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摘要对LNG汽车加气站系统安全进行分析,简要介绍美国消防协会NFPA52中关于LNG加气站设计的有关规定,依据相关规范探讨LNG汽车加气站系统安全设计。
关键词LNG;汽车;加气站;风险;系统;安全设计
中图分类号TE9文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0120-01
1问题的提出
1)安全的重要性及系统安全的思想。液化天然气(LNG)的低温深冷特性、易燃易爆特性以及站址周边复杂的城市环境特征,决定了它安全的重要性。
安全意味着可以容忍的风险程度。“安全”是相对“风险”而言,世界上没有绝对安全的事物,关注风险就是关注安全,系统安全是指系统生命周期内可以容忍的风险程度。
2)安全设计是系统安全的基础。一个系统达到最佳的安全状态,在很大程度上取决于系统的安全设计,安全设计是系统安全的基础。
安全设计即是分析人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全表现所带来的危险性以及消除这些危险所采取的安全技术措施,将系统的安全置于系统的设计阶段。
3)参照ANSI/NFPA52的必要性。美国LNG管理的法律法规和技术标准自成体系,相对完善先进。美国消防协会(NFPA)制定的国家标准ANSI/NFPA52《车辆燃料系统标准》中对LNG加气站的设计、选址、建造、安装、维护、防火、安全等方面作了详尽的规定。它具有先进性、科学性、合理性等特点。我国规范注重防火间距和防火设施的刚性规定,属于一种被动的安全管理模式,且规定的防火间距往往过大,使得LNG加气站在寸土寸金、建筑物林立的城市环境中难以选址。
国家《标准化法》鼓励采用国外先进标准,学习、消化、采用ANSI/NFPA52,在我国LNG加气站建设中有着十分重要的意义。
2LNG加气站危险性分析
2.1物(物料和装置)的不安全状态
1)物料的危险性:①低温过冷危险特性。LNG的储存温度为-162℃,发生泄漏后会使所接触的一些材料变脆,致使管材、管件受损。过冷液体或气体都会对人体产生低温灼烧、冻伤等危害。②火灾、爆炸特性。泄漏后气化的天然气会在空气中快速扩散。天然气与空气混合后,体积百分数在一定的范围内遇火就会产生爆炸,其爆炸下限为5%,上限为15%。
2) 装置的危险性:①装置超压爆裂。LNG大量储存于绝热储罐,任何热传导或作业中的热量都会导致系统中的一些液体蒸发为气体,同时使液体受热膨胀。热膨胀和热蒸发性使系统压力升高,在安全泄压装置故障或泄放能力不足时,储罐或管道会发生超压爆裂事故。②LNG储罐的危险性。新充注的LNG若密度较储罐中原有的LNG密度小时,罐中液体可能形成上下两层,由于各自层内的独立对流,使得瞬间LNG大量蒸发,产生翻滚现象,储罐压力骤然升高;LNG储罐液位超限,物料的热膨胀性和热蒸发性可能引起压力升高;出液过低会使泵抽空,罐内出现负压;内外罐夹层之间的真空破坏,漏热大量产生内罐由于热膨胀和热蒸发超压。③LNG低温泵的气蚀。由于系统中气体的存在,LNG低温泵可能发生气蚀现象,气蚀现象引起泵体振动直至打碎泵的叶片,致使泵不能工作。
2.2人的不安全行为
1)运行时的误操作:卸车时由于液位仪表的失灵或人为误读,使储罐超装;卸车或加气结束未卸下软管或加气枪车已启动驶离,可能拉断卸车或加气软管,使软管中残留的液体泄漏;卸车时要求给槽车增压,压力过高可能导致容器超压产生爆裂事故;操作程序、顺序有误时,可能导致系统无法正常运行甚至发生事故。
2)事故状态的误操作:处理泄漏事故时未切断储罐根部阀,导致事故范围扩大;发生泄漏时未切断电源、火源,导致火灾或爆炸事故发生。
2.3环境的不安全表现
1)正常操作环境。卸车区或加气区有可能形成冷蒸气云,冷蒸气云可对操作人员造成冷麻醉伤害。冷蒸气云与空气中的水分形成云雾,使作业区域可视性差。加气时加气枪和车载气瓶的金属接头的低温可能伤害操作人员。
2)事故环境。LNG泄漏会造成其它设备的冷脆裂、冷变形等现象。发生火灾爆炸时,热辐射强度大,因热辐射使罐内液体蒸发,压力升高直至超压发生爆裂事故。泄露的液体因具有良好的流动性,可能使事故范围扩大。
3)自然环境:①雷电。雷电的放电火花或瞬时高温可引燃泄漏的天然气。感应雷可在金属导体部件之间产生电火花,可以雷电波的形式击穿电气绝缘,毁坏用电设备;脉冲电磁辐射会毁掉微电子技术的设备如信息系统等。②地震。地震力可使LNG储罐基础坍塌,管道断裂,LNG立式储罐受灾程度更大。③风压力和雪压力。风压力和雪压力可对建构筑物或设备造成破坏,如LNG立式储罐、加气罩棚。
3LNG加气站安全设计
1)选址。避开人口密度大的地区及高大建筑物群。场地标高应适当低于周边建筑物场地或城市道路标高,以防止LNG溢出或泄漏后流出界区。场地宜位于城市全年最小频率风向的上风侧、临近有火源存在的设施的上风侧。
2)总平面布置安全设计。在国内无明确规范的情况下可执行ANSI/NFPA52的有关规定。LNG储罐的周围设置拦蓄区,将泄露的流体或流淌火灾限制在一定的区域内。总平面布置时要考虑到方便消防车从场地中进退,方便LNG槽车的进出。
3)建(构)筑物安全设计。建(构)筑物的耐火等级为2级,混凝土及钢构架、管架、支座、螺栓施工完毕后应涂覆耐火层。站内工艺设施的基础,如储罐、低温泵、加气机基础及防护堤应采用抗冻性能好的混凝土,储罐钢支座应作耐低温处理。按照工程所在地抗震设防要求进行抗震设计。
4)工艺安全设计。①工艺流程安全设计:合理确定设计参数;加气时不给储罐升压,而采用车载气瓶自增压系统;设置上进液和下进液方式,对密度小的LNG采用下进液方式,密度大的采用上进液方式。②过程安全装置的设计:储罐设置安全阀自动泄压,防止压力超限;液相管道两个阀门之间设置安全阀,防止管道压力超限;安全阀的泄放量要满足超压泄放要求。站内各工艺设施如储罐、低温泵、工艺管道等设备设有集中放散管。在储罐进液口安装止回阀;在储罐的出液口安装过流阀,在物料流速太快时立即关闭;在储罐的进液、出液、气相口上安装紧急切断阀,事故状态时立即切断。为防止人工误操作,设置联锁机构,如LNG储罐的液位仪表与进液阀设置联锁,最高允许液位时,切断进液装置,防止超装。
5)自动控制及报警系统安全设计。储罐、低温泵、加气机、工艺管道上设置现场和远传仪表,实行在线实时控制。拦蓄区、作业区设置可燃气体泄漏报警器;拦蓄区设置能连续检测LNG泄露的低温探测器;拦蓄区、作业区设置火焰探测器。所有检测、监测仪表与紧急切断系统联锁,当检测到系统工艺参数超限时,立即紧急切断和停车。
6)电气安全设计。按照《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058)划定爆炸和火灾危险区域,在此爆炸区域内选择相应防爆级别的电器设备、灯具、电缆等。按照《建筑物防雷设计规范》(GB50057),站内的气体Ⅰ区爆炸危险区划为第二类防雷建筑物,站内信息系统安装的控制室划为防雷击电磁脉冲的LPZ1防雷区,采取防止直击雷、防止感应雷、防止雷电波侵入、防雷击电磁脉冲等防雷措施。
7)灭火系统设计。在拦蓄区、卸车区,加气区设置干粉灭火器,一旦排出的泄漏气体被引燃时,人工快速释放干粉灭火,把事故消灭在萌芽状态。在控制室、配电室等建筑物内设置气体灭火器,如二氧化碳型灭火器等扑灭电气火灾。
关键词LNG;汽车;加气站;风险;系统;安全设计
中图分类号TE9文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)081-0120-01
1问题的提出
1)安全的重要性及系统安全的思想。液化天然气(LNG)的低温深冷特性、易燃易爆特性以及站址周边复杂的城市环境特征,决定了它安全的重要性。
安全意味着可以容忍的风险程度。“安全”是相对“风险”而言,世界上没有绝对安全的事物,关注风险就是关注安全,系统安全是指系统生命周期内可以容忍的风险程度。
2)安全设计是系统安全的基础。一个系统达到最佳的安全状态,在很大程度上取决于系统的安全设计,安全设计是系统安全的基础。
安全设计即是分析人的不安全行为、物的不安全状态、环境的不安全表现所带来的危险性以及消除这些危险所采取的安全技术措施,将系统的安全置于系统的设计阶段。
3)参照ANSI/NFPA52的必要性。美国LNG管理的法律法规和技术标准自成体系,相对完善先进。美国消防协会(NFPA)制定的国家标准ANSI/NFPA52《车辆燃料系统标准》中对LNG加气站的设计、选址、建造、安装、维护、防火、安全等方面作了详尽的规定。它具有先进性、科学性、合理性等特点。我国规范注重防火间距和防火设施的刚性规定,属于一种被动的安全管理模式,且规定的防火间距往往过大,使得LNG加气站在寸土寸金、建筑物林立的城市环境中难以选址。
国家《标准化法》鼓励采用国外先进标准,学习、消化、采用ANSI/NFPA52,在我国LNG加气站建设中有着十分重要的意义。
2LNG加气站危险性分析
2.1物(物料和装置)的不安全状态
1)物料的危险性:①低温过冷危险特性。LNG的储存温度为-162℃,发生泄漏后会使所接触的一些材料变脆,致使管材、管件受损。过冷液体或气体都会对人体产生低温灼烧、冻伤等危害。②火灾、爆炸特性。泄漏后气化的天然气会在空气中快速扩散。天然气与空气混合后,体积百分数在一定的范围内遇火就会产生爆炸,其爆炸下限为5%,上限为15%。
2) 装置的危险性:①装置超压爆裂。LNG大量储存于绝热储罐,任何热传导或作业中的热量都会导致系统中的一些液体蒸发为气体,同时使液体受热膨胀。热膨胀和热蒸发性使系统压力升高,在安全泄压装置故障或泄放能力不足时,储罐或管道会发生超压爆裂事故。②LNG储罐的危险性。新充注的LNG若密度较储罐中原有的LNG密度小时,罐中液体可能形成上下两层,由于各自层内的独立对流,使得瞬间LNG大量蒸发,产生翻滚现象,储罐压力骤然升高;LNG储罐液位超限,物料的热膨胀性和热蒸发性可能引起压力升高;出液过低会使泵抽空,罐内出现负压;内外罐夹层之间的真空破坏,漏热大量产生内罐由于热膨胀和热蒸发超压。③LNG低温泵的气蚀。由于系统中气体的存在,LNG低温泵可能发生气蚀现象,气蚀现象引起泵体振动直至打碎泵的叶片,致使泵不能工作。
2.2人的不安全行为
1)运行时的误操作:卸车时由于液位仪表的失灵或人为误读,使储罐超装;卸车或加气结束未卸下软管或加气枪车已启动驶离,可能拉断卸车或加气软管,使软管中残留的液体泄漏;卸车时要求给槽车增压,压力过高可能导致容器超压产生爆裂事故;操作程序、顺序有误时,可能导致系统无法正常运行甚至发生事故。
2)事故状态的误操作:处理泄漏事故时未切断储罐根部阀,导致事故范围扩大;发生泄漏时未切断电源、火源,导致火灾或爆炸事故发生。
2.3环境的不安全表现
1)正常操作环境。卸车区或加气区有可能形成冷蒸气云,冷蒸气云可对操作人员造成冷麻醉伤害。冷蒸气云与空气中的水分形成云雾,使作业区域可视性差。加气时加气枪和车载气瓶的金属接头的低温可能伤害操作人员。
2)事故环境。LNG泄漏会造成其它设备的冷脆裂、冷变形等现象。发生火灾爆炸时,热辐射强度大,因热辐射使罐内液体蒸发,压力升高直至超压发生爆裂事故。泄露的液体因具有良好的流动性,可能使事故范围扩大。
3)自然环境:①雷电。雷电的放电火花或瞬时高温可引燃泄漏的天然气。感应雷可在金属导体部件之间产生电火花,可以雷电波的形式击穿电气绝缘,毁坏用电设备;脉冲电磁辐射会毁掉微电子技术的设备如信息系统等。②地震。地震力可使LNG储罐基础坍塌,管道断裂,LNG立式储罐受灾程度更大。③风压力和雪压力。风压力和雪压力可对建构筑物或设备造成破坏,如LNG立式储罐、加气罩棚。
3LNG加气站安全设计
1)选址。避开人口密度大的地区及高大建筑物群。场地标高应适当低于周边建筑物场地或城市道路标高,以防止LNG溢出或泄漏后流出界区。场地宜位于城市全年最小频率风向的上风侧、临近有火源存在的设施的上风侧。
2)总平面布置安全设计。在国内无明确规范的情况下可执行ANSI/NFPA52的有关规定。LNG储罐的周围设置拦蓄区,将泄露的流体或流淌火灾限制在一定的区域内。总平面布置时要考虑到方便消防车从场地中进退,方便LNG槽车的进出。
3)建(构)筑物安全设计。建(构)筑物的耐火等级为2级,混凝土及钢构架、管架、支座、螺栓施工完毕后应涂覆耐火层。站内工艺设施的基础,如储罐、低温泵、加气机基础及防护堤应采用抗冻性能好的混凝土,储罐钢支座应作耐低温处理。按照工程所在地抗震设防要求进行抗震设计。
4)工艺安全设计。①工艺流程安全设计:合理确定设计参数;加气时不给储罐升压,而采用车载气瓶自增压系统;设置上进液和下进液方式,对密度小的LNG采用下进液方式,密度大的采用上进液方式。②过程安全装置的设计:储罐设置安全阀自动泄压,防止压力超限;液相管道两个阀门之间设置安全阀,防止管道压力超限;安全阀的泄放量要满足超压泄放要求。站内各工艺设施如储罐、低温泵、工艺管道等设备设有集中放散管。在储罐进液口安装止回阀;在储罐的出液口安装过流阀,在物料流速太快时立即关闭;在储罐的进液、出液、气相口上安装紧急切断阀,事故状态时立即切断。为防止人工误操作,设置联锁机构,如LNG储罐的液位仪表与进液阀设置联锁,最高允许液位时,切断进液装置,防止超装。
5)自动控制及报警系统安全设计。储罐、低温泵、加气机、工艺管道上设置现场和远传仪表,实行在线实时控制。拦蓄区、作业区设置可燃气体泄漏报警器;拦蓄区设置能连续检测LNG泄露的低温探测器;拦蓄区、作业区设置火焰探测器。所有检测、监测仪表与紧急切断系统联锁,当检测到系统工艺参数超限时,立即紧急切断和停车。
6)电气安全设计。按照《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》(GB50058)划定爆炸和火灾危险区域,在此爆炸区域内选择相应防爆级别的电器设备、灯具、电缆等。按照《建筑物防雷设计规范》(GB50057),站内的气体Ⅰ区爆炸危险区划为第二类防雷建筑物,站内信息系统安装的控制室划为防雷击电磁脉冲的LPZ1防雷区,采取防止直击雷、防止感应雷、防止雷电波侵入、防雷击电磁脉冲等防雷措施。
7)灭火系统设计。在拦蓄区、卸车区,加气区设置干粉灭火器,一旦排出的泄漏气体被引燃时,人工快速释放干粉灭火,把事故消灭在萌芽状态。在控制室、配电室等建筑物内设置气体灭火器,如二氧化碳型灭火器等扑灭电气火灾。