液化天然气储罐安全防护技术的研究进展

张淑淑，邢志祥，钱　辉，张　健

(1.常州大学环境与安全工程学院，江苏 常州 213164；2.江苏省特种安全防护产品质量监督检验中心，江苏 泰州 225300；3.江苏省特种设备安全监督检验研究院，江苏 南京 210036)

随着石油和煤炭的可开采量越来越少，世界能源结构逐渐发生重大变化；此外使用石油和煤炭会对环境造成严重的污染，因此开发利用清洁能源迫在眉睫。天然气逐渐走进了人们的视线中，它是一种新型的高效、清洁能源，但具有易燃易爆等特性。液化天然气(LNG)是将气态天然气液化后得到的超低温液体，液化后的液态体积仅为气态时的1/600[1]，因此将天然气液化能减小储存空间和成本，使天然气得到更广泛的应用。LNG储罐是储存LNG的主要设备，其运行时处于超低温状态下且天然气具有易燃易爆等特性，因此LNG储罐极易发生各类事故，一旦发生，其后果影响极为严重。为预防LNG储罐发生事故，不仅应从人为操作上加强安全管理，更应从设计方面考虑储罐的安全防护性能，使其达到本质安全。为此，本文对LNG储罐的主动和被动安全防护技术以及储罐内部填充多孔材料的阻隔防护技术的研究进展进行了综述。

1　液化天然气的事故类型

LNG储运过程中的事故类型包括泄漏、火灾、爆炸、翻滚等，事故后果极为严重，主要有泄漏、闪火、池火、喷射火、蒸气云爆炸、沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)、翻滚。

若LNG泄漏，其中一小部分立即汽化成蒸气，其余泄漏液体流到地面形成液池，液池内液体发生汽化，产生大量蒸气，形成蒸气云[2]。当蒸气体积比为爆炸下限5%及以上时，蒸气云遇火源就会发生燃烧：若蒸气量较少，发生闪火；若蒸气量较多，蒸气被点燃后回燃至液池表面，形成池火；若蒸气一泄漏就被点燃，则发生喷射火[3-4]。当蒸气体积比在爆炸极限(5%～15%)范围以内时，蒸气云遇火源则发生爆炸[2]。当LNG储罐处于火灾环境下且受到撞击或机械失效时，可能发生破裂，若储罐破裂，LNG喷出并急剧汽化，遇火源则发生BLEVE，或者当储罐内部压力过高，发生物理爆炸时，遇火源也会发生BLEVE[5-6]。翻滚的发生是由于外界与液体存在温度差导致储罐内LNG分层被破坏，首先由于LNG密度不同产生分层现象，上分层液体密度较小，下分层液体密度较大；其次储罐从外界吸热，上层液体中的轻组分率先蒸发导致密度增大，而下层液体的变化情况分为两种：第一种是下层液体的温度升高，密度减小，当减小的下层液体密度与增长的上层液体密度接近时，分层界面被破坏，翻滚现象发生；另一种是下层液体的温度降低，密度增大，当上层液体的密度增大到与下层液体密度接近时，便发生翻滚现象[7]。

2　液化天然气储罐主动安全防护技术的研究进展

LNG储罐主动安全防护技术是以防止储罐发生事故而采取的主动防护措施，主要包括采用保温绝热防护措施、压力防护措施、隋性气体抑爆措施以及预防LNG翻滚的措施等。

2. 1　保温绝热防护措施

由于LNG储罐内液体与外界环境之间存在很大的温度差，所以储罐的绝热保冷设计是其安全防护技术最基本的要求。目前，小型LNG储罐大多采用真空绝热或真空粉末绝热，中型、大型及特大型LNG储罐常采用堆积绝热。

LNG储罐需要绝热的部位主要有罐壁、罐底及罐顶的吊顶。罐壁的保冷材料一般选用膨胀珍珠岩或珠光砂，由于内罐壁接触到低温液体发生冷缩现象导致保冷材料下沉，不仅影响上部空间保冷，还会导致内罐壁承受保冷材料带来的外部压力，或者内罐壁因为某种原因发生膨胀也会承受这种压力，通常会在内罐外壁安装一定厚度的弹性玻璃纤维毡来减少内罐壁承受的压力[8]。罐底保冷层分为环形边缘保冷层、中心保冷层两部分，环形边缘保冷层是承受储罐及液体重量的主要部分，所以一般采用混凝土或混凝土与高强度泡沫玻璃砖，而中心保冷层一般采用泡沫玻璃砖[9]。罐顶保冷是在铝吊顶上覆盖保冷材料，因为铝吊顶的刚度较低，所以一般选用导热系数低且密度小的保冷材料，如玻璃棉。

2. 2　压力防护措施

为了防止LNG储罐压力过高或过低时发生事故，应在罐顶安装安全阀和真空阀。

LNG储罐在正常运行时，通过BOG压缩机调节压力使其维持在规定范围内，但当储罐内压力过高时，BOG压缩机便不起作用，此时首先通过调节阀将蒸发气体引入火炬总管，若压力持续升高，达到安全阀的设定值时，则安全阀打开，释放蒸发气体，避免储罐因压力过高发生事故[10]。此外，为了避免阀座结冰导致安全阀无法开启，安全阀须采用先导式安全阀；同时，为了避免压力泄放时外罐拱顶及吊顶受到破坏，安全阀进口管道必须伸到吊顶以下[9]。当储罐内压力过低时，首先通过调节阀向罐内注入干燥天然气或氮气，若压力持续降低，则真空阀打开，向罐内注入空气，但真空阀接管不宜深入到内罐吊顶以下[11]。

由此可见，安全阀和真空阀是维持LNG储罐内压力在正常范围内的最后一道防线，对保护储罐的安全起着不可或缺的作用。但安全阀的保护功能过于单一，当储罐发生火灾或爆炸等事故时，既不能降低储罐表面温度，也不能扑灭火灾，因此安全阀应配合其他安全防护措施共同使用。

2. 3　惰性气体抑爆措施

LNG储罐内盛装LNG及其蒸发气体，为防止气体混合物达到爆炸极限，在储罐注入LNG前，通常采用氮气置换罐内气体，使储罐内氧气含量满足要求。

2. 4　预防LNG翻滚的措施

LNG的密度差造成的分层是导致翻滚事故发生的根本原因，因此避免分层现象或者及时消除分层现象可避免翻滚事故的发生，具体可以从操作方法和储罐设计方面采取一定的措施[12]：

(1) 选择正确的充注方法，一般来说向储罐内充注LNG的方法有顶部充注和底部充注两种，当新充注的LNG的密度比储罐内原有LNG的密度大时，可采用顶部充注的方法；反之，则采用底部充注的方法。

(2) 充注时的管道和喷嘴应分别采用多孔管和混合喷嘴，使得新注入的LNG和储罐内原有的LNG充分混合。

(3) 在储罐内壁设置LTD探测器，以监测LNG液位、温度、密度的变化，当监测到储罐内LNG的温差大于0.2℃，密度差大于0.5 kg/m3时，就可以认为LNG发生了分层，应立刻启动循环泵，及时消除分层现象。

(4) 采取措施使LNG含氮量不超过1%，并且还要避免含氮量高的LNG在储罐内长期储存。

(5) 将不同气源的LNG分开储存，以避免LNG由于密度差而产生分层现象。

3　液化天然气储罐被动安全防护技术的研究进展

LNG储罐被动安全防护技术是以储罐发生事故后尽可能减少事故的危害为指导，采取的应对措施,主要包括围护措施、消防冷却水防护措施、泡沫覆盖措施、干粉灭火措施、移动式灭火器材灭火措施、隔热物质覆盖措施、隔震减震措施等。

3. 1　围护措施

围堰不仅可容纳泄漏的LNG，还可以抑制LNG蒸发气的扩散，因此须按规范为LNG储罐设置安全围护设施，即围堰，亦称防火堤。

LNG储罐按罐体结构可分为单容罐、双容罐、全容罐，其中单容罐应单独设置围堰，双容罐和全容罐的围堰与外罐相连[13]。我国相关规范和美国防火协会标准(NFPA59A)规定[14-15]：单容罐的外围应设置围堰，且围堰距单容罐内罐的距离应≥储罐最高液位-围堰高度+液面上蒸气压的当量压头；NFPA59A还规定：围堰必须选择混凝土等耐低温材料建造。此外，吕凤芹[13]介绍了LNG厂站工程中常规围堰区的分类、存在的问题以及围堰区的优化设计。

3. 2　消防冷却水防护措施

当LNG储罐发生火灾时，产生的热辐射会对周围的人和设备设施造成危害，同时储罐受到烘烤，罐体强度下降，若储罐突然开裂，大量液体喷出，会发生严重的BLEVE，因此必须控制蒸发气体的浓度，防止储罐发生火灾；若LNG储罐发生火灾，必须对储罐及其管道进行冷却，水流可以冷却储罐，吸收火灾产生的热量，防止火灾演变成BLEVE。消防冷却水防护措施有水幕、水喷淋、水喷雾、固定消防水炮及室外消火栓，其中水幕、水喷淋和水喷雾的区别在于使用的喷头的结构和性能不同。

(1) 水幕。LNG储罐发生火灾的本质原因是储罐发生泄漏产生蒸发气体，其浓度达到了燃烧下限并遇到着火源，如果可以稀释气体浓度使其低于燃烧下限，火灾就不会发生，水幕法正是一种简单、可以稀释气体浓度的方法。水幕系统主要包括水幕喷头、管道和控制阀等，它的工作原理是通过形成水幕来稀释气体浓度，使其低于燃烧下限，或者是当发生火灾时，也可起到防火幕的作用[16]。水幕有扇形水幕、向上实心锥形水幕、向下实心锥形水幕3种，其主要缺点是容易受环境风影响且热交换少；若同时使用3种水幕，则用水量较多，且与只使用向上实心锥形水幕相比，控制效果并无明显差别；综合来讲，水幕控制LNG蒸气效果从好到差的排序依次为：向上实心锥形水幕、扇形水幕、向下实心锥形水幕[17-19]。EN1473标准中对水幕的要求有：①根据风险评估结果确定水幕系统布置的位置，可设置在靠近可能发生LNG泄漏的地方，但是要避免水进入到LNG；②建议水流速度为70 L/(min·m)[16]。

(2) 水喷雾或水喷淋。设置水喷雾或水喷淋系统的主要目的是当LNG储罐发生火灾时，对储罐进行冷却降温，防止形成BLEVE，该系统主要由雨淋控制阀、管道、喷头、火灾报警系统等组成。水喷雾系统喷出的细小水雾滴粒径小于1 mm，水喷淋系统喷出的细小水雾滴粒径为1～2 mm，前者先以水雾阻挡辐射热通过，降低热量传递效率，再对壁面进行冷却，后者直接以水流方式作用于罐壁；两者相比较，水喷雾系统由于喷出的水滴粒径小，有更好的吸热作用和窒息效果，大大提高了水的利用率[20]，但正是由于这种优点，也导致了其喷出的细水雾易受风速和火灾热流的影响。《水喷雾灭火系统技术规范》(GB 50219—2014)[21]给出了设置水喷雾系统的参数，其中第3.1.2条指出：当LNG储罐为单容罐、双容罐时，应在罐壁、罐顶设置水喷雾系统；当LNG储罐为全容罐时，应在罐顶泵平台、管道进出口等局部危险部位及管带处设置水喷雾系统，用于水冷却保护或吹散稀释该处的泄漏物质。设计水喷雾强度应从该规范中查找，无论是哪种形式的储罐，水喷雾系统的持续供给时间最低为6 h[21]。文献[22]指出当双容罐外罐为混凝土时，不需在罐壁设置水喷雾系统，只需在罐顶设置即可。水喷雾系统喷头数量应依据规范第7.1.1条和第7.1.2条确定，且应使水雾直接喷向并覆盖储罐外壁，且与外壁之间的距离最大为0.7 m[21]。文献[23]指出一个储罐的消防用水量在设计水量基础上还应考虑20%的风吹和系统损失量。

(3) 固定消防水炮及室外消火栓。固定消防水炮及室外消火栓都是在LNG储罐发生火灾时，以水流的方式作用于罐壁，其缺点是耗水量大，水的利用率低。水喷淋或水喷雾系统的喷头容易堵塞，且在发生火灾或爆炸时易受到损坏，此时可以采用固定消防水炮及室外消火栓冷却来保护储罐。每个室外消火栓旁都要配备一个消火栓箱，箱内装有消防水枪及消防水带，其缺点是火灾产生的热辐射会使人员很难操作且容易对人体本身造成伤害。

3. 3　泡沫覆盖措施

LNG储罐的集液池或围堰应设置高倍数泡沫系统，它能有效地驱散蒸发气体，当发生火灾时，能迅速形成泡沫覆盖层,以减少火焰向液池传递热能，使蒸发速度减慢[24]。高倍数泡沫系统由高倍数原液罐、过滤器、控制阀、管道、泡沫比例混合器、泡沫发生器、火灾报警系统等组成，其中泡沫混合液供给强度不宜小于7.2 L/(min·m2)，供给时间不宜小于40 min，且其在泄漏液体上的覆盖厚度不应小于0.6 m，以有效地保护池内的LNG不至于挥发；高倍数泡沫系统宜选用相同的泡沫发生器，且应布置均匀[25]。

2009年，MKOSPC的Yun[26]的研究表明：采用发泡倍数为500∶1的高倍数泡沫抑制LNG蒸发的效果最好，同时高倍数泡沫的有效淹没深度最小为0.64 m。目前，安格斯消防公司生产的FT高倍数泡沫系统与他们生产的Expandol泡沫液配合使用，不仅泡沫使用量较小，而且能更好地达到驱散易燃蒸气及控制燃烧的效果[24]。

3. 4　干粉灭火措施

当LNG储罐超压，安全阀打开将超压气体排至大气时，安全阀附近就存在火灾的危险，因此应在安全阀出口处设置干粉灭火系统。干粉灭火系统由干粉罐、氮气瓶、减压阀、干粉输送管道及喷头组成，它是通过干粉在高压气体的带动下喷向火源，通过吸收火焰中的OH自由基和H自由基，稀释燃烧周围的氧气浓度，使燃烧中断[27]。根据《干粉灭火系统设计规范》(GB 50347—2004)[28]第3.1.5条的规定：干粉灭火系统宜采用碳酸氢钠干粉灭火剂。由于干粉灭火系统设在安全阀附近，考虑到系统自身的安全，设计时应将其设置在安全阀的上风向[29]。目前，储罐安全阀处的干粉灭火系统设计参数取值还未形成统一的标准。

3. 5　移动式灭火器材灭火措施

NFPA59A标准[14]规定：在LNG可能发生泄漏的位置应配备手提式或推车式灭火器。因此，应在罐顶各平台处配置灭火器，灭火器的类型、规格和数量根据《建筑灭火器配置设计规范》(GB 50140—2005)[30]确定。

3. 6　隔热物质覆盖措施

当LNG储罐发生火灾时，为阻隔火灾向储罐传递热量，在储罐外部覆盖一层导热系数小，并能吸热的耐火材料，能有效延缓储罐罐体过热，降低LNG的温升和压升速率[31]。

3. 7　隔震减震措施

在进行LNG储罐设计时，常常要考虑地震情况下储罐的抗震能力，为了增强储罐的抗震能力，就需要采取一些措施来减少地震对储罐本身的影响。目前，已经应用在储罐上的物理隔震减震方法只有橡胶支座，但这种方法有很多缺点，比如对周期长的水平震动容易引发共振，对竖向震动则不起减震作用，而且由于没有相关的标准、规范，使得橡胶支座的推广应用具有很多不确定性，因此有研究者对隔震减震方法进行了研究，如屈长龙等[32]介绍了开发减震消能装置、利用计算机控制技术等其他隔震减震方法的思路。

4　液化天然气储罐内部阻隔防护技术的研究

多孔介质是一种多相物质共存、由固相和气相或液相组成的物质，固相作为固体骨架，液相或气相充满了孔隙空间，作为阻隔防护的多孔介质，孔隙之间必须相互连通[33]。由于多孔材料具有比表面积大、质量轻、体积小、导热性能好等优点，因此近年来越来越被人们所关注，具有广泛的应用前景。Nield等[34]最先开始了多孔介质方面的研究，详细介绍了多孔介质内的自然对流现象;Wang等[35]研究了通道内多孔材料填充位置对流体流动和传热的影响;Mishra等[36]研究了竖直管中的中间区域填充多孔材料后其内部的流体流动规律;Nimvari等[37]研究了通道中心和壁面两个位置放置多孔材料，通道内湍流流动和传热的变化情况；王栋[38]通过数值模拟和试验研究的方法对复合腔体内的自然对流和传热现象进行了研究。类似的研究很多，研究对象大多是管道、复合腔体等，关于储罐内填充多孔材料的研究则相对较少。美国空军的Hogan等[39]和Szego等[40]最先完成了在密闭容器内填充网状铝合金材料抑制可燃气体爆炸的试验，结果表明：填充网状铝合金能够减弱气体爆炸产生的超压；邢志祥等[41]模拟了圆柱形储罐内填充聚氨酯多孔材料后可燃气体火焰传播的情况，并对比了13 L圆柱形密闭储罐现场试验的结果，结果表明：模拟结果与试验结果相吻合，填充物平均孔径越小，阻火抑爆性能越好；田宏等[42-43]只是对填充在液化石油气储罐中的多孔金属材料做了笼统的介绍，并没有通过试验来举证。

目前，虽然多孔材料对密闭气体和液体容器的阻隔抑爆、强化传热作用已经得到各国研究人员的试验和模型验证，但是LNG储罐内部填充多孔材料的相关研究较少，适合于LNG储罐的多孔材料的选择、填充方式、填充密度以及对储罐事故防治机理等都是重要的研究对象。因此，在今后的研究中可采用试验与模拟两种手段，研究多孔材料的最佳填充密度、最佳孔隙率等，也可以通过模拟LNG储罐在外界环境激励下，比较有无多孔材料填充时储罐内部的压力、温度等参数值的变化。

5　结论与展望

目前，保冷材料、安全阀和真空阀、惰性气体、预防LNG翻滚的措施、围堰、消防冷却水系统、高倍数泡沫系统、固定干粉灭火系统、移动式灭火器材、覆盖隔热物质以及隔震减震措施这几种安全防护方式已广泛应用于LNG储罐中，当LNG储罐发生泄漏、火灾爆炸或翻滚等事故时，主动安全防护方式变为被动安全防护，被动安全防护方式变成主动安全防护。每种安全防护方式都有其优缺点，如安全阀和真空阀保护功能过于单一，应配合其他被动安全防护方式共同使用；启动循环泵虽然可以消除分层，但同时也会产生大量蒸发气，导致安全阀频繁开启；将不同气源的LNG分开储存具有局限性，只适用于储罐较多的LNG接收站，对于储罐较少的接收站，无法实现LNG分开储存；水喷雾或水喷淋系统的喷头容易堵塞，同时在爆炸时容易损坏，应配合固定消防水炮及室外消火栓共同使用；高倍数泡沫系统虽然操作费用高，但与水幕系统相比较，其减少热辐射效率非常高；固定干粉灭火系统只对安全阀处进行局部保护；覆盖隔热物质会使初期成本增加，承重结构重量增加，且不利于对储罐外部进行检查；橡胶支座只对水平震动起作用，若水平震动周期较长，则容易引发共振。

虽然LNG储罐内部填充多孔材料的相关研究较少，但是多孔材料在密闭气体和液体容器中阻隔防爆的成功应用使其应用于LNG储罐有很好的研究前景。基于多孔材料具有良好的阻隔防爆效果，在LNG储罐内填充多孔材料，可以减弱储罐内流体的流动；同时，若储罐处于火灾环境下，不仅可以延缓罐体过热，而且可以降低LNG汽化的速率，避免发生BLEVE。在今后的研究中，可以从多孔材料的填充方式、填充种类、填充厚度等问题入手，研究其在储罐中是否具有实用性，是否能起到阻隔防爆及抑制翻滚的作用，以及合理填充等相关问题。因此，我国应深入研究LNG储罐的各种安全防护技术，并借鉴国外先进经验，不断完善LNG储罐安全防护技术，减少储罐事故的发生，使储罐更加安全，以推动我国LNG应用产业的发展。

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