液化天然气的泄漏问题.pdf

第4 1卷第9期 2 O 1 2 年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 41， N o ． 9 S e p t e m b e r ， 2 0 1 2 液化天然气的泄漏 问题 王秋莎 ，吴 明，官学源，刘 杰，张国军，杜义朋 辽宁石油化T大学 石油天然气工程学院， 辽宁 抚顺 I 1 3 0 0 1 摘 要随着液化天然气 L N G 在全球中的广泛应用 ， 其存储和运输过程中的安全问题成为研究的重点。 其中L N G的泄漏就是危及其安全性最重要的因素之一。 简要介绍了国外研究 L N G泄漏的实验研究和理论研究， 阐述了L N G的物理性质，以及其燃烧 、低温 、快速相态转变的危险特性，并在其基础上分别讨论了 L N G泄漏 在一定条件下可造成的危险后果。同时提出了能预防或减小 L N G泄漏带来危害的安全技术措施。 关键词 L N G的泄漏 ；L N G危险特性；危害后果；安全技术措施 中图分类号 T E 6 2 4 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 20 9 0 8 9 2 - 0 3 Di s c us s i o n o n t he Le a ka g e Pr o bl e m o f Li q ue fie d Na t ur a l Ga s W A NG Qi u - s h a ． Mi n g 。 GU A NXu e - y u a n ， L 1 U, l i e ， Z H A NG Gu o -j u n ， DUH - p e n g f Co l l e g e _0 f P e t r o l e u mE n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a Un i v e r s i t y ， L i a o n i n gF u s u n 1 1 3 0 0 1 ， C h i n a Ab s t r a c t wi t h w i d e a p p l i c a t i o n o f l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L N Gi n t h e w o r l d ， t h e s e c u r i t y i s s u e h a s b e c o me t h e e mp h a s i s o f r e s e a r c h i n i t s s t o r a g e a n d t r a n s p o r t a t i o n p r o c e s s ．L NG l e a k a g e i S o n e o f i mp o r t a n t f a c t o r s t h a t c a n e n d a n g e r i t s s e c u r i t y ． I n t h i s p a p e r ．e x p e r i me n t a l a n d t h e o r e t i c a l s t u d i e s o f L NG l e a k a g e a t a b r o a d we r e d e s c r i b e d ， p h y s i c a 1 p r o p e rti e s o f L NG we r e d i s c u s s e d a s we l l a s h a z a r d o u s c h a r a c t e r i s t i c s o f i t s c o mb u s t i o n ， l o w- t e mp e r a t u r e a n d r a p i d p h a s e ． t r a n s i t i o n ；On t h e b a s i s o f t h e s e c h a r a c t e r i s t i c s ，h a r mf u l c o n s e q u e n c e s c a u s e d b y LNG l e a k a g e u n d e r c e rta i n c o n d i t i o n s we r e d i s c u s s e d ． M e a n wh i l e ． t h e s a f e t y t e c h n i q u e me a s u r e s wh i c h c a n p r e v e n t o r r e d u c e t h e h a r mf u l c o n s e q u e n c e s c a u s e d b y L NG l e a k a g e we r e p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s L NG l e a k a g e ； L NG h a z a r d o u s c h a r a c t e r i s t i c s ； Ha rm f u 1 c o n s e q u e n c e s ； S a f e t y t e c h n i q u e me a s u r e s 近年来 ，随着液化天然气 简称 L N G 在全球 生产和贸易 中的 日趋活跃 ，L N G作 为一种清洁 、经 济的能源在世界能源系统 中起到了越来越重要的作 用。 为确保能源供应的多元化和改善能源消费结构 ， 一 些能源消费大国 日益重视 L N G的引进 ， 许多国际 石油大公司也将其新 的利润增长点转向 L N G业务 ， L NG 将成为继石 油之后的另一个全球争夺 的热门 能源商 品⋯ 。为给我国快速的经济发展提供持续的 能源保障，同时优化能源结构和改善生态环境 ，我 国也增加了对 L N G行业的重视。随着 L N G在工业 和日 常生活中的大规模使用， 其在储存、运输和使 用等环节中的潜在危险也越来越 明显 的显露出来 。 一 旦发生事故 ，会造成难以估计的人员伤亡和财产 损失等严重后果 。因此 ，L N G在储运过程 中的安全 问题是摆在我们面前的一个重要课题 ， 而 L N G的泄 漏就是危及其安全性 的重要方面之一。为此 ，研究 有关 L N G的泄漏问题具有重要 的意义。 1 L N G泄漏的研究现状 针对 L N G的泄漏问题 已在国内开始研究 ， 但早 在 2 0世纪 7 0 8 0年代 ，国外就开始以实验研究和 理论研究为主要研究方法来研究 L N G的泄漏 问题 。 其 中实验研究包括以 B u r r o和 C o y o t e为主的现场实 验和实验室风洞实验。 1 9 8 0年 ， 在 C a l i f o r n i a 的 C h i n a L a k e 上 进 行 了 由 美 国能 源 部 赞 助 的 L a w r e n c e L i v e r m o r e N a t i o n a l L a b o r a t o r y L L N L 1和 N a v a l We a p o n s C e n t e r N WC --系列 的 B u rr o L N G实验 。实 验是通过在水面上释放 L N G的方法 ， 取得了在陆地 上各种气象条件的数据。1 9 8 1 年 ，研究者们又以相 同的方式进行 了 C o y o t e 试验。 同年 ， 在美国的 Ma r l i n S a n d s 上 ，壳牌石油公司 S h e l l O i l C o m p a n y 在海 面上也进行了 L N G和冷冻丙烷 L P G的燃烧与扩 散实验 。但在低风速和 R e y n o l d s数据条件下进行 的实验比较 困难是风洞实验的主要局限性所在。 2 0 世纪 7 O年代 中期到 8 0年代初期 ，由于增加 L N G 进 口项 目，美 国海岸运输局在新 的规范要求 下 ，建议使用高斯模型 M T B模型 来计算燃气的 扩散保护区域。在同一期间 ，阿肯色州大学开始研 究燃气浓度扩散 D E G A D I S 模型 ，这个模型是用 来描述密度比空气大的燃气泄漏事故发生时，大气 收稿 日期2 0 1 2 - 0 6 1 8 作者简介王秋莎 1 9 8 7 一 ，女 ，辽宁盘锦人，硕士生，2 O 1 0 年毕业于辽宁石油化工大学储运工程专业，研究方向现从事油气管道优化运行研 究。 E - m a 1 1 w a n g q i u s h a O 1 l 2 6 ． c o m 。 指导教师吴明 1 9 6 1 一 ，男，教授，博士，研 究方 向主要从事原油管道优化运行和储运过程系统节能技术研究。 第 4 l卷第 9期 王秋莎，等液化天然气的泄漏问题8 9 3 中的浓度扩散情况。 D E G AD I S是能够预测可发生气 体溢出事故扩散距离的一个综合扩散模型 。 。2 0世 纪 8 0年代 ，快速发展的计算流体力学 C F D 模拟 方法对物理风洞模拟方法进行了评估 ，而近几年里 哈泽德化学研究 中心针对高密度气体扩散 的研 究 中 ，也是主要使用 C F D模型进行模拟实验 。2 0 0 1 年 ，G T I C H R C研究项 目提交了核查 F E M3 A C F D 1 的模型报告。F E M3 A的预测表明 ，由于储罐和防护 堤的存在 、燃气和粗糙表面的分离以及它们的共 同 作用 ，燃气的扩散 明显减少了。许多有关燃气浓度 领域 的风洞实验也证明了 F E M3 A预测的准确性 。 2 L N G的物理性质及其危险特性 2 ． 1 L NG的物理性质 L N G的定义 液化天然气是从气 田开采 出来 的 天然气或油 田伴生气 ，它经过脱水 、脱酸性气体和 重烃类 ，然后是经过压缩 ，膨胀 ，液化过程而成 的 低温液体 。 L N G的物理性质 L N G是在常压下冷却到一 1 6 2 ℃后形成 的外观如普通 自来水 的无色透明低温液 体 ，其体积约为同量气态体积的 1 ／ 6 2 5 。L N G具有 热值大和性能高等特点 ， 这些性质使 L N G不仅有利 于远距离的储存和运输 ，而且在储存和运输的过程 中也大大降低 了储运的成本和空间。 L N G主要 由高于 7 5 ％的甲烷和少量的乙烷 、 丙 烷 、 氮气等惰性气体组成 。L N G的燃点为 6 5 0 ℃， 比汽油高出 2 3 0 ； L N G的爆炸极 限为 3 ． 6 ％～ 1 7 ％， 汽油的爆炸极限为 1 ％～ 5 ％；L N G 比空气轻，所 以 稍有泄漏就会立即飞散 。 2 ． 2 L N G潜在的危险特性 2 ． 2 ． 1 燃烧危险特性 L N G具有跟天然气相 同的易燃特性 ，并且其燃 烧速度与天然气相 比更快 天然气的燃烧速度大约 是 0 ． 3 m／ s 。L N G一旦发生泄漏 ，会立刻沸腾而气 化 ，在气化的过程中会从地面 、水泥构件 、管道系 统甚至是空气等周围环境 中吸收大量的热量 ，此时 由液体挥发为气体的 L N G会迅速扩散。由于 L N G 的密度 比空气小 ，L N G从液态到气态体积膨胀约为 6 0 0倍。 ，而且它还具有复燃 、复爆 的特性。所 以当 泄漏 的 L N G 蒸气与空气的混合物达到爆炸的极 限 时，就会引起火灾或爆炸等事故的发生。 2 ． 2 ． 2 低温危险特性 L N G在常压下的沸点大约是 一1 6 2℃左右，其 储存 、运输 、使用都是在低温条件状态下进行的。 由于低温的操作 ，有关金属部件会 出现明显 的收缩 现象 ，尤其是 阀门、管件 、法兰、焊缝 、裂缝及密 封等储槽系统部件。在 L N G的储运过程 中，由于长 时间的振动， 这些部件很容易出现泄漏扩散的状况 。 2 ． 2 _ 3 快速相态转变危险特性 L N G 与水接触时 ，会 出现快速相态转变f R P T 现象 。发生此现象的过程是当两种温度相差悬殊 的液体接触时，冷液体的温度上升的特别快 ，表面 层的温度超过液体 中出现气泡时的 自发成核温度， 热液体在很短的时间内会通过一个复杂的链式反应 机制 ，以爆炸的速度产生大量蒸气 。这种现象就像 是水落在一块烧红的钢板上 ， 使水立即蒸发的过程 。 R P T现象具有爆炸的特点，所 以这种现象的产生会 导致冷爆炸事故的发生。 3 L N G泄漏可造成 的危险后果 在 L N G贸易 日益增长的趋势下 ， 其泄漏频率随 着生产和储运量的增加而增大。因此 ，人们应当充 分重视 L N G泄漏可能造成的危险后果。 3 ． 1 火灾 及爆 炸 当 L NG蒸气遇到明火点燃后 ， 火焰会蔓延到氧 气所到达的地方 。这时不但会产生大量的热辐射 ， 而且还很容易产生大面积火灾。L N G的爆炸极 限为 3 ． 6 ％～ 1 7 ％，当空气中的浓度达到此范围内， 不但会 引发爆炸，还易形成蒸气云爆炸 。火灾及爆炸不但 会使储罐及其周围的设施受到严重破坏 ，还会使人 们的人身安全和财产受到威胁。 3 ． 2低温损害 L N G 的低温特性使管道 的材料和有关金属部 件产生脆性破裂和遇冷收缩 ， 导致容易发生 L N G的 泄漏扩散。 这不但会对 L N G的管路和系统设备造成 损坏 ，还会对人体造成低温灼伤。如果没能及时稳 固这些收缩部件和封闭这些泄漏扩散的蒸气 ， 就 会逐渐上升并扩散至远处 ，一旦遇到潜在的火源点 火 ，就会造成非常严重的后果。 3 ． 3 冷爆炸 泄漏的液化天然气进人水中时 ，产生强烈的对 流换热 ，在一定范围内 ，其蒸发速率保持不变 。随 着 L N G的流动 ， 其泄漏 的面积也在逐渐的增大 ， 直 到蒸发的气体量与泄漏液体所能产生的气体量相等 为止。在一定条件下 ，当 L N G泄漏遇到水时 ，由于 与水之间非常高的热传递速率而使 L N G 的蒸发速 度增 大 的 非常 快 。此 时就会 发 生快 速相 态 转变 R P T的现象。此现象的发生会导致 L N G加热至 沸腾 ，伴 随巨大声音 的同时喷出水雾 ，继而发生 可带来严重后果的 L N G蒸气爆炸事故。 8 9 4 当 代 化 工 2 0 1 2年 9月 3 ． 4 使人窒息 虽然液化天然气本身没有毒，但它有含氧量低 的性质。如果有人吸人了大量泄漏在空气 中的 L N G 蒸气而没有迅速脱离 ，就会很快失去知觉，几分钟 就会死亡 ” 。所以，L N G的泄漏会导致人们缺氧而 窒息 。 3 ． 5其他危害 甲烷是一种对大气层的臭氧起重要作用的温室 效应气体，具有破坏性的作用。据考证，甲烷使全 球变暖的可能性是 C O 气体的 2 2倍 。因此从环保 的角度 出发，我们也要预防控制 L NG的泄漏。另外 L N G 的泄漏还会导致触电及机械伤害等危险事故 的发生 。 4 安全技术措施 4 ． 1 防泄漏可燃气体探测系统 L N G 的泄漏可 以通过 目测 和大型可燃气体探 测器的方法来探测 ，比如紫外线、红外线探测器、 低温检测装置 、 烟雾燃烧显示器和 L N G的压力测试 设备。使用探测器时，闭路电视系统可以监测到所 有 L N G设备的工作情况。一旦发生 L N G气化、外 溢或泄漏等状况 ，用 目测 的方法可 以看到储运装置 外表面产生云雾的形状 ；用探测器的方法是使操作 工人通过被激活的应急操作 的提醒而及时采取适 当 控制措施的方法。 4 。 2 高倍泡沫控制蒸气扩散系统 泡沫的膨胀率约为 5 0 0 1 ， 在泄漏的 L N G表面 上覆盖高倍泡沫，热量的增加会导致 L N G的气化率 增大 ，使气化后的 L N G蒸气穿过泡沫后温度升高而 向上漂浮” 。所以当 L N G蒸气遇到明火点燃后 ，迅 速膨胀的泡沫可以减小扩散区域并有效阻止 L N G的 扩散速度 ，从而减少辐射能量、降低火灾强度。 4 ． 3 防过度振动装置的系统 在储运的过程中 ， 储存容器装置会 由于 L N G槽 车运输时的路况、 L N G船舶运输时的天气等影响因 素出现一些难 以避免的振动现象 ，这些振动很容易 使 L N G装置中的部件产生泄漏扩散 的现象。因此 ， 在 L N G的储存和运输过程中， 应对设备装置采取必 要的防振动措施。 4 ． 4 事故应急系统 L N G的设施应包括事故切断系统 E S D 、 紧急报 警系统等事故应急系统，就是当存储 、装卸或运输 的装置发生泄漏或故障时 ，能够切断或关闭 L N G 、 易燃气液体的来源 ，迅速中断或关闭导致事故发生 的系统。此外 ，这些事故应急保护系统应具有一个 故 障安全设计 ，当正常的控制系统发生故障或事故 时 ，安全设计会使事故产生的危害减小至最低。 5 结束语 从 L N G的潜在危险特l生 及其发生泄漏所能带来 的危险后果来看 ， 人们应该更加重视 L N G的泄漏问 题。L N G 的泄漏研究 ，与 L N G储运的安全运行息 息相关。我们必须要加强前沿的储备技术研究，优 化引进 的技术与装备 ，完善设备的管理运行机制 。 在存储和运输过程中，人们应该严格按照相关的规 定执行操作，并由专人负责生产设备的维修保养工 作和设备运行记录工作。一旦发生 L N G泄漏状况 ， 我们应该正确估判泄漏产生的原因，做出合适 的安 全技术措施 ， 及时对其进行控制和处理。除此之外 ， 我们还应该强化工作者 的培训教育、提高他们的安 全意识 ， 同时加强对设备的 日常考核和安全 l生检查 。 仅仅这些对确保 L N G的安全性是远远不够的 ， 今后 还应该对 L N G 的储运安全问题进行更深层次的研 究 ，以促进我国液化天然气行业 的高速发展。 参考文献 [ 1 ] 顾安忠， 等．液化天然气技术[ MI ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ] 庄学强，廖海峰．液化天然气泄漏扩散数值模型分析fJ 】 _集美大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 1 , 1 6 4 ． 2 9 2 2 9 6 ． [3]徐烈 ． 我 国液 化天 然气 L N G 的陆地 储存 于运 输 lJ l _ 天 然气 工 业 2 0 0 2 ． 2 2 3 8 9 9 1 ． [ 4 ] J E R R Y HA V E N S ．A D i s p e r s i o n M o d e l F o r E l e v a t e d D e n s e G a s J e t C h e mi c a l R e l e a s e s V 0 l u m e I I [ R ] ．N o r t h C a r o l i n a ， U ． S U ． S ． E N V I ROMEN T P ROT EC T I CN AGE NCY Of f i c e o f Ai r a n d Ra d i a t i o n 0 ff i c e o f A I R Q u a l i t y P l a n n in g a n d S t a n d a r d s R e s e a r c h T r i a n g l e P a r k ， 1 9 9 8 ． [ 5] 彭世尼 ，段萍． L N G 泄漏后果的预测模型f J 】 _重庆大学学报 自然科 学报 ， 2 0 0 6 ， 2 9 3 9 3 9 6 ． [ 6] 何茂全．液化天然气储运系统风险评价[ D ] ．上海 同济大学， 2 0 0 7 [ 7] 龙国庆． 大型液化天然气电厂消防系统设计综述叭 机电工机电工程 技术， 2 0 0 4 ，7 3 3 1 6 1 1 6 3 ． [8]往 泓 ． L N G 潜 在 的 危 险 及 其 预 防 措 施 啪． 天 然 气 与 石 油， 2 0 0 7 ， 2 5 1 1 2 ， 1 0 ， 5 9 ． [ 9] K a r e n B ， L a t e s t ． D e v e l o p m e n t s i n R a p i d P h a s e T r a n s it i o n Mo d e l i n g lJ J _J P r r ， 2 0 0 4 ，4 5 8 5 9 ． [ 1 0]高露． 液化天然气泄漏扩散模拟及应用研究【 D ] ． 南充 西南石油大 学． 2 0 0 8 ． [ 1 1 ]黄维新， 于庭安， 杨立兵， 等．液化天然气 L N G 储运安全 因素分析l J 1 ． 中国公共安全 学术版 ，2 0 0 8 ， 1 2 1 7 1 7 4 ． [1 2]高露， 梁光川， 彭波， 等． 液化天然气的泄漏与防护[ J J ． 天然气 与石 油， 2 0 0 8 ． 2 6 1 2 8 3 0 ． [1 3]刘 金 良 ． 液 化 天 然 气 储 运 的安 全技 术 与 管 理 【 J J． 河 南 化 工， 2 0 1 0 ， 2 7 1 0 6 9 ．