天然氣液化過程中安全隱患分析及應對策略

楊延君

(哈密新捷燃氣有限責任公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

天然氣是一種清潔、高效的能源資源，廣泛應用于能源供應、工業生產和運輸領域。為滿足全球不斷增長的天然氣需求，天然氣液化已成為一項至關重要的工業過程，方便存儲和運輸。然而，在天然氣液化過程中，高壓、低溫和特殊化學特性使其具有獨特的安全挑戰。天然氣液化過程中的安全隱患可能涉及高壓設備和管道系統的故障、液化天然氣的儲存和運輸問題、火災和爆炸風險以及與工人和環境安全相關的問題。這些隱患可能導致生命安全風險、環境污染和生產中斷，對液化天然氣項目的可持續性構成威脅。因此，本文旨在深入分析天然氣液化過程中存在的安全隱患，并提出一系列應對策略。

1 天然氣液化過程

1.1 液化天然氣的基本概念

液化天然氣(LNG)是指將天然氣中的甲烷通過一系列冷卻和液化過程轉化為液態狀態，以便更易存儲和運輸。這一過程基于天然氣的特性，采用極低的溫度和適當的壓力，使甲烷從氣態轉變為液態。一般情況下，LNG 的制造過程包括氣田產氣后的凈化處理，通過多級的制冷過程，將氣體冷卻至其凝固點溫度約為-161.5 ℃。在這種溫度下，天然氣變成液體，體積大幅減小，便于儲存和運輸。因此，LNG 具有高純度、低雜質、低密度、易儲存和運輸等優點，對能源供應鏈的可靠性和可持續性有重要意義，并被認為是未來能源轉型的一部分，有望減少對傳統石油和煤炭等高碳能源的依賴，減輕環境污染，同時為各國提供更多的能源選擇。

1.2 天然氣液化過程的關鍵步驟

天然氣液化過程的關鍵步驟包括圖1 所示的幾個階段：首先，原始天然氣必須經過凈化和去除雜質，以確保所液化的天然氣是高純度的甲烷，避免凝結時產生固體雜質；其次，通過壓縮將天然氣壓縮到高壓狀態，以便在后續的液化過程中能夠更好地進行冷卻和分離；最后，液化天然氣必須冷卻至其凝固點以下的極低溫度，通常在-161.5 ℃左右，這一步驟需要高效的冷卻設備和高壓環境，以維持低溫高壓條件。在達到所需溫度后，天然氣開始轉化為液體，并進入儲存罐[1]。

圖1 天然氣液化過程的關鍵步驟

這些關鍵步驟在整個液化過程中都需要高度精確的工程技術和嚴格的控制，以確保安全高效地將氣態天然氣轉化為液態形式，為能源供應鏈提供可靠的能源資源。

1.3 相關設備和關鍵技術

在天然氣液化過程中，關鍵設備和技術是確保高效液化和安全運輸的關鍵，液化天然氣(LNG) 工廠通常包括以下關鍵設備和技術：

(1) 離心式壓縮機。這是將天然氣壓縮成高壓氣體的重要設備，其通過旋轉運動將氣體引入機器中心，利用離心力使其增壓。這個過程有助于將天然氣從氣態轉化為液態，為后續的液化步驟奠定基礎。在天然氣加工中，通常需要使用3～4 個葉輪的離心式壓縮機進行制冷操作，以實現多級間的閃蒸節能，并允許多個冷卻溫度水平，以進一步降低功耗。

(2)冷凝器和換熱器。這些設備利用冷凝和蒸發過程中的熱量傳遞，以實現天然氣的液化和再氣化。冷凝器換熱器通常由兩個主要部分組成：第一部分是熱傳輸管道，用于傳遞熱量；第二部分是冷卻介質管道，用于實現熱能的吸收和帶走。

(3) 儲存罐。LNG 需要在極低溫下儲存，通常在-161.5 ℃附近。儲存罐通常是雙壁結構，以保持溫度并減少蒸發損失。

這些設備和技術的高度工程化和技術要求對液化天然氣工業的成功至關重要，因為它們直接影響到LNG 的生產效率和安全性。

2 天然氣液化過程中的安全隱患

2.1 高壓設備和管道系統的風險

在天然氣液化過程中，高壓設備和管道系統涉及著一系列潛在風險。其中高壓設備，如壓縮機和分離器，承受著極高的氣壓，存在爆炸風險。高壓設備內部壓力異常或失控可能導致壓力容器破裂，引發嚴重的事故。此外，高壓設備在運行中會產生大量的熱量，需要有效的冷卻系統來維持溫度，否則過高的溫度可能引發設備故障或事故。

高壓管道系統也存在潛在危險。管道系統經常受到物理損傷、腐蝕或機械應力，這可能導致管道泄漏或破裂，釋放高壓天然氣。特別是管道的連接點和焊縫附近容易出現問題，是潛在的泄漏源[2]。

總之，高壓設備和管道系統的風險主要涉及爆炸、泄漏和過熱。在天然氣液化過程中，必須采取嚴格的安全措施來防范和減輕這些潛在風險，以確保設備和系統的可靠性和安全性。

2.2 液化天然氣的儲存和運輸問題

在液化天然氣的儲存和運輸過程中，表1 所示的關鍵參數揭示了一些重要的問題。

表1 液化天然氣儲存和運輸的關鍵參數

首先，溫度控制是確保液化天然氣穩定性和安全性的至關重要的因素。盡管實際溫度維持在要求范圍內，但仍要特別注意，±2 ℃的溫度波動可能對儲存和運輸過程產生影響。

其次，密封性能是防止泄漏的關鍵。盡管實際泄漏率較低，但仍存在一定程度的泄漏風險，要對密封系統進行更為嚴格的檢測和改進，以確保系統的安全性和可靠性。

最后，密封方式的差異也值得關注，主要采用真空珠光砂隔熱密封方式。由于珠光砂具有極低的導熱性，可靠的化學穩定性，良好的充填流動性和極低的容重性，所以儲存和運輸裝置充填的保冷材料絕大多數都是珠光砂。

2.3 火災和爆炸風險

在液化天然氣的生產和運輸過程中，火災和爆炸風險是需要高度關注和管理的關鍵問題。根據表2中的數據，可以對液化天然氣的火災和爆炸風險進行評估。

表2 天然氣液化過程中的火災和爆炸風險數據

首先，液化天然氣的燃燒點略高于標準要求，達到了620 ℃，但仍在較高溫度范圍內。這表明在受到高溫源的作用下，液化天然氣具有較高的抗燃點，降低了火災的發生概率。

其次，爆炸極限的下限和上限分別為0.05 和0.15。這表示在空氣中液化天然氣的爆炸濃度范圍相對較窄，有利于減小爆炸風險。然而，仍需密切關注和控制空氣中的液化天然氣濃度，確保在正常操作和突發事件中都能維持在相對安全的范圍內。

最后，爆炸熱值符合標準要求，超過20 MJ/m3，表明液化天然氣在燃燒時釋放的能量充足。這對確保在發生火災時能夠進行充分燃燒，減緩火勢蔓延，具有積極的作用。

2.4 工人和環境安全

在天然氣液化過程中，工人和環境安全存在一些潛在隱患：

首先，由于LNG 的極低溫度和高壓性質，與液化天然氣接觸可能對工人構成危險。液化天然氣可能導致冷凍傷害，因為其溫度極低會導致組織凍結和受損。此外，高壓天然氣可能引發爆炸風險，需要工人在操作和維護設備時格外小心。

其次，環境安全也是一個重要關切點。天然氣液化過程中如果發生泄漏，不僅會造成天然氣的浪費，還會對環境造成污染。同樣，LNG 泄漏后的天然氣蒸發可能對周圍生態系統產生不利影響。因此，必須采取措施來減少泄漏風險，確保環境安全。

最后，LNG 的運輸和儲存也可能對環境構成威脅。液化天然氣的存儲和運輸需要設施和設備，如儲罐、管道和船舶。如果這些設備發生泄漏或故障，可能導致天然氣泄漏，對環境產生負面影響。

3 應對策略

3.1 安全管理體系和標準

在天然氣液化過程中，確立強有力的安全管理體系和標準至關重要，這要在各個階段采取一系列措施來降低潛在的風險：

首先，建立詳盡的安全管理體系，包括明確的責任分工和程序。這意味著明確規定每個工作崗位的職責，確保工作人員了解并遵守相關安全規程。安全管理體系還應包括預防措施，例如定期檢查和維護設備，以確保其正常運行。

其次，采用國際標準和最佳實踐作為安全標準的基礎。這包括ISO、API 等行業標準，以及本地法規和規章。這些標準為安全管理提供了基礎框架，并確保遵循業界認可的最佳實踐。

再次，安全管理體系還需要制定緊急響應計劃。這些計劃應詳細說明如何應對各種緊急情況，包括泄漏、火災、爆炸等。工作人員必須經過培訓，了解如何有效執行這些計劃[4]。

最后，定期進行安全審查和改進是確保安全管理體系不斷提高的關鍵步驟。通過對現有安全程序的審查，可以識別潛在的改進點，并及時采取行動。這有助于不斷提高安全標準，降低事故風險。

3.2 安全培訓和教育

安全培訓和教育在天然氣液化過程中的應對策略中起著至關重要的作用：

首先，工作人員需要接受嚴格的培訓，以了解潛在的危險和如何應對突發情況。這種培訓應涵蓋液化天然氣的特性、設備操作、安全程序以及緊急應對計劃等方面的內容。培訓課程需要定期更新，以反映最新的安全標準和技術。

其次，工作人員還需要了解個體防護裝備(PPE)的正確使用。這包括防護服、面罩、手套等，用于降低與液化天然氣接觸時的風險，培訓應涵蓋PPE 的選擇、佩戴和維護。

再次，安全教育也需要擴展到供應鏈的其他環節，包括液化天然氣的供應商和運輸商。這可以通過合同規定來確保，供應商和承運商必須符合一定的安全標準和程序。

最后，技術演練和模擬是安全培訓和教育的重要組成部分。通過模擬事故場景，工作人員可以實際演練應對緊急情況的技能，這有助于提高他們的反應速度和冷靜應對危機的能力。

3.3 安全設備和技術創新

安全設備和技術創新在天然氣液化過程中的應對策略中具有關鍵作用：

首先，高壓設備和管道系統的安全性對于預防潛在的危險至關重要。技術創新可以包括更強化的材料用于建設高壓設備，以承受極端條件下的壓力和溫度。此外，先進的監測和檢測技術，如無損檢測和遙感技術，可以用于實時監測管道和設備的狀態，以便及時發現潛在問題。

其次，液化天然氣的儲存和運輸也需要創新的技術來確保安全。這包括新型的絕熱材料用于儲存罐的設計，以減少液化天然氣的蒸發和泄漏。此外，船舶和運輸工具的設計也需要考慮防火和泄漏的特殊要求，以確保安全運輸。

再次，火災和爆炸風險的應對策略可以包括使用先進的火災探測和滅火系統，以及在火災和爆炸發生時的緊急應對計劃。這些系統和計劃需要與最新的技術相結合，以提供高效的應對和保護。

最后，工人和環境安全方面的技術創新可以包括更智能的個體防護裝備，如可穿戴傳感器，用于監測工作人員的安全狀態。此外，培訓和教育也可以通過虛擬現實技術和模擬來增強，以提供更真實的培訓體驗。

3.4 緊急應對計劃

緊急應對計劃在天然氣液化過程中的安全管理中起著至關重要的作用，以處理突發事件和應對潛在的風險：

首先，緊急應對計劃需要明確定義各種緊急情況，包括火災、泄漏、爆炸等，以及可能涉及的設備、區域和工作人員。這涉及對系統進行全面的風險評估，以確定潛在的危險點和應對策略。

其次，計劃中要包括明確的責任分工和通信流程，以確保在緊急情況下的及時響應。關鍵人員要接受培訓，了解他們在緊急情況下的職責和行動計劃，以便迅速采取行動。此外，計劃還要包括緊急撤離程序，以確保工作人員的人身安全[5]。

最后，在技術細節方面，緊急應對計劃要考慮使用先進的監測和通信技術，以及應急設備，如氣體檢測儀器、滅火器材等。這些技術可以用于監測潛在的危險情況，如氣體泄漏，并提供實時信息以支持決策制定。同時，計劃還要考慮在應急情況下的資源供給，如緊急維修設備和救援隊伍的調度。

3.5 法規合規和監管

在天然氣液化過程中，法規合規和監管起著至關重要的作用，以確保整個過程的安全性和可持續性。監管部門負責審查和監督天然氣液化設施，以確保其運行符合法規和標準：

首先，天然氣液化過程中必須遵循一系列法規和標準，其中包括建設、操作和環境方面的法規。這些法規通常規定了設備設計、建設、材料選擇、操作流程和安全標準等方面的具體要求。例如，法規可能要求高壓設備必須符合特定強度和材料要求，以確保安全操作。在此基礎上，應增加一定的安全間距，確保設備運行過程中的穩定性。

其次，監管部門負責審查和批準天然氣液化設施的建設和運營計劃，并進行定期檢查和監督以確保合規性。監管機構通常會對設備、操作程序、緊急應對計劃等進行全面審查，以評估其安全性。加強危化品風險監測預警系統，通過雙重預防機制確保在操作中發生問題時能夠迅速采取措施進行應對。

最后，合規性和監管要與液化天然氣設施的技術細節密切相關，這包括了解法規和標準的具體要求，以及如何滿足這些要求。技術人員必須了解高壓設備的設計和制造，監測系統的操作，緊急應對程序的建立等方面的技術細節，以確保合規性。

4 結語

天然氣液化是一項關鍵的工程，在能源供應鏈中扮演著重要的角色。然而，在液化過程中存在著一系列安全隱患，包括高壓設備和管道系統的風險、儲存和運輸問題、火災和爆炸風險以及工人和環境安全問題。為確保天然氣液化過程的持續運營和安全性，應對這些隱患至關重要，才能有效確保工程的成功和可持續性，同時保護人們和環境的安全。