LNG氣化站安全保護(hù)系統(tǒng)

1、 lng氣化站安全保護(hù)系統(tǒng) 摘要：論述了lng氣化站的工藝流程，lng的危險(xiǎn)性，以及緊急切斷系統(tǒng)、低溫儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)、空溫式氣化器出口氣體溫度連鎖系統(tǒng)、水浴式加熱器后氣體溫度控制系統(tǒng)等安全保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。 關(guān)鍵詞：lng氣化站；緊急切斷；安全保護(hù) 隨著人類環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)清潔能源的需求也在不斷增加。近年來，我國(guó)的能源市場(chǎng)出現(xiàn)了翻天覆地的變化，天然氣的應(yīng)用越來越廣泛，在某些領(lǐng)域正逐步替代煤和液化石油氣。我國(guó)的天然氣資源多分布在東北和西北地區(qū)，消費(fèi)市場(chǎng)卻集中在東南沿海和中南部大中城市等人口密集的地區(qū)1，這種能源分布結(jié)構(gòu)使得天然氣的快速發(fā)展受到了限制。雖然我國(guó)近年建設(shè)了多項(xiàng)天然氣管道輸送

2、工程，如全長(zhǎng)4176km的西氣東輸工程、全長(zhǎng)950km的澀寧蘭輸氣管道工程等，這些管道工程將大大緩解東南沿海大中城市用氣緊張的問題，但是建設(shè)長(zhǎng)輸管道造價(jià)巨大，投入運(yùn)營(yíng)后的管理費(fèi)用很高，而且長(zhǎng)輸管道無法覆蓋所有的城市。因此對(duì)于中小型城市，采用長(zhǎng)輸管道供氣就不是都適宜，而建設(shè)1座4臺(tái)100m3儲(chǔ)罐的lng氣化站造價(jià)僅為1000104元左右，這樣的造價(jià)對(duì)于大多數(shù)城市來說是比較經(jīng)濟(jì)的選擇。這也促成了大量lng氣化站的建設(shè)，使我國(guó)進(jìn)入了lng氣化站建設(shè)的高峰期。lng氣化行業(yè)是我國(guó)新興的行業(yè)，lng氣化站設(shè)計(jì)、建設(shè)及運(yùn)營(yíng)中的安全問題需要我們探索和研究。1 lng氣化站工藝流程2通過公路或鐵路運(yùn)輸將lng

3、從生產(chǎn)廠或儲(chǔ)存基地運(yùn)送到lng氣化站，利用站內(nèi)的卸車增壓氣化器將lng槽車內(nèi)的氣相壓力升高，將lng通過管道卸至站內(nèi)低溫儲(chǔ)罐。在lng氣化站向城市管網(wǎng)供氣時(shí)，利用站內(nèi)儲(chǔ)罐配套的自增壓氣化器，將低溫儲(chǔ)罐壓力升至lng氣化站工作壓力，一般為0.6mpa，利用這個(gè)壓力將lng送入空溫式氣化器，通過與環(huán)境空氣的熱量交換將液態(tài)的lng氣化為氣態(tài)天然氣。如果此時(shí)氣態(tài)天然氣的溫度不低于5，那么可以通過旁通回路直接送入調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置。如果此時(shí)的氣態(tài)天然氣溫度低于5，就需要經(jīng)過水浴式加熱器將氣態(tài)天然氣加熱到5以上，再送入調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置。然后，通過站內(nèi)的調(diào)壓、計(jì)量、加臭裝置將天然氣調(diào)壓、計(jì)量、加臭后送

4、入城市中壓管網(wǎng)，為用戶供氣。lng氣化站工藝流程見圖1。2 lng的危險(xiǎn)性1 在整個(gè)氣化過程中，只是將lng從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，沒有發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化。雖然氣化站的流程簡(jiǎn)單，但是液化天然氣是一種超低溫介質(zhì)，變成常溫氣態(tài)天然氣后體積擴(kuò)大約600倍。因此lng氣化站工作過程中存在著多方面的危險(xiǎn)性。 低溫的危險(xiǎn)性：lng的儲(chǔ)存和氣化操作都在低溫下進(jìn)行，溫度約-162。這樣的低溫液體一旦泄漏，會(huì)使接觸到的設(shè)備遇冷收縮，甚至發(fā)生脆性斷裂，從而使設(shè)備破壞，引發(fā)嚴(yán)重的事故。低溫lng輸送管道也經(jīng)常發(fā)生凍傷操作人員的事故。 火災(zāi)危險(xiǎn)性：天然氣與空氣混合極易形成爆炸性混合氣體，如果達(dá)到爆炸極限的混合氣體遇到火源，

5、就會(huì)著火燃燒，甚至爆炸。 對(duì)人體的危害性：雖然天然氣無毒，但是如果吸進(jìn)純的lng蒸氣，人會(huì)迅速失去知覺，35min后就可能死亡。天然氣泄漏會(huì)導(dǎo)致大氣中的氧含量逐漸減少，如果操作人員沒有及時(shí)警覺就會(huì)慢慢窒息。 因此，lng氣化站必須采取相應(yīng)的溫度、壓力、液位、泄漏等方面的檢測(cè)和保護(hù)措施，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理隱患，避免惡性事故的發(fā)生。3 緊急切斷系統(tǒng) 緊急切斷系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使生產(chǎn)系統(tǒng)在出現(xiàn)故障時(shí)能迅速進(jìn)入安全狀態(tài)。對(duì)于lng氣化站，其最安全的模式就是進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。 在lng氣化站正常工作時(shí)，需先打開儲(chǔ)罐自增壓回路閥，使一部分lng進(jìn)入自增壓回路，經(jīng)儲(chǔ)罐自增壓氣化器將lng氣化后，回到儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間，以增加

6、儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的壓力。當(dāng)壓力達(dá)到系統(tǒng)正常工作壓力時(shí)，打開儲(chǔ)罐出液閥，讓lng進(jìn)入空溫式氣化器進(jìn)行氣化。隨著lng從儲(chǔ)罐中流出，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的壓力會(huì)因體積增大而降低。系統(tǒng)為了保持壓力平衡，就會(huì)自動(dòng)從出液口補(bǔ)充lng進(jìn)入自增壓回路，通過自增壓氣化器后的氣體又補(bǔ)充進(jìn)儲(chǔ)罐，使儲(chǔ)罐始終處于壓力平衡狀態(tài)，從而保證系統(tǒng)的正常工作。 因此，要讓lng氣化站進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)，只需切斷儲(chǔ)罐進(jìn)出液閥及自增壓回路閥即可。城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(gb 500282006)第9.4.21條規(guī)定：液化天然氣氣化站內(nèi)應(yīng)設(shè)置事故切斷系統(tǒng)，事故發(fā)生時(shí)，應(yīng)切斷或關(guān)閉液化天然氣或可燃?xì)怏w來源，還應(yīng)關(guān)閉正在運(yùn)行可能使事故擴(kuò)大的設(shè)備。 lng氣

7、化站內(nèi)設(shè)置的事故切斷系統(tǒng)應(yīng)具有手動(dòng)、自動(dòng)或手動(dòng)自動(dòng)同時(shí)啟動(dòng)的性能，手動(dòng)啟動(dòng)器應(yīng)設(shè)置在事故時(shí)方便到達(dá)的地方，并與所保護(hù)設(shè)備的間距不小于15m。手動(dòng)啟動(dòng)器應(yīng)具有明顯的功能標(biāo)志。 為滿足規(guī)范的要求，在lng氣化站設(shè)計(jì)中一般采用低溫長(zhǎng)軸氣動(dòng)緊急切斷閥來實(shí)現(xiàn)管道的遠(yuǎn)程手動(dòng)、自動(dòng)切斷?？梢栽诳刂剖液同F(xiàn)場(chǎng)分別設(shè)置緊急切斷按鈕，以便事故發(fā)生時(shí)能夠迅速切斷l(xiāng)ng站區(qū)所有氣動(dòng)切斷閥，以停止lng供應(yīng)，確保系統(tǒng)的安全。上一頁 1 2下一頁4 低溫儲(chǔ)罐液位控制系統(tǒng)3 城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范(gb 500282006)第9.4.13條規(guī)定：儲(chǔ)罐進(jìn)出液管必須沒置緊急切斷閥，并與儲(chǔ)罐液位控制連鎖。 根據(jù)本條要求，在儲(chǔ)罐上必須設(shè)置

8、可以信號(hào)遠(yuǎn)傳的檢測(cè)儲(chǔ)罐液位的儀表設(shè)備，并必須在儲(chǔ)罐進(jìn)出液管上設(shè)置可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的緊急切斷閥。在lng氣化站設(shè)計(jì)中，這種緊急切斷閥一般選用氣動(dòng)長(zhǎng)軸緊急切斷閥。由于lng屬于超低溫介質(zhì)，直接測(cè)量液位無法實(shí)現(xiàn)，因此通常的做法是選用隔爆型差壓變送器測(cè)得儲(chǔ)罐內(nèi)上下液位的靜壓差，然后根據(jù)lng的密度來計(jì)算lng儲(chǔ)罐內(nèi)液位的高度。 以150m3的lng儲(chǔ)罐為例。根據(jù)lng儲(chǔ)罐參數(shù)，公稱容積為150m3的lng儲(chǔ)罐，其幾何容積為157.9m3，最大充裝系數(shù)為0.95，該儲(chǔ)罐的最大充裝量為142.5m3。在卸車過程中，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)工作壓力下lng體積達(dá)到最大充裝量時(shí)就必須關(guān)閉進(jìn)液氣動(dòng)閥。此過程可以由人工來完成，通過

9、觀察液位計(jì)的指示值，在液位達(dá)到上限時(shí)就關(guān)閉進(jìn)液閥。這樣設(shè)計(jì)就無法避免觀測(cè)誤差、計(jì)算誤差、操作時(shí)間差等多方面因素所帶來的偏差，使系統(tǒng)的安全性大打折扣，也無法滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)的需求。如果能用儀表來代替操作工，把人眼的功能改成液位變送器來實(shí)現(xiàn)，把人腦的功能用控制系統(tǒng)代替，那么不僅能減輕操作工的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且可以提高控制系統(tǒng)的速度和準(zhǔn)確度。把變送器檢測(cè)到的液位信號(hào)轉(zhuǎn)換為420ma的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，傳送至控制器，通過控制器與設(shè)定值進(jìn)行比較，液位值大于等于設(shè)定值時(shí)就輸出信號(hào)切斷儲(chǔ)罐進(jìn)液氣動(dòng)閥，停止儲(chǔ)罐進(jìn)液，從而實(shí)現(xiàn)規(guī)范要求的連鎖切斷功能。 儲(chǔ)罐內(nèi)膽工作在超低溫環(huán)境中，如果儲(chǔ)罐內(nèi)沒有l(wèi)ng，就會(huì)使儲(chǔ)罐內(nèi)膽的溫度上升

10、，下次重新充裝lng時(shí)就需要預(yù)冷。為了避免儲(chǔ)罐內(nèi)膽溫度的頻繁變化，控制系統(tǒng)還需要設(shè)置儲(chǔ)罐的低液位報(bào)警，當(dāng)儲(chǔ)罐液位低于總?cè)莘e的10%對(duì)應(yīng)的液位時(shí)要發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示操作人員及時(shí)切斷儲(chǔ)罐出液閥，將其他儲(chǔ)罐投入運(yùn)行。5 空溫式氣化器出口氣體溫度連鎖系統(tǒng)3 從儲(chǔ)罐流出的lng進(jìn)入空溫式氣化器，空溫式氣化器將lng液體與空氣進(jìn)行換熱而達(dá)到氣化的目的。環(huán)境溫度及氣候條件就成為影響設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵因素。環(huán)境溫度變化無常，晴天和陰天不一樣，冬天和夏天不一樣。一旦空溫式氣化器投入運(yùn)行，整個(gè)氣化器的溫度便會(huì)下降，在lng入口處的溫度會(huì)比環(huán)境溫度低很多，這樣與設(shè)備接觸的空氣中的水分就會(huì)凝結(jié)，隨著空溫式氣化器投入運(yùn)

11、行時(shí)間的增加，氣化器上凝結(jié)的水會(huì)進(jìn)一步降溫，導(dǎo)致結(jié)冰。這樣隨著時(shí)間的推移，空溫式氣化器的結(jié)冰面積不斷增大，影響氣化器的傳熱效果，導(dǎo)致其氣化能力下降，出口氣體溫度降低。為了系統(tǒng)的安全，空溫式氣化器出口氣體溫度不能過低。實(shí)際的環(huán)境溫度變化、設(shè)備結(jié)冰情況等多方面的因素，都無法用確切的數(shù)據(jù)來衡量。這種實(shí)際情況與設(shè)計(jì)狀態(tài)的差別，使我們無法確定氣化器出口氣體溫度。為了保證lng氣化站的安全，就必須保證空溫式氣化器時(shí)刻工作在正常狀態(tài)，其出口氣體溫度必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。為了滿足這一要求，可以在空溫式氣化器的出口和入口設(shè)置一套溫度檢測(cè)報(bào)警連鎖系統(tǒng)，即在空溫式氣化器出口管道上設(shè)置溫度檢測(cè)儀表，在空溫式氣化器進(jìn)液口

12、設(shè)置緊急切斷閥，并將溫度報(bào)警信號(hào)與緊急切斷閥連鎖。一方面可以隨時(shí)監(jiān)視空溫式氣化器的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)不正常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；另一方面也可以在空溫式氣化器出口氣體溫度低于設(shè)定值時(shí)輸出信號(hào)，連鎖切斷儲(chǔ)罐出液氣動(dòng)閥，停止供氣。 雖然空溫式氣化器都有其工作狀態(tài)參數(shù)和氣化能力，但是生產(chǎn)廠家也無法保證空溫式氣化器的出口氣體溫度，只能保證設(shè)備在輸出流量最大時(shí)，其出口氣體溫度盡可能地接近環(huán)境溫度。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到設(shè)備運(yùn)行的安全性，通常要根據(jù)氣化站的室外極端最低溫度來確定氣化器出口氣體溫度的報(bào)警設(shè)定值。如果極端最低溫度比較低，為了保護(hù)下游設(shè)備的安全，這個(gè)溫度設(shè)定值也不應(yīng)低于下游設(shè)備及管材正常工作時(shí)的最低承受

13、溫度。 例如某地的室外極端最低溫度為-10，空溫式氣化器出口氣體設(shè)計(jì)溫度比環(huán)境溫度低5。在這種條件下，正常工作的空溫式氣化器出口氣體溫度就應(yīng)當(dāng)在-15以上。這里條件中環(huán)境溫度是一個(gè)極限情況，而且空溫式氣化器也是工作在最大負(fù)荷下，因此在實(shí)際情況下，空溫式氣化器出口溫度就應(yīng)當(dāng)比-15要高。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們通常要把各種不利因素都考慮進(jìn)去，還考慮一定的余量，將出口氣體溫度的報(bào)警設(shè)定值設(shè)置為比環(huán)境溫度低810。按照上面例子中的環(huán)境條件，空溫式氣化器出口溫度報(bào)警設(shè)定值應(yīng)為-18-20，即當(dāng)空溫式氣化器出口氣體溫度低于-20時(shí)，就可以斷定該空溫式氣化器已經(jīng)不在正常工作狀態(tài)了，可能是由于空溫式氣化器結(jié)冰太厚

14、或是其他原因，導(dǎo)致其傳熱能力下降而不能滿足正常工作需求，需要進(jìn)行安全保護(hù)。這時(shí)為了保證lng氣化站的供氣安全，控制器就要輸出信號(hào)切斷空溫式氣化器進(jìn)液氣動(dòng)閥，停止該空溫式氣化器的工作。6 水浴式加熱器后氣體溫度控制系統(tǒng) 如果由于環(huán)境因素導(dǎo)致空溫式氣化器出口氣體溫度過低，不能滿足下游沒備安全運(yùn)行的要求，就需要對(duì)其進(jìn)一步加熱。常用的設(shè)備是水浴式加熱器，通過低溫天然氣與熱水進(jìn)行換熱，以提高天然氣溫度?？梢栽O(shè)置一套溫度控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)由水浴式加熱器、溫度變送器、溫度控制器、變頻器、熱水鍋爐和熱水循環(huán)泵等組成。其目的是保持水浴式加熱器出口氣體溫度恒定，減少資源浪費(fèi)。其中熱水鍋爐提供恒溫?zé)崴?，熱水循環(huán)泵

15、提供熱水在系統(tǒng)中循環(huán)的動(dòng)力，變頻器改變熱水循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)來自空溫式氣化器的天然氣溫度或流量改變時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水浴式加熱器的出口氣體溫度發(fā)生變化，溫度變送器測(cè)得溫度的變化，將此信號(hào)送至溫度控制器。溫度控制器將測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后根據(jù)偏差信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算后，將控制指令發(fā)送給變頻器，變頻器接到信號(hào)后會(huì)改變對(duì)循環(huán)泵的輸出電源頻率，從而改變熱水循環(huán)系統(tǒng)的熱水流量，以維持水浴式加熱器的出口氣體溫度。7 其他保護(hù)系統(tǒng) 由于天然氣屬易燃易爆氣體，為了避免天然氣泄漏事故的發(fā)生，在生產(chǎn)區(qū)內(nèi)可能發(fā)生天然氣泄漏的位置應(yīng)設(shè)置燃?xì)庑孤﹫?bào)警器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)境空氣中的可燃?xì)怏w濃度。當(dāng)環(huán)境空氣中可燃?xì)怏w濃度超過設(shè)定值時(shí)，將報(bào)警信號(hào)遠(yuǎn)傳至控制室，發(fā)出聲光報(bào)警，提示操作人員采取相應(yīng)的緊急措施。為了下游用戶的用氣安全，還需要設(shè)置自動(dòng)加臭系統(tǒng)，以方便用戶及早發(fā)現(xiàn)天然氣的泄漏，避免事故發(fā)生。8 結(jié)論 雖然控制系統(tǒng)越來越智能化，儀表及控制器也越來越先進(jìn)，但是lng氣化站的安全運(yùn)行不能單憑可靠的控制系統(tǒng)。在lng氣化站設(shè)計(jì)中，合理進(jìn)行功能分區(qū)，將生產(chǎn)區(qū)、輔助區(qū)合理分開；選擇與防爆等級(jí)相適應(yīng)的儀表及設(shè)備，保證站區(qū)供電系統(tǒng)的安全可靠性；在運(yùn)營(yíng)過程中對(duì)站內(nèi)工作人員進(jìn)行定