LNG汽车加气站防火安全设计方案

LNG汽车加气站防火安全设计方案1概述1.1天然气汽车技术和加气站简述近年来为了冶理汽车尾气排气污染，保护大气环境，调整能源结构，发展新兴产业，我国政府从“十五”期间就开展了清洁汽车行动，天然气是一种优质、高效、方便的清洁都使用天然气作燃料。天然气汽车技术目前常见的两种类型是压缩天然气（LNG）技术，CNG汽车技术的汽车车载气瓶储存的是常温高压气达25MPa。LNG汽车技术的汽车车载气瓶储存的是低温低压燃料，国内清洁汽车大（CNG）技术和液化天然气态天然气，气体工作压力高液态天然气，储存温度一般在-140℃左右（液化厂的出厂温度一般在-146℃，运行压力一般在1.0MPa以下）。因为储气方式的不同，汽车加气站也随之分为CNG加气站和LNG加气站两种式模，当然LNG也可通过高压气化为高压气态天然

气，加气站称为L-CNG汽车加气站，此种情况对汽车而言仍是CNG技术。CNG加气站的原料气来自天然气管网，从城区天然气管网抽取原料气的加气站称之为CNG常规站；无城区天然气管网的城市也可在较远的天然气长输管线旁建设CNG加气母站，在城市建设CNG加气子站，母站的压缩天然气通过高压罐车运输至子站，由子站给汽车加气。CNG加气站的卸陷是常规站要受城市管网的制约，有时因管网压力不足而不能运行，无管网的城市不能建站，采用母子站的形式时距离不能太远，太远时运输成本高，不经济。LNG加气站的原料气来自液化厂，较之CNG加气站具有以下十分明显的优势：①建站地点灵活，不受城市天然气管网的制约，无管网的城市或高速公路旁均可建站。②能量密度大，约是CNG的2.5倍，储气量大，所以对加气站的投资商来说，长途运输成本小，经济效益好，对加气车辆来说，气瓶储存量大，续驶里程长，加气次数少，

节约了时间。③在加气站的加工过程中，动力设备功率比CNG站小得多，约为CNG站的20～30%，节约了运行成本。④设备噪音小，CNG加气站的压缩机、干燥器、冷却塔等设备噪音往往超标，环保性能差，而LNG加气站的唯一动设备是低温离心泵，噪音十分小。⑤气质指标优于CNG加气站，汽车尾气排放污染小，因为天然气在液化过程中，它的杂质和有害物质如：水、硫化物、苯、二氧化碳等脱除的比CNG更为彻底、干净。⑥占地面积小，CNG加气站由于高压储气瓶组或高压罐车等储气设施距其它建（构）筑物的防火间距大，设备多，建筑物多，占地面积大。而LNG低温低压储存设备距其它建（构）筑物防火间距小，设备少，占地面积小，如果采用LNG地下储罐方式占地面积更小。⑦建站投资省，LNG加气站较之CNG加气站无脱水脱硫等净化设施，无冷却设施，设备少，建筑物少，占地面积小，工程建设投资小。

⑧LNG技术安全性能高于CNG技术，因为LNG技术采用的低温低压，而CNG技术采用的常温高压，CNG技术的压力容器、压力管道由于长期承受高压一旦引发爆裂事故，后果非常严重。1.2LNG汽车加气站的发展历程国外LNG汽车技术始于上世纪80年代晚期到90年代，目前技术完全成熟，其LNG重载卡车、大巴车已商业化，我国LNG技术起步较晚，2003年5月，国家科技部在“十五”期间科技攻关计划“清洁汽车关键技术研究开发及示范应用”中，明确批示了实施“单燃料LNG公交车示范工程”项目，之后北京、乌鲁木齐、长沙、海口、三亚等城市分别建设了LNG加气站。几年来，运行状况良好，国内有关汽车发动机厂家，汽车制造厂家也生产了拥有我们自主知识产权的单燃料LNG大巴车、重载卡车，LNG汽车产业的发展日趋成熟。目前国内约有LNG加气站100余座，L-CNG加气站20余座，LNG汽车约3000多车辆。海南中油深南石油技术开发有

限公司主要工程技术人员曾经承建了我国十五期间我国首座LNG汽车加气站项目—北京LNG加气站示范站项目。2防火规范及采用规范的意见2.1国内标准（1）《汽车加油加气站设计与施工规范》GB50156－2002（2）《石油天然气工程设计防火规范》GB50183—2004（以下称《石油规》）（3）《石油化工企业防火设计规范》GB50160-1992(1999年版)（以下称《石化规》）（4）《建筑设计防火规范》GB50016—2006（以下称《防火规》）（5）《石油化工企业厂区总平面布置设计规范》SH/T3053-2002（以下称《石化总平规》）（6）《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》SH3501-2002（以下称《石化管道规》）

（7）《建筑给排水设计规范》GB0015—2003（以下称《排水规》）（8）《建筑物防雷设计规范》GB50057—94（2000年版）（以下称《防雷规》）（9）《爆炸和火灾消防环境电力装置设计规范》GB50058（以下称《爆炸规》）（10）《石油化工静电接地规范》SH3097—2000（以下称《静电规》）（11）《建筑灭火器配置设计规范》GB50140—2005（以下称《灭火器规》）2.2国外标准（1）美国国家防火协会NFPA59A《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》（2002年版以下称《美国LNG规》）（2）美国国家防火协会NFPA57《液化天然气（LNG）车辆燃料系统规范》

（1996年版以下称《美国车用LNG规》）2.3有关标准说明（1）《LNG规》与《美国LNG规》我国的LNG技术起步较晚，美国早在20世纪80年代就相应制定了一系列LNG技术标准。我国2006年10月1日实施的《LNG规》完全等同采用了《美国LNG规》。此标准对LNG的生产、储存和装运全过程中的设计、选址、施工、操作、人员培训等作了详尽的规定，它是美国LNG产业技术发展的科学总结，它合理、人性化地规范了LNG产业设施的防火设计要求，是目前全世界范围内通用的先进规范。（2）《美国车用LNG规》《美国车用LNG规》主要对汽车使用LNG作了详尽具体的规定，它在防火间距的要求方面与《美国LNG规》一致。我国有关部门目前正在探讨我国LNG车辆燃料系统完全等同采用此标准的事宜。

2.4标准采用原则（1）国内有的适用的优先采用国内标准，国内没有的直接引进国外的先进标准，我国LNG项目—广东LNG项目正是根据此原则进行工程建设的。（2）有明确规范执行明确规范，无明确规范执行相近规范。（3）在规范允许设计者作出评判的情况下，根据实际情况，因地制宜，合理灵活理解执行规范，我国上述相关规范主要用于大型LNG生产、储运和使用，如大型液化厂、LNG接收站、城市气化站等。考虑到广东LNG汽车市场主要针对长途、大型、重型柴油车，所以广东LNG加气站的选址建议以城乡结合部、高速公路出入口附近为宜，远离城市中心区，在危险介质储存量上—LNG储罐容积小，数量少，相对危险性小，所以，规范要求设计者对防火设施的程度作出评价时，设计者应根据防火设计的原则、设施当地条件和危险性的分析以及周边建构筑物的实际情况合理的评价执行规范。

2.5采用标准综上所述，广东省LNG汽车加气站网络工程的防火设计主要执行《LNG规》有关规定，有些具体规定执行《美国车用LNG规》，公用工程首先执行上述两标准，局部参照执行《石化规》、《石油规》、《防火规》。3.危险性分析3.1介质危险性（1）介质组分性质贫气（mol%）富气（mol%）N1.2220.00278.4819.831.2370.00277.7417.543.3070.1130.064—组分2CO2甲烷乙烷丙烷0.457异丁烷正丁烷异戊烷0.0040.0020.001454.7液态密度Kg/m3@S.P.T463.4气态密度Kg/m3@S.P.T0.79680.81995体积热值Kcal/Nm39193.09434.8注：S.P.T指标准状态参数，即压力为101.35KPa，温度为20℃，热值为低热值。（2）介质的危险性①火灾、爆炸特性液化天然气是以甲烷为主的液态混合物，储存温度约为－146℃。泄漏后由于地面和空气的加热，会生成白色蒸气云。当气体温度继续被空气加热直到高于－107℃时，由于此时天然气比空气轻，会在空气容积约为液态的570倍，天然气一定的范围内就会产生爆炸，其爆炸下限为5％，上限为中快速扩散。气态天然气的与空气混合后，体积分数在15％。天然气的燃烧速度相对于其它可燃气体较慢（大约是0.3m/s）。②低温特性由于LNG在压力为3.5bar的条件下，储存温度约为－146℃，泄漏后的初始阶段会吸收地面和周围空气中的热量迅速气化。但到一定的时间后，地面被冻结，周围的空气温度在无对流的情况下也会迅速下降，此时气化速度减慢，甚至会发生部分液体来不及气化而被防护堤拦蓄。气化的天然气在空气中形成冷蒸气云，此蒸气云的密度和空气的密度相等时的温度是－107℃。所以，LNG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。LNG泄漏后的冷蒸气云、来不及气化的液体或喷溅的液体，会使所接触的一些材料变脆、易碎，或者产生冷收缩，材料脆性断裂和冷收缩，会对加气站设备如储罐、泵撬、加气机、卸车阀组、加气车造成危害，特别是LNG储罐和LNG槽车储罐可能引起外筒脆裂或变形，导致真空失效，保冷性能降低失效，从而引起内筒液体膨胀造成更大事故。（3）火灾危险类别天然气火灾危险性类别按照我国现行防火设计规范如《防火规》划为甲类，《石油规》及《石化规》细划分甲A类，即它的火灾危险性类别是最高的。（4）爆炸危险环境分区

根据我国现行规范《爆炸规》规定，天然气的物态属工厂爆炸性气体，分类、分组、分级为：Ⅱ类，B级，T1组，即ⅡT，防爆电器应按此选择。B1爆炸性气体环境区域划分为2级区域（简称2区），即在正常运行时，不可能出现爆炸性气体混合物，即使出现也仅是短时存在的环境。3.2装置的危险性LNG加气站的工艺设施的危险性如下：（1）LNG低温储罐LNG低温储罐，通常采用立式或卧式真空粉末绝热低温储罐，双层结构，内筒为0Cr18Ni9奥氏体不锈钢，外筒为16MnR容器板材制造，内外筒之间用珠光砂填充并抽真空绝热，最大的危险性在于真空破坏，绝热性能下降。从而使低温深冷储存的LNG因受热而气化，储罐内压力剧增，安全放散阀开启，产生大量的天然气放空。其次可能的危险性还有储罐根部阀门之前产生泄漏，如储罐进出液管道或

内罐泄漏，但这些事故发生概率很小。（2）LNG泵撬LNG泵撬上有两个主要工艺设施，一个是低温潜液泵，一个是增压器，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。（3）LNG加气机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软管爆裂而泄漏。在关闭了储罐出液口后或低温泵停止工作后，泄漏量很小。（4）卸车软管同样LNG卸车软管与槽车连接，危险性同LNG加气机。但在关闭了LNG槽车出液口后或低温泵停止工作后泄漏量不大。（5）LNG槽车

LNG槽车危险性与LNG储罐相同，但一般卸车时间控制在2小时左右，每天最多卸车一次，时间短，次数少，发生事故机率较小。3.3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，最终通过管道安全阀经统一放散管释放泄压。（2）液击现象与管道振动在LNG的输送管道中，由于加气车辆的随机性，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安全阀起跳，迅速降压形成的管内负压出可能是管子失稳，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。当气化后的气体在管道中以气泡的形式存在时，有时形成“长泡带”；当气体流速增大时，气泡随之增大，其截面可增至接近管径，液体与气体在管子中串联排列形成所谓“液节流”；这两种流型都有可能激发管道振动，尤其是在流径弯头时振动更为剧烈。（4）管道中与LNG储罐连接的液相管道中的液体可能受热而产生蒸上升到液面，蒸发气体增大时，气体压力增大克服蒸发气体可能造成“间歇泉”现象发气体，当气体量小时压力较小，不能及时的当随着受热不断增加，

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，喷发时将管路中的液体也推向储罐内，管道中气体、液体与储罐中的液体进行热交换，储罐中液面发生闪蒸现象，储罐压力迅速升高，当管道中的液体被推向储罐后管内部分空间被排空，储罐中的液体又迅速补充到管道中，管道中的液体又重新受热而产生蒸发，一段时间后又再次形成喷发，重复上述过程，这种间歇式的喷发有如泉水喷涌，故称之为“间歇泉”现象，这种现象使储罐内压力急剧上升，致使安全阀开启而放散。3.4生产运行中的危险性（1）储罐中的分层及漩涡现象LNG储罐内的液体长期静止时，在充装新的LNG液体后，由于新注入的LNG液体密度不同于储罐中现有的LNG液体，相层之间的热量的交换出现“过热”状态，进而强烈混合出现漩涡现象，力急剧上升，但此种现象在小型LNG储罐中不常见。就会形成两个液相层。由于两个液使储罐内压

（2）LNG设施的预冷LNG储罐在投料前需要预冷，同样在生产中工艺管道每次开车前需要预冷，如预冷速度过快或者不进行预冷，有可能使工艺管道接头阀门发生脆性断裂和冷收缩引发泄漏事故，易使工作人员冷灼伤，或者大量泄漏导致火灾爆炸发生。（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，一般情况下生产运行中由于卸车，需要给系统增压，这部分气体也储存于储罐；加气车辆气瓶内如果残压过高，需要在加气之前降低车载气瓶内的压力，此部分气体在加气时又抽回储罐。这些气体统称为BOG气体，当BOG气体压力过高时需要进行回收或安全放散。4防火安全设计4.1区域布置（1）一般原则区域布置主要根据加气站与相邻建（构）筑物和设施方

面的特点及火灾危险性，结合地形与风向等因素，合理选址，加气站宜布置城镇和居民区的全年最小频率风向的上风侧，站区地势要求平坦、开阔，避开重要建筑物和人流密集区，远离明火场所。（2）《LNG规》要求LNG储罐从拦蓄区到建筑物和用地界线的距离LNG储罐单储罐从拦蓄区或储罐排水系总容积水容积统边缘到筑物和用地界mmm45633≤60≤3060＜V≤120≤60120＜V≤200≤1004.2总图布置（1）根据系统的工艺流程按照功能分区布置，如卸车区、储存区、加气区、辅助区，各区之间分区明显，其中卸车、储存、加气区为爆炸危险环境，辅助区为正常环境。（2）站内各设施之间防火间距根据《LNG规》要求执行。（3）设备拦蓄区根据《LNG规》LNG储罐的周围应设置拦蓄区，拦蓄区类似《石化规》、《石油规》中的防护堤或围堰，拦蓄区的作用是在发生泄漏时，为防止流体流淌蔓延，将流体限制在一定区域内，《LNG规》及《车用LNG规》规定了从拦蓄区到站外建（构）筑物的防火间距。（4）设置集液池设计在拦蓄区内设置集液池一座，以便收集泄漏的LNG，收集雨水，集液池内装防爆潜水泵，当发生LNG泄漏时，潜水泵不工作，当需要排雨水时，启动潜水泵排入拦蓄区外的排水系统。（5）设置环形消防车道及回车场地站区内围绕防护堤设立环形消防车道，并在卸车区、控制房前设立回车场地，供消防车辆在事故状态时使用。（6）装置露天化、敞棚化LNG气体泄漏后扩散挥发迅速，与空气混合后容易形成爆炸混合物。密闭房间内部易积聚气体，易引发火灾爆炸事故。本工程在设计时充分了考虑了装置露天化、敞棚化，如

LNG储罐、泵撬、卸车槽车等设施采用露天化布置，加气区是经常性工作场所，采用四周完全敞开的罩棚。4.3建（构）筑物设计（1）耐火等级，耐火极限按照《建筑防火规》及《石油规》，站内建（构）筑物耐火等级为2级；耐火极限不低于2h。加气罩棚采用轻型钢架或混凝土结构，罩棚屋面采用轻型彩钢板，工艺设施界区内如卸车区、储存区（拦蓄区）、加气区采用不发火地面。（2）耐低温性能站内工艺设施基础如LNG储罐、泵撬、加气机基础、防护堤、加气罩棚柱子等构筑物，采用钢筋混凝土结构，可能接触低温的部位使用防冻水泥。（3）抗震设计建（构）筑物及设备基础按8度设防

4.4工艺安全设计（1）工艺流程工艺流程为密闭型系统，从物料的投入和物料的输出始终在一个由装置和管道组成的密闭系统，被加工的物料始终在受控条件下（安全状态下）工作，当物料状况超出预先设定的受控条件，系统设备的安全保护装置立即启动、关闭物料进出口（包括储罐）的紧急切断阀或者打开安全阀放散泄压。同时由于系统有时因多余的BOG气体超压而进行放散，本系统在流程的设计上，在卸车时采用低温泵，尽量不产生或少产生BOG气体。（2）安全设施储运设施的设计严格执行《LNG规》、《车用LNG规》、《石油规》、《石化规》及《管道规》等有关规定。①LNG储罐储罐的进、出液相管道上设置紧急切断阀，当储罐内液面过高、过低、超压与之连接的工艺管道泄漏等事故状况下，自动报警并切断紧急切断阀，储罐同时安装安全放散阀

和人工放散阀，当储罐超压时可实行自动放散或人工放散。②泵撬泵撬的进出液相口设置紧急切断阀，事故状态下切断与之相连的管道，防止事故扩大。③加气机加气机设置拉断阀，在受气车辆未脱离加气软管而行驶时，拉断阀断开，以保证受气车辆的车载气瓶和加气机两设施中的气体不泄漏。④卸车阀组卸车阀组主要由阀门连接而成，阀组内设有安全放散阀，以保护卸车处阀门和管道的安全。⑤工艺管道工艺管道的管材、管件、阀门均采用奥氏体不锈钢，工艺管道的绝热采用真空管或发泡聚乙烯保冷。液相管道的两个截断阀之间设置安全放散阀，一旦液体受热膨胀或气化时，安全阀自动打开泄压，防止管道超压爆裂。

气相总管上设置安全放散阀，一旦操作失误或系统超压时，安全阀打开放散泄压，保护了气相管道的安全。⑥集中放散站内各工艺设施如储罐、泵撬、工艺管道等设备设有统一集中的放散管，使安全放散阀或人工放散阀需要放散的气体集中排放，放散管高出储罐2米，设置在站内全年最小频率风向的上风侧，放散方向为无建（构）筑物和无人活动的空旷地带。⑦紧急停车系统（ESD）系统内设置紧急停车系统，当系统内装置的监测仪表监测系统超限时能自动报警并切断系统（首先切断储罐等危险源装置）当系统内场地监测仪表检测到系统发生泄漏或火灾等灾难性事故时，能自动报警并快速切断（同样首先切断储罐等危险源装置）。站内在控制室、加气区、泵撬等经常操作的区域内，设

置紧急停车系统人工按钮，当操作者判断系统不在受控制的条件下时，可以通过人工手段快速实现停车。⑧控制系统失“源”保护当控制系统失去电源或仪表风气源时，系统应能中止在安全的状态，并保持这一状态直至系统重新启动或长期安全。4.5控制报警系统（1）装置检测仪表储罐上分别设置现场和远传液位计、压力表，并对液位、压力实行联锁，超限自动报警、切断；泵撬上设有现场和远传压力表、温度计，加气机上设有现场和远传流量计、压力计、温度计，所有仪表均远传到控制室。（2）现场监测仪表①卸车区、罐区、加气区设置可燃气体泄漏报警器；②罐区设置能连续检测LNG泄露的低温控制报警装置；③卸车区、罐区、加气区设置火焰探测器。

4.6电气安全设计装置的电气设计严格执行《LNG规》、《石油规》、《石化规》及其它防爆、防雷、防静电设计规范。（1）按照《爆炸规》划定爆炸和火灾危险区域，在爆炸区域内选择相应防爆级别的电器设备、灯具、电缆等；（2）采用阻燃性电缆，并对电缆沟填实封堵，防止气体和液体进入配电室，控制室内。（3）按照《建筑物防雷设