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天然氣的防火防爆 |建筑消防
發(fā)布日期：2016-07-22 00:02:27
天然氣與空氣混合物發(fā)生爆炸必備兩個(gè)條件：一是要處于爆炸范圍；二是混合物溫度達(dá)到著火溫度。爆炸時(shí)的壓力比常壓大6～7倍，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊波，并且往往引起火災(zāi)。由于天然氣中H2含量極低，點(diǎn)燃無(wú)爆鳴聲。因此防止天然氣管道、管件、燃燒器泄漏是關(guān)鍵。天然氣燃具都是高溫設(shè)備，要采取絕熱、隔熱措施，與可燃材料保持規(guī)定距離。
液化天然氣氣源氣量大且比較集中，往往需要遠(yuǎn)距離輸送?？紤]經(jīng)濟(jì)性，則采用較大的壓力。天然氣的儲(chǔ)存不論采用哪種方式，其要求條件均比較高。盡管在技術(shù)上都是成熟的，都應(yīng)該高度重視其高壓輸配和儲(chǔ)存的安全性。本節(jié)重點(diǎn)對(duì)液化天然氣站的防火防爆進(jìn)行介紹。
天然氣屬于易燃、易爆的介質(zhì)，在天然氣的應(yīng)用中，安全問題始終是放在非常重要的位置。液化天然氣是天然氣儲(chǔ)存和輸送的一種有效的方法，在實(shí)際應(yīng)用中，液態(tài)天然氣也是要轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)使用，因此，在考慮LNG設(shè)備或工程的安全問題時(shí)，不僅要考慮天然氣所具有的易燃易爆的危險(xiǎn)性，還要考慮由于轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)以后，其低溫特性和液體特征所引起的安全問題。在考慮LNG系統(tǒng)的安全問題時(shí)，首先要了解液化天然氣的特性及其潛在的危險(xiǎn)性。針對(duì)這些潛在的危險(xiǎn)性，充分考慮對(duì)人員、設(shè)備、環(huán)境等可能造成的危害，考慮相應(yīng)的防護(hù)要求和措施。其次是要了解相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)液化天然氣工業(yè)起步比較晚，相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)還不大健全，對(duì)于不同的LNG系統(tǒng)，有必要參照一些液化天然氣工業(yè)比較發(fā)達(dá)的國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)。如美國(guó)的NFPA59A、NFPA57、英國(guó)的EN-1473、國(guó)際海事組織的(IMO)關(guān)于液化石油氣體船運(yùn)規(guī)定等。對(duì)于液化天然氣的生產(chǎn)、儲(chǔ)運(yùn)和汽化供氣各個(gè)環(huán)節(jié)，主要考慮的安全問題，就是圍繞如何防止天然氣泄漏，與空氣形成可燃的混合氣體，消除引發(fā)燃燒爆炸的基本條件以及LNG設(shè)備的防火及消防要求：防止低溫液化天然氣設(shè)備超壓，引起超壓排放或爆炸；由于液化天然氣的低溫特性。對(duì)材料選擇和設(shè)備制作方面的相關(guān)要求：在進(jìn)行LNG操作時(shí)，操作人員的防護(hù)等。
一、基本常識(shí)
1. 點(diǎn)火源
點(diǎn)火源包括明火、無(wú)遮擋的強(qiáng)光、點(diǎn)燃的香煙、電火花、物體撞擊發(fā)出的火花和靜電、高溫表面、發(fā)動(dòng)機(jī)排氣等。有關(guān)安全和消防部門都針對(duì)這些點(diǎn)火源制定了相關(guān)的操作規(guī)程?？傊?，LNG設(shè)備和確定的危險(xiǎn)區(qū)域應(yīng)遠(yuǎn)離和避免上述點(diǎn)火源。除了指定的安全區(qū)域，都應(yīng)嚴(yán)格禁止吸煙和非工作必需的明火。工作流程必須能確保安全區(qū)的安全。“禁止吸煙”、“禁止明火”等標(biāo)識(shí)必須明顯標(biāo)志。如果非要在危險(xiǎn)區(qū)使用明火，則必須使用可燃?xì)怏w檢測(cè)器來(lái)監(jiān)控大氣中可燃?xì)怏w的含量。
靜電、電力設(shè)備都有可能產(chǎn)生火花。金屬或硬物之間的碰撞也可能產(chǎn)生熱和火花，如工具、機(jī)械零件掉落或撞擊。尼龍類的衣服或鞋的摩擦等，也有可能產(chǎn)生火花。鋁制的工具在與生銹的鋼鐵撞擊后，會(huì)產(chǎn)生鋁熱反應(yīng)。該反應(yīng)產(chǎn)生的火花也有可能點(diǎn)燃天然氣。使用安全的工具可以減少火花的產(chǎn)生，操作時(shí)應(yīng)防止工具的掉落或撞擊。在使用工具或器具前，還應(yīng)先接一下地或連接一些地線等。
化纖類的衣服容易產(chǎn)生靜電，這種靜電很難消除。進(jìn)入工作區(qū)應(yīng)穿安全的工作服和棉制衣服，以減少靜電的產(chǎn)生。
電力開關(guān)或轉(zhuǎn)換器在切斷電源或接通電源時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電火花。接線松動(dòng)、電線破裂等情況下，也會(huì)產(chǎn)生電火花。電流過(guò)大，導(dǎo)致電線或設(shè)備溫度很高，也可以起到點(diǎn)火源的作用。美國(guó)消防協(xié)會(huì)NFPA分別對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域和設(shè)備的安全等級(jí)做了規(guī)定。應(yīng)當(dāng)充分保證這些設(shè)備的安全。操作人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到關(guān)閉電源時(shí)，有可能會(huì)產(chǎn)生電弧。在危險(xiǎn)區(qū)安裝的插頭和插座，都應(yīng)經(jīng)過(guò)安全的防爆設(shè)計(jì)，并合理地使用。
表面溫度高于9℃的物體，可以點(diǎn)燃天然氣和空氣的混合物。因此，對(duì)表面溫度較高的部件，如燃燒型氣化器、引擎的排放管路等，都應(yīng)該當(dāng)作明火來(lái)處理。內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生的火花，也是潛在的點(diǎn)火源。在山區(qū)工廠中，安裝這些設(shè)備必須遵循NFPA37的標(biāo)準(zhǔn)。工作人員也必須注意到危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)卡車、駁船、終端運(yùn)輸船等引擎產(chǎn)生的電火花。任何安裝有發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)備，在危險(xiǎn)區(qū)必須確認(rèn)周圍沒有可燃?xì)怏w，否則不能使用。
2. 可燃物
引起火災(zāi)的第二個(gè)要素是可燃物的存在。對(duì)于LNG系統(tǒng)，就是指LNG蒸氣與空氣的混合物。除了天然氣和其他可燃制冷劑以外，還有油漆、紙和木材等。這些可燃材料都不能存放在危險(xiǎn)區(qū)內(nèi)。
3. 氧化劑
空氣本身就是一種氧化劑，其中含有體積分?jǐn)?shù)為21%的氧氣。在燃燒的三要素中，氧化劑是很難避免的，因?yàn)榭諝鉄o(wú)處不在。但在發(fā)生火災(zāi)時(shí)，應(yīng)設(shè)法減少空氣的對(duì)流。如LNG儲(chǔ)罐發(fā)生溢出后，對(duì)積存在圍堰中的LNG，可用泡沫滅火劑噴灑，使泡沫覆蓋在LNG的液面上，減少空氣與LNG的接觸面積。同時(shí)也可降低LNG的蒸發(fā)速率。
二、LNG溢出或泄漏
LNG溢出能使現(xiàn)場(chǎng)的人員處于非常危險(xiǎn)的境地。這些危害包括低溫灼燒、凍傷、體溫降低、肺部傷害、窒息等。當(dāng)蒸氣云團(tuán)被點(diǎn)燃發(fā)生火災(zāi)時(shí)，熱輻射也將對(duì)人體造成傷害。
在意外情況下，如果系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生LNG溢出或泄漏，LNG在短時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生大量的蒸氣。與空氣形成可燃的混合物，并將很快擴(kuò)散到下風(fēng)處。于是，產(chǎn)生LNG溢出的附近區(qū)域均存在發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性。
LNG蒸氣受熱以后，密度小于空氣，有利于快速擴(kuò)散到高空大氣中。蒸氣擴(kuò)散的距離與初始溢出的數(shù)量、持續(xù)的時(shí)間、風(fēng)速和風(fēng)向、地形，以及大氣的溫度和濕度有關(guān)。從對(duì)LNG溢出的研究表明：風(fēng)速比較高時(shí)，能很快地驅(qū)散LNG蒸氣云團(tuán)；風(fēng)速較低或無(wú)風(fēng)時(shí)，蒸氣云團(tuán)主要聚集在溢出附近。移動(dòng)的蒸氣云團(tuán)容易產(chǎn)生燃燒的區(qū)域，主要是在可見氣團(tuán)的周圍，因?yàn)檫@些區(qū)域內(nèi)的部分混合氣體處于燃燒范圍之內(nèi)。
LNG溢出或泄漏是屬于一種比較嚴(yán)重的事故，由于設(shè)備的損壞或操作失誤等原因引起。正確評(píng)估LNG的溢出，以及蒸氣云的產(chǎn)生與擴(kuò)散，是有關(guān)安全的一個(gè)重要問題。溢出的LNG蒸發(fā)速度非?？欤纬纱罅康恼魵庠?。蒸氣云將四面擴(kuò)散，比較危險(xiǎn)的情況是遇到火源易產(chǎn)生火災(zāi)。因?yàn)檎魵獾臄?shù)量多，溢出的LNG能不斷地蒸發(fā)和擴(kuò)散。在蒸氣擴(kuò)散的過(guò)程中，如果遇到有風(fēng)的情況，火災(zāi)可能迅速蔓延。而且火災(zāi)本身也能產(chǎn)生強(qiáng)勁的空氣對(duì)流。因此，在考慮人員和設(shè)備的安全問題時(shí)，應(yīng)重視風(fēng)和火的相互作用的影響。最危險(xiǎn)的情況是由于燃燒產(chǎn)生強(qiáng)烈的空氣對(duì)流，能對(duì)LNG設(shè)備造成進(jìn)一步的損壞，擴(kuò)大事故的嚴(yán)重性。
LNG的溢出可分溢出到地面和水面兩種類型。
1. LNG溢出到地面
主要是指陸地上的LNG系統(tǒng)，因設(shè)備或操作原因，使LNG泄漏到地面。由于LNG與地面之間存在較大的溫差，LNG將吸收地面的熱量迅速汽化。這是一個(gè)非?？焖俚钠^(guò)程，初期的汽化率很高，只有當(dāng)土壤中的水分被凍結(jié)以后，土壤傳遞給LNG的熱量逐漸地減少，汽化速率才開始下降。另外，周圍空氣的傳導(dǎo)和對(duì)流，以及太陽(yáng)輻射也會(huì)增加LNG的汽化速率。在考慮系統(tǒng)或設(shè)施的安全性問題時(shí)，應(yīng)考慮兩方面的問題：首先是設(shè)備本身，在萬(wàn)一發(fā)生泄漏的情況下，設(shè)備周圍應(yīng)具備有限制LNG擴(kuò)散的設(shè)施(圍堰或蓄液池)，應(yīng)使LNG影響的范圍盡可能減小；其次是LNG溢出后，抑制氣體發(fā)生的速率及影響的范圍。
圍堰是用于液化天然氣儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，防止LNG擴(kuò)散的設(shè)施。圍堰內(nèi)的容積應(yīng)足夠容納儲(chǔ)罐內(nèi)的液態(tài)天然氣。在某些設(shè)計(jì)中，則在儲(chǔ)罐周圍的地面采用低熱導(dǎo)率的材料，如用具有隔熱作用的水泥圍起來(lái)，以減少蒸發(fā)的速率。另一種減少蒸發(fā)速率的安全措施是圍繞圍堰，安裝有固定的泡沫發(fā)生器，在發(fā)生LNG溢出時(shí)，泡沫發(fā)生器噴出泡沫，泡沫覆蓋在圍堰中的LNG上面，既可以減少來(lái)自空氣的熱量，又可以降低LNG蒸氣產(chǎn)生的速率。目前有一些新的設(shè)計(jì)理念，儲(chǔ)罐周圍不設(shè)圍堰。LNG儲(chǔ)罐安裝在一鋼筋混凝土的外殼內(nèi)，內(nèi)罐通常使用9Ni鋼制造。如果內(nèi)罐發(fā)生溢出或泄漏，溢出的液體包含在水泥外殼的內(nèi)部，液體表面暴露于空氣的面積相對(duì)很小，氣體產(chǎn)生的速度比LNG在圍堰內(nèi)要小得多。
比較危險(xiǎn)的是LNG氣體在飄散的過(guò)程中，可能在途中遇到點(diǎn)火源，然后產(chǎn)生燃燒，火焰順著蒸氣云往回蔓延到蒸氣發(fā)生點(diǎn)，對(duì)設(shè)施具有潛在的毀壞作用。
2. LNG溢出到水面
LNG在水面上產(chǎn)生溢出時(shí)，水面會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的擾動(dòng)，并形成少量的冰。汽化的情況與LNG溢出到地面差不多，當(dāng)然，溢出到水面的蒸發(fā)速度要快得多。而且水是一個(gè)無(wú)限大的熱源，水的流動(dòng)性為L(zhǎng)NG的汽化提供了穩(wěn)定的熱量。有關(guān)的LNG工業(yè)機(jī)構(gòu)和航運(yùn)安全代理機(jī)構(gòu)，對(duì)LNG在水上溢出的情況進(jìn)行了深入的研究。根據(jù)有關(guān)的報(bào)道，LNG溢出到水面的蒸發(fā)速率是0.181kg/(m2·s)，基本上不受時(shí)間的影響。LNG溢出到水面上，最重要的安全問題是蒸氣云的形成和引起火災(zāi)的可能性。在空曠的地方，LNG產(chǎn)生的蒸氣云一般不會(huì)產(chǎn)生爆炸，但有可能引起燃燒和快速蔓延的火災(zāi)。蒸氣云產(chǎn)生以后，主要有兩個(gè)方面的問題：一是蒸氣云隨著風(fēng)向的擴(kuò)散，如果在下風(fēng)方向存在高溫?zé)嵩椿蚧鹪?，就有可能點(diǎn)著這些可燃?xì)怏w的云團(tuán)；二是天然氣云團(tuán)被點(diǎn)燃后，火焰的擴(kuò)散及火焰產(chǎn)生的熱流，點(diǎn)燃飄逸的天然氣云團(tuán)。一旦發(fā)生類似的事故以后，需要利用氣象學(xué)方面的技術(shù)，對(duì)可能擴(kuò)散到的區(qū)域，提前進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)先采取防火和防空氣污染的措施。
三、LNG溢出或泄漏的預(yù)防
焊縫、閥門、法蘭和與儲(chǔ)罐壁連接的管路等，是LNG容易產(chǎn)生泄漏的地方。當(dāng)LNG從系統(tǒng)中泄漏出來(lái)時(shí)，冷流體將周圍的空氣冷卻至露點(diǎn)以下，形成可見霧團(tuán)。通過(guò)可見的蒸氣云團(tuán)可以觀測(cè)和判斷有LNG的泄漏。
當(dāng)發(fā)現(xiàn)泄漏后，應(yīng)當(dāng)迅速判斷裝置是否需要立即停機(jī)，還是在不停機(jī)的情況下可將泄漏處隔離和修復(fù)，事先應(yīng)當(dāng)制定評(píng)估泄漏的標(biāo)準(zhǔn)并決定相應(yīng)的措施。另外，安全規(guī)程中必須防止人員接近泄漏的流體或冷蒸氣，并盡量減少蒸氣接近火源。工廠應(yīng)當(dāng)安裝柵欄、警告標(biāo)志、可燃?xì)怏w檢測(cè)器等設(shè)備。
1. 管路閥門的泄漏
閥門是比較容易漏泄的部件。雖然LNG系統(tǒng)的閥門都是根據(jù)低溫條件特殊設(shè)計(jì)的，但當(dāng)系統(tǒng)在工作溫度下被冷卻后，金屬部分會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的收縮，管路閥門可能產(chǎn)生泄漏。需要充分考慮這種泄漏的可能性應(yīng)對(duì)措施，并安裝必需的設(shè)備。另外，為了在冷卻過(guò)程中操作調(diào)節(jié)這些部件，應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)備相應(yīng)的工具和服裝?？傊?，暴露在外部的LNG設(shè)備上的閥門，可以通過(guò)閥門上異常結(jié)霜來(lái)判斷是否出現(xiàn)泄漏。日常的檢測(cè)可以有效地防止液體的泄漏。
2. 輸送軟管和連接處的泄漏
LNG從容器向外輸送時(shí)，LNG在管路中流動(dòng)，并有蒸氣回流。由于溫度很低，造成管路螺紋或法蘭連接處的泄漏。在使用軟管輸送LNG的情況下，軟管本身也可能產(chǎn)生泄漏。柔軟的軟管必須通過(guò)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的壓力測(cè)試，并在使用前對(duì)每一根管路進(jìn)行檢查，盡量減少泄漏發(fā)生的可能性。
當(dāng)輸送管萬(wàn)一發(fā)生泄漏時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取適當(dāng)?shù)拇胧⑿孤┨幎伦?，或切斷輸送，更換泄漏部件。同時(shí)，個(gè)人安全保護(hù)和防止蒸氣點(diǎn)燃等措施也要同時(shí)啟動(dòng)。
3. 氣相管路的泄漏
在天然氣液化、存儲(chǔ)、汽化等流程中，液化流程使用的制冷劑也有可能產(chǎn)生泄漏。連接液化部分和儲(chǔ)罐的管路、氣體回流管路及汽化環(huán)路都可能產(chǎn)生泄漏。當(dāng)氣化器及其控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，冷氣體和液體進(jìn)入普通溫度下運(yùn)行的管路，造成設(shè)備的損壞。應(yīng)當(dāng)采取預(yù)防措施，使其能夠迅速隔離產(chǎn)生泄漏的管路和氣化器，同時(shí)采取緊急控制措施，阻止液體繼續(xù)流人氣化器。
冷氣體的泄漏主要發(fā)生在焊縫、閥門、法蘭、接頭和容器與管路的連接處。在一個(gè)封閉空間中，大量的泄漏有可能使工作人員產(chǎn)生窒息的危險(xiǎn)。
當(dāng)冷氣體泄漏后，應(yīng)當(dāng)像處理液體泄漏一樣采取應(yīng)對(duì)措施。這些措施包括關(guān)閉系統(tǒng)、隔絕泄漏區(qū)域、保護(hù)人身安全、隔離火源，并盡快將蒸氣云團(tuán)驅(qū)散。在離火源很近的區(qū)域(如使用燃燒設(shè)備的氣化器)，應(yīng)當(dāng)設(shè)置快速關(guān)閉系統(tǒng)。除了安裝自動(dòng)裝置防止冷氣體或液體進(jìn)入外輸管路系統(tǒng)外，氣化器還應(yīng)當(dāng)安裝可燃?xì)怏w檢測(cè)器、燃燒傳感器、自動(dòng)干粉滅火器等設(shè)備。
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