我国液化天然气接收站防爆设计
Outline:
殷虹
收稿日期：2013-05-02；修回日期：2013-07-17
作者简介：殷虹(1961-)，女，高级工程师，1996年天津大学工业自动化专业硕士，现在中海石油气电集团有限责任公司技术研发中心主要从事LNG接收站工程电气设计及天然气发电技术研究。地址：(100007)北京市东城区东直门南大街11号中汇广场C座902室。E-mail：
yinhong@cnooc.com.cn.
摘要：在天然气行业防爆安全是企业的头等大事，在液化天然气(LNG)接收站工程设计中必须采取相应的措施。探讨了LNG接收站爆炸危险环境特点及危害以及释放源的确定，总结了危险区域划分方法，阐述了LNG接收站常用防爆措施，如建筑物的防爆设计、通风防爆设计、防爆电气设备的选用等，总结了国内LNG接收站工程防爆设计的特点，提出的建议对后续工程建设有借鉴作用。
Engineering design of explosion protection in LNG receiving terminal
Outline:
Yin Hong
CNOOC Gas and Power Group Research & Development Center, Beijing 100007, China
Abstract: Explosion-proof security is the top priority of the enterprise in the gas industry, terminal corresponding measures must be taken in engineering design in the liquefied natural gas (LNG) receiving terminal.This paper discusses environment characteristics and harms of the LNG receiving terminal explosion, as well as the determination of release source, summarizes the risk zoning dividing method and expounds commonly used explosion-proof measures of the LNG receiving station, such as the explosion-proof design of the structure, ventilation design, the selection of explosion-proof electrical equipment, etc., then concludes the explosion-proof design characteristics of domestic LNG receiving terminal engineering, and proposes the reference suggestions to the subsequent project construction.
液化天然气(LNG)接收站的主要功能是LNG的接卸、储存和气化，以及天然气的计量、外输。在LNG接收站的生产过程中不可避免地会出现LNG泄漏或溢出，LNG气化后的天然气与空气中的氧气混合，形成可燃、易爆的爆炸性混合物，在这种环境中电气设备的火花、电弧或危险高温是引起爆炸事故的主要原因，因此防爆安全就成为企业的头等大事。为了防患于未然，在工程设计中必须采取相应的防爆技术措施。通常的技术措施分为两类，即一次防爆措施，如建筑物的防爆设计，通风防爆设计等；二次防爆措施，如在爆炸危险区内避免点燃源，选用防爆电气设备等。
LNG接收站厂区的可燃物体主要分布在码头区、LNG储罐区、工艺区、汽车槽车装车区、火炬区、海水区。区内可燃物体不仅有LNG、天然气，还有氢气。主要危害是火灾和爆炸，次要危害是低温冻伤、噪声、触电及机械伤害。而主要危害的起因是LNG和天然气泄漏，因此防止泄漏发生是安全措施的重中之重。
当LNG从储罐或管道泄漏时，起初气化率很高，小部分液体会急剧气化成蒸气，形成云层或层流，剩余在地面的LNG会沸腾气化，与周围的空气混合形成冷蒸气雾，在空气中冷凝形成白烟，白烟稀释受热后与空气混合，形成爆炸性混合物。泄露事故发生一段时间以后，LNG气化率趋近于一个常数，若无围护设施，则LNG就会沿地面继续扩散、气化，对人身安全构成威胁。
2 爆炸性混合物释放源
可能发生泄漏事故的危险部位就是爆炸性混合物释放源，LNG接收站发生泄漏事故的危险部位主要是LNG装卸系统、LNG存储系统、气化系统、BOG处理系统、输送系统。释放源部位和危害如表 1所示。
表 1
表 1 LNG接收站释放源一览表
Table 1 Release sources of LNG receiving terminal
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表 1 LNG接收站释放源一览表
Table 1 Release sources of LNG receiving terminal
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爆炸危险区域划分的步骤是，首先对爆炸危险混合物进行分类、分级、分组；然后找出释放源的位置，判定释放源的等级，最后绘制爆炸危险区域图，爆炸危险区域划分是防爆设计的第一步。我国防爆设计依据的技术规范有GB 50058-1992《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》、GB 3836.14-2010《爆炸性环境第14部分危险场所划分》。但是由于我国LNG起步晚，LNG接收站专业的防爆技术标准欠缺，因此在国内工程设计中还必须参考国际LNG专用技术规范，例如美国石油协会标准API 505-97《在Ⅰ类，0区，1区和2区内石油电气设施危险区域划分推荐规程》，美国消防协会标准NFPA 59A-2001《LNG生产、储存和装运标准》。
3.1 爆炸性混合物分类、分级、分组方法
3.1.1 爆炸性混合物的分类
LNG接收站内的可燃物体主要是LNG和天然气，LNG只有在气化后才具备可燃性，因此LNG接收站的环境属于爆炸性气体环境。
3.1.2 爆炸性气体混合物的分级
根据GB 50058-1992第2.4.1条规定，爆炸性气体混合物的级别分为ⅡA、ⅡB、ⅡC，从ⅡA、ⅡB到ⅡC气体的爆炸危险程度逐级增加。LNG中主要含有甲烷、乙烷、极少量的戊烷和正丁烷，爆炸级别属于IIA类。
3.1.3 爆炸性气体混合物的引燃温度分组
按照爆炸性气体混合物引燃的最低温度，温度组别分为6组，代表性爆炸性气体的温度组别见表 2。LNG中戊烷的引燃温度最低，为285 ℃，因此LNG的温度组别定为T3。在爆炸危险区域内电气设备的表面温度不得超过爆炸性气体的引燃温度，以避免由于电气设备表面温度过高引起爆炸。
表 2
表 2 温度组别、引燃温度和电气设备的最高表面温度
Table 2 Temperature classes, ignition temperature and maximum surface temperature of electric equipment
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表 2 温度组别、引燃温度和电气设备的最高表面温度
Table 2 Temperature classes, ignition temperature and maximum surface temperature of electric equipment
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3.2 查找和确定释放源的等级
按照爆炸性气体混合物的释放频繁程度和持续时间，释放源分为三级，即：连续级释放源、第一级释放源、第二级释放源。
LNG接收站内连续级释放源有：固定储罐的上部空间和排气口，直接与空气接触的LNG的表面；第一级释放源有：正常运行时会释放天然气的BOG压缩机、阀门的密封处；第二级释放源有：正常运行时不能出现LNG的管道接头、天然气排气孔。
3.3 爆炸危险区域的划分
首先，确定LNG级别和组别(IIA、T3)，找出各个释放源的数量、位置和等级，划分出爆炸危险的区域。然后，确定爆炸危险区域的范围，最后结合释放源所处的通风条件调整区域大小。
存在连续级释放源的区域划为0区，存在第一级释放源的区域划为1区，存在第二级释放源的区域划为2区。
确定爆炸危险区域数量和范围主要是依据技术规范中的图例，重点是参考API 505-97以及工程技术人员的经验。与爆炸危险区域范围有关的因素有：LNG/天然气的泄出量、释放速度、爆炸性气体混合物的浓度、LNG的沸点、天然气爆炸下限、闪点、障碍。
3.4 爆炸危险区域划分实例
图 1是福建LNG接收站工程项目爆炸危险区域划分图。该工程的原料输入为LNG，经汽化后将气态天然气通过输气干线向各用户送气。LNG为气态爆炸性混合物属于IIA级，温度组别为T3。根据GB 50058－1992《爆炸和危险环境电气装置设计规范》及IEC 79-10的规定，液态和气态天然气在处理，转运和贮存过程中产生燃烧、爆炸、窒息的危险，考虑其出现的泄漏频繁程度和持续时间及通风条件来划分爆炸危险区域。
由于工艺措施、设备制造及自动化水平较高，在日常运行时不可能出现爆炸危险气体混合物，即使出现也仅为短时存在。另外，由于采用露天化布置，通风情况良好。按相关规范的规定，LNG储罐及容器内为爆炸危险区域0区；储存LNG的容器及输送LNG的泵、管线的周围一定范围内为爆炸危险区域1区及2区，详见图 1。
4.1 总体布置方面的防爆设计
(1) 总体布置应按功能分区，以便集中考虑安全防爆方案的设计。例如，在LNG接收站厂区内，LNG储罐区、工艺区和槽车装车区集中布置，与行政区、公用工程区分开布置。
(2) 总平面布置应该结合工艺流程特点、站址的地形地貌、当地气象条件等。例如，工艺区布置在站区全年最小频率风向的上风侧。
(3) 全厂性重要设施如：控制楼、变/配电室、总变电站、应急发电机、110 kV开关站等布置在非爆炸危险区，并且距离危险区30 m以上。
(4) 电缆和高压电路的走向应尽量绕开危险区域。
4.2 建筑物设计方面的防爆设计
接收站大多数生产设备采用露天布置，有利于通风及防爆泄压，可避免爆炸性气体在建筑物内积聚。如BOG压缩机厂房为半开敞式建筑。
4.3 通风空调系统防爆设计
合理设定LNG储罐、海水气化器等设备间安全距离，加强区域通风，可以在一定程度上降低爆炸的发生机率。
总变电所、码头变电间、控制室及机柜室配备空调，在外墙上设置余压阀，并且需维持房间内不低于25 Pa的正压。控制楼、码头控制楼、变电所内的所有暖通空调设备应配备应急电源。
当有些电气设备必须布置在爆炸危险区内而其防爆条件又不能满足所要求时，可以采用正压防护，布置在1区、2区内变电间/控制室房间内应保持不低于50 Pa的正压。
排除含有爆炸危险性气体的通风机必须选用防爆通风机，风机及风管必须有良好的接地措施。
海水取水区的海水电解装置采用露天布置和强行通风，保证该区域内的氢气浓度低于爆炸下限4%(y)。
5 设计中采用的二次防爆措施—防爆电气设备选型设计[5-6]
5.1 危险区域内电气设备的选型原则
危险区域内电气设备的选型要严格执行GB 3836-2010《爆炸性环境》的相关规定。
(1) 在选用防爆电气设备时，电气设备的级别和组别不低于IIA、T3。
(2) 爆炸危险区域内的电气设备防护型式，应符合周围环境条件的要求。LNG接收站的电气设备外壳防护型式选用见表 3。
表 3
表 3 电气设备防护结构的选型
Table 3 Type selection of electric protection equipment
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表 3 电气设备防护结构的选型
Table 3 Type selection of electric protection equipment
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(3) 爆炸危险区域内的电缆全部采用阻燃电缆，应急照明和消防系统采用耐火电缆。
(4) 在电缆易受损坏的场所，电缆敷设在电缆托盘内或穿钢管埋在地下。在爆炸危险区域内的电缆不允许有中间接头。敷设电气线路的沟道、电缆或钢管所穿过的不同区域之间墙或楼板处的孔洞处均采用非燃烧性材料严密堵塞。
(5) 危险区域内的电器、仪表必须获得相关机构的认证，并在永久性铭牌上标注防护等级、气体类别、温度组别，认证标准及认证机构和认证号。
5.2 LNG接收站常用的防爆电气设备类型选择
(1) LNG接收站常用防爆电气设备类型有：隔爆型“d”、增安型“e”、本质安全型“i”、正压型“p”、无火化型“n”，其他类型基本不用。
(2) 允许在危险区域安装的电气设备防爆类型、标志和电缆见表 4。
表 4
表 4 电气设备防爆类型、标志
Table 4 Anti-explosion types and marks of electric protection equipment
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表 4 电气设备防爆类型、标志
Table 4 Anti-explosion types and marks of electric protection equipment
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6 结论与建议
6.1 对LNG爆炸性气体混合物级别和组别确定要合理，并不是级别和组别越高越好
国内已建大型LNG接收站的工程设计中都把LNG爆炸性气体混合物级别和组别定为IIA，T3；这是沿用了最初国外工程公司的设计理念，但是目前有2个在建项目对LNG爆炸性气体混合物级别和组别定为IIB，T4。
分析表明，LNG组分中甲烷占组分90%(y，下同)以上，其引燃温度是537 ℃，温度组别T1；戊烷约占LNG组分的0.003%，其引燃温度是285 ℃，温度组别T3，以戊烷来确定LNG温度组别显然是保守的。如果按照Ⅱ B，T4定级，则更是偏严了，按照Ⅱ B，T4选择电气设备，会增加设备的投资，而且只有LED灯具能满足Ⅱ B，T4的要求，其他常用的防爆灯具达不到防爆要求。
6.2 在投资增加不多的前提下，可以利用一次防爆措施，加强LNG接收站的安全防护
按照GB 50058-1992的规定，当变、配电室内为正压室，可以布置在1、2类危险区。福建LNG接收站的总变电所虽然布置在危险区外，但还是采用了微正压室设计，既保证了室内温度，又有效地防止了可燃气体进入。
6.3 LNG码头控制/配电室布置应慎重
为了操作方便，码头控制室布置在LNG码头操作平台上或邻近码头的位置，从安全考虑，最好是布置在爆炸危险区域以外。因为，操作平台上布置了卸料臂、LNG低温管线、天然气管线、阀门、积液池等危险物释放源，操作平台几乎都是爆炸危险区域。广东大鹏LNG接收站和浙江LNG接收站的码头控制/配电室布置在栈桥上邻近码头的位置，正是出于安全考虑；而上海LNG接收站码头控制/配电室布置在操作平台上，虽然在非危险区域内，但是离释放源很近。建筑物设计上必须加强防爆、防火措施。为了安全起见，建议码头控制/配电室尽量不要布置在码头操作平台上，这样既保障安全，又可以节约防爆设施的工程建设费用。
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顾安忠. 液化天然气技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2010.
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全国防爆电气设备标准化技术委员会. GB 3836. 1-2010爆炸性环境第一部分: 设备通用要求[S]. 北京: 中国标准出版社, 2011.
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| [6] |
王祥, 朱焕勤. 油库电气安全防爆技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.
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2013, Vol. 42