(qū)域，如水域、道路、周邊企業(yè)等，引發(fā)更大事故。

盡量利用天然坑洼地形，并采用坑式儲罐，能有效攔蓄泄漏后的LNG擴散。

階梯式布置時，LNG儲罐區(qū)在高處布置時，儲罐區(qū)防火堤外局部區(qū)域標高要低于周邊，形成低洼，并采取防止LNG從高處向低處流淌的措施。

對液化裝置、裝車區(qū)、儲罐區(qū)及冷劑儲存區(qū)采取措施，禁止將LNG排入封閉的排水溝內或地下管網系統(tǒng)內。切斷LNG與外部管道、管溝聯(lián)系，為了防止泄露的LNG竄入市政地下管網系統(tǒng)，在LNG容易泄露處，需確保場地排水系統(tǒng)經過一段明渠或者敞口水池再排出，LNG儲蓄攔蓄區(qū)必須設置檢漏報警裝置。

事故污水池應盡量靠近儲罐區(qū)、液化裝置區(qū)和裝車區(qū)，且應位于全廠較低處。

4.3 管網綜合布置要點

LNG工廠應盡量使工藝管道和電纜架空敷設，尤其是LNG低溫管道，不應用地溝埋設，因為地溝封閉，泄漏后不僅不利于檢修，且容易引起LNG聚集，引發(fā)次生災害。

5 結語

由于國內LNG標準體系尚不健全，LNG工廠的總圖設計仍存在諸多挑戰(zhàn)。一方面，應積極學習國際先進技術；另一方面，需不斷完善國內相關規(guī)范標準。結合國內外相關標準規(guī)范不斷總結工程設計經驗，使LNG工廠選址和總圖設計更加安全合理、經濟實用。

［1］朱建華，褚家成.池火特性參數(shù)計算及其熱輻射危害評價［J］.中國安全科學學報，2003，13（6）：27.Zhu Jianhua，Chu Jiacheng.Calculation of Characteristic Parametersof Pool Fire and Assessment of Its Thermal Radiation Hazard ［J］.China Safety Science Journal， 2013， 13（6）:27.

［2］GB 50183-2004，石油天然氣工程防火設計規(guī)范［S］.GB 50183-2004，Code for Fire Protection Design ofPetroleum and NaturalGasEngineering ［S］.

［3］GB 50160-2008，石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范［S］.GB 50160-2008，F(xiàn)ire Prevention Code of Petrochem icalEnterprise Design ［S］.

［4］GB 50028-2006，城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范［S］.GB 50028-2006，Code for Design of City Gas Engineering［S］.

［5］雷 明.工業(yè)企業(yè)總平面設計［M］.西安：陜西科學技術出版社，1998.261.LeiM ing.Design ofGeneralPlan of Industrial Enterprises［M］.Xi’an:ShaanxiScienceand Technology Press， 1998.261.

［6］熊光德，毛云龍.LNG的儲存和運輸 ［J］.天然氣與石油，2005，23（2）：17-20.Xiong Guangde，Mao Yunlong.LNG Storage and Transportation ［J］.NaturalGasand Oil， 2005， 23（2）:17-20.

［7］楊成貴，鄭瀟瀟，王 濤.不同地形條件下的建廠對策［J］.天然氣與石油，2008，26（3）：63-67.Yang Chenggui，Zheng Xiaoxiao， W ang Tao.Gas Purification Plant Construction in Different Landform Conditions［J］.NaturalGasand Oil， 2008，26（3）：63-67.