LNG加气站储罐安全风险分析与防治对策

【摘要】液化天然气（LNG）汽车加气站由于工作介质的易燃易爆特性和低温深冷特性、工作环境的特殊性以及周边环境的复杂性，它的安全问题尤为重要。

【关键词】LNG；储罐；安全风险；对策

一、LNG加气站储罐安全风险分析

1、LNG自身安全风险

（1）火灾、爆炸特性

LNG是以甲烷为主的液态混合物，约为-162摄氏度。当天然气与空气混合达到一定体积分数时，就会发生爆炸。

注：天然气火灾危险性类别按照《建筑设计防火规范》划为甲类。

（2）低温特性

LNG在标准大气压下储存温度很低，开始泄露就会吸收地面和周围空气中的热量迅速气化。过一段时间，地面被冻结。在无对流的情况下，周围的空气温度会迅速下降。减慢了气化速度，甚至部分液体来不及气化而被防护堤拦蓄的情况会发生。泄漏后的冷蒸气云或者来不及气化的液体都会对人体产生低温灼烧、冻伤等危害。

（3）窒息

虽然本身没有毒性（长期接触天然气可出现神经衰弱综合症），但是在封闭的区域内因为缺乏通风LNG可以导致窒息。因为纯净的天然气无色、无味、无嗅，如果没有良好的通风环境，天然气将会占据空气中的氧气的空间，使在这个空间中的生物缺氧，从而引发人员窒息事故。

2、LNG加气站储罐的安全风险

（1）LNG储罐因漏热或绝热破坏产生的危险

真空破坏，绝热性能下降，从而使低温储存的LNG因受热而气化，储罐内压力剧增，储罐破裂导致大量LNG泄漏。其次可能发生的危险性是储罐进去液管道或者内罐泄漏，如果内罐泄漏，防爆盖就会打开，从而降低内外的压力，不会引发储罐爆裂。采取的预防措施是在储罐顶部安装安全放散阀，当储罐压力升高到一定值，采用手动把压力降低，即使因为工作疏忽忘记排压，安全放散阀也会自动开启，通过集中放散管释放压力。

（2）LNG泵、增压器密封失效产生泄漏

LNG泵和增压器，在正常运行时，两设施与LNG储罐之间阀门开启而相通，泵的进出口有可能因密封失效产生泄漏，增压器的进口是LNG储罐或LNG槽车的液相出口，出口是气体，同样因密封失效可能产生泄漏，但在关闭了储罐或LNG槽车的出液口后，泄漏量很小。LNG潜液泵和增压气化器的泄漏可以通过关闭储罐阀门或LNG槽车液相阀门来处理，一般泄漏量微小。

（3）工艺液相管道的危险性

1）保冷失效

LNG液相管道为低温深冷管道，采用真空管或绝热材料绝热，但当真空度破坏或绝热性能下降时，液相管道压力剧增，此时安全阀自动开启，可以降低管道内的压力。

2）液击现象与管道振动

在LNG的输送管道中，由于加注车辆的随机性，装置反复开停，液相管道内的液体流速发生突然变化，有时是十分激烈的变化，液体流速的变化使液体的动量改变，反映在管道内的压强迅速上升或下降，同时伴有液体锤击的声音，这种现象叫做液击现象（或称水锤或水击），液击造成管道内压力的变化有时是很大的，突然升压严重时可使管道爆裂，迅速降压形成的管内负压处可能使管子失稳，导致管道振动。

3）管道中的两相流与管道振动

在LNG的液相管道中，管内液体在流动的同时，由于吸热、磨擦及泵内加压等原因，势必有部分液体要气化为气体（尽管气体的量很小），液体同时因受热而体积膨胀，这种有相变的两相流因流体的体积发生突然的变化，流体的流型和流动状态也受到扰动，管子内的压力可能增大，这种情况可能激发管道振动。

4）管道中蒸发气体可能造成“间歇泉”现象

与LNG储罐连接的液相管道中的液体可能受热而产生蒸发气体，当气体量小时压力较小，不能及时的上升到液面，当随着受热不断增加，蒸发气体增大时，气体压力增大克服储罐中的静压（即液柱和顶部蒸发气体压力之和）时，气体会突然喷发，这种现象使储罐内压力急剧上升，致使安全阀开启而放散。通过在储气瓶进气口设置压力变送器、潜液泵与紧急切断阀进行联锁，当储气瓶超压时自动切断进气口并停止泵的运行。

（4）LNG高压柱塞泵/高压空温式气化器

LNG高压柱塞泵及高压空温式气化器是L-CNG加气站的核心设备。工作压力高达25MPa，可能因为密封失效或超压泄漏而产生危险。LNG高压柱塞泵后置有压力变送器，当压力超过工艺设定值时，自动切断泵的运行；空温式气化器后设置有温度传感器，当出口温度达不到设定值时，自动切换运行另一组气化器以达到工艺需求。

（5）LNG加气机泄露

LNG加气机直接给汽车加气，其接口为软管连接，接口处容易漏气。也可能因接口脱落或者软管爆裂而泄露，在关闭了储罐出液口、储气瓶出气口或者泵停止工作后，泄漏量一般很小。

（6）加气卸气软管的老化及振动

加气卸气接口为软管连接。软管为高分子材料容易老化，工作时由于剧烈振动容易爆裂，接口处因经常磨损可能有时密封不严。

3、生产运行中的危险性

（1）储罐液位超限

LNG储罐在在生产过程中可能会发生液位超限事件，会导致多余液体从溢满及气相阀流出来，系统设有储罐的液位检测传递及报警系统，并且该系统与储罐进出液气动阀进行联锁。避免因液位超限而产生的一些危害。

（2）LNG设施的预冷

LNG储罐在投料前需要预冷，生产过程中每次开车前需要对工艺管道进行预冷，如未进行预冷或者预冷速度过快，可能会导致工艺管道连接部位发生脆性断裂和冷收缩，从而引发泄露事故。造成工作人员冷灼伤或火灾爆炸事故。

（3）BOG气体

LNG储罐或液相工艺管道，由于漏热而自然蒸发一定量的气体（一般情况下，为每昼夜2‰的蒸发量），这些气体称为BOG气体。这部分蒸发了的气体如果不及时排出。将造成储罐压力升高，可设置降压调节阀。根据压力自动排除产生的BOG以维持储罐内的压力在安全许可范围内。

4、其他因素的安全风险

（1）电气火花：在配电间、营业室、办公室等非防爆场所安装的电气设备都是非防爆的，在使用过程中，可能会产生电气火花，一旦达到爆炸极限范围的爆炸性气体混合物，会引起火灾事故。

（2）违章作业：在加气站内违章吸烟；卸车作业时无人监护，或监护人擅自离开岗位；无关人员擅自进入警戒区域，在警戒区域内使用手机等通讯工具；雷雨天进行卸车作业等，都会引发火灾、爆炸事故。

（3）中毒：天然气对人体基本无毒，但浓度过高时，使空气中氧含量明显降低，使人窒息。

（4）车辆伤害：外来车辆进站加气，若站内路况、车况，驾驶人员素质等方面存在缺陷，可引发车辆伤害事故。

（5）机械伤害：在日常作业、设备检修过程中不慎受到机械设备的传动部件、挤压部件以及外露突出部件或所使用工具损伤。

（6）自然灾害的危险性

自然灾害是指风荷载和雪荷载可能破坏设备的稳定性；地震荷载造成储罐基础坍塌；雷电直击时强大的电效应、热效应和机械效应可能使储罐变形受损，雷电感应可能产生电火花，雷电电磁脉冲可造成信息系统失灵。

二、防治对策

1、总平面布置

1.1储罐布置

LNG储罐以外的热源会对LNG储罐产生热作用。因此，LNG储罐的布置须符合LNG安全防火的要求。一般根据储罐的体积合理确定安全间距。美国防火协会标准NFPA59A中规定了储罐围堰墙与站区建筑的最小水平净距、LNG储罐之间的最小净距。GB/T20368—2006《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》中也给出了相同的数据要求。按照其具体要求安置储罐可以减低安全隐患。

附表格

1.2储罐围堰

单容罐的结构特性需设置围堰，其作用是用来容纳一旦内罐发生泄漏而流出的液体，阻止泄漏范围的扩大。围堰距单容罐内罐的距离要大于或等于储罐最高液位减去围堰高度之后的尺寸加上液面上蒸汽压的当量压头的值之和。即在储罐发生泄漏的时候，围堰有足够的空间容纳泄漏液体。由于围堰的特殊作用，在设计时应注意以下几点： ①围堰的强度能承受拦蓄的LNG全部静水压头。②围堰材料能承受温度骤冷所产生的影响。③围堰能承受预计到的火灾和自然力的影响。④选用热导率较小的材料来建造围堰及罐区场平。一般围堰采用钢筋混凝土材料建造。

1.3储罐基础

大型立式平底圆筒形储罐的基础有高架式和落地式两种。高架式基础为储罐支撑于伸出地面的桩基承台上，内罐底设置隔热层，以便阻止接触冷态介质的内罐的冷能向基础传递，从而避免由于基础接受冷能后发生冷冻膨胀，对储罐底板产生破坏作用力，影响储罐的安全储存。落地式储罐基础的底部用珍珠岩混凝土与绝热层结构组合构成，基础中间预埋加热管，在管中通入热风或热水或在罐基础上预设电加热器。在储罐运行期间，保持热风热水或电加热装置持续工作，以防止土壤冻胀鼓起损坏储罐。前者的安全性要高一些，后者的加热系统的隔热环节需要进行特殊设计，以便阻断加热系统向储罐漏热，而使得内罐的冷态低温介质气化，防止出现安全事故。

目前，大型立式平底型圆筒储罐多采用高架式的混凝土桩基基础。基础承台由柱桩支撑，可保证空气流通畅通。内罐底部与外罐底部之间设置隔热层，使用玻璃砖及珠光砂混凝土等导热系数小的材料作为支撑层，隔断内罐冷能，即接触LNG的材料为-162℃，而到混凝土承台可以降到常温。中小型LNG储罐多采用柱腿支撑，支撑构件作为此类储罐漏热的一个主要部分，在储罐设计时需要考虑支撑的隔热措施，一般用玻璃钢或其它具有较小导热系数又具有强度的材料做中间材料，切断内罐和外界的冷热传递。

2、电气设计

a） 站内控制室及有爆炸危险的场所，均设置正常照明和应急照明。在爆炸危险场所，所有电气设备及照明灯具均选用隔爆型；防爆等级不低于ExdⅡBT4，防护等级室内不低于IP54，室外不低于IP65。配电线路采用铠装电缆直接埋地敷设或电线穿镀锌钢管明装敷设；

b） 站内配电系统采用TN-S接地方式，配电系统采用接地保护；站内金属设备、各工艺管线均考虑防雷和防静电接地；站区内的所有电气设备做保护接地，接地电阻均不大于4Ω。

3、建筑设计

（1）耐火等级

建（构）筑物的耐火等级为2级、耐火时限2小时，所有混凝土及钢构架、管架、支座、螺栓施工完毕后应涂覆耐火层。

（2）耐低温设计

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。

（3）抗震设计

①按照工程所在地抗震设防要求设计。

②考虑水平和垂直加速度引起的动作用力。

③考虑地震力和操作荷载的组合。

（4）安全疏散口

拦蓄区及操作平台均设置两个安全疏散口。

4、加气站基本要求

进站须知

·进站人员必须遵守站内各项管理制度。

·进入站区的人员、车辆必须接受安全检查。

·进站人员严禁携带各类危险品（如：火种、易燃易爆物品等）。

·进入加注站生产区禁止使用各种通讯设备。

·参观人员进站，须有专人陪同，未经许可，不得随意在站内走动或动用站内任何设施。

·未经许可，站内禁止拍照和录像。

·进站车辆应低速慢行，并停靠在指定位置，禁止在站内进行车辆维修等与加注作业无关的活动。

·来访车辆进站必须进行登记，按指定位置停放，出站时要主动接受检查，经检查后方可出站。

·发现异常情况及时向现场工作人员反映，不得擅自进行处理。

总结

LNG加气站是天然气汽车的重要发展趋势，当前，全国许多地方对LNG汽车的LNG加气站项目进行投资和建设。因此，研究LNG加气站储罐的安全风险十分关键，这些都是影响加气站建设的重要影响因素。因此，文章对于LNG加气站的安全性、经济性和操作流程都进行了分析，并提出了相应的安全防治措施，从而有助于提高加气站储罐的安全系数。从而提高加气站的赢利能力和储罐的使用寿命和抗风险的能力。文章的研究还有待进一步论证，作者认为在这个研究方向上仍有许多工作要做，从而进一步推动LNG加气站的安全发展。

参考文献

[1]LNG加气站建设方案

[2]郭宗华LNG加气站规范选用和安全设计探讨

[3]LNG加气站危险性分析和预防

[4]液化天然气储罐安全技术分析