液化天然氣儲罐安全防護技術的研究進展

張淑淑，邢志祥，錢　輝，張　健

(1.常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164；2.江蘇省特種安全防護產品質量監督檢驗中心，江蘇 泰州 225300；3.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院，江蘇 南京 210036)

隨著石油和煤炭的可開采量越來越少，世界能源結構逐漸發生重大變化；此外使用石油和煤炭會對環境造成嚴重的污染，因此開發利用清潔能源迫在眉睫。天然氣逐漸走進了人們的視線中，它是一種新型的高效、清潔能源，但具有易燃易爆等特性。液化天然氣(LNG)是將氣態天然氣液化后得到的超低溫液體，液化后的液態體積僅為氣態時的1/600[1]，因此將天然氣液化能減小儲存空間和成本，使天然氣得到更廣泛的應用。LNG儲罐是儲存LNG的主要設備，其運行時處于超低溫狀態下且天然氣具有易燃易爆等特性，因此LNG儲罐極易發生各類事故，一旦發生，其后果影響極為嚴重。為預防LNG儲罐發生事故，不僅應從人為操作上加強安全管理，更應從設計方面考慮儲罐的安全防護性能，使其達到本質安全。為此，本文對LNG儲罐的主動和被動安全防護技術以及儲罐內部填充多孔材料的阻隔防護技術的研究進展進行了綜述。

1　液化天然氣的事故類型

LNG儲運過程中的事故類型包括泄漏、火災、爆炸、翻滾等，事故后果極為嚴重，主要有泄漏、閃火、池火、噴射火、蒸氣云爆炸、沸騰液體擴展蒸氣爆炸(BLEVE)、翻滾。

若LNG泄漏，其中一小部分立即汽化成蒸氣，其余泄漏液體流到地面形成液池，液池內液體發生汽化，產生大量蒸氣，形成蒸氣云[2]。當蒸氣體積比為爆炸下限5%及以上時，蒸氣云遇火源就會發生燃燒：若蒸氣量較少，發生閃火；若蒸氣量較多，蒸氣被點燃后回燃至液池表面，形成池火；若蒸氣一泄漏就被點燃，則發生噴射火[3-4]。當蒸氣體積比在爆炸極限(5%～15%)范圍以內時，蒸氣云遇火源則發生爆炸[2]。當LNG儲罐處于火災環境下且受到撞擊或機械失效時，可能發生破裂，若儲罐破裂，LNG噴出并急劇汽化，遇火源則發生BLEVE，或者當儲罐內部壓力過高，發生物理爆炸時，遇火源也會發生BLEVE[5-6]。翻滾的發生是由于外界與液體存在溫度差導致儲罐內LNG分層被破壞，首先由于LNG密度不同產生分層現象，上分層液體密度較小，下分層液體密度較大；其次儲罐從外界吸熱，上層液體中的輕組分率先蒸發導致密度增大，而下層液體的變化情況分為兩種：第一種是下層液體的溫度升高，密度減小，當減小的下層液體密度與增長的上層液體密度接近時，分層界面被破壞，翻滾現象發生；另一種是下層液體的溫度降低，密度增大，當上層液體的密度增大到與下層液體密度接近時，便發生翻滾現象[7]。

2　液化天然氣儲罐主動安全防護技術的研究進展

LNG儲罐主動安全防護技術是以防止儲罐發生事故而采取的主動防護措施，主要包括采用保溫絕熱防護措施、壓力防護措施、隋性氣體抑爆措施以及預防LNG翻滾的措施等。

2. 1　保溫絕熱防護措施

由于LNG儲罐內液體與外界環境之間存在很大的溫度差，所以儲罐的絕熱保冷設計是其安全防護技術最基本的要求。目前，小型LNG儲罐大多采用真空絕熱或真空粉末絕熱，中型、大型及特大型LNG儲罐常采用堆積絕熱。

LNG儲罐需要絕熱的部位主要有罐壁、罐底及罐頂的吊頂。罐壁的保冷材料一般選用膨脹珍珠巖或珠光砂，由于內罐壁接觸到低溫液體發生冷縮現象導致保冷材料下沉，不僅影響上部空間保冷，還會導致內罐壁承受保冷材料帶來的外部壓力，或者內罐壁因為某種原因發生膨脹也會承受這種壓力，通常會在內罐外壁安裝一定厚度的彈性玻璃纖維氈來減少內罐壁承受的壓力[8]。罐底保冷層分為環形邊緣保冷層、中心保冷層兩部分，環形邊緣保冷層是承受儲罐及液體重量的主要部分，所以一般采用混凝土或混凝土與高強度泡沫玻璃磚，而中心保冷層一般采用泡沫玻璃磚[9]。罐頂保冷是在鋁吊頂上覆蓋保冷材料，因為鋁吊頂的剛度較低，所以一般選用導熱系數低且密度小的保冷材料，如玻璃棉。

2. 2　壓力防護措施

為了防止LNG儲罐壓力過高或過低時發生事故，應在罐頂安裝安全閥和真空閥。

LNG儲罐在正常運行時，通過BOG壓縮機調節壓力使其維持在規定范圍內，但當儲罐內壓力過高時，BOG壓縮機便不起作用，此時首先通過調節閥將蒸發氣體引入火炬總管，若壓力持續升高，達到安全閥的設定值時，則安全閥打開，釋放蒸發氣體，避免儲罐因壓力過高發生事故[10]。此外，為了避免閥座結冰導致安全閥無法開啟，安全閥須采用先導式安全閥；同時，為了避免壓力泄放時外罐拱頂及吊頂受到破壞，安全閥進口管道必須伸到吊頂以下[9]。當儲罐內壓力過低時，首先通過調節閥向罐內注入干燥天然氣或氮氣，若壓力持續降低，則真空閥打開，向罐內注入空氣，但真空閥接管不宜深入到內罐吊頂以下[11]。

由此可見，安全閥和真空閥是維持LNG儲罐內壓力在正常范圍內的最后一道防線，對保護儲罐的安全起著不可或缺的作用。但安全閥的保護功能過于單一，當儲罐發生火災或爆炸等事故時，既不能降低儲罐表面溫度，也不能撲滅火災，因此安全閥應配合其他安全防護措施共同使用。

2. 3　惰性氣體抑爆措施

LNG儲罐內盛裝LNG及其蒸發氣體，為防止氣體混合物達到爆炸極限，在儲罐注入LNG前，通常采用氮氣置換罐內氣體，使儲罐內氧氣含量滿足要求。

2. 4　預防LNG翻滾的措施

LNG的密度差造成的分層是導致翻滾事故發生的根本原因，因此避免分層現象或者及時消除分層現象可避免翻滾事故的發生，具體可以從操作方法和儲罐設計方面采取一定的措施[12]：

(1) 選擇正確的充注方法，一般來說向儲罐內充注LNG的方法有頂部充注和底部充注兩種，當新充注的LNG的密度比儲罐內原有LNG的密度大時，可采用頂部充注的方法；反之，則采用底部充注的方法。

(2) 充注時的管道和噴嘴應分別采用多孔管和混合噴嘴，使得新注入的LNG和儲罐內原有的LNG充分混合。

(3) 在儲罐內壁設置LTD探測器，以監測LNG液位、溫度、密度的變化，當監測到儲罐內LNG的溫差大于0.2℃，密度差大于0.5 kg/m3時，就可以認為LNG發生了分層，應立刻啟動循環泵，及時消除分層現象。

(4) 采取措施使LNG含氮量不超過1%，并且還要避免含氮量高的LNG在儲罐內長期儲存。

(5) 將不同氣源的LNG分開儲存，以避免LNG由于密度差而產生分層現象。

3　液化天然氣儲罐被動安全防護技術的研究進展

LNG儲罐被動安全防護技術是以儲罐發生事故后盡可能減少事故的危害為指導，采取的應對措施,主要包括圍護措施、消防冷卻水防護措施、泡沫覆蓋措施、干粉滅火措施、移動式滅火器材滅火措施、隔熱物質覆蓋措施、隔震減震措施等。

3. 1　圍護措施

圍堰不僅可容納泄漏的LNG，還可以抑制LNG蒸發氣的擴散，因此須按規范為LNG儲罐設置安全圍護設施，即圍堰，亦稱防火堤。

LNG儲罐按罐體結構可分為單容罐、雙容罐、全容罐，其中單容罐應單獨設置圍堰，雙容罐和全容罐的圍堰與外罐相連[13]。我國相關規范和美國防火協會標準(NFPA59A)規定[14-15]：單容罐的外圍應設置圍堰，且圍堰距單容罐內罐的距離應≥儲罐最高液位-圍堰高度+液面上蒸氣壓的當量壓頭；NFPA59A還規定：圍堰必須選擇混凝土等耐低溫材料建造。此外，呂鳳芹[13]介紹了LNG廠站工程中常規圍堰區的分類、存在的問題以及圍堰區的優化設計。

3. 2　消防冷卻水防護措施

當LNG儲罐發生火災時，產生的熱輻射會對周圍的人和設備設施造成危害，同時儲罐受到烘烤，罐體強度下降，若儲罐突然開裂，大量液體噴出，會發生嚴重的BLEVE，因此必須控制蒸發氣體的濃度，防止儲罐發生火災；若LNG儲罐發生火災，必須對儲罐及其管道進行冷卻，水流可以冷卻儲罐，吸收火災產生的熱量，防止火災演變成BLEVE。消防冷卻水防護措施有水幕、水噴淋、水噴霧、固定消防水炮及室外消火栓，其中水幕、水噴淋和水噴霧的區別在于使用的噴頭的結構和性能不同。

(1) 水幕。LNG儲罐發生火災的本質原因是儲罐發生泄漏產生蒸發氣體，其濃度達到了燃燒下限并遇到著火源，如果可以稀釋氣體濃度使其低于燃燒下限，火災就不會發生，水幕法正是一種簡單、可以稀釋氣體濃度的方法。水幕系統主要包括水幕噴頭、管道和控制閥等，它的工作原理是通過形成水幕來稀釋氣體濃度，使其低于燃燒下限，或者是當發生火災時，也可起到防火幕的作用[16]。水幕有扇形水幕、向上實心錐形水幕、向下實心錐形水幕3種，其主要缺點是容易受環境風影響且熱交換少；若同時使用3種水幕，則用水量較多，且與只使用向上實心錐形水幕相比，控制效果并無明顯差別；綜合來講，水幕控制LNG蒸氣效果從好到差的排序依次為：向上實心錐形水幕、扇形水幕、向下實心錐形水幕[17-19]。EN1473標準中對水幕的要求有：①根據風險評估結果確定水幕系統布置的位置，可設置在靠近可能發生LNG泄漏的地方，但是要避免水進入到LNG；②建議水流速度為70 L/(min·m)[16]。

(2) 水噴霧或水噴淋。設置水噴霧或水噴淋系統的主要目的是當LNG儲罐發生火災時，對儲罐進行冷卻降溫，防止形成BLEVE，該系統主要由雨淋控制閥、管道、噴頭、火災報警系統等組成。水噴霧系統噴出的細小水霧滴粒徑小于1 mm，水噴淋系統噴出的細小水霧滴粒徑為1～2 mm，前者先以水霧阻擋輻射熱通過，降低熱量傳遞效率，再對壁面進行冷卻，后者直接以水流方式作用于罐壁；兩者相比較，水噴霧系統由于噴出的水滴粒徑小，有更好的吸熱作用和窒息效果，大大提高了水的利用率[20]，但正是由于這種優點，也導致了其噴出的細水霧易受風速和火災熱流的影響?！端畤婌F滅火系統技術規范》(GB 50219—2014)[21]給出了設置水噴霧系統的參數，其中第3.1.2條指出：當LNG儲罐為單容罐、雙容罐時，應在罐壁、罐頂設置水噴霧系統；當LNG儲罐為全容罐時，應在罐頂泵平臺、管道進出口等局部危險部位及管帶處設置水噴霧系統，用于水冷卻保護或吹散稀釋該處的泄漏物質。設計水噴霧強度應從該規范中查找，無論是哪種形式的儲罐，水噴霧系統的持續供給時間最低為6 h[21]。文獻[22]指出當雙容罐外罐為混凝土時，不需在罐壁設置水噴霧系統，只需在罐頂設置即可。水噴霧系統噴頭數量應依據規范第7.1.1條和第7.1.2條確定，且應使水霧直接噴向并覆蓋儲罐外壁，且與外壁之間的距離最大為0.7 m[21]。文獻[23]指出一個儲罐的消防用水量在設計水量基礎上還應考慮20%的風吹和系統損失量。

(3) 固定消防水炮及室外消火栓。固定消防水炮及室外消火栓都是在LNG儲罐發生火災時，以水流的方式作用于罐壁，其缺點是耗水量大，水的利用率低。水噴淋或水噴霧系統的噴頭容易堵塞，且在發生火災或爆炸時易受到損壞，此時可以采用固定消防水炮及室外消火栓冷卻來保護儲罐。每個室外消火栓旁都要配備一個消火栓箱，箱內裝有消防水槍及消防水帶，其缺點是火災產生的熱輻射會使人員很難操作且容易對人體本身造成傷害。

3. 3　泡沫覆蓋措施

LNG儲罐的集液池或圍堰應設置高倍數泡沫系統，它能有效地驅散蒸發氣體，當發生火災時，能迅速形成泡沫覆蓋層,以減少火焰向液池傳遞熱能，使蒸發速度減慢[24]。高倍數泡沫系統由高倍數原液罐、過濾器、控制閥、管道、泡沫比例混合器、泡沫發生器、火災報警系統等組成，其中泡沫混合液供給強度不宜小于7.2 L/(min·m2)，供給時間不宜小于40 min，且其在泄漏液體上的覆蓋厚度不應小于0.6 m，以有效地保護池內的LNG不至于揮發；高倍數泡沫系統宜選用相同的泡沫發生器，且應布置均勻[25]。

2009年，MKOSPC的Yun[26]的研究表明：采用發泡倍數為500∶1的高倍數泡沫抑制LNG蒸發的效果最好，同時高倍數泡沫的有效淹沒深度最小為0.64 m。目前，安格斯消防公司生產的FT高倍數泡沫系統與他們生產的Expandol泡沫液配合使用，不僅泡沫使用量較小，而且能更好地達到驅散易燃蒸氣及控制燃燒的效果[24]。

3. 4　干粉滅火措施

當LNG儲罐超壓，安全閥打開將超壓氣體排至大氣時，安全閥附近就存在火災的危險，因此應在安全閥出口處設置干粉滅火系統。干粉滅火系統由干粉罐、氮氣瓶、減壓閥、干粉輸送管道及噴頭組成，它是通過干粉在高壓氣體的帶動下噴向火源，通過吸收火焰中的OH自由基和H自由基，稀釋燃燒周圍的氧氣濃度，使燃燒中斷[27]。根據《干粉滅火系統設計規范》(GB 50347—2004)[28]第3.1.5條的規定：干粉滅火系統宜采用碳酸氫鈉干粉滅火劑。由于干粉滅火系統設在安全閥附近，考慮到系統自身的安全，設計時應將其設置在安全閥的上風向[29]。目前，儲罐安全閥處的干粉滅火系統設計參數取值還未形成統一的標準。

3. 5　移動式滅火器材滅火措施

NFPA59A標準[14]規定：在LNG可能發生泄漏的位置應配備手提式或推車式滅火器。因此，應在罐頂各平臺處配置滅火器，滅火器的類型、規格和數量根據《建筑滅火器配置設計規范》(GB 50140—2005)[30]確定。

3. 6　隔熱物質覆蓋措施

當LNG儲罐發生火災時，為阻隔火災向儲罐傳遞熱量，在儲罐外部覆蓋一層導熱系數小，并能吸熱的耐火材料，能有效延緩儲罐罐體過熱，降低LNG的溫升和壓升速率[31]。

3. 7　隔震減震措施

在進行LNG儲罐設計時，常常要考慮地震情況下儲罐的抗震能力，為了增強儲罐的抗震能力，就需要采取一些措施來減少地震對儲罐本身的影響。目前，已經應用在儲罐上的物理隔震減震方法只有橡膠支座，但這種方法有很多缺點，比如對周期長的水平震動容易引發共振，對豎向震動則不起減震作用，而且由于沒有相關的標準、規范，使得橡膠支座的推廣應用具有很多不確定性，因此有研究者對隔震減震方法進行了研究，如屈長龍等[32]介紹了開發減震消能裝置、利用計算機控制技術等其他隔震減震方法的思路。

4　液化天然氣儲罐內部阻隔防護技術的研究

多孔介質是一種多相物質共存、由固相和氣相或液相組成的物質，固相作為固體骨架，液相或氣相充滿了孔隙空間，作為阻隔防護的多孔介質，孔隙之間必須相互連通[33]。由于多孔材料具有比表面積大、質量輕、體積小、導熱性能好等優點，因此近年來越來越被人們所關注，具有廣泛的應用前景。Nield等[34]最先開始了多孔介質方面的研究，詳細介紹了多孔介質內的自然對流現象;Wang等[35]研究了通道內多孔材料填充位置對流體流動和傳熱的影響;Mishra等[36]研究了豎直管中的中間區域填充多孔材料后其內部的流體流動規律;Nimvari等[37]研究了通道中心和壁面兩個位置放置多孔材料，通道內湍流流動和傳熱的變化情況；王棟[38]通過數值模擬和試驗研究的方法對復合腔體內的自然對流和傳熱現象進行了研究。類似的研究很多，研究對象大多是管道、復合腔體等，關于儲罐內填充多孔材料的研究則相對較少。美國空軍的Hogan等[39]和Szego等[40]最先完成了在密閉容器內填充網狀鋁合金材料抑制可燃氣體爆炸的試驗，結果表明：填充網狀鋁合金能夠減弱氣體爆炸產生的超壓；邢志祥等[41]模擬了圓柱形儲罐內填充聚氨酯多孔材料后可燃氣體火焰傳播的情況，并對比了13 L圓柱形密閉儲罐現場試驗的結果，結果表明：模擬結果與試驗結果相吻合，填充物平均孔徑越小，阻火抑爆性能越好；田宏等[42-43]只是對填充在液化石油氣儲罐中的多孔金屬材料做了籠統的介紹，并沒有通過試驗來舉證。

目前，雖然多孔材料對密閉氣體和液體容器的阻隔抑爆、強化傳熱作用已經得到各國研究人員的試驗和模型驗證，但是LNG儲罐內部填充多孔材料的相關研究較少，適合于LNG儲罐的多孔材料的選擇、填充方式、填充密度以及對儲罐事故防治機理等都是重要的研究對象。因此，在今后的研究中可采用試驗與模擬兩種手段，研究多孔材料的最佳填充密度、最佳孔隙率等，也可以通過模擬LNG儲罐在外界環境激勵下，比較有無多孔材料填充時儲罐內部的壓力、溫度等參數值的變化。

5　結論與展望

目前，保冷材料、安全閥和真空閥、惰性氣體、預防LNG翻滾的措施、圍堰、消防冷卻水系統、高倍數泡沫系統、固定干粉滅火系統、移動式滅火器材、覆蓋隔熱物質以及隔震減震措施這幾種安全防護方式已廣泛應用于LNG儲罐中，當LNG儲罐發生泄漏、火災爆炸或翻滾等事故時，主動安全防護方式變為被動安全防護，被動安全防護方式變成主動安全防護。每種安全防護方式都有其優缺點，如安全閥和真空閥保護功能過于單一，應配合其他被動安全防護方式共同使用；啟動循環泵雖然可以消除分層，但同時也會產生大量蒸發氣，導致安全閥頻繁開啟；將不同氣源的LNG分開儲存具有局限性，只適用于儲罐較多的LNG接收站，對于儲罐較少的接收站，無法實現LNG分開儲存；水噴霧或水噴淋系統的噴頭容易堵塞，同時在爆炸時容易損壞，應配合固定消防水炮及室外消火栓共同使用；高倍數泡沫系統雖然操作費用高，但與水幕系統相比較，其減少熱輻射效率非常高；固定干粉滅火系統只對安全閥處進行局部保護；覆蓋隔熱物質會使初期成本增加，承重結構重量增加，且不利于對儲罐外部進行檢查；橡膠支座只對水平震動起作用，若水平震動周期較長，則容易引發共振。

雖然LNG儲罐內部填充多孔材料的相關研究較少，但是多孔材料在密閉氣體和液體容器中阻隔防爆的成功應用使其應用于LNG儲罐有很好的研究前景?；诙嗫撞牧暇哂辛己玫淖韪舴辣Ч?，在LNG儲罐內填充多孔材料，可以減弱儲罐內流體的流動；同時，若儲罐處于火災環境下，不僅可以延緩罐體過熱，而且可以降低LNG汽化的速率，避免發生BLEVE。在今后的研究中，可以從多孔材料的填充方式、填充種類、填充厚度等問題入手，研究其在儲罐中是否具有實用性，是否能起到阻隔防爆及抑制翻滾的作用，以及合理填充等相關問題。因此，我國應深入研究LNG儲罐的各種安全防護技術，并借鑒國外先進經驗，不斷完善LNG儲罐安全防護技術，減少儲罐事故的發生，使儲罐更加安全，以推動我國LNG應用產業的發展。

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