大型LNG 储罐安全性分析与控制措施

刘培峰(中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东 青岛 266400)

1 背景与意义

近年来，在国家能源结构优化、产业结构升级和环境污染治理的推动下，LNG 作为最现实的清洁替代能源，在国家能源消费中的地位迅速提升。为了满足LNG 日益增长需求，我国相继建设了广东深圳大鹏LNG 接收站、福建莆田LNG 接收站、江苏如东LNG 接收站、山东青岛LNG 接收站等。由于LNG 具有易燃、易爆、低温等特性，LNG 储罐作为LNG 主要存储设备，是生产运行过程中的重大危险源。

在LNG 行业发展史上，发生过许多事故。虽然因为LNG储罐原因引起的事故相对较少，但是一旦发生事故，特别是火灾爆炸，将会造成严重的人员伤亡、经济损失与环境污染。比如LNG 行业发展史上首起重大事故就是由于LNG 储罐材料失效引起的，该事故发生在美国克利夫兰，LNG 泄露爆炸，131 人死亡。除此例事故外，1971 年意大利拉斯佩齐亚，因充装错误导致罐内翻滚爆炸，4 人死亡；1973 年美国纽约储罐检修时绝热材料燃烧，储罐超压爆炸，40 人死亡；1985 年美国阿拉巴马州，储罐焊口断裂，LNG 泄漏后点燃，6 人重伤；1993 年英国曼彻斯特，LNG 翻滚导致150t 天然气排空等[1]。

我国LNG 行业起步相对较晚，已颁布的关于LNG 储存的标准较少，LNG 储罐储存的安全性显得尤为重要。文章将结合某LNG 接收站实际情况，分析LNG 储罐的危险特性，并提出相应安全控制措施，希望为其他大型LNG 储罐的安全控制提供借鉴。

2 安全性分析

LNG 是以甲烷为主的低温液体混合物，常压下温度约为-162℃，泄漏遇到空气后会形成大量白色蒸气云，因其无毒、无色、无味，当完全汽化后不易被人察觉。在储存过程中，易存在以下安全问题。

2.1 翻滚

LNG 储罐在储存过程中，翻滚是一种非稳定现象。主要是由于新注入的LNG 与密度不同的底部LNG 混合不充分，形成两个稳定的分层或单元，但是底部的密度大于上部密度。随后，由于储罐的传热，使储罐内液体形成自然对流循环，循环使各层液体密度不断变化，当相邻两层密度近似相等时，会发生强烈混合，导致LNG 的大量汽化引发事故。如果上下密度差达到0.8kg/m3以上或温度差0.3℃以上，就可能出现翻滚现象[2]。

2.2 泄漏

LNG 泄漏具有极大危险性，可造成现场操作人员冻伤、窒息等伤害，如被引燃会引发火灾或爆炸，严重威胁人身安全与生产安全。泄漏的产生主要由于操作人员操作失误或者设备损坏等原因引起。在焊缝、阀门、法兰连接处等容易发生泄漏，在泄漏处会形成可见雾团[3]。

2.3 火灾爆炸

产生燃烧具有三个必要条件：可燃物、助燃物、点火源[4]。当作为可燃气体的天然气遇到空气后，当达到其燃烧的范围5%～15%之间，遇到明火即会发生燃烧，如发生在受限空间易引发爆炸。在生产中，为防止火灾与爆炸的产生，要从点火源、可燃物、助燃物三方面着手。点火源主要避免明火、电火花、静电等；可燃物主要密切监控可燃气泄漏，以及禁止可燃材料存放在危险区域；助燃物主要配置消防设施，当发生火灾时，在最短时间内减少空气对流。

3 控制措施

3.1 防翻滚控制

每台储罐采用1 套LTD(液位—温度—密度)检测系统，测量罐内LNG 的上、下密度分布[5]。LTD 由数字逻辑单元和电机驱动单元组成，可在LNG 储罐内垂直移动、测量，测量可用人工或自动两种方式完成。LTD 可以提供液位、温度、密度数据，操作人员可以通过其了解储罐某一液位下的密度与温度，通过配合使用防翻滚软件，判断罐内液体是否发生翻滚，有效防止翻滚的产生。

此外，储罐设有两条进料管线，分别从顶部和底部填充LNG。工艺人员通过对新注入LNG 密度进行分析，保证高密度LNG 从顶部进料，低密度LNG 从底部进料。同时，可以通过低压泵打回流的方式，保证上下层LNG 的充分混合。

3.2 压力控制

每台储罐均设有压力测量仪表。为了减少外界大气压力变化对储罐压力的影响，采用绝压压力变送器测量储罐气相压力，控制BOG 压缩机的负荷。采用表压压力变送器测量储罐气相压力控制真空阀和排火炬的调节阀。储罐压力除正常操作压力范围外，设有压力高与低报警值、高高与低低报警值[6]。其控制过程描述如下：

(1)正常情况下，通过控制BOG 压缩机的负荷调节储罐压力，将储罐压力控制在正常范围内。

(2)当储罐压力升高，超过正常操作压力范围并达到压力高报警值时，DCS 会显示压力高报警，并开始排火炬。若压力继续升高，并达到高高报警值时，会触发SIS 系统气相压力高高三取二联锁，关闭卸船管道上的切断阀，停止卸船；切断返回储罐的NG。若储罐压力继续升高，达到储罐设计压力，将打开储罐压力安全阀，排大气。

(3)当储罐压力降低，低于正常压力操作范围并达到压力低报警值时，DCS 会显示压力低报警，操作人员手动停BOG 压缩机。若压力继续降低，并达到低低报警值时，会触发SIS 系统压力低低三取二联锁，停罐内泵和BOG 压缩机。若此后压力仍继续降低，将打开自气化后的天然气总管上的返回补气线的控制阀，开始补气。若采取以上措施储罐压力仍不可控，持续降到一定值后，真空阀打开，破真空。

3.3 液位控制

储罐通过两台伺服液位计和一台雷达液位计控制自身液位，实现其安全操作[7]。当液位达到高高液位时，两台伺服液位计会输出高高报警信号，它与雷达液位计的报警组成三选二逻辑，作为联锁信号，用于储罐入口管线切断联锁以及卸料区域停车。当液位达到低低液位时，两台伺服液位计会输出低低报警信号，组成二选一逻辑，作为联锁信号，用于停低压泵和关闭罐内泵出口管线切断阀。

3.4 泄漏及消防措施

储罐设置一套独立DCS 系统之外的FGS 系统用于对火灾及可燃气体、液体泄漏进行预警，最大地降低火灾对人员、设备的损害。

罐区FGS 系统包括以下几部分：手动报警、可燃气体检测、低温检测、火焰探测、水喷淋系统、泡沫系统、干粉灭火系统、辅助操作台。

(1)手动报警。每台储罐在罐底与罐顶均安装有手动报警开关，当现场发现火灾情况时，操作人员可按下触发报警。当在罐顶触发时，除声光报警外，还会启动现场雨淋阀，输出报警信号至SIS 系统，造成罐区停车。

(2)可燃气体检测。每台储罐安装有13 台可燃气体检测器，用于检查可燃气体泄露，当3 台可燃气体报警器同时报警会触发联锁保护，启动现场雨淋阀，并输出报警信号通讯到SIS 系统，造成储罐联锁停车。

(3)低温检查。储罐采用平均温度计和多个表面检测点进行表面温度监测，温度检测点分别分布在储罐罐底表面、内罐外壁、热角保护等处，所有温度点均通讯至DCS 系统，其中环隙空间温度点从DCS 系统通讯至FGS 系统，当环形空间温度低于设定报警值时，FGS 系统操作画面会出现泄漏报警。

(4)火焰探测。储罐在罐顶安装两台火焰探测器，当一台检测到火灾信号时，会产生声光报警，两台同时检测到火灾信号，除声光报警提示外，会启动干粉灭火系统，并输出报警信号通讯至SIS 系统，造成储罐联锁停车。

(5)水喷淋系统。由水喷淋高压阀、远程雨淋阀手动启动组成、就地雨淋阀手动启动按钮组成，可通过远程、就地启动水喷淋系统。

(6)高倍数泡沫灭火系统。在罐底设置高倍数泡沫灭火系统，主要控制泄漏到集液池内LNG 的挥发[8]。

(7)干粉灭火系统。在罐顶安全阀处设置一套干粉灭火装置，用于控制可能发生的火灾。

(8)辅助操作台。显示现场可燃气体报警、低温检测报警、火灾报警灯信息，并带有声光报警，提示中控室操作人员。同时，操作人员可直接按下按钮远程启动雨淋阀、泡沫罐等消防设施。

4 结语

文章结合某LNG 接收站实际，对LNG 储存过程中危险性进行辨识分析，对可能发生事故进行预测，并提出防翻滚、液位控制、压力控制、泄漏及消防安全控制措施，有效保证接收站安全平稳运行。