液化天然气产业链安全技术研究
责任编辑：cnlng 浏览：4149次 时间： 2011-07-23 17:40:58
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摘要:1 概述 世界上最早使用LNG的时间是1959年，“甲烷先锋号”装载2000t的LNG从美国的路易斯安那州出发穿过大西洋运抵英国泰晤士的Canvery岛。在我国，2000年2月，第一座天然气液化工厂在上海建成投产，标志着我国大规模利用LNG开始。第一座大型LNG接收站(在深圳大鹏湾)..
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1 概述
世界上最早使用LNG的时间是1959年，“甲烷先锋号”装载2000t的LNG从美国的路易斯安那州出发穿过大西洋运抵英国泰晤士的Canvery岛。在我国，2000年2月，第一座天然气液化工厂在上海建成投产，标志着我国大规模利用LNG开始。第一座大型LNG接收站(在深圳大鹏湾)建成投产于2006年6月，进口澳大利亚LNG，供应广东部分城市燃气和电厂。
经过近几年的快速发展，中国LNG已形成一个极具发展潜力的新型产业，国产LNG与进口资源有机结合，互为补充，平衡发展。2009年，我国LNG的使用量已达到800×104t/a以上，预计未来5年，国产LNG产能将达到350×104t/a，进口LNG接收站规模可望突破5000×104t/a。
作为一个发展历史较短、技术含量较高的新领域，LNG产业安全技术具有许多独特之处，从生产到利用历经多个环节，产业链长且密切联系、相互依存，气相-液相-气相多次转换，易燃易爆，低温，使其安全管理问题错综复杂。因此，深入研究LNG产业链各环节的安全保障技术，对于促进行业稳妥发展有着十分重要的意义。
2 LNG产业链
LNG的主要组分是甲烷(CH4)，气相体积分数一般在85%以上，还含有一定量的乙烷、丙烷及微量的氮气等组分。
LNG产业链是一条资金庞大、技术密集的完整链系，产业链较长，主要包括上游开采与液化、中游运输与输配、下游储存、气化、利用等部分，涉及开采、集输、净化、液化、液相运输、储存、气化、管道输送、利用等多个环节。典型的LNG产业链流程见图1。
 从图1可以看出，为便于运输及节省运输费用，天然气一般在产地经过低温处理变成液体，然后借助于车船等运输工具将其运抵终端用户侧进行气化，再通过管道及输配设施输送给用户使用。其间，天然气经历了几次相变、几次温度剧变。这大大增加了LNG产业链上的安全管理难度，对LNG安全技术提出了较高的要求，对操作人员的操作技能要求也愈加严格。
3 LNG产业链的安全风险分析
3.1 LNG的安全特性
① 基本物性
LNG气相相对密度为0.6～0.7；液相密度为430～460kg/m3；气态体积是液态体积的600多倍；临界温度为190K左右，常温下不能靠加压液化而只能采用低温工艺将其液化。
② 燃烧
着火温度：LNG的着火温度约为538℃，高于丙烷(493℃)、柴油(252℃)、汽油(257℃)、甲醇(464℃)。
最小点火能量与燃烧速度：LNG的最小点火能量约为0.285mJ，低于汽油与柴油；燃烧速度也较慢，只有0.3m/s。
爆炸极限：LNG在空气中的爆炸极限约为5%～15%，范围较窄，危险性相对小一些。
扩散性：气相LNG常温条件下密度小，扩散系数较大，具有很强的扩散性。这表明，一方面，LNG泄漏后容易扩散，难以形成爆炸气体；但另一方面，一旦发生燃烧爆炸，火势蔓延速度则很快，燃烧面积和破坏程度也较大。因此，LNG泄漏后，力求避免燃烧爆炸是首要任务。
③ 低温
LNG的最典型特征是低温，储存及运输环节中的LNG均呈低温特性。除了表现在对设备、管道材料的抗低温要求外，还要解决系统保冷、蒸发气处理等技术问题。防低温灼伤是运行人员必须具备的基本常识。
④ 泄漏
防泄漏扩散及低温冻伤是安全利用LNG的两个关键问题。
泄漏扩散包含液相泄漏与气相泄漏两种形式，涵盖LNG产业链的全部过程。无论哪个环节的任何形式的泄漏，都具有极大的危险性。LNG连续供应的特征，在一定程度上更易造成持续和大量的危险气体泄漏，造成更大范围的爆炸性气体空间，使事故的波及范围扩大。
⑤ 储存
储存过程中应防止LNG分层与翻滚等现象的产生。此外，有效抑制储罐内LNG由液相向气相转换也是储存过程主要工作目标。
⑥ 压力输配
气相LNG的输送一般都采用压力输送方式，输配管道运行压力大多在4.0MPa以上，具有典型的高压特征。防止泄漏是该环节最重要的任务。
3.2 LNG产业链的安全风险分析
从图1可以看出，在终端利用环节之前，尽管LNG都是以液相形式出现的，但自始至终都需要设法抑制其由液相向气相转化。事实上，每个环节的LNG都是处于气液两相平衡之中。LNG产业所有链条上最大的安全风险就在于LNG的泄漏(包括气相状态的泄漏)，以及由此而产生的火灾与爆炸事故。
① LNG泄漏及其危害分析
LNG的泄漏较容易被发现，但也极易引起火灾爆炸和低温冻伤等安全事故。如果是陆上地面泄漏，LNG将吸收地面和空气的热量迅速气化，在短时间内产生大量的蒸气。起初，低温的LNG蒸气密度大于空气，随着不断吸收周围环境的热量，LNG蒸气的密度小于空气，向大气上方扩散并与空气形成可燃的混合物随风漂流[1]。
如果是水上泄漏，由于水的比热容大及流动性等原因，使得LNG泄漏在水面上比在地面时的蒸发速率大得多，一般可达到0.18kg/(m2·s)。
LNG蒸气扩散的范围与初始溢出的数量、持续的时间、风速和风向、地形、大气温度与湿度等因素有关。处置LNG泄漏事故要结合现场实际，正确评估LNG溢出速率、溢出量以及蒸气云的产生与扩散情况，采取正确的措施。对于风的影响，应从两方面考虑，没有产生火灾或爆炸事故之前，风势大有助于危险气体的快速消散；一旦造成了火灾，则会导致火灾蔓延、事故扩大。
② 预防与控制
对于有可能发生泄漏的设备周围应设置限制LNG扩散的设施，比如围堰或蓄液池，减少暴露的LNG表面与空气的对流换热，以降低蒸发量；也可以将高膨胀率的泡沫灭火剂喷洒在LNG液面上，使其与空气隔离，降低LNG表面的气化率。
少量泄漏情况下，最有效的措施是通风并消除点火源。
③ 气相LNG的泄漏及其预防
少量气相LNG泄漏的情况较多，而且较难发现。预防气相LNG泄漏的有效方式是加强巡查及设置完善的检测监控设施，特别是一些易泄漏的部位，应重点监控，及早发现，及早处理。
4 LNG产业链的安全技术研究
4.1 天然气开采、净化处理与液化环节
天然气开采过程的安全技术问题很复杂，主要是钻探、钻井建造及井口设施运行管理的安全技术措施。
天然气净化处理及液化环节则主要强调设备运行安全。需要针对LNG的低温特性、制冷剂系统特点，采取必要的安全技术措施。
4.2 LNG储存环节
储存是LNG产业链中安全技术问题最为突出的环节。不仅涉及LNG储罐等低温储存设施的性能及工艺流程的科学性，而且与操作人员技术水平、安全意识等息息相关[2～5]。
首先，工程设计、材料及设备的优选，特别是储罐的设计与建造是储存环节提高安全可靠性的第一步。其次，工艺流程的设计与优化，务必将安全性放在首位，并与操作的便利性、可靠性相融合，罐区布置等方面要竭力体现以人为本的理念。作为人的因素，对操作人员进行安全技术培训，提高业务素质，严格执行各项规章、操作规程等，都是至关重要的。训练出一个素质高、安全意识及责任心强、技术水平高的操作人员团队，储运环节的安全性就多了一份保障。
在具体的安全技术方面，需要掌握LNG的如下特性。
① 液体分层
不同来源的LNG存在组成、液体密度上的差异，不针对密度不同的LNG采取正确的进液方法，就有可能导致储罐内LNG因密度大小不一致而产生分层现象。另外，即使混合均匀的LNG，若N2含量较高，也会由于氮的常压沸点(-195.82℃)远低于甲烷的沸点(-161.5℃)，其挥发性远大于甲烷，使得氮的蒸发量远大于甲烷，从而形成自由液面上的LNG中甲烷浓度增加，液体密度减小，与储罐中下部的LNG产生分层的现象。
② 老化
多组分的LNG在储存过程中，因各组分的蒸发量差异导致液体的密度发生变化的过程称为老化。可见，组分越多、组分间蒸发速度差距越大的LNG，老化的速度越快；静态储存时间越长，老化的程度就越严重。
③ 翻滚
翻滚现象发生时，蒸发率比正常情况增加250多倍，压力瞬间骤升，大量的蒸发气体很难立即通过安全阀得到释放。此时，储罐损坏则不可避免，导致大量的LNG外泄，后果不堪设想。
尽管形成LNG翻滚的机理十分复杂，但分层、老化的发生是导致其产生的主要因素。因此，避免分层及老化是避免翻滚现象产生的有效对策。
④ 间歇泉和水锤现象
如果储罐底部有较长的而且充满LNG的竖直管道，由于管内LNG受热，有可能产生气泡积聚，间歇性形成喷发，这称为间歇泉现象。另外，管道中有可能产生一种类似于水击现象的LNG液体冲击波，这称为水锤现象。上述两种情况下，均会产生很大的瞬间高压，有可能对管道中的垫圈和阀门造成损坏，应力求避免。
4.3 LNG运输环节
常见的LNG运输方式主要有水路运输和陆路运输两种方式，水运指的是船运，陆运则可分为汽车运输和火车运输两种类型，短距离运输则可以考虑采用管道方式[6]。在国际贸易中，LNG船运量占80%以上。
① 船运
LNG船运的安全技术类似于储存环节，但有其特殊性，主要是蒸发气(BOG)的回收处理问题。一般如果能够较好地解决BOG问题，则对船上储罐隔热要求可适当低一些，有利于降低船舶造价、增加货运量、提高航运经济性。目前，回收船上LNG蒸发气的技术方向，一是采用BOG再液化工艺，将BOG降温使之再成为液体回到储罐中去；另一个方向是船上动力采用天然气燃料，BOG直接用作船上驱动燃料。
② 车运
车运分汽车槽车与火车槽车两种方式，尽管情况有些差异，但安全技术的重点相同，都是防泄漏扩散和BOG问题。对于汽车运输[7]，避免超压、消除静电、防泄漏是安全方面应注意的主要问题。因蒸发量大而超压的情况在车运环节较少出现，也较好解决，放散是有效对策之一。防泄漏问题除了在设备的可靠性方面严格把关之外，驾驶员的安全意识、驾驶水平等特别关键。良好的接地是防静电产生的根本措施。对于火车运输，安全技术措施与汽车槽车相同，不同之处在于车辆编组导致路途时间不可控情况的避免。
4.4 LNG接收站与卫星站
影响接收站与卫星站安全运行的主要因素是泄漏引发的风险以及相继产生的火灾爆炸事故[8]，危险源除与储存环节相同外，薄弱环节还包括以下两个方面：
① LNG的装卸操作，即原料的频繁进出。尽管流程并不复杂，但无数次的反复操作，容易使操作人员产生懈怠和疏忽情绪，在思想上麻痹大意，以致于麻木而丧失警惕，因而极易掉以轻心，出现安全事故。
② LNG的气化操作，涉及LNG相变过程，伴随着压力增加和温度的急剧升高，稍有不慎，就会留下隐患，应引起高度重视。
此外，站内应设置完善的防雷击、防静电措施。
4.5 天然气输配环节
液化天然气的输配环节同其他种类天然气，本文不再赘述。
4.6 天然气安全利用技术
终端用户数量繁多，分散性、失衡性、多变性等问题突出，用气性质也各不相同，可以划分为7个大的类别：居民用气、商业用气、工业企业生产用气、供暖通风与空调用气、燃气汽车用气、发电用气、化工原料用气。各类用户利用天然气的方式、用气规律、对天然气压力、流量、气质的要求等千差万别。面对一个天然气输配管网系统的安全问题，燃气企业与各用户特别是居民用户之间，不可能有明确的分界面，由此极有可能带来诸多的技术与管理缺失或矛盾。
用气设施多而复杂，设备安全性能与技术水平参差不齐，是诱发安全事故的又一大主因。大到技术先进的燃气轮机、燃气空调设备，小到分散在各家各户的各种品牌、规格的燃烧器具。既有连续24h不停运转、具有严格生产计划的大型用气设施，更有间歇使用、分散性极强的小型用气设备；既有高压设施，也有低压用具；不但有使用常规气相LNG的用户，而且还有直接使用液相LNG的瓶组用户、LNG汽车用户。用户及用气设施的复杂性，无疑增加了安全隐患产生的概率和管理上的难度。
① 居民用气
液化天然气的居民用气同其他种类城市燃气，本文不再赘述。
② 商业用气
商业用户的燃气用具主要包括炒炉、蒸炉等，安全使用规程与家用燃气灶基本相同。需要特别引起重视的是一些使用LNG瓶组供应的商业用户，工艺流程较为复杂，除涉及LNG储存、气化、管道输送等环节外，往往还牵涉到瓶组更换、电加热气化等操作。最令人担忧的是一些单位个别的具体操作人员，并不一定都是经过专业训练过的燃气技术工人。对于这类用户，加强技术业务培训与现场安全管理是关键。
③ 工业企业生产用气
工业企业的用气设施一般都有完善的监控管理系统，操作人员相对稳定，用气系统安全性能较高。需要加强的是其与供气单位间的沟通与协调及事故应急处理机制的建立与完善。
④ 供暖通风与空调用气
该类用户和工业企业用气性质有些相似，但有其独特之处。一是用气设施场地往往受限，空间狭小；二是设备往往安装在地面以下的建筑物内，通风条件差，光线不好，工作环境恶劣。因此，设置符合要求的安全紧急通道、加强安全巡查等，是杜绝事故发生的必不可少的手段。
⑤ 燃气汽车用气
燃气汽车分为压缩天然气汽车(CNGV)和液化天然气汽车(LNGV)两种，区别在于进入发动机之前的燃料储存状态。
CNGV、LNGV事故的表现形式主要是燃料泄漏和燃烧爆炸，安全性的主要影响因素重点体现在燃料供应系统上[9]。因此，天然气汽车最大的不安全因素在于其压力达到25MPa的高压CNG储气瓶和最低温度达-162℃的LNG储罐内的低温液体。确保高压CNG储气瓶和低温LNG储罐安全运行的有效措施是按章操作和定期检验。
⑥ 发电用气
发电用户一般使用高压天然气，安全工作重点防范对象是压力管道与相关设施。其中防泄漏是主要工作。
⑦ 化工原料用气
属于易燃易爆行业，由于企业自身性质的原因，安全技术水平较高，具有各类事故的处置与应对经验，对安全工作也极为重视。因此，相比之下，这类用户的安全隐患和事故较少。
5 结论
纵观我国LNG工业的发展状况，放眼全球，我们清楚地意识到，我国LNG产业正处于高速发展初期，及时在各个环节实施全面安全管理(全过程安全管理、全员安全管理、全部工作安全管理)十分必要。当务之急是在全行业尽早引入现代安全管理理念，建立以预防事故为中心的科学预测和决策体系。
① 确保LNG产业安全发展最重要的是，必须坚定不移、始终不渝地贯彻执行“安全第一，预防为主”的方针，明确安全生产管理目标，建立完备的安全生产管理体系。
② 加强全员的安全教育、技术业务培训工作。重点把握好培训的对象、内容、形式、效果4个环节，做到培训内容有针对性、培训对象有层次性和培训形式多样性。要设法提高职工的安全防范意识、安全技术水平和事故应急处理能力，消除职工在安全生产上的麻痹大意思想和侥幸心理，严格执行操作规程。
③ 大力推广新技术、新设备、新工艺、新材料的应用，并建立完善先进的监测监控体系，以技术促安全，提高安全管理水平。
④ LNG产业的所有工程项目，应建立预先分析与评价制度，从工程项目的立项、可行性研究、选址、初步设计、施工、验收、试运行、投产等全过程，对潜在危险和事故的可能性进行分析、、测定、评估，为制定安全防护对策提出依据。
⑤ 泄漏的预防与控制是LNG产业安全工作面临的重要课题，应围绕这个课题，应用现代多种学科领域知识和专门技术，综合采取管理、技术和教育的对策，有效防止和避免事故发生。
参考文献：
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[2] 刘新领.液化天然气供气站的建设[J].煤气与热力，2002，22(1)：35-36.
[3] 陈叔平，谢高峰，李秋英，等.LNG、L-CNG、CNG加气站的比较[J].煤气与热力，2007，27(7)：34-35.
[4] 赵淑君，朱万美，王丽娟.LNG的应用与气化站设计的探讨[J].煤气与热力，2005，25(8)：30-32.
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[7] 罗东晓.天然气汽车的安全性分析[J].上海煤气，2007，(2)：26-29.
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[9] 李龙.LNG气化站安全生产风险管理分析[J].煤气与热力，2009，29(1)：B36-B38.
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