小型移动式LNG橇装回收站防火间距探讨

刘盛兵 刘坤 唐春凌 赵松 孙明炬 王礼翔 谢仲海

1.中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院 2.四川天宇石油环保安全技术咨询服务有限公司 3.中国石油西南油气田公司成都天然气化工总厂

进入21世纪后，对能源的需求不断增加，液化天然气(LNG)产业发展迅猛，LNG站场日益增多，站场的安全问题随之凸显。当前，我国投产的LNG生产装置朝大型化和小型化两个方向发展:大型化生产装置通过增加产能、降低能耗来实现，产能普遍在50×104m3/d以上，常采用EPC模式，建设周期长，总体投资大，均为固定式装置；小型化生产装置通过降低投资、增加效率来推广，常为小型移动式LNG橇装回收装置，产能为(5～10)×104m3/d，具有集成度高、建设周期短、安装方便、移动灵活、成本较低等显著优势[1-4]。对陆上零散的天然气资源及非常规气资源来说，建设长输管道不具备经济性，使用小型橇装液化设备可以有效地提高国产天然气资源的利用效率。小型移动式LNG橇装回收装置在塔里木油田、吐哈油田、江苏油田、长庆气田、西南油气田等油气田的零散气井均有回收零散天然气的应用[5-10]。

LNG的储存温度很低，在-162 ℃左右，此外还具有易燃、易爆、易扩散等特点，被列为甲类火灾危险性物品。LNG的泄漏一方面可能造成低温冻伤、窒息等危害，泄漏到水面上还可能造成快速相变(RPT)爆炸；另一方面，泄漏出来的LNG蒸汽云一旦遇到火源将引发池火、喷射火、蒸气云爆炸和扩散等。

1 小型移动式LNG橇装回收站工艺流程及现行标准

1.1 小型移动式LNG橇装回收站工艺流程

根据零散气井气质的不同，目前小型移动式LNG橇装回收站生产工艺有两种：原料气含重烃或不含重烃生产工艺流程。

含重烃工艺流程：井口原料气经调压过滤计量后顺序进入“脱酸气单元”“脱水脱汞单元”“脱重烃单元”“预冷单元”，最后进入“低温液化单元”液化成LNG，输入装车区，装车拉运。此外，回收站还设置有辅助和公用工程单元：燃料气及BOG回收单元、导热油单元、重烃缓冲罐单元、仪表空气与制氮单元、脱盐水与污水储存单元、冷剂压缩单元、安全泄放单元和燃气发电机单元。其工艺流程如图1所示。

不含重烃工艺流程与含重烃工艺流程区别在于少了脱重烃和预冷两个单元。

1.2 小型移动式LNG橇装回收站现行标准

根据GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》第10章10.2.5条“1 液化天然气储存总容量不大于3 000 m3时，可按本规范表3.2.2和表4.0.4中的液化石油气站场确定”[11]，即表5.2.1规定“集中控制室与甲、乙类厂房和密闭工艺装置的距离不小于25 m，车间办公室、仪表控制间与甲、乙类厂房和密闭工艺装置的距离不小于15 m”；LNG工艺设备间防火间距按GB/T 20368-2021《液化天然气( LNG) 生产、储存和装运》确定[12]，即第5.5.1节规定“含有LNG、致冷剂、易燃液体和可燃气体的工艺设备与点火源、集中控制室、仪表控制间、办公室、厂房和其他有人建、构筑物的距离不应小于15 m。”和第5.6.3节规定“除与装卸操作有直接关联的设备外，LNG和易燃制冷剂的装卸臂到不受控制的点火源、工艺区、储罐、控制室、办公室、车间和其他有人设施或重要站场设施的距离应不小于15 m。”

目前，小型移动式LNG橇装回收站的防火间距是根据GB 50183-2004和GB/T 20368-2021的规定，按照五级站场标准进行平面布置。但因GB 50183-2004针对LNG主要采用的是美国标准NFPA 59A-2001《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》[13]，GB/T 20368-2021主要采用的是美国标准NFPA 59A-2016《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》[14]，两个标准存在原文转化与实际情况不匹配的问题，故针对性不够强。同时，GB 50183-2004规定，LNG站场的区域布置除满足标准规定的防火间距外，尚应按“国际公认的液化天然气燃烧的热辐射计算模型和高浓度气体扩散模型”进行校核。本研究重点针对移动式LNG橇装回收站内LNG设施泄漏发生不同事故情况下模拟计算其影响距离，并与标准规定的集中控制室、装车区值班室与LNG设施的间距进行对比，提出防火间距建议。

2 事故后果模拟计算

2.1 计算模型

本研究采用软件PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)对气体扩散影响距离进行模拟计算。PHAST是挪威DNV Technical公司开发的一款专门用于石油石化和天然气领域危险分析和安全计算的软件。该软件内嵌了多种计算模式，包括泄放扩散、燃烧、爆炸和毒气扩散等，其计算范围较广，可以快速地模拟事故的各种数据，计算结果与试验数据也较为吻合。PHAST软件中气体扩散部分的计算一般运用PHAST UDM(Unified Dimensional Model)模型来计算泄漏及扩散。UDM 为一种复合模型，分为准瞬时模型和有限时间修正模型两种，模型以距离和时间作为关键变量，通过一系列代数方程来描述云团的扩散状态[15-18]。

2.2 计算标准

2.2.1热辐射标准

热辐射采用GB/T 22724-2008 《液化天然气设备与安装 陆上装置设计》规定的界区内池火焰热辐射和喷射火焰热辐射影响距离[19]。池火焰热辐射和喷射火焰热辐射取值说明见表1和表2。

表1 池火焰界区内允许的热辐射界区内的设备最大热辐射/(kW·m-2)相邻压力储存容器和工艺设施的外表面15控制室、维修间,实验室,仓库、装车区值班室等8行政办公楼5

表2 喷射火焰界区内允许的热辐射界区内的设备最大热辐射/(kW·m-2)训练有素的操作人员只为维护才会进入的禁区内火焰底部9行政办公楼,控制室、维修间、实验室、库房等、道路及露天场所,储罐和工艺设备5城区3

2.2.2蒸气云爆炸冲击波超压标准

蒸气云爆炸冲击波依据GB/T 20368-2021附录A和附录B，取值说明按表3确定。

表3 站场界区和有人场所爆炸超压限值爆炸超压超压值/kPa后果暴露区域6.9对非抗爆建筑物内的人员造成不可逆转伤害工艺装置区集中控制室和装车区值班室13.8对人造成直接影响站场界区线(考虑设计泄漏工况的蒸汽云爆炸)

2.2.3蒸气云扩散标准

蒸气云扩散依据GB/T 20368-2021附录A和GB 50183-2004第10.3.5条，蒸气云扩散影响距离取蒸气云扩散爆炸上限、爆炸下限和爆炸下限50%的最远距离。LNG主要成分为甲烷，其爆炸极限范围为5%～15%，本研究取甲烷的爆炸上限为15%、爆炸下限为5%和爆炸下限50%为2.5%。

2.3 模拟计算条件

2.3.1处理规模

根据气田实际应用情况，目前小型移动式LNG橇装回收站单套回收装置处理规模为5×104m3/d和10×104m3/d两种类型，本研究以实际运行的两种处理规模回收装置参数进行模拟计算，模拟计算参数分别见表4和表5。

表4 处理规模为5×104 m3/d的计算参数设备设计压力/MPa运行压力/MPa温度/℃连接管道直径/mm备注冷箱4.203.75-16250容积1 m3LNG管道1.000.25-16280管长(100 m、200 m)LNG槽车0.700.10-16250容积20 m3

表5 处理规模10×104 m3/d的计算参数设备设计压力/MPa运行压力/MPa温度/℃连接管道直径/mm备注冷箱5.604.50-16250容积1 m3LNG管道1.000.25-16280管长(100 m、200 m)LNG槽车0.700.10-16250容积50 m3

2.3.2泄漏孔径

根据装置连接管线情况，分别选取小孔(直径5 mm)、中孔(直径25 mm)、大孔(直径50 mm，连接管道DN50 mm为完全破裂)、完全破裂(LNG管道为DN80 mm或槽车储罐完全破裂)进行模拟。

2.3.3气象条件

依据GB/T 22724-2008 第4.4.5.2条，选取扩散的天然气条件：风速2 m/s，大气稳定度F，空气湿度50%。

2.4 模拟计算结果

2.4.1池火热辐射模拟

LNG管道、槽车和冷箱池火热辐射计算结果见表6。

表6 LNG管道、槽车和冷箱池火热辐射计算结果设备名称破裂程度影响距离/m热辐射为5 kW/m2热辐射为8 kW/m2热辐射为15 kW/m2LNG管道(管长100 m)小孔---中孔252319大孔423631完全破裂363024LNG管道(管长200 m)小孔---中孔312723大孔524537完全破裂473931LNG槽车(容积20 m3)小孔---中孔201917大孔867461完全破裂201165125LNG槽车(容积50 m3)小孔---中孔222019大孔1038872完全破裂282231174冷箱(处理规模5×104 m3/d)小孔、中孔、大孔、完全破裂---冷箱(处理规模10×104 m3/d)小孔、中孔、大孔、完全破裂--- 注:表中“-”表示未形成池火。

由表6可知，小型移动式LNG橇装回收站内LNG管道和LNG槽车发生小孔泄漏、冷箱在各种泄漏孔径情况下，LNG泄漏时直接汽化，不能形成池火。在此种情况下，站场内集中控制室、装车区值班室与LNG设施无防火间距要求。

2.4.2喷射火热辐射模拟

LNG管道、槽车和冷箱喷射火热辐射计算结果见表7。

表7 LNG管道、槽车和冷箱喷射火热辐射计算结果设备名称破裂程度影响距离/m热辐射为3 kW/m2热辐射为5 kW/m2热辐射为9 kW/m2LNG管道(管长100 m)小孔151312中孔645649大孔11810591完全破裂625548LNG管道(管长200 m)小孔151312中孔645649大孔11810591完全破裂625548LNG槽车(容积20 m3)小孔181614中孔786961大孔144128112完全破裂---LNG槽车(容积50 m3)小孔181614中孔786961大孔144128112完全破裂---冷箱(处理规模5×104 m3/d)小孔242219中孔1039282完全破裂193171151冷箱(处理规模10×104 m3/d)小孔252220中孔1069584完全破裂198176156 注:表中“-”表示未形成喷射火。

由表7可知，小型移动式LNG橇装回收站的LNG设施发生小孔泄漏时，喷射火焰热辐射为5 kW/m2时，影响距离最近为13 m，最远为22 m。

2.4.3蒸气云爆炸模拟

LNG管道、槽车和冷箱蒸气云爆炸模拟计算结果见表8。

表8 LNG管道、槽车和冷箱蒸气云爆炸模拟计算结果设备名称破裂程度爆炸冲击波最远影响距离/m超压6.9 kPa 超压13.8 kPaLNG管道(管长100 m)小孔1815中孔137108大孔155123完全破裂125101LNG管道(管长200 m)小孔1815中孔161131大孔183143完全破裂163136LNG槽车(容积20 m3)小孔2925中孔230191大孔443364完全破裂403310LNG槽车(容积50 m3)小孔2925中孔230192大孔464385完全破裂548385冷箱(处理规模5×104 m3/d)小孔3026中孔175143完全破裂210167冷箱(处理规模10×104 m3/d)小孔3026中孔176143完全破裂209167

由表8可知，小型移动式LNG橇装回收站的LNG设施发生小孔泄漏时，LNG气化形成的天然气云团爆炸冲击波超压6.9 kPa时，影响距离最近为18 m、最远为30 m。

2.4.4蒸气云扩散模拟

LNG管道、槽车和冷箱蒸气云扩散模拟计算结果见表9。

表9 LNG管道、槽车和冷箱蒸气云扩散模拟计算结果设备名称破裂程度风速2 m/s、稳定度F条件下,扩散最远影响距离/m爆炸下限50%爆炸下限LNG管道(管长100 m)小孔198中孔8261大孔8560完全破裂8246LNG管道(管长200 m)小孔198中孔9468大孔11084完全破裂11164LNG槽车(容积20 m3)小孔239中孔14397大孔274197完全破裂247166LNG槽车(容积50 m3)小孔239中孔14397大孔288202完全破裂371253冷箱(处理规模5×104 m3/d)小孔2911中孔10674完全破裂11590冷箱(处理规模10×104 m3/d)小孔2912中孔10874完全破裂11791

由表9可知，小型移动式LNG橇装回收站的LNG设施发生小孔泄漏时，LNG气化形成的天然气云团扩散达到爆炸下限50%(体积分数,下同)，可爆云团扩散影响距离最近为19 m、最远为29 m。小型移动式LNG橇装回收站内LNG设施发生小孔泄漏时，LNG气化形成的天然气云团爆炸上限、爆炸下限和爆炸下限的50% 3种体积分数的扩散侧视图分别如图2～图7所示。其中，红线为爆炸上限扩散侧视图，绿线为爆炸下限扩散侧视图，蓝线为爆炸下限的50%扩散侧视图。

3 模拟计算结果分析

3.1 采标依据分析

小型移动式LNG橇装回收站人员集中场所为工艺装置区集中控制室和装车区值班室两个点，根据标准中对人员集中场所影响距离标准规定，站场界区内池火热辐射值取8 kW/m2，喷射火热辐射取5 kW/m2，蒸气云爆炸冲击波超压取6.9 kPa，蒸气云扩散取爆炸下限50%。

根据国际油气生产协会对事故状况下工艺管道泄漏概率统计[20]，对于DN50管道只会出现小孔泄漏和中孔泄漏，不会出现大孔泄漏和破裂两种类型。小孔泄漏和中孔泄漏概率分别为91.25%和8.75%；对于DN150管道只会出现小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏，不会出现破裂类型，小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏概率分别为90.78%、7.1%和2.12%。小型移动式LNG橇装回收站处理规模((5～10)×104m3/d)LNG工艺管道只有DN50 mm和DN80 mm两种类型，小孔泄漏概率占90%以上，事故后果影响距离以小孔泄漏影响距离为主。

3.2 小孔泄漏统计分析

LNG管道、LNG槽车和冷箱小孔泄漏影响距离统计见表10。

表10 LNG管道、LNG槽车和冷箱小孔泄漏影响距离统计表设备名称影响距离/m池火热辐射为8 kW/m2时喷射火热辐射为5 kW/m2时蒸气云爆炸冲击波超压6.9 kPa时蒸气云扩散至爆炸下限50%时LNG管道(管长100 m)-131819LNG管道(管长200 m)-131819LNG槽车(容积20 m3)-162923LNG槽车(容积50 m3)-162923冷箱(处理规模5×104 m3/d)-223029冷箱(处理规模10×104 m3/d)-223029 注:表中“-”表示未形成池火。

根据表10统计可知：在小孔泄漏条件下，LNG管道、LNG槽车、冷箱均未形成池火，无防火间距要求；当喷射火热辐射为5 kW/m2时，LNG管道、LNG槽车、冷箱热辐射影响距离分别为13 m、16 m和22 m；当蒸气云爆炸冲击波超压6.9 kPa时，LNG管道、LNG槽车、冷箱爆炸冲击波影响距离分别为18 m、29 m和30 m；当蒸气云扩散至爆炸下限50%时，LNG管道、LNG槽车、冷箱蒸气云扩散影响距离分别为19 m、23 m和29 m。

3.3 小型移动式LNG橇装回收站防火间距建议

根据上述模拟计算结果，LNG管道、LNG槽车、冷箱发生泄漏事故时，影响距离大于标准规定的15 m，建议小型移动式LNG橇装回收站内集中控制室、装车区值班室与LNG管道、LNG槽车、冷箱的防火间距分别为20 m、30 m、30 m，站场其他密闭工艺装置防火间距按GB 50183-2004和GB/T 20368-2021确定。

4 结论与建议

本研究根据气田实际应用情况，针对不同处理规模的小型移动式LNG橇装回收站，选取LNG设施(LNG管道、LNG槽车、冷箱)发生泄漏时引发池火热辐射、喷射火热辐射、蒸气云爆炸冲击波和蒸气云扩散不同情况进行模拟计算。

根据模拟计算结果，小型移动式LNG橇装回收站内LNG管道、LNG槽车、冷箱发生小孔泄漏时不同事故情况下最大影响距离分别为19 m、29 m和30 m，即站内有人值守集中控制室、装车区值班室与LNG管道、LNG槽车、冷箱的防火间距至少保持19 m、29 m和30 m。

GB 50183-2004和GB/T 20368-2021规定集中控制室与密闭工艺装置的距离不小于25 m，装车区值班室与密闭工艺装置、装车工艺设施的距离不小于15 m，对工艺管道无具体要求。根据模拟计算结果，建议站内集中控制室、装车区值班室与LNG管道、LNG槽车、冷箱分别为20 m、30 m、30 m，此间距可作为制定小型移动式LNG橇装回收站内集中控制室、装车区值班室与LNG设施防火间距的参考。

对于固定式LNG橇装回收站，站场外部安全防护距离建议按照GB/T 20368-2021附录B采用定量风险分析进行模拟计算确定。