張 穎 羅 智 肖永平 柴 巍

（四川省化工設(shè)計院，四川成都，610015）

1 前言

液化天然氣即為液態(tài)的天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）。氣態(tài)天然氣經(jīng)過除液、除酸、干燥、分餾和低溫冷凝處理，在超低溫（－162℃）常壓狀態(tài)下液化，成為液化天然氣。被液化后，液化天然氣是氣體形態(tài)的1/600，便于長距離運(yùn)輸和大量儲存。液化天然氣是被公認(rèn)的綠色能源，在安全性、環(huán)保性和高效性等方面具有其獨(dú)特的優(yōu)勢，在全世界范圍內(nèi)成為廣泛運(yùn)用的一種清潔新能源。

目前天然氣在國際能源消費(fèi)領(lǐng)域已占一次能源消費(fèi)的近28%，而中國國內(nèi)天然氣僅占一次能源消費(fèi)2.8%左右，距國際水平還有相當(dāng)大的差距。同時中國天然氣價格與國際市場還沒有接軌，還存在倒掛，中國作為一個發(fā)展中國家，人口眾多，經(jīng)濟(jì)處于高度發(fā)展過程中，對天然氣的需求增長較快，這幾年已凸顯出嚴(yán)重的供需矛盾。目前西氣東輸二線、榆濟(jì)線、陜京三線、川氣東送等天然氣輸氣工程用氣指標(biāo)已分割完，而這些大的輸氣工程僅解決了沿線地區(qū)的部分用氣，對于很多的中小城鎮(zhèn)、獨(dú)立的工業(yè)項(xiàng)目、汽車用氣等還有相當(dāng)大的缺口，總體來說天然氣在中國有著相當(dāng)大的市場空間，而且價格呈上升的趨勢。

預(yù)計2015年全年我國天然氣供應(yīng)結(jié)構(gòu)為國產(chǎn)氣1700億立方米，凈進(jìn)口900億立方米，天然氣消費(fèi)量將達(dá)到2600億立方米，占一次能源消費(fèi)中的比重則將從目前的4%上升至7%到8%。消費(fèi)地區(qū)主要集中在京津冀魯晉、東南沿海、東北地區(qū)、長江及珠江三角洲地區(qū)。天然氣市場存在較大的缺口，所以LNG的銷售一直保持賣方市場狀態(tài)，處于供不應(yīng)求的局面。因此近年來各地陸續(xù)建設(shè)了多套天然氣液化裝置。

本文以我院設(shè)計并已順利投產(chǎn)的某新建裝置為例，對天然氣液化裝置的工藝危險性進(jìn)行分析，并初步提出工藝設(shè)計需要采取的安全措施。

2 裝置概況

本裝置采用引進(jìn)的不帶丙烷預(yù)冷的閉式混合冷劑制冷液化工藝，所采取的技術(shù)路線達(dá)到國際同等先進(jìn)水平，在國內(nèi)已經(jīng)有多家生產(chǎn)單位采用此路線，建成裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

設(shè)計LNG產(chǎn)量為30×104Nm3/d（標(biāo)態(tài)），LNG貯存容量為4500m3，年操作時數(shù)8000小時。

項(xiàng)目涉及的主要原輔材料包括天然氣、MDEA＋活化劑、3A分子篩、耐水活性炭、浸硫活性炭、混合冷劑（乙烯、丙烷、戊烷）等。項(xiàng)目需要的能源及耗能工質(zhì)包括一次水、循環(huán)水、電、氮?dú)?、儀表、空氣。

項(xiàng)目產(chǎn)品LNG儲存于LNG罐區(qū)。本項(xiàng)目LNG日產(chǎn)量約512m3，儲存按5～10天左右考慮，選取有效容積為4500m3LNG儲罐。

乙烯、丙烷、戊烷用于配置混合冷劑，與回收冷劑和副產(chǎn)品重?zé)N儲存于冷劑罐區(qū)，統(tǒng)一使用有效容積20m3的臥式儲罐。

項(xiàng)目的液體物料儲存基本情況見表1。

表1 液體物料儲存基本情況表

3 物料危險性分析

根據(jù)《危險化學(xué)品目錄》（2002年）的規(guī)定，項(xiàng)目涉及多種易燃易爆危險化學(xué)品：項(xiàng)目原料為天然氣，產(chǎn)品為液化天然氣，其主要成分均為甲烷；液化過程中使用的混合冷劑由乙烯、丙烷、異戊烷組成；生產(chǎn)過程中脫除原料氣中的二氧化碳并放空；使用氮?dú)庾鳛橹脫Q氣。

上述?；分饕ｋU特性及性能指標(biāo)如表2。

根據(jù)國家安全監(jiān)管總局相關(guān)規(guī)定，本項(xiàng)目中被列入首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險化學(xué)品有：甲烷、乙烯。

4 重大危險源辨識及等級劃分

（1）重大危險源辨識

根據(jù)《危險化學(xué)品重大危險源辨識》（GB18218－2009）的規(guī)定，對本項(xiàng)目進(jìn)行重大危險源辨識，其辨識結(jié)果如表3和表4。

項(xiàng)目內(nèi)涉及《危險化學(xué)品重大危險源辨識》（GB18218－2009）的物料已大于規(guī)定的臨界量，故本項(xiàng)目已經(jīng)構(gòu)成了危險化學(xué)品重大危險源。

（2）校正系數(shù)β的確定

單元內(nèi)危險化學(xué)品的校正系數(shù)β的取值詳見表5。

（3）校正系數(shù)α的確定

生產(chǎn)裝置區(qū)及儲存區(qū)域外500m范圍內(nèi)可能接觸的人員數(shù)量為100人。其校正系數(shù)α取2.0。

表2 主要危險物料的主要危害特性表

表3 危險化學(xué)品生產(chǎn)及儲存數(shù)量表

表4 危險化學(xué)品重大危險源危險物質(zhì)及臨界量表

表5 單元內(nèi)危險化學(xué)品校正系數(shù)取值表

（4）分級標(biāo)準(zhǔn)R計算

分級標(biāo)準(zhǔn)R計算結(jié)果詳見表6。

（5）危險化學(xué)品重大危險源分級結(jié)果

通過對儲存區(qū)危險化學(xué)品重大危險源分級計算，其分級結(jié)果詳見表7。

表6 分級標(biāo)準(zhǔn)R計算結(jié)果

表7 危險化學(xué)品重大危險源分級結(jié)果

所以本項(xiàng)目危險化學(xué)品重大危險源的級別為一級。

5 主要危險性分析

本項(xiàng)目生產(chǎn)過程中存在的主要危險有害因素為：火災(zāi)爆炸、物理性爆炸、LNG翻騰等。

（1）火災(zāi)爆炸

項(xiàng)目涉及多種極度易燃的液化烴或易燃?xì)怏w。在生產(chǎn)過程中，如發(fā)生泄漏，遇到靜電火花、點(diǎn)火源或熾熱表面則易引起火災(zāi)、爆炸事故。

（2）物理性爆炸

項(xiàng)目涉及到大量壓力容器，多數(shù)工藝物料管道為壓力管道。壓力容器和壓力管道數(shù)量較多且工況復(fù)雜，承受了壓力波動、溫度變化、自然條件侵蝕等多種情況，若材質(zhì)選擇失誤、加工缺陷或操作失控，可能造成壓力容器和壓力管道失效，發(fā)生物理爆炸。物理爆炸發(fā)生后，可能造成火災(zāi)爆炸、中毒等二次危害。

（3）LNG翻騰

液態(tài)甲烷儲運(yùn)過程中，會發(fā)生一種被成為“漩渦”或“翻騰”（rollover）的非穩(wěn)性現(xiàn)象。由于向已裝有液態(tài)甲烷的低溫儲罐中充注新的液態(tài)甲烷液體，或者由于液態(tài)甲烷中的氮等不凝氣體優(yōu)先蒸發(fā)而使儲罐內(nèi)的液體發(fā)生分層。分層后的各層液體在儲罐周壁漏熱的加熱下，形成了各自獨(dú)立的自然對流循環(huán)。該循環(huán)使各層液體的密度不斷發(fā)生變化，當(dāng)相鄰兩層液體的密度近似相等時，兩個液層就會發(fā)生強(qiáng)烈的混合，從而引起儲罐內(nèi)過熱的液態(tài)甲烷大量蒸發(fā)引發(fā)事故。

漩渦現(xiàn)象通常發(fā)生在多組分液態(tài)甲烷中，在半充滿的液態(tài)甲烷儲罐內(nèi)，充入密度不同的液態(tài)甲烷時會形成分層。特別是儲罐愈大、組分變化愈大越明顯。發(fā)生漩渦時蒸發(fā)率的突然上升，會引起儲罐內(nèi)壓力超過其安全設(shè)計壓力，給儲罐的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的威脅，即使不引發(fā)嚴(yán)重事故，至少也會導(dǎo)致大量天然氣排空，形成嚴(yán)重浪費(fèi)。

（4）凍傷

項(xiàng)目采用MRC（混合冷劑）循環(huán)制冷系統(tǒng)生產(chǎn)液化天然氣。在生產(chǎn)及儲存液化天然氣的過程中，對低溫介質(zhì)設(shè)備、管道采用了保冷隔熱材料、真空夾套、夾套填充珠光砂、氮?dú)獗Ｗo(hù)等多種方式進(jìn)行隔熱保冷。如發(fā)生低溫介質(zhì)泄漏或保冷不良，可能導(dǎo)致凍傷發(fā)生。

（5）其他

項(xiàng)目其他危險和有害因素包括高溫燙傷、高處墜落、機(jī)械傷害、觸電、雷電傷害、粉塵危害、噪音、窒息、淹溺等，危害程度相對較低。

6 火災(zāi)危險性分類及爆炸危險區(qū)域劃分

（1）裝置火災(zāi)危險性分類

表8 裝置主要建、構(gòu)物火災(zāi)危險性分類

（2）爆炸危險區(qū)域劃分

壓縮廠房、主裝置區(qū)、LNG罐區(qū)、LNG裝車區(qū)等劃分為爆炸性氣體危險區(qū)域2區(qū)，爆炸性氣體危險區(qū)域內(nèi)的地溝、集液池等為爆炸性氣體危險區(qū)域1區(qū)。

7 主要的工藝安全設(shè)施

（1）項(xiàng)目工藝系統(tǒng)采取密閉化、自動化措施，以防止泄漏、提高裝置的本質(zhì)安全性。

（2）過程控制系統(tǒng)采用DCS過程，由操作員站和工程師站（兼作操作員站）對整個裝置進(jìn)行監(jiān)控，工藝過程的所有常規(guī)控制、工藝聯(lián)鎖邏輯控制均由DCS完成。

（3）設(shè)置了獨(dú)立的緊急停車系統(tǒng)（ESD）。當(dāng)生產(chǎn)裝置出現(xiàn)緊急情況時，不需要經(jīng)過DCS系統(tǒng)，而直接由ESD發(fā)出聯(lián)鎖保護(hù)信號，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，避免危險擴(kuò)散造成巨大損失。

（4）為防止設(shè)備、管道超壓造成的危險，本項(xiàng)目設(shè)置了安全閥。安全閥起跳后的介質(zhì)根據(jù)性質(zhì)的不同，分別排空或進(jìn)行處理。

（5）氮?dú)獗Ｗo(hù)及置換

本項(xiàng)目原料、產(chǎn)品、混合冷劑、副產(chǎn)品重?zé)N等均為易燃易爆介質(zhì)。系統(tǒng)初始開車、檢維修后均需要對設(shè)備、管道進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，防止易燃介質(zhì)與空氣混合形成爆炸性氣體環(huán)境。

LNG儲罐內(nèi)、外槽之間以及頂部夾層空間填充絕熱性能良好的膨脹珍珠巖，同時充灌氮?dú)獗Ｗo(hù)。

（6）LNG儲罐安全措施

本項(xiàng)目設(shè)置1臺4500m3LNG儲罐。LNG儲罐屬于大型低溫儲槽。其危險性相對較大，且存在液化天然氣翻騰等特殊危險性，故設(shè)計中特別重視LNG儲罐的安全措施。

表9 LNG儲罐安全措施匯總表

（7）裝車保護(hù)

本項(xiàng)目采用低溫裝車臂對LNG槽車進(jìn)行充裝。

在裝車臂與槽車的液相、氣相連接處均設(shè)有低溫拉斷閥。如槽車在未拆除管線的情況下強(qiáng)行啟動，拉斷閥會斷裂成兩部分，斷裂時閥門的兩側(cè)自動密封，兩側(cè)管道內(nèi)的介質(zhì)不會溢出，從而避免泄漏事故的發(fā)生。

在裝車的總液相管及總氣相管上還裝有緊急切斷閥，在裝車場地出現(xiàn)緊急狀況時（比如火災(zāi)等）關(guān)閉，停止裝車。

裝車平臺及裝卸臂基礎(chǔ)高于所在位置地坪200mm，在裝車平臺四周設(shè)置水泥防撞墩并涂刷紅－白警示色，防止槽車撞擊。

（8）保冷

T＝－65～10℃選用硬質(zhì)、閉孔、自熄性聚氨酯泡沫塑料管殼或板用于管道和設(shè)備保冷，在施工現(xiàn)場也可采用澆鑄或噴涂方法施工。防潮層采用CPU聚氨酯阻燃防水卷材。T＜－65℃選用泡沫玻璃加聚氨酯雙層、瑪蹄脂二層）用于管道和設(shè)備保冷。其中聚氨酯、瑪蹄脂均要求氧指數(shù)＞30。根據(jù)工藝包提供商要求，液化天然氣管道采用真空夾套管保冷。

LNG儲罐四周及頂部夾層空間填充隔熱性能良好的珠光砂絕熱，充填系數(shù)1.3倍。珠光砂填充完畢后，夾層通入干燥氮?dú)獗Ｗo(hù)。設(shè)備底部絕熱層采用高強(qiáng)度、絕熱性能優(yōu)良的泡沫玻璃磚進(jìn)行隔熱。

8 結(jié)論

該裝置存在甲烷等危險化學(xué)品以及火災(zāi)爆炸、物理性爆炸、LNG翻騰等危險因素。在設(shè)計過程中，工藝專業(yè)設(shè)計人員應(yīng)與自控、電氣、總圖、消防等專業(yè)人員充分配合，充分考慮安全間距、緊急電源、防爆電氣設(shè)備、防靜電、防雷及接地、可燃?xì)怏w檢測、火焰探測、低溫探測、視頻監(jiān)控、緊急疏散、減震防噪、日常及事故通風(fēng)、消防系統(tǒng)等各種安全措施，以避免發(fā)生安全生產(chǎn)事故，保證投產(chǎn)后操作人員及生產(chǎn)設(shè)施安全。

［1］GB 18218－2009，危險化學(xué)品重大危險源辨識［S］.

［2］GB 50136－2008，工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范［S］.

［3］GB/T 20801.1～6－2006，壓力管道規(guī)范，工業(yè)管道［S］.

［4］TSGD 0001－2009，壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［5］GB/T 20368－2012，液化天然氣（LNG）生產(chǎn)、儲存與裝運(yùn)［S］.

［6］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令第40號.危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定［Z］.北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2011.

［7］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局公告2003年第1號.危險化學(xué)品目錄［Z］.北京：國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，2002.