天然气的防火防爆技术

天然气的防火防爆技术自然 气与空气混合物发生爆炸必备两个条件：一是要处于爆炸范围；二是混合物温度达到着火温度。爆炸时的压力比常压大6～7倍，同时产生剧烈冲击波，并且往往引起火灾。由于自然 气中H2含量极低，点燃无爆鸣声。因此防止自然 气管道、管件、燃烧器泄漏是关键。自然 气燃具都是高温设备，要实行绝热、隔热措施，与可燃材料保持规定距离。液化自然 气气源气量大且比较集中，往往需要远距离输送。考虑经济性，则采纳较大的压力。自然 气的储存不论采纳哪种方式，其要求条件均比较高。尽管在技术上都是成熟的，都应当高度重视其高压输配和储存的平安性。本节重点对液化自然 气站的防火防爆进行介绍。自然 气属于易燃、易爆的介质，在自然 气的应用中，平安问题始终是放在特别重要的位置。液化自然 气是自然 气储存和输送的一种有效的方法，在实际应用中，液态自然 气也是要转变为气态使用，因此，在考虑LNG设备或工程的平安问题时，不仅要考虑自然 气所具有的易燃易爆的危急性，还要考虑由于转变为液态以后，其低温特性和液体特征所引起的平安问题。在考虑LNG系统的平安问题时，首先要了解液化自然 气的特性及其潜在的危急性。针对这些潜在的危急性，充分考虑对人员、设备、环境等可能造成的危害，考虑相应的防护要求和措施。其次是要了解相关的标准，我国液化自然 气工业起步比较晚，相关的标准还不大健全，对于不同的LNG系统，有必要参照一些液化自然 气工业比较发达的国家的标准。如美国的NFPA59A、NFPA57、英国的EN-1473、国际海事组织的(IMO)关于液化石油气体船运规定等。对于液化自然 气的生产、储运和汽化供气各个环节，主要考虑的平安问题，就是围绕如何防止自然 气泄漏，与空气形成可燃的混合气体，消退引发燃烧爆炸的基本条件以及LNG设备的防火及消防要求：防止低温液化自然 气设备超压，引起超压排放或爆炸；由于液化自然 气的低温特性。对材料选择和设备制作方面的相关要求：在进行LNG操作时，操作人员的防护等。一、基本常识1.点火源点火源包括明火、无遮挡的强光、点燃的香烟、电火花、物体撞击发出的火花和静电、高温表面、发动机排气等。有关平安和消防部门都针对这些点火源制定了相关的操作规程。总之，LNG设备和确定的危急区域应远离和避开上述点火源。除了指定的平安区域，都应严格禁止吸烟和非工作必需的明火。工作流程必需能确保平安区的平安。“禁止吸烟”、“禁止明火”等标识必需明显标志。假如非要在危急区使用明火，则必需使用可燃气体检测器来监控大气中可燃气体的含量。静电、电力设备都有可能产生火花。金属或硬物之间的碰撞也可能产生热和火花，如工具、机械零件掉落或撞击。尼龙类的衣服或鞋的摩擦等，也有可能产生火花。铝制的工具在与生锈的钢铁撞击后，会产生铝热反应。该反应产生的火花也有可能点燃自然 气。使用平安的工具可以削减火花的产生，操作时应防止工具的掉落或撞击。在使用工具或器具前，还应先接一下地或连接一些地线等。化纤类的衣服简单产生静电，这种静电很难消退。进入工作区应穿平安的工作服和棉制衣服，以削减静电的产生。电力开关或转换器在切断电源或接通电源时，会产生电火花。接线松动、电线裂开等状况下，也会产生电火花。电流过大，导致电线或设备温度很高，也可以起到点火源的作用。美国消防协会NFPA分别对危急区域和设备的平安等级做了规定。应当充分保证这些设备的平安。操作人员应当熟悉到关闭电源时，有可能会产生电弧。在危急区安装的插头和插座，都应经过平安的防爆设计，并合理地使用。表面温度高于9℃的物体，可以点燃自然 气和空气的混合物。因此，对表面温度较高的部件，如燃烧型气化器、引擎的排放管路等，都应当当作明火来处理。内燃机和燃气轮机产生的火花，也是潜在的点火源。在山区工厂中，安装这些设备必需遵循NFPA37的标准。工作人员也必需留意到危急区内卡车、驳船、终端运输船等引擎产生的电火花。任何安装有发动机的设备，在危急区必需确认四周没有可燃气体，否则不能使用。2.可燃物引起火灾的其次个要素是可燃物的存在。对于LNG系统，就是指LNG蒸气与空气的混合物。除了自然 气和其他可燃制冷剂以外，还有油漆、纸和木材等。这些可燃材料都不能存放在危急区内。3.氧化剂空气本身就是一种氧化剂，其中含有体积分数为21%的氧气。在燃烧的三要素中，氧化剂是很难避开的，由于空气无处不在。但在发生火灾时，应设法削减空气的对流。如LNG储罐发生溢出后，对积存在围堰中的LNG，可用泡沫灭火剂喷洒，使泡沫掩盖在LNG的液面上，削减空气与LNG的接触面积。同时也可降低LNG的蒸发速率。二、LNG溢出或泄漏LNG溢出能使现场的人员处于特别危急的境地。这些危害包括低温灼烧、冻伤、体温降低、肺部损害、窒息等。当蒸气云团被点燃发生火灾时，热辐射也将对人体造成损害。在意外状况下，假如系统或设备发生LNG溢出或泄漏，LNG在短时间内将产生大量的蒸气。与空气形成可燃的混合物，并将很快集中到下风处。于是，产生LNG溢出的四周区域均存在发生火灾的危急性。LNG蒸气受热以后，密度小于空气，有利于快速集中到高空大气中。蒸气集中的距离与初始溢出的数量、持续的时间、风速和风向、地形，以及大气的温度和湿度有关。从对LNG溢出的讨论表明：风速比较高时，能很快地驱散LNG蒸气云团；风速较低或无风时，蒸气云团主要聚集在溢出四周。移动的蒸气云团简单产生燃烧的区域，主要是在可见气团的四周，由于这些区域内的部分混合气体处于燃烧范围之内。LNG溢出或泄漏是属于一种比较严峻的事故，由于设备的损坏或操作失误等缘由引起。正确评估LNG的溢出，以及蒸气云的产生与集中，是有关平安的一个重要问题。溢出的LNG蒸发速度特别快，形成大量的蒸气云。蒸气云将四周集中，比较危急的状况是遇到火源易产生火灾。由于蒸气的数量多，溢出的LNG能不断地蒸发和集中。在蒸气集中的过程中，假如遇到有风的状况，火灾可能快速扩散。而且火灾本身也能产生强劲的空气对流。因此，在考虑人员和设备的平安问题时，应重视风和火的相互作用的影响。最危急的状况是由于燃烧产生剧烈的空气对流，能对LNG设备造成进一步的损坏，扩大事故的严峻性。LNG的溢出可分溢出到地面和水面两种类型。1.LNG溢出到地面主要是指陆地上的LNG系统，因设备或操作缘由，使LNG泄漏到地面。由于LNG与地面之间存在较大的温差，LNG将汲取地面的热量快速汽化。这是一个特别快速的汽化过程，初期的汽化率很高，只有当土壤中的水分被冻结以后，土壤传递给LNG的热量渐渐地削减，汽化速率才开头下降。另外，四周空气的传导和对流，以及太阳辐射也会增加LNG的汽化速率。在考虑系统或设施的平安性问题时，应考虑两方面的问题：首先是设备本身，在万一发生泄漏的状况下，设备四周应具备有限制LNG集中的设施(围堰或蓄液池)，应使LNG影响的范围尽可能减小；其次是LNG溢出后，抑制气体发生的速率及影响的范围。围堰是用于液化自然 气储罐发生泄漏时，防止LNG集中的设施。围堰内的容积应足够容纳储罐内的液态自然 气。在某些设计中，则在储罐四周的地面采纳低热导率的材料，如用具有隔热作用的水泥围起来，以削减蒸发的速率。另一种削减蒸发速率的平安措施是围绕围堰，安装有固定的泡沫发生器，在发生LNG溢出时，泡沫发生器喷出泡沫，泡沫掩盖在围堰中的LNG上面，既可以削减来自空气的热量，又可以降低LNG蒸气产生的速率。目前有一些新的设计理念，储罐四周不设围堰。LNG储罐安装在一钢筋混凝土的外壳内，内罐通常使用9Ni钢制造。假如内罐发生溢出或泄漏，溢出的液体包含在水泥外壳的内部，液体表面暴露于空气的面积相对很小，气体产生的速度比LNG在围堰内要小得多。比较危急的是LNG气体在飘散的过程中，可能在途中遇到点火源，然后产生燃烧，火焰顺着蒸气云往回扩散到蒸气发生点，对设施具有潜在的毁坏作用。2.LNG溢出到水面LNG在水面上产生溢出时，水面会产生剧烈的扰动，并形成少量的冰。汽化的状况与LNG溢出到地面差不多，当然，溢出到水面的蒸发速度要快得多。而且水是一个无限大的热源，水的流淌性为LNG的汽化供应了稳定的热量。有关的LNG工业机构和航运平安代理机构，对LNG在水上溢出的状况进行了深化的讨论。依据有关的报道，LNG溢出到水面的蒸发速率是0.181kg/(m2s)，基本上不受时间的影响。LNG溢出到水面上，最重要的平安问题是蒸气云的形成和引起火灾的可能性。在空旷的地方，LNG产生的蒸气云一般不会产生爆炸，但有可能引起燃烧和快速扩散的火灾。蒸气云产生以后，主要有两个方面的问题：一是蒸气云随着风向的集中，假如在下风方向存在高温热源或火源，就有可能点着这些可燃气体的云团；二是自然 气云团被点燃后，火焰的集中及火焰产生的热流，点燃飘逸的自然 气云团。一旦发生类似的事故以后，需要利用气象学方面的技术，对可能集中到的区域，提前进行预报，预先实行防火和防空气污染的措施。三、LNG溢出或泄漏的预防焊缝、阀门、法兰和与储罐壁连接的管路等，是LNG简单产生泄漏的地方。当LNG从系统中泄漏出来时，冷流体将四周的空气冷却至露点以下，形成可见雾团。通过可见的蒸气云团可以观测和推断有LNG的泄漏。当发觉泄漏后，应当快速推断装置是否需要马上停机，还是在不停机的状况下可将泄漏处隔离和修复，事先应当制定评估泄漏的标准并打算相应的措施。另外，平安规程中必需防止人员接近泄漏的流体或冷蒸气，并尽量削减蒸气接近火源。工厂应当安装栅栏、警告标志、可燃气体检测器等设备。1.管路阀门的泄漏阀门是比较简单漏泄的部件。虽然LNG系统的阀门都是依据低温条件特别设计的，但当系统在工作温度下被冷却后，金属部分会产生严峻的收缩，管路阀门可能产生泄漏。需要充分考虑这种泄漏的可能性应对措施，并安装必需的设备。另外，为了在冷却过程中操作调整这些部件，应当预备相应的工具和服装。总之，暴露在外部的LNG设备上的阀门，可以通过阀门上特别结霜来推断是否消失泄漏。日常的检测可以有效地防止液体的泄漏。2.输送软管和连接处的泄漏LNG从容器向外输送时，LNG在管路中流淌，并有蒸气回流。由于温度很低，造成管路螺纹或法兰连接处的泄漏。在使用软管输送LNG的状况下，软管本身也可能产生泄漏。松软的软管必需通过相关标准的压力测试，并在使用前对每一根管路进行检查，尽量削减泄漏发生的可能性。当输送管万一发生泄漏时，应当实行适当的措施将泄漏处堵住，或切断输送，更换泄漏部件。同时，个人平安爱护和防止蒸气点燃等措施也要同时启动。3.气相管路的泄漏在自然 气液化、存储、汽化等流程中，液化流程使用的制冷剂也有可能产生泄漏。连接液化部分和储罐的管路、气体回流管路及汽化环路都可能产生泄漏。当气化器及其掌握系统消失故障，冷气体和液体进入一般温度下运行的管路，造成设备的损坏。应当实行预防措施，使其能够快速隔离产生泄漏的管路和气化器，同时实行紧急掌握措施，阻挡液体连续流人气化器。冷气体的泄漏主要发生在焊缝、阀门、法兰、接头和容器与管路的连接处。在一个封闭空间中，大量的泄漏有可能使工作人员产生窒息的危急。当冷气体泄漏后，应当像处理液体泄漏一样实行应对措施。这些措施包括关闭系统、隔绝泄漏区域、爱护人身平安、隔离火源，并尽快将蒸气云团驱散。在离火源很近的区域(如使用燃烧设备的气化器)，应当设置快速关闭系统。除了安装自动装置防止冷气体或液体进入外输管路系统外，气化器还应当安装可燃气体检测器、燃烧传感器、自动干粉灭火器等设备。4.LNG溢出的掌握方法假如LNG蒸气在室内发生泄漏，通风和消退点火源是首要的措施。LNG工厂中使用通风机连续的通风，将LNG蒸气排出。除了引出蒸气外，风机可以使蒸气与四周的空气加速混合，因此促进了蒸气团的受热与集中。在封闭区域，当使用CO。,灭火系统进行灭火时，要关闭通风的风机。维护结构和溢流通道可以抑制蒸气的集中。LNG溢出假如发生，应当首先掌握溢出的液体和闪蒸的蒸气，掌握LNG液体的迁移和抑制已点燃的火源的集中。维护结构和溢流通道的设计，由溢流区域和溢流产生危急的可能性来确定。当LNG蒸气云团中没有点火源，操作人员和设备只有被低温液体损害的危急，这是种比较抱负的状况。假如LNG流到未包覆防护材料的设备或构件表面，将快速汽化。LNG在表面流淌几分钟后，物体被冷却以后，LNG的蒸发率会有所降低。还可以采纳混凝土或泥土等材料建筑围堰，或修成沟渠，或其他形式的防护结构，将溢出的LNG限制在肯定的范围内，不让其任意流淌，可以大幅度地减缓LNG的蒸发。溢出的LNG被限制在围堰或沟渠之内，减小暴露的LNG表面与空气的对流换热，也可以降低蒸发量。采纳高膨胀率泡沫灭火剂喷洒到LNG液面，使LNG的液面与空气隔离，能有效地降低LNG表面的汽化率。LNG的汽化速度降低，可以减小可燃气体掩盖的范围。然而，采纳这些方法以后，也将延长LNG存在的时间。依据溢出的LNG是否靠近火源和是否会产生一些潜在的低温损害等因素，综合考虑是否有必要采纳泡沫灭火剂。在少数场合，溢出的LNG数量较多的状况下，假如四周是比较平安的地带，或许有必要特意将它们点燃，使它们快速汽化。当然需要分析清晰短期加速汽化和长期缓慢汽化不同的危急性。四、LNG溢出或泄漏的防火技术通过制定行之有效的平安方案和强化操作人员的平安意识，将大大削减发生事故的可能性。然而，尽管有预防措施，事故有时还是有可能发生。操作人员应当受到应付紧急状况的训练。工作人员必需对LNG的特性和紧急处理措施有个基本的了解，尽量削减人员损害和财产损失。掌握LNG的平安排放和掌握火灾，需要有良好的组织和方案。流程图应当标识清晰需要关闭的阀门、危急检测器位置、撤离路线、平安设备和紧急物资的安放地点。定期演练紧急状况的应对措施。应急设备和物资应放置在很简单取用的地方。工厂应当与当地消防部门、平安部门、急救部门和医疗部门保持联络。假如只是少量的LNG泄漏或排放，将很快地蒸发，有时甚至形成不了可见的蒸气雾团，不会产生积聚。当LNG的排放量大于LNG的蒸发量时，纯液体会喷出来，接触到地面后会产生猛烈的沸腾。地面变冷后，LNG的气化率渐渐下降，最终稳定在较低的气化率状态。气化率主要由空气和地面的温度、风速、溢流液体流过的距离、液体聚集后的表面积所打算。通常LNG溢出后危急最大的时刻是在最初的几分钟内。在这几分钟内，冷液体接触的是热表面，气化速率很快。为了掌握LNG溢出和预防火灾，紧急反应主要有火源的掌握、泄漏点的检测、紧急系统关闭及灭火四个方面。1.着火源掌握LNG供气站区内禁止吸烟和非工艺性火源。假如必需进行焊接、切割及类似的操作，则只能在特殊批准的时间和地点进行。有潜在火源的车辆或其他运输工具，禁止进入围堰区或装有LNG、可燃液体或可燃制冷剂的储罐或设备的15m范围内。掌握排放出的LNG或火势，可以削减财产的损失和人员的伤亡。排放出的LNG应当被引到没有点火源和不会受低温液体损害的区域。可以通过围堰、壤沟、坡槽或其他方法来掌握LNG的排放。用高膨胀率的泡沫可以掌握LNG的气化率。2.探测快速鉴定LNG排放(液体或者蒸汽)的类型、溢出位置、溢出后的集中状况、LNG蒸气或火势的移动方向，这些都是很重要的。可以通过人工检查或探测器来确定LNG泄漏，另外通过声音(液体或气体的流淌)、沸腾、结霜、气味(假如加了气味的话)可以关心工作人员检查到LNG泄漏。可能发生可燃气体聚集、LNG或可燃制冷剂泄漏，以及发生火灾的地区，包括封闭的建筑物，均应进行火灾和泄漏监控。连续监控低温传感器或可燃气体监测系统，应在现场或常常有人在的地点发出警报。当监控的气体或蒸气的浓度超过它们的燃烧下限的20%时，监测系统应启动一个可听或可视的警报。火灾警报器应在现场或常常有人的地点发出警报。另外，应允许火灾警报器与紧急关闭系统连锁联动。3.紧急关闭系统当LNG系统发生泄漏时，停止设备运转可以阻挡LNG进一步泄漏。当监测系统发出警报时，设备会自动关闭或由工作人员关闭，并掌握不要产生点火源。发生事故的区域要进行隔离。每个LNG设备都应加上紧急关闭系统(ESD)，该系统可隔离或切断LNG、可燃液体、可燃制冷剂或可燃气体的来源，并关闭一些如连续运行可能加大或维持灾情的设备。紧急关闭系统应有失效爱护，或者实行爱护措施，使其在紧急状况时失效的可能性降到最小。没有失效爱护的紧急关闭系统距设备15m以内的全部部件，应安装或设置在不行能暴露到火焰中的地点，或者应保证暴露在火灾中时，能平安运行至少10min紧急关闭系统的启动可以手动、自动或两者兼有。手动调整器(开关)应设在紧急状况发生时可接近的地点，距其爱护的设备至少15m远，并且有显著的标志来显示它们的指定功能。4.灭火灭火的首要措施是掌握可燃物，防止其集中。这主要依靠LNG工厂的设计、建筑和平安操作。其次是在LNG溢流发生后与掌握管理人员联系，启动消防系统。使用高膨胀率、低密度的泡沫掩盖削减LNG蒸气的集中。削减空气与LNG蒸气混合形成可燃物。通常状况下，气体产生的大火(包括LNG)在燃料源未被切断前，首先应当设法切断燃料源。在大火不会再次造成破坏的状况下，应当让大火烧完。然而，当人员处于危急境地、气体阀门处在火焰中或大火的热量能通过设备传热对人体造成间接损害时，应当将火马上扑灭。将火扑灭可以削减火灾产生的损失及防止火焰的集中。对于小型设备，如LNG的容量少于400L的设备，假如发生火灾，在火灾被扑灭之前，溢出的LNG就可能燃烧得差不多了。对于大型设备产生的火灾，首要的目的是掌握火焰的传播。自然 气在点着的瞬间，火焰很大，在开头燃烧后，火焰的大小由气化率打算。在某些场合，掌握LNG的火焰比灭火的效果好，使其不能再点燃更大的自然 气云团。应在上风口的位置掌握火焰，灭火剂顺着风向向火焰流淌，并使消防人员远离火焰。(1)消防给水灭火在气化区应供应消防水源和消防水系统。消防水系统的作用是爱护暴露在火灾中的设备，冷却容器、装备和管道，并掌握尚未着火的泄漏和溢流。消防用水的供应和安排系统应能满意系统中各固定消防系统同时使用的要求，使它们在可能发生的最大单个事故时，能在正常的设计压力和流量下供水，同时设计流量还应再加上63L/s的余量，以满意手持软管喷水。连续供水时间应不少于3h。(2)灭火设备灭火灭火可以削减火灾造成的损失，扑灭时间越短，造成的损害越少。化学干粉灭火剂和二氧化碳灭火剂，都可以用于扑灭LNG产生的火焰。泡沫和水灭不了LNG产生的大火。LNG工厂中用得最多的是化学干粉灭火剂。在一些大型的、固定的工厂中，都安装了便携式化学干粉灭火剂。在大型工厂中，也有移动式或车装载的化学干粉灭火设备。使用灭火剂扑灭LNG产生的火灾时，灭火剂必需快速工作，灭火剂的量要依据对火灾规模的估计来确定灭火剂的量。(1)化学干粉灭火化学干粉灭火是通过干粉与火焰接触时产生的物理化学作用灭火。干粉颗粒以雾状形式喷向火焰，大量汲取火焰中的活性基团，使燃烧反应的活性基团急剧削减，中断燃烧的连锁反应，从而使火焰熄灭。干粉喷向火焰时，像浓云似的罩住火焰，削减热辐射。干粉受高温作用，会放出结晶水或产生分解，不仅可以汲取火焰的部分热量，还可以降低燃烧区内的氧含量。在封闭和开放的区域，可以用化学干粉灭火剂扑灭LNG产生的火灾，但使用需要有肯定的技巧。化学干粉灭火剂喷到火焰上后，可以破坏燃烧链。但假如化学干粉灭火剂喷到了不匀称的表面，LNG液面有可能再次被点燃。操作化学干粉灭火剂时，应站在火焰的上风口，将灭火剂匀称喷洒到火焰上。将整个房间或封闭区域都喷上灭火剂，可以将LNG产生的火焰扑灭。但应防止再次点燃残存的蒸气。使用化学千粉灭火剂扑灭LNG产生的火灾时，灭火剂应当有足够的量。灭火剂的数量与火焰燃烧时间的长短、火灾区建筑物结构等因素有关。操作人员假如对灭火器操作比较娴熟，一个30L的化学干粉灭火器能扑灭2m2范围内的火焰。化学干粉灭火器也可以用来扑灭其他气体产生的火灾，但这要看火灾的形势和操作人员的力量。化学干粉灭火方法不太适合于规模很大的火灾。可以移动的350L化学干粉灭火器，可扑灭14m2范围的大火。然而，操作人员必需受过良好的训练，在操作灭火器时没有障碍或不会将火星喷出火焰区。由于这些灭火剂喷出后存在时间较短，当灭火剂集中后，火焰有可能回扑。灭火剂集中或耗尽后，暴露的设备由于被火焰加热了，因而有足够的热量将可燃蒸气或LNG重新点燃。对于一些重点防火的地方，需要安装固定的灭火系统。固定的灭火系统可以快速启动灭火，而移动的灭火器则有肯定的操作时间。灭火剂也有可能对人员产生损害，如降低可视度、造成短暂的呼吸困难。虽然在使用灭火器的时候，这不是一个重要的问题，但对于固定灭火系统，当掌握区域内有人员时，不得不考虑这个问题。一般是先发出警报，灭火系统适当延迟启动，使人员有时间撤离。不利的是损失了灭火的最好时间，由于火灾发生后，灭火越早扑灭越简单。在考虑LNG设备和装置的灭火系统时，必需充分考虑到灭火系统的力量。(2)高膨胀率泡沫灭火高膨胀率的泡沫可用来抑制LNG产生的火焰集中，并降低火焰的辐射。该灭火剂最好的膨胀效果是600:1。当泡沫喷到液态自然 气表面后，LNG的蒸发率会有所增大。蒸气不断受热并穿过泡沫上升，而不是在地面集中。在使用高膨胀率泡沫后，LNG蒸气集中范围可明显减小。当泡沫喷到已点燃的LNG表面时，它能抑制热量的传递，降低