LNG气化站安全保护系统

摘 要

摘要：论述了LNG气化站的工艺流程，LNG的危险性，以及紧急切断系统、低温储罐液位控制系统、空温式气化器出口气体温度连锁系统、水浴式加热器后气体温度控制系统等安全保护系统的
摘要：论述了LNG气化站的工艺流程，LNG的危险性，以及紧急切断系统、低温储罐液位控制系统、空温式气化器出口气体温度连锁系统、水浴式加热器后气体温度控制系统等安全保护系统的实现方法。
关键词：LNG气化站；紧急切断；安全保护
Safety Protection System for LNG Vaporizing Station
LIU Li-bin
Abstract：The process flow of LNG vaporizing station，the risk of LNG and the realization methods of safety protection systems are discussed.The safety protection systems include slam shut system.control system for liquid level of low-temperature gasholder，linkage system for outlet gas temperature of air-heated vaporizer，gas temperature control system after water bath heater and do on.
Key words：LNG vaporizing station；slam shut；safety protection
   随着人类环境保护意识的增强，对清洁能源的需求也在不断增加。近年来，我国的能源市场出现了翻天覆地的变化，天然气的应用越来越广泛，在某些领域正逐步替代煤和液化石油气。我国的天然气资源多分布在东北和西北地区，消费市场却集中在东南沿海和中南部大中城市等人口密集的地区[1]，这种能源分布结构使得天然气的快速发展受到了限制。虽然我国近年建设了多项天然气管道输送工程，如全长4176km的西气东输工程、全长950km的涩宁兰输气管道工程等，这些管道工程将大大缓解东南沿海大中城市用气紧张的问题，但是建设长输管道造价巨大，投入运营后的管理费用很高，而且长输管道无法覆盖所有的城市。因此对于中小型城市，采用长输管道供气就不是都适宜，而建设1座4台100m3储罐的LNG气化站造价仅为1000×104元左右，这样的造价对于大多数城市来说是比较经济的选择。这也促成了大量LNG气化站的建设，使我国进入了LNG气化站建设的高峰期。LNG气化行业是我国新兴的行业，LNG气化站设计、建设及运营中的安全问题需要我们探索和研究。
1 LNG气化站工艺流程[2]
通过公路或铁路运输将LNG从生产厂或储存基地运送到LNG气化站，利用站内的卸车增压气化器将LNG槽车内的气相压力升高，将LNG通过管道卸至站内低温储罐。在LNG气化站向城市管网供气时，利用站内储罐配套的自增压气化器，将低温储罐压力升至LNG气化站工作压力，一般为0.6MPa，利用这个压力将LNG送入空温式气化器，通过与环境空气的热量交换将液态的LNG气化为气态天然气。如果此时气态天然气的温度不低于5℃，那么可以通过旁通回路直接送入调压、计量、加臭装置。如果此时的气态天然气温度低于5℃，就需要经过水浴式加热器将气态天然气加热到5℃以上，再送入调压、计量、加臭装置。然后，通过站内的调压、计量、加臭装置将天然气调压、计量、加臭后送入城市中压管网，为用户供气。LNG气化站工艺流程见图1。
 

2 LNG的危险性[1]
    在整个气化过程中，只是将LNG从液态转变为气态，没有发生复杂的化学变化。虽然气化站的流程简单，但是液化天然气是一种超低温介质，变成常温气态天然气后体积扩大约600倍。因此LNG气化站工作过程中存在着多方面的危险性。
    低温的危险性：LNG的储存和气化操作都在低温下进行，温度约-162℃。这样的低温液体一旦泄漏，会使接触到的设备遇冷收缩，甚至发生脆性断裂，从而使设备破坏，引发严重的事故。低温LNG输送管道也经常发生冻伤操作人员的事故。
    火灾危险性：天然气与空气混合极易形成爆炸性混合气体，如果达到爆炸极限的混合气体遇到火源，就会着火燃烧，甚至爆炸。
    对人体的危害性：虽然天然气无毒，但是如果吸进纯的LNG蒸气，人会迅速失去知觉，3～5min后就可能死亡。天然气泄漏会导致大气中的氧含量逐渐减少，如果操作人员没有及时警觉就会慢慢窒息。
    因此，LNG气化站必须采取相应的温度、压力、液位、泄漏等方面的检测和保护措施，以便及时发现和处理隐患，避免恶性事故的发生。
3 紧急切断系统
    紧急切断系统应当使生产系统在出现故障时能迅速进入安全状态。对于LNG气化站，其最安全的模式就是进入停止状态。
    在LNG气化站正常工作时，需先打开储罐自增压回路阀，使一部分LNG进入自增压回路，经储罐自增压气化器将LNG气化后，回到储罐内气相空间，以增加储罐内气相空间的压力。当压力达到系统正常工作压力时，打开储罐出液阀，让LNG进入空温式气化器进行气化。随着LNG从储罐中流出，储罐内气相空间的压力会因体积增大而降低。系统为了保持压力平衡，就会自动从出液口补充LNG进入自增压回路，通过自增压气化器后的气体又补充进储罐，使储罐始终处于压力平衡状态，从而保证系统的正常工作。
    因此，要让LNG气化站进入停止状态，只需切断储罐进出液阀及自增压回路阀即可。
 《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第9.4.21条规定：液化天然气气化站内应设置事故切断系统，事故发生时，应切断或关闭液化天然气或可燃气体来源，还应关闭正在运行可能使事故扩大的设备。
    LNG气化站内设置的事故切断系统应具有手动、自动或手动自动同时启动的性能，手动启动器应设置在事故时方便到达的地方，并与所保护设备的间距不小于15m。手动启动器应具有明显的功能标志。
    为满足规范的要求，在LNG气化站设计中一般采用低温长轴气动紧急切断阀来实现管道的远程手动、自动切断。可以在控制室和现场分别设置紧急切断按钮，以便事故发生时能够迅速切断LNG站区所有气动切断阀，以停止LNG供应，确保系统的安全。
4 低温储罐液位控制系统[3]
    《城镇燃气设计规范》(GB 50028—2006)第9.4.13条规定：储罐进出液管必须没置紧急切断阀，并与储罐液位控制连锁。
    根据本条要求，在储罐上必须设置可以信号远传的检测储罐液位的仪表设备，并必须在储罐进出液管上设置可实现远程控制的紧急切断阀。在LNG气化站设计中，这种紧急切断阀一般选用气动长轴紧急切断阀。由于LNG属于超低温介质，直接测量液位无法实现，因此通常的做法是选用隔爆型差压变送器测得储罐内上下液位的静压差，然后根据LNG的密度来计算LNG储罐内液位的高度。
    以150m3的LNG储罐为例。根据LNG储罐参数，公称容积为150m3的LNG储罐，其几何容积为157.9m3，最大充装系数为0.95，该储罐的最大充装量为142.5m3。在卸车过程中，当储罐内工作压力下LNG体积达到最大充装量时就必须关闭进液气动阀。此过程可以由人工来完成，通过观察液位计的指示值，在液位达到上限时就关闭进液阀。这样设计就无法避免观测误差、计算误差、操作时间差等多方面因素所带来的偏差，使系统的安全性大打折扣，也无法满足现代化生产的需求。如果能用仪表来代替操作工，把人眼的功能改成液位变送器来实现，把人脑的功能用控制系统代替，那么不仅能减轻操作工的劳动强度，而且可以提高控制系统的速度和准确度。把变送器检测到的液位信号转换为4～20mA的标准信号，传送至控制器，通过控制器与设定值进行比较，液位值大于等于设定值时就输出信号切断储罐进液气动阀，停止储罐进液，从而实现规范要求的连锁切断功能。
    储罐内胆工作在超低温环境中，如果储罐内没有LNG，就会使储罐内胆的温度上升，下次重新充装LNG时就需要预冷。为了避免储罐内胆温度的频繁变化，控制系统还需要设置储罐的低液位报警，当储罐液位低于总容积的10%对应的液位时要发出报警信号，提示操作人员及时切断储罐出液阀，将其他储罐投入运行。
5 空温式气化器出口气体温度连锁系统[3]
    从储罐流出的LNG进入空温式气化器，空温式气化器将LNG液体与空气进行换热而达到气化的目的。环境温度及气候条件就成为影响设备运行状态的关键因素。环境温度变化无常，晴天和阴天不一样，冬天和夏天不一样。一旦空温式气化器投入运行，整个气化器的温度便会下降，在LNG入口处的温度会比环境温度低很多，这样与设备接触的空气中的水分就会凝结，随着空温式气化器投入运行时间的增加，气化器上凝结的水会进一步降温，导致结冰。这样随着时间的推移，空温式气化器的结冰面积不断增大，影响气化器的传热效果，导致其气化能力下降，出口气体温度降低。为了系统的安全，空温式气化器出口气体温度不能过低。
   实际的环境温度变化、设备结冰情况等多方面的因素，都无法用确切的数据来衡量。这种实际情况与设计状态的差别，使我们无法确定气化器出口气体温度。为了保证LNG气化站的安全，就必须保证空温式气化器时刻工作在正常状态，其出口气体温度必须在规定的范围内。为了满足这一要求，可以在空温式气化器的出口和入口设置一套温度检测报警连锁系统，即在空温式气化器出口管道上设置温度检测仪表，在空温式气化器进液口设置紧急切断阀，并将温度报警信号与紧急切断阀连锁。一方面可以随时监视空温式气化器的工作状态，当出现不正常情况时发出报警信号；另一方面也可以在空温式气化器出口气体温度低于设定值时输出信号，连锁切断储罐出液气动阀，停止供气。
    虽然空温式气化器都有其工作状态参数和气化能力，但是生产厂家也无法保证空温式气化器的出口气体温度，只能保证设备在输出流量最大时，其出口气体温度尽可能地接近环境温度。因此在设计时，考虑到设备运行的安全性，通常要根据气化站的室外极端最低温度来确定气化器出口气体温度的报警设定值。如果极端最低温度比较低，为了保护下游设备的安全，这个温度设定值也不应低于下游设备及管材正常工作时的最低承受温度。
    例如某地的室外极端最低温度为-10℃，空温式气化器出口气体设计温度比环境温度低5℃。在这种条件下，正常工作的空温式气化器出口气体温度就应当在-15℃以上。这里条件中环境温度是一个极限情况，而且空温式气化器也是工作在最大负荷下，因此在实际情况下，空温式气化器出口温度就应当比-15℃要高。在设计的时候，我们通常要把各种不利因素都考虑进去，还考虑一定的余量，将出口气体温度的报警设定值设置为比环境温度低8～10℃。按照上面例子中的环境条件，空温式气化器出口温度报警设定值应为-18～-20℃，即当空温式气化器出口气体温度低于-20℃时，就可以断定该空温式气化器已经不在正常工作状态了，可能是由于空温式气化器结冰太厚或是其他原因，导致其传热能力下降而不能满足正常工作需求，需要进行安全保护。这时为了保证LNG气化站的供气安全，控制器就要输出信号切断空温式气化器进液气动阀，停止该空温式气化器的工作。
6 水浴式加热器后气体温度控制系统
    如果由于环境因素导致空温式气化器出口气体温度过低，不能满足下游没备安全运行的要求，就需要对其进一步加热。常用的设备是水浴式加热器，通过低温天然气与热水进行换热，以提高天然气温度。可以设置一套温度控制系统，该控制系统由水浴式加热器、温度变送器、温度控制器、变频器、热水锅炉和热水循环泵等组成。其目的是保持水浴式加热器出口气体温度恒定，减少资源浪费。其中热水锅炉提供恒温热水，热水循环泵提供热水在系统中循环的动力，变频器改变热水循环泵的转速。当来自空温式气化器的天然气温度或流量改变时，会导致水浴式加热器的出口气体温度发生变化，温度变送器测得温度的变化，将此信号送至温度控制器。温度控制器将测量值与设定值进行比较，然后根据偏差信号进行运算后，将控制指令发送给变频器，变频器接到信号后会改变对循环泵的输出电源频率，从而改变热水循环系统的热水流量，以维持水浴式加热器的出口气体温度。
7 其他保护系统
    由于天然气属易燃易爆气体，为了避免天然气泄漏事故的发生，在生产区内可能发生天然气泄漏的位置应设置燃气泄漏报警器，实时监测环境空气中的可燃气体浓度。当环境空气中可燃气体浓度超过设定值时，将报警信号远传至控制室，发出声光报警，提示操作人员采取相应的紧急措施。为了下游用户的用气安全，还需要设置自动加臭系统，以方便用户及早发现天然气的泄漏，避免事故发生。
8 结论
    虽然控制系统越来越智能化，仪表及控制器也越来越先进，但是LNG气化站的安全运行不能单凭可靠的控制系统。在LNG气化站设计中，合理进行功能分区，将生产区、辅助区合理分开；选择与防爆等级相适应的仪表及设备，保证站区供电系统的安全可靠性；在运营过程中对站内工作人员进行定期培训，使其了解LNG特性及可能产生的危害和影响，了解防护用品的作用及正确使用方法；编制事故应急处理预案等，都可以为LNG气化站的安全运营提供不同方面的安全保障。
参考文献：
[1] 朱昌伟，马国光，李刚.LNG气化站的安全设计[J].煤气与热力，2007，27(7)：20-23.
[2] 吴创明.LNG气化站工艺设计与运行管理[J].煤气与热力，2006，26(4)：1-7.
[3] 赵淑君，朱万美，王丽娟.LNG的应用与气化站设计的探讨[J].煤气与热力，2005，25(8)：36-38.
 
(本文作者：刘力宾 新奥集团廊坊设计院 河北廊坊 065001)