大型LNG 儲罐安全性分析與控制措施

劉培峰(中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266400)

1 背景與意義

近年來，在國家能源結構優化、產業結構升級和環境污染治理的推動下，LNG 作為最現實的清潔替代能源，在國家能源消費中的地位迅速提升。為了滿足LNG 日益增長需求，我國相繼建設了廣東深圳大鵬LNG 接收站、福建莆田LNG 接收站、江蘇如東LNG 接收站、山東青島LNG 接收站等。由于LNG 具有易燃、易爆、低溫等特性，LNG 儲罐作為LNG 主要存儲設備，是生產運行過程中的重大危險源。

在LNG 行業發展史上，發生過許多事故。雖然因為LNG儲罐原因引起的事故相對較少，但是一旦發生事故，特別是火災爆炸，將會造成嚴重的人員傷亡、經濟損失與環境污染。比如LNG 行業發展史上首起重大事故就是由于LNG 儲罐材料失效引起的，該事故發生在美國克利夫蘭，LNG 泄露爆炸，131 人死亡。除此例事故外，1971 年意大利拉斯佩齊亞，因充裝錯誤導致罐內翻滾爆炸，4 人死亡；1973 年美國紐約儲罐檢修時絕熱材料燃燒，儲罐超壓爆炸，40 人死亡；1985 年美國阿拉巴馬州，儲罐焊口斷裂，LNG 泄漏后點燃，6 人重傷；1993 年英國曼徹斯特，LNG 翻滾導致150t 天然氣排空等[1]。

我國LNG 行業起步相對較晚，已頒布的關于LNG 儲存的標準較少，LNG 儲罐儲存的安全性顯得尤為重要。文章將結合某LNG 接收站實際情況，分析LNG 儲罐的危險特性，并提出相應安全控制措施，希望為其他大型LNG 儲罐的安全控制提供借鑒。

2 安全性分析

LNG 是以甲烷為主的低溫液體混合物，常壓下溫度約為-162℃，泄漏遇到空氣后會形成大量白色蒸氣云，因其無毒、無色、無味，當完全汽化后不易被人察覺。在儲存過程中，易存在以下安全問題。

2.1 翻滾

LNG 儲罐在儲存過程中，翻滾是一種非穩定現象。主要是由于新注入的LNG 與密度不同的底部LNG 混合不充分，形成兩個穩定的分層或單元，但是底部的密度大于上部密度。隨后，由于儲罐的傳熱，使儲罐內液體形成自然對流循環，循環使各層液體密度不斷變化，當相鄰兩層密度近似相等時，會發生強烈混合，導致LNG 的大量汽化引發事故。如果上下密度差達到0.8kg/m3以上或溫度差0.3℃以上，就可能出現翻滾現象[2]。

2.2 泄漏

LNG 泄漏具有極大危險性，可造成現場操作人員凍傷、窒息等傷害，如被引燃會引發火災或爆炸，嚴重威脅人身安全與生產安全。泄漏的產生主要由于操作人員操作失誤或者設備損壞等原因引起。在焊縫、閥門、法蘭連接處等容易發生泄漏，在泄漏處會形成可見霧團[3]。

2.3 火災爆炸

產生燃燒具有三個必要條件：可燃物、助燃物、點火源[4]。當作為可燃氣體的天然氣遇到空氣后，當達到其燃燒的范圍5%～15%之間，遇到明火即會發生燃燒，如發生在受限空間易引發爆炸。在生產中，為防止火災與爆炸的產生，要從點火源、可燃物、助燃物三方面著手。點火源主要避免明火、電火花、靜電等；可燃物主要密切監控可燃氣泄漏，以及禁止可燃材料存放在危險區域；助燃物主要配置消防設施，當發生火災時，在最短時間內減少空氣對流。

3 控制措施

3.1 防翻滾控制

每臺儲罐采用1 套LTD(液位—溫度—密度)檢測系統，測量罐內LNG 的上、下密度分布[5]。LTD 由數字邏輯單元和電機驅動單元組成，可在LNG 儲罐內垂直移動、測量，測量可用人工或自動兩種方式完成。LTD 可以提供液位、溫度、密度數據，操作人員可以通過其了解儲罐某一液位下的密度與溫度，通過配合使用防翻滾軟件，判斷罐內液體是否發生翻滾，有效防止翻滾的產生。

此外，儲罐設有兩條進料管線，分別從頂部和底部填充LNG。工藝人員通過對新注入LNG 密度進行分析，保證高密度LNG 從頂部進料，低密度LNG 從底部進料。同時，可以通過低壓泵打回流的方式，保證上下層LNG 的充分混合。

3.2 壓力控制

每臺儲罐均設有壓力測量儀表。為了減少外界大氣壓力變化對儲罐壓力的影響，采用絕壓壓力變送器測量儲罐氣相壓力，控制BOG 壓縮機的負荷。采用表壓壓力變送器測量儲罐氣相壓力控制真空閥和排火炬的調節閥。儲罐壓力除正常操作壓力范圍外，設有壓力高與低報警值、高高與低低報警值[6]。其控制過程描述如下：

(1)正常情況下，通過控制BOG 壓縮機的負荷調節儲罐壓力，將儲罐壓力控制在正常范圍內。

(2)當儲罐壓力升高，超過正常操作壓力范圍并達到壓力高報警值時，DCS 會顯示壓力高報警，并開始排火炬。若壓力繼續升高，并達到高高報警值時，會觸發SIS 系統氣相壓力高高三取二聯鎖，關閉卸船管道上的切斷閥，停止卸船；切斷返回儲罐的NG。若儲罐壓力繼續升高，達到儲罐設計壓力，將打開儲罐壓力安全閥，排大氣。

(3)當儲罐壓力降低，低于正常壓力操作范圍并達到壓力低報警值時，DCS 會顯示壓力低報警，操作人員手動停BOG 壓縮機。若壓力繼續降低，并達到低低報警值時，會觸發SIS 系統壓力低低三取二聯鎖，停罐內泵和BOG 壓縮機。若此后壓力仍繼續降低，將打開自氣化后的天然氣總管上的返回補氣線的控制閥，開始補氣。若采取以上措施儲罐壓力仍不可控，持續降到一定值后，真空閥打開，破真空。

3.3 液位控制

儲罐通過兩臺伺服液位計和一臺雷達液位計控制自身液位，實現其安全操作[7]。當液位達到高高液位時，兩臺伺服液位計會輸出高高報警信號，它與雷達液位計的報警組成三選二邏輯，作為聯鎖信號，用于儲罐入口管線切斷聯鎖以及卸料區域停車。當液位達到低低液位時，兩臺伺服液位計會輸出低低報警信號，組成二選一邏輯，作為聯鎖信號，用于停低壓泵和關閉罐內泵出口管線切斷閥。

3.4 泄漏及消防措施

儲罐設置一套獨立DCS 系統之外的FGS 系統用于對火災及可燃氣體、液體泄漏進行預警，最大地降低火災對人員、設備的損害。

罐區FGS 系統包括以下幾部分：手動報警、可燃氣體檢測、低溫檢測、火焰探測、水噴淋系統、泡沫系統、干粉滅火系統、輔助操作臺。

(1)手動報警。每臺儲罐在罐底與罐頂均安裝有手動報警開關，當現場發現火災情況時，操作人員可按下觸發報警。當在罐頂觸發時，除聲光報警外，還會啟動現場雨淋閥，輸出報警信號至SIS 系統，造成罐區停車。

(2)可燃氣體檢測。每臺儲罐安裝有13 臺可燃氣體檢測器，用于檢查可燃氣體泄露，當3 臺可燃氣體報警器同時報警會觸發聯鎖保護，啟動現場雨淋閥，并輸出報警信號通訊到SIS 系統，造成儲罐聯鎖停車。

(3)低溫檢查。儲罐采用平均溫度計和多個表面檢測點進行表面溫度監測，溫度檢測點分別分布在儲罐罐底表面、內罐外壁、熱角保護等處，所有溫度點均通訊至DCS 系統，其中環隙空間溫度點從DCS 系統通訊至FGS 系統，當環形空間溫度低于設定報警值時，FGS 系統操作畫面會出現泄漏報警。

(4)火焰探測。儲罐在罐頂安裝兩臺火焰探測器，當一臺檢測到火災信號時，會產生聲光報警，兩臺同時檢測到火災信號，除聲光報警提示外，會啟動干粉滅火系統，并輸出報警信號通訊至SIS 系統，造成儲罐聯鎖停車。

(5)水噴淋系統。由水噴淋高壓閥、遠程雨淋閥手動啟動組成、就地雨淋閥手動啟動按鈕組成，可通過遠程、就地啟動水噴淋系統。

(6)高倍數泡沫滅火系統。在罐底設置高倍數泡沫滅火系統，主要控制泄漏到集液池內LNG 的揮發[8]。

(7)干粉滅火系統。在罐頂安全閥處設置一套干粉滅火裝置，用于控制可能發生的火災。

(8)輔助操作臺。顯示現場可燃氣體報警、低溫檢測報警、火災報警燈信息，并帶有聲光報警，提示中控室操作人員。同時，操作人員可直接按下按鈕遠程啟動雨淋閥、泡沫罐等消防設施。

4 結語

文章結合某LNG 接收站實際，對LNG 儲存過程中危險性進行辨識分析，對可能發生事故進行預測，并提出防翻滾、液位控制、壓力控制、泄漏及消防安全控制措施，有效保證接收站安全平穩運行。