陳林斌 水明星 葉耀輝

中石油京唐液化天然氣有限公司， 北京 101100

0 前言

近年來，隨著中國對(duì)天然氣需求的不斷增加，通過LNG 接收站氣化產(chǎn)生天然氣成為緩解天然氣供需矛盾的手段之一。進(jìn)口LNG 通過LNG 船運(yùn)抵中國沿海接收站，通過卸料臂將船上LNG 卸至大型低溫儲(chǔ)罐，然后通過氣化裝置將其氣化后輸送至下游用戶。但在接卸過程中，有可能發(fā)生LNG 卸料臂泄漏。由于LNG 特殊的物理性質(zhì)，泄漏的LNG 危害性大，而且泄漏會(huì)嚴(yán)重影響卸船過程，如果LNG 船滯留或緊急離港，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此LNG 卸料臂發(fā)生泄漏事故時(shí)如何迅速采取有效的現(xiàn)場處置措施十分重要。

1 LNG 物理性質(zhì)

LNG 主要成分是CH4。LNG 無色、無味、無毒、無腐蝕性，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1 /600;標(biāo)準(zhǔn)狀況下LNG 密度0.432 ～0.465 g /cm3，約為水的45;熱值為52 MMBtu /t，介質(zhì)溫度-162 ℃;在大氣中迅速氣化，爆炸極限為5～15(φ);比空氣輕，幾乎不溶于水，溶于乙醇、乙醚等有機(jī)溶劑。

2 LNG 卸料臂泄漏的危害

2.1 揮發(fā)性

LNG 泄漏后，在大氣中揮發(fā)，迅速膨脹擴(kuò)散形成氣云團(tuán);當(dāng)天然氣在空氣中的體積大于40時(shí)，人一旦吸入過量的天然氣，極易窒息;如果不小心吸入低溫天然氣，則會(huì)引起呼吸不暢，長時(shí)間吸入會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重疾病;當(dāng)空氣中氧含量低于18或天然氣的體積超過50時(shí)，就會(huì)造成永久性傷害［1］，如氧氣濃度過低會(huì)造成腦細(xì)胞變性壞死。

2.2 低溫性

人一旦接觸到LNG，皮膚會(huì)被低溫凍傷;若皮膚表面潮濕，所揮發(fā)的氣體極易附著在皮膚表面，導(dǎo)致皮膚撕裂;低溫LNG 會(huì)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)、設(shè)備等造成嚴(yán)重破壞，如低溫脆斷［1］。

2.3 易燃易爆性

LNG 泄漏后形成的蒸氣云團(tuán)與空氣混合，形成爆炸性混合物。而CH4的爆炸極限為5～15(φ)，一旦混合物中CH4的濃度在爆炸極限范圍內(nèi)，爆炸壓力達(dá)到0.68 MPa，就有爆炸的危險(xiǎn)。燃燒后，火焰溫度高，輻射熱強(qiáng)，將形成大面積火災(zāi)［2］。

3 LNG 卸料臂泄漏過程模擬計(jì)算

一般情況下，可以根據(jù)泄漏面積大小和泄漏持續(xù)時(shí)間長短，將LNG 泄漏源分為小孔泄漏和大面積泄漏。小孔泄漏，也稱為連續(xù)源，此種情況通常為物料經(jīng)較小的孔洞長時(shí)間持續(xù)泄漏。大面積泄漏，也稱為瞬時(shí)源，此種情況通常是指物料經(jīng)較大孔洞在很短時(shí)間內(nèi)泄漏出大量物料。泄漏模型分為連續(xù)泄漏和瞬間泄漏兩種，它們都是實(shí)際泄漏源的理想化。

以小孔泄漏為例，模擬LNG 泄漏后的泄漏速率可用伯努利方程［3］計(jì)算，對(duì)于卸料管道系統(tǒng)，泄漏速率主要取決于管道內(nèi)LNG 壓力和大氣壓力之差:

式中:qL為液體泄漏質(zhì)量速率，kg /s;C0為泄漏系數(shù)，0.64;A 為泄漏口面積，m2;PL為管線中LNG 壓力，MPa;Pa為大氣壓力，0.101 MPa;h 為液面與泄漏口的高度差，在管道中高度差可忽略不計(jì)，m;ρL為液體密度，450 kg /m3。

通過式(1)可計(jì)算出卸料臂開始泄漏到切斷泄漏源這段時(shí)間內(nèi)(假設(shè)180 s)總LNG 泄漏量，為采取應(yīng)急處置方案提供參考數(shù)據(jù)。假設(shè)是圓孔泄漏，以泄漏孔徑20、40、80 mm 為例，計(jì)算泄漏量，見表1。

表1 泄漏孔徑與泄漏量之間的關(guān)系

從表1 可知，在180 s 內(nèi)，泄漏量會(huì)達(dá)到324.3 kg，此時(shí)，為防止人員傷亡，人員必須撤離，在中控室通過消防控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程操作消防設(shè)施進(jìn)行處理，待泄漏源切斷、現(xiàn)場LNG 大量揮發(fā)后，人員方可進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行處置。因此發(fā)生泄漏后初步判斷泄漏孔徑和泄漏量，根據(jù)實(shí)際情況制定應(yīng)急處置方案。

4 LNG 蒸發(fā)氣擴(kuò)散

4.1 LNG 泄漏到地面

LNG 泄漏到地面，最初會(huì)猛烈沸騰蒸發(fā)，然后蒸發(fā)速度迅速衰減至一個(gè)固定值，蒸發(fā)氣沿地面形成層流，從周圍環(huán)境中吸收熱量，逐漸上升擴(kuò)散，同時(shí)將周圍的空氣冷卻至0 ℃以下，形成一個(gè)可見云團(tuán)，即重氣云團(tuán)。重氣云團(tuán)比空氣重，會(huì)下沉到地面上，直到溫度達(dá)到-107 ℃才上升漂浮，開始垂直擴(kuò)散［2］。與此同時(shí)，氣云團(tuán)沿著水平方向繼續(xù)擴(kuò)散，擴(kuò)散的距離與初始溢出數(shù)量、持續(xù)時(shí)間、風(fēng)速、風(fēng)向、地形以及大氣溫度和濕度有關(guān)。

4.2 LNG 泄漏到水面

在一定條件下，當(dāng)LNG 泄漏遇到水時(shí)，因其與水有非常高的熱傳遞速率，使LNG 的蒸發(fā)速度增大得很快，而發(fā)生快速相態(tài)轉(zhuǎn)變(RPT)現(xiàn)象，導(dǎo)致LNG 加熱至沸騰，伴隨巨大聲音噴出水霧，繼而發(fā)生爆炸事故［4］。

當(dāng)溫度相差懸殊的兩種液體接觸時(shí)，若熱液體溫度比冷液體沸點(diǎn)溫度高1.1 倍，則冷液體溫度上升極快，表面層溫度超過自發(fā)成核溫度(當(dāng)液體中出現(xiàn)氣泡時(shí))。此過程熱液體能在極短時(shí)間內(nèi)通過復(fù)雜的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)機(jī)理以爆炸速度產(chǎn)生大量蒸發(fā)氣，該現(xiàn)象類似水落在燒紅的鋼板上立即蒸發(fā)，這就是LNG 與水接觸時(shí)出現(xiàn)RPT 現(xiàn)象的原因［5］。

5 卸船工藝流程及卸料臂結(jié)構(gòu)

5.1 卸船工藝流程

LNG 船到達(dá)接收站碼頭，在完成各項(xiàng)卸船準(zhǔn)備工作后，卸料臂與船連接，在對(duì)卸料臂吹掃預(yù)冷后開始卸船。船上開啟卸料泵，LNG 通過卸料臂(LNG 接收站一般配備4 ～5 臺(tái)卸料臂，其中1 臺(tái)是氣相臂，1 臺(tái)是氣液兩用臂)進(jìn)入接收站區(qū)域，經(jīng)卸料總管進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐儲(chǔ)存。同時(shí)，儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的BOG(Boil-Off Gas)，通過氣相臂返回至船艙，保證船艙和儲(chǔ)罐之間的壓力平衡。卸船完成后，將卸料臂中剩余的LNG 通過N2吹掃至碼頭排凈罐和LNG 船。卸船工藝流程見圖1。

圖1 卸船工藝流程

在卸料過程中，卸料臂旋轉(zhuǎn)接頭處有填料密封，LNG在此處泄漏的可能性不大。最容易發(fā)生泄漏的地方是卸料臂與船的連接處，其次是卸料臂根部與下游工藝管道的連接處(圖1 紅圈處)。

5.2 卸料臂結(jié)構(gòu)

卸料臂主要結(jié)構(gòu)包括內(nèi)臂、外臂、配重、旋轉(zhuǎn)接頭(STYLE 80、STYLE 50、STYLE 40)、ERS(緊急脫離系統(tǒng))、QCDC(快速連接裝置)以及控制系統(tǒng)，見圖2。

發(fā)生緊急情況時(shí)，如泄漏或位移超限時(shí)卸料臂有一套應(yīng)急ERS 系統(tǒng)，ERS 系統(tǒng)由執(zhí)行機(jī)構(gòu)(液壓蓄能器、選擇閥組、雙球閥、PERC(動(dòng)力緊急脫離系統(tǒng))等)、信號(hào)采集機(jī)構(gòu)(接近開關(guān)、PMS 傳感器、手動(dòng)按鈕等)及負(fù)責(zé)邏輯計(jì)算的PLC 控制機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。ERS 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 卸料臂結(jié)構(gòu)

圖3 ERS 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

6 LNG 卸料臂泄漏處置方案

通過對(duì)LNG 泄漏量的計(jì)算，在切斷泄漏源之前判斷泄漏是否在可控范圍內(nèi)。若泄漏量過大(＞300 kg)，立刻切斷泄漏源，現(xiàn)場人員迅速撤離，等泄漏的LNG 揮發(fā)到一定程度后，應(yīng)急人員在做好個(gè)人防護(hù)后進(jìn)入泄漏區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場處置。若泄漏在可控范圍內(nèi)，現(xiàn)場人員要觀看風(fēng)向標(biāo)，站在上風(fēng)向的安全地點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)急處置。若泄漏導(dǎo)致火災(zāi)，一般選用BC 類干粉滅火劑，不能用水撲救氣體火災(zāi)，水會(huì)引起LNG 發(fā)生相變并引起爆炸［6］。

6.1 少量泄漏

若通過可燃?xì)怏w探測器或肉眼觀察到有局部氣云團(tuán)出現(xiàn)，說明有少量LNG 泄漏，現(xiàn)場人員必須穿戴PPE，采取相應(yīng)措施緊固泄漏部位;也可用濕毛巾對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行密封，濕毛巾在低溫下結(jié)冰變硬，可起到堵塞泄漏點(diǎn)的作用。

6.2 大量泄漏

6.2.1 一個(gè)卸料臂泄漏

1)現(xiàn)場人員立刻通知船方關(guān)閉泄漏臂的隔斷閥，通知中控室泄漏情況。

2)中控室操作員在接到泄漏情況通報(bào)后立即關(guān)閉該卸料臂出口氣動(dòng)閥。

3)降低卸船速度，繼續(xù)卸船。

4)開啟碼頭水幕系統(tǒng)，水幕能有效控制NG 的擴(kuò)散速度并降低其濃度，能將擴(kuò)散安全距離減小50以上，危害面積減小60以上［7］。

5)現(xiàn)場拉警戒線，對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行工藝隔離，停止該區(qū)域一切作業(yè)，無關(guān)人員撤離。

6)消防人員應(yīng)立刻使用泄漏區(qū)域內(nèi)消防設(shè)備，控制LNG 揮發(fā)速度，降低NG 濃度，高倍泡沫滅火系統(tǒng)可有效控制LNG 揮發(fā)速度，大量泡沫覆蓋在泄漏LNG 上可有效降低蒸發(fā)氣產(chǎn)生的速率，減小可燃?xì)怏w覆蓋范圍［8］。

7)現(xiàn)場人員配合中控室操作員打開卸料臂排凈閥、N2吹掃閥，對(duì)該臂進(jìn)行排凈，等卸船結(jié)束后查找泄漏原因并進(jìn)行維修。

6.2.2 兩個(gè)或兩個(gè)以上卸料臂泄漏

1)現(xiàn)場人員立刻通知船方關(guān)閉所有卸料泵，停止卸料。

2)通知中控室泄漏情況，中控室操作員立刻關(guān)閉所有卸料臂出口氣動(dòng)閥和氣相臂氣動(dòng)閥。同時(shí)采取措施保證儲(chǔ)罐壓力在正常范圍內(nèi)。

3)按下就地控制盤上的“ESD 1 STOP LOADING”(“ESD 1 停止卸料”)按鈕，雙球閥關(guān)閉，見圖4。

圖4 ESD 1 停止卸料動(dòng)作

4)啟動(dòng)緊急脫離系統(tǒng)，按下就地控制盤上的“ESD 2 EMERGENCY DISCONNECTION”(“ESD 2 緊急脫離”)按鈕，切斷卸料臂與運(yùn)輸船的連接，運(yùn)輸船駛離港口，見圖5。

5)分別開啟碼頭和儲(chǔ)罐水幕系統(tǒng)。Rana M A 等人［9］研究表明，水幕可以通過四種作用機(jī)理來控制和降低LNG 重云團(tuán)的體積濃度:小水滴通過機(jī)械作用向重氣云團(tuán)傳遞動(dòng)量，并在氣云團(tuán)周圍形成一層壁壘，阻礙氣云團(tuán)繼續(xù)擴(kuò)散;水幕通過裹入空氣而稀釋了蒸發(fā)氣濃度;通過重氣云團(tuán)、小水滴和空氣之間強(qiáng)化換熱，提高了蒸發(fā)氣溫度;蒸發(fā)氣通過物理或化學(xué)反應(yīng)被小水滴吸收，這種吸收作用相對(duì)較小。

圖5 ESD 2 緊急脫離動(dòng)作

6)現(xiàn)場拉警戒線，停止該區(qū)域一切作業(yè)，無關(guān)人員撤離。

7)啟動(dòng)碼頭保冷循環(huán)，將卸料管線中大量LNG 輸送至儲(chǔ)罐，防止發(fā)生二次泄漏。

8)消防人員應(yīng)立刻使用泄漏區(qū)域內(nèi)消防設(shè)備，控制LNG 揮發(fā)速度，降低NG 濃度。同時(shí)須有人員保證消防泵運(yùn)行正常，消防水壓正常。

9)電氣應(yīng)急人員趕往電氣值班室，確保電力供應(yīng);儀表應(yīng)急人員趕往控制室，確保自動(dòng)系統(tǒng)(DCS、火災(zāi)報(bào)警協(xié)同、消防自控系統(tǒng))的正常運(yùn)行。

6.2.3 氣相臂泄漏

1)現(xiàn)場人員立刻通知中控室泄漏情況，關(guān)閉氣相臂相應(yīng)管線氣動(dòng)閥。

2)時(shí)刻關(guān)注儲(chǔ)罐壓力，采取相應(yīng)措施保證儲(chǔ)罐壓力在正常范圍內(nèi)。

3)隔離氣液兩用臂，對(duì)其排凈吹掃后，打開跨線閥門，BOG 通過氣液兩用臂返回船艙。

4)降低卸船速度，船上注意觀察船艙壓力，必要時(shí)開啟船上BOG 生產(chǎn)(船上壓力低時(shí))或BOG 液化裝置(船上壓力高時(shí))。

5)開啟碼頭水幕系統(tǒng)。

6)現(xiàn)場拉警戒線，停止該區(qū)域一切作業(yè)，無關(guān)人員撤離。

7)消防人員及現(xiàn)場操作員投用泄漏區(qū)域消防設(shè)施，驅(qū)散泄漏NG 氣體。卸船時(shí)，氣相臂壓力在16 kPa 左右，壓力小的情況下發(fā)生泄漏，近地高度和下風(fēng)向距離都較小，在下風(fēng)向形成CH4氣體的積累，擴(kuò)散較緩慢，更易發(fā)生事故，因此處理時(shí)必須做好防范措施［10］。

8)電氣應(yīng)急人員趕往電氣值班室，確保電力供應(yīng);儀表應(yīng)急人員趕往控制室，確保自動(dòng)系統(tǒng)(DCS、火災(zāi)報(bào)警協(xié)同、消防自控系統(tǒng))的正常運(yùn)行。

7 結(jié)論

現(xiàn)場人員在LNG 卸船期間必須嚴(yán)密監(jiān)視卸船過程，若發(fā)現(xiàn)LNG 卸料臂泄漏必須第一時(shí)間采取相應(yīng)措施，進(jìn)行工藝隔離，切斷泄漏源，同時(shí)控制LNG 揮發(fā)、降低蒸發(fā)氣濃度。泄漏發(fā)生后，現(xiàn)場應(yīng)急人員應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合，利用有效資源有條不紊地進(jìn)行現(xiàn)場處置，控制LNG 泄漏造成的危害。

一個(gè)卸料臂泄漏可能會(huì)造成LNG 船滯留，兩個(gè)或兩個(gè)卸料臂以上泄漏會(huì)造成LNG 船的緊急離港，經(jīng)濟(jì)損失巨大。為了防止泄漏發(fā)生，必須嚴(yán)格執(zhí)行卸船準(zhǔn)備工作，并在各種條件(風(fēng)速小于20 m /s、泄漏測試合格、預(yù)冷合格、ESD 測試合格等)允許的情況下進(jìn)行卸船。

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