摘要：論述了LNG氣化站的工藝流程，LNG的危險性，以及緊急切斷系統(tǒng)、低溫儲罐液位控制系統(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)等安全保護系統(tǒng)的實現方法。
關鍵詞：LNG氣化站；緊急切斷；安全保護
Safety Protection System for LNG Vaporizing Station
LIU Li-bin
Abstract：The process flow of LNG vaporizing station，the risk of LNG and the realization methods of safety protection systems are discussed.The safety protection systems include slam shut system.control system for liquid level of low-temperature gasholder，linkage system for outlet gas temperature of air-heated vaporizer，gas temperature control system after water bath heater and do on.
Key words：LNG vaporizing station；slam shut；safety protection
隨著人類環(huán)境保護意識的增強，對清潔能源的需求也在不斷增加。近年來，我國的能源市場出現了翻天覆地的變化，天然氣的應用越來越廣泛，在某些領域正逐步替代煤和液化石油氣。我國的天然氣資源多分布在東北和西北地區(qū)，消費市場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]，這種能源分布結構使得天然氣的快速發(fā)展受到了限制。雖然我國近年建設了多項天然氣管道輸送工程，如全長4176km的西氣東輸工程、全長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，但是建設長輸管道造價巨大，投入運營后的管理費用很高，而且長輸管道無法覆蓋所有的城市。因此對于中小型城市，采用長輸管道供氣就不是都適宜，而建設1座4臺100m3儲罐的LNG氣化站造價僅為1000×104元左右，這樣的造價對于大多數城市來說是比較經濟的選擇。這也促成了大量LNG氣化站的建設，使我國進入了LNG氣化站建設的高峰期。LNG氣化行業(yè)是我國新興的行業(yè)，LNG氣化站設計、建設及運營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]
通過公路或鐵路運輸將LNG從生產廠或儲存基地運送到LNG氣化站，利用站內的卸車增壓氣化器將LNG槽車內的氣相壓力升高，將LNG通過管道卸至站內低溫儲罐。在LNG氣化站向城市管網供氣時，利用站內儲罐配套的自增壓氣化器，將低溫儲罐壓力升至LNG氣化站工作壓力，一般為0.6MPa，利用這個壓力將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壓、計量、加臭裝置。如果此時的氣態(tài)天然氣溫度低于5℃，就需要經過水浴式加熱器將氣態(tài)天然氣加熱到5℃以上，再送入調壓、計量、加臭裝置。然后，通過站內的調壓、計量、加臭裝置將天然氣調壓、計量、加臭后送入城市中壓管網，為用戶供氣。LNG氣化站工藝流程見圖1。
2 LNG的危險性[1]
在整個氣化過程中，只是將LNG從液態(tài)轉變?yōu)闅鈶B(tài)，沒有發(fā)生復雜的化學變化。雖然氣化站的流程簡單，但是液化天然氣是一種超低溫介質，變成常溫氣態(tài)天然氣后體積擴大約600倍。因此LNG氣化站工作過程中存在著多方面的危險性。
低溫的危險性：LNG的儲存和氣化操作都在低溫下進行，溫度約-162℃。這樣的低溫液體一旦泄漏，會使接觸到的設備遇冷收縮，甚至發(fā)生脆性斷裂，從而使設備破壞，引發(fā)嚴重的事故。低溫LNG輸送管道也經常發(fā)生凍傷操作人員的事故。
火災危險性：天然氣與空氣混合極易形成爆炸性混合氣體，如果達到爆炸極限的混合氣體遇到火源，就會著火燃燒，甚至爆炸。
對人體的危害性：雖然天然氣無毒，但是如果吸進純的LNG蒸氣，人會迅速失去知覺，3～5min后就可能死亡。天然氣泄漏會導致大氣中的氧含量逐漸減少，如果操作人員沒有及時警覺就會慢慢窒息。
因此，LNG氣化站必須采取相應的溫度、壓力、液位、泄漏等方面的檢測和保護措施，以便及時發(fā)現和處理隱患，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)應當使生產系統(tǒng)在出現故障時能迅速進入安全狀態(tài)。對于LNG氣化站，其最安全的模式就是進入停止狀態(tài)。
在LNG氣化站正常工作時，需先打開儲罐自增壓回路閥，使一部分LNG進入自增壓回路，經儲罐自增壓氣化器將LNG氣化后，回到儲罐內氣相空間，以增加儲罐內氣相空間的壓力。當壓力達到系統(tǒng)正常工作壓力時，打開儲罐出液閥，讓LNG進入空溫式氣化器進行氣化。隨著LNG從儲罐中流出，儲罐內氣相空間的壓力會因體積增大而降低。系統(tǒng)為了保持壓力平衡，就會自動從出液口補充LNG進入自增壓回路，通過自增壓氣化器后的氣體又補充進儲罐，使儲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氣化站進入停止狀態(tài)，只需切斷儲罐進出液閥及自增壓回路閥即可。
《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(GB 50028—2006)第9.4.21條規(guī)定：液化天然氣氣化站內應設置事故切斷系統(tǒng)，事故發(fā)生時，應切斷或關閉液化天然氣或可燃氣體來源，還應關閉正在運行可能使事故擴大的設備。
LNG氣化站內設置的事故切斷系統(tǒng)應具有手動、自動或手動自動同時啟動的性能，手動啟動器應設置在事故時方便到達的地方，并與所保護設備的間距不小于15m。手動啟動器應具有明顯的功能標志。
為滿足規(guī)范的要求，在LNG氣化站設計中一般采用低溫長軸氣動緊急切斷閥來實現管道的遠程手動、自動切斷?？梢栽诳刂剖液同F場分別設置緊急切斷按鈕，以便事故發(fā)生時能夠迅速切斷LNG站區(qū)所有氣動切斷閥，以停止LNG供應，確保系統(tǒng)的安全。
4 低溫儲罐液位控制系統(tǒng)[3]
《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》(GB 50028—2006)第9.4.13條規(guī)定：儲罐進出液管必須沒置緊急切斷閥，并與儲罐液位控制連鎖。
根據本條要求，在儲罐上必須設置可以信號遠傳的檢測儲罐液位的儀表設備，并必須在儲罐進出液管上設置可實現遠程控制的緊急切斷閥。在LNG氣化站設計中，這種緊急切斷閥一般選用氣動長軸緊急切斷閥。由于LNG屬于超低溫介質，直接測量液位無法實現，因此通常的做法是選用隔爆型差壓變送器測得儲罐內上下液位的靜壓差，然后根據LNG的密度來計算LNG儲罐內液位的高度。
以150m3的LNG儲罐為例。根據LNG儲罐參數，公稱容積為150m3的LNG儲罐，其幾何容積為157.9m3，最大充裝系數為0.95，該儲罐的最大充裝量為142.5m3。在卸車過程中，當儲罐內工作壓力下LNG體積達到最大充裝量時就必須關閉進液氣動閥。此過程可以由人工來完成，通過觀察液位計的指示值，在液位達到上限時就關閉進液閥。這樣設計就無法避免觀測誤差、計算誤差、操作時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，也無法滿足現代化生產的需求。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現，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強度，而且可以提高控制系統(tǒng)的速度和準確度。把變送器檢測到的液位信號轉換為4～20mA的標準信號，傳送至控制器，通過控制器與設定值進行比較，液位值大于等于設定值時就輸出信號切斷儲罐進液氣動閥，停止儲罐進液，從而實現規(guī)范要求的連鎖切斷功能。
儲罐內膽工作在超低溫環(huán)境中，如果儲罐內沒有LNG，就會使儲罐內膽的溫度上升，下次重新充裝LNG時就需要預冷。為了避免儲罐內膽溫度的頻繁變化，控制系統(tǒng)還需要設置儲罐的低液位報警，當儲罐液位低于總容積的10%對應的液位時要發(fā)出報警信號，提示操作人員及時切斷儲罐出液閥，將其他儲罐投入運行。
5 空溫式氣化器出口氣體溫度連鎖系統(tǒng)[3]
從儲罐流出的LNG進入空溫式氣化器，空溫式氣化器將LNG液體與空氣進行換熱而達到氣化的目的。環(huán)境溫度及氣候條件就成為影響設備運行狀態(tài)的關鍵因素。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行，整個氣化器的溫度便會下降，在LNG入口處的溫度會比環(huán)境溫度低很多，這樣與設備接觸的空氣中的水分就會凝結，隨著空溫式氣化器投入運行時間的增加，氣化器上凝結的水會進一步降溫，導致結冰。這樣隨著時間的推移，空溫式氣化器的結冰面積不斷增大，影響氣化器的傳熱效果，導致其氣化能力下降，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。
實際的環(huán)境溫度變化、設備結冰情況等多方面的因素，都無法用確切的數據來衡量。這種實際情況與設計狀態(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。為了滿足這一要求，可以在空溫式氣化器的出口和入口設置一套溫度檢測報警連鎖系統(tǒng)，即在空溫式氣化器出口管道上設置溫度檢測儀表，在空溫式氣化器進液口設置緊急切斷閥，并將溫度報警信號與緊急切斷閥連鎖。一方面可以隨時監(jiān)視空溫式氣化器的工作狀態(tài)，當出現不正常情況時發(fā)出報警信號；另一方面也可以在空溫式氣化器出口氣體溫度低于設定值時輸出信號，連鎖切斷儲罐出液氣動閥，停止供氣。
雖然空溫式氣化器都有其工作狀態(tài)參數和氣化能力，但是生產廠家也無法保證空溫式氣化器的出口氣體溫度，只能保證設備在輸出流量最大時，其出口氣體溫度盡可能地接近環(huán)境溫度。因此在設計時，考慮到設備運行的安全性，通常要根據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警設定值。如果極端最低溫度比較低，為了保護下游設備的安全，這個溫度設定值也不應低于下游設備及管材正常工作時的最低承受溫度。
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計溫度比環(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當在-15℃以上。這里條件中環(huán)境溫度是一個極限情況，而且空溫式氣化器也是工作在最大負荷下，因此在實際情況下，空溫式氣化器出口溫度就應當比-15℃要高。在設計的時候，我們通常要把各種不利因素都考慮進去，還考慮一定的余量，將出口氣體溫度的報警設定值設置為比環(huán)境溫度低8～10℃。按照上面例子中的環(huán)境條件，空溫式氣化器出口溫度報警設定值應為-18～-20℃，即當空溫式氣化器出口氣體溫度低于-20℃時，就可以斷定該空溫式氣化器已經不在正常工作狀態(tài)了，可能是由于空溫式氣化器結冰太厚或是其他原因，導致其傳熱能力下降而不能滿足正常工作需求，需要進行安全保護。這時為了保證LNG氣化站的供氣安全，控制器就要輸出信號切斷空溫式氣化器進液氣動閥，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行的要求，就需要對其進一步加熱。常用的設備是水浴式加熱器，通過低溫天然氣與熱水進行換熱，以提高天然氣溫度?？梢栽O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。其中熱水鍋爐提供恒溫熱水，熱水循環(huán)泵提供熱水在系統(tǒng)中循環(huán)的動力，變頻器改變熱水循環(huán)泵的轉速。當來自空溫式氣化器的天然氣溫度或流量改變時，會導致水浴式加熱器的出口氣體溫度發(fā)生變化，溫度變送器測得溫度的變化，將此信號送至溫度控制器。溫度控制器將測量值與設定值進行比較，然后根據偏差信號進行運算后，將控制指令發(fā)送給變頻器，變頻器接到信號后會改變對循環(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，在生產區(qū)內可能發(fā)生天然氣泄漏的位置應設置燃氣泄漏報警器，實時監(jiān)測環(huán)境空氣中的可燃氣體濃度。當環(huán)境空氣中可燃氣體濃度超過設定值時，將報警信號遠傳至控制室，發(fā)出聲光報警，提示操作人員采取相應的緊急措施。為了下游用戶的用氣安全，還需要設置自動加臭系統(tǒng)，以方便用戶及早發(fā)現天然氣的泄漏，避免事故發(fā)生。
8 結論
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，但是LNG氣化站的安全運行不能單憑可靠的控制系統(tǒng)。在LNG氣化站設計中，合理進行功能分區(qū)，將生產區(qū)、輔助區(qū)合理分開；選擇與防爆等級相適應的儀表及設備，保證站區(qū)供電系統(tǒng)的安全可靠性；在運營過程中對站內工作人員進行定期培訓，使其了解LNG特性及可能產生的危害和影響，了解防護用品的作用及正確使用方法；編制事故應急處理預案等，都可以為LNG氣化站的安全運營提供不同方面的安全保障。
參考文獻：
[1] 朱昌偉，馬國光，李剛.LNG氣化站的安全設計[J].煤氣與熱力，2007，27(7)：20-23.
[2] 吳創(chuàng)明.LNG氣化站工藝設計與運行管理[J].煤氣與熱力，2006，26(4)：1-7.
[3] 趙淑君，朱萬美，王麗娟.LNG的應用與氣化站設計的探討[J].煤氣與熱力，2005，25(8)：36-38.
(本文作者：劉力賓 新奧集團廊坊設計院 河北廊坊 065001)
贊 賞 分享
您可以選擇一種方式贊助本站
支付寶轉賬贊助
微信轉賬贊助
