石油与天然气化工  2022, Vol. 51 Issue (6): 125-131
引用本文
刘盛兵, 刘坤, 唐春凌, 赵松, 孙明炬, 王礼翔, 谢仲海. 小型移动式LNG橇装回收站防火间距探讨[J]. 石油与天然气化工, 2022, 51(6): 125-131.   DOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2022.06.018
小型移动式LNG橇装回收站防火间距探讨
刘盛兵1,2 , 刘坤1,2 , 唐春凌1,2 , 赵松1,2 , 孙明炬1,2 , 王礼翔3 , 谢仲海3     
1. 中国石油西南油气田公司安全环保与技术监督研究院;
2. 四川天宇石油环保安全技术咨询服务有限公司;
3. 中国石油西南油气田公司成都天然气化工总厂
收稿日期：2022-04-12
基金项目：中国石油西南油气田公司科研计划项目“零散天然气移动式橇装回收装置安全生产条件研究”(20210307-01)
作者简介：刘盛兵，1972年生，工程硕士，高级工程师，现主要从事石油天然气开采安全评价及科研工作。E-mail: liushb@petrochina.com.cn.
摘要：目的 核实小型移动式LNG橇装回收站内集中控制室、装车区值班室与LNG设施遵循现有标准规定的防火间距是否满足生产实际要求。方法 利用挪威船级社研制的PHAST软件，选取具有代表性的泄漏工况，对LNG泄漏可能引发的池火热辐射、喷射火热辐射、蒸气云爆炸及蒸气云扩散影响距离进行模拟计算。结果 得出了LNG设施在不同泄漏孔径情况下引发不同事故后果的影响距离。结论 基于工艺管道泄漏概率统计，给出了小型移动式LNG橇装回收站内集中控制室、装车区值班室与LNG设施防火间距的建议。
关键词：LNG橇装回收站    防火间距    集中控制室    装车区值班室    事故后果模拟    
Discussion on fire separation distance of small mobile LNG skid-mounted recycling station
Liu Shengbing1,2 , Liu Kun1,2 , Tang Chunling1,2 , Zhao Song1,2 , Sun Mingju1,2 , Wang Lixiang3 , Xie Zhonghai3     
1. Research Institute of Safety, Environment and Technology Supervision, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
2. Sichuan Tianyu Petroleum Environmental Protection and Safety Technology Consulting Service Co., Ltd., Chengdu, Sichuan, China;
3. Chengdu Natural Gas Chemical Plant General, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China
Abstract: Objective The aim of this study is to verify whether the fire separation distance between the centralized control room, the duty room of the loading area, and the LNG facility in the small mobile LNG skid-mounted recycling station meets the actual production requirements in accordance with the existing standards. Methods PHAST software developed by Det Norske Veritas (DNV) was used to simulate and calculate the thermal radiation of pool fire, jet fire, vapor cloud explosion, and vapor cloud diffusion influence distance caused by LNG leakage under representative leakage conditions. Results The influence distance of LNG facilities with different accident consequences caused by different leakage apertures is obtained. Conclusion Based on the statistics of the leakage probability of the process pipelines, suggestions for the fire separation distance between the centralized control room, the duty room in the loading area, and the LNG facility in the small mobile LNG skid-mounted recycling station are provided.
Key words: LNG skid-mounted recycling station    fire separation distance    centralized control room    on-duty room of loading area    accident consequence simulation    

进入21世纪后，对能源的需求不断增加，液化天然气(LNG)产业发展迅猛，LNG站场日益增多，站场的安全问题随之凸显。当前，我国投产的LNG生产装置朝大型化和小型化两个方向发展: 大型化生产装置通过增加产能、降低能耗来实现，产能普遍在50×104 m3/d以上，常采用EPC模式，建设周期长，总体投资大，均为固定式装置; 小型化生产装置通过降低投资、增加效率来推广，常为小型移动式LNG橇装回收装置，产能为(5~10)×104 m3/d，具有集成度高、建设周期短、安装方便、移动灵活、成本较低等显著优势[1-4]。对陆上零散的天然气资源及非常规气资源来说，建设长输管道不具备经济性，使用小型橇装液化设备可以有效地提高国产天然气资源的利用效率。小型移动式LNG橇装回收装置在塔里木油田、吐哈油田、江苏油田、长庆气田、西南油气田等油气田的零散气井均有回收零散天然气的应用[5-10]。

LNG的储存温度很低，在-162 ℃左右，此外还具有易燃、易爆、易扩散等特点，被列为甲类火灾危险性物品。LNG的泄漏一方面可能造成低温冻伤、窒息等危害，泄漏到水面上还可能造成快速相变(RPT)爆炸; 另一方面，泄漏出来的LNG蒸汽云一旦遇到火源将引发池火、喷射火、蒸气云爆炸和扩散等。

1 小型移动式LNG橇装回收站工艺流程及现行标准
1.1 小型移动式LNG橇装回收站工艺流程

根据零散气井气质的不同，目前小型移动式LNG橇装回收站生产工艺有两种：原料气含重烃或不含重烃生产工艺流程。

含重烃工艺流程：井口原料气经调压过滤计量后顺序进入“脱酸气单元”“脱水脱汞单元”“脱重烃单元”“预冷单元”，最后进入“低温液化单元”液化成LNG，输入装车区，装车拉运。此外，回收站还设置有辅助和公用工程单元：燃料气及BOG回收单元、导热油单元、重烃缓冲罐单元、仪表空气与制氮单元、脱盐水与污水储存单元、冷剂压缩单元、安全泄放单元和燃气发电机单元。其工艺流程如图 1所示。

图 1     原料气含重烃移动式LNG橇装回收站工艺流程框图

不含重烃工艺流程与含重烃工艺流程区别在于少了脱重烃和预冷两个单元。

1.2 小型移动式LNG橇装回收站现行标准

根据GB 50183-2004《石油天然气工程设计防火规范》第10章10.2.5条“1液化天然气储存总容量不大于3 000 m3时，可按本规范表 3.2.2和表 4.0.4中的液化石油气站场确定”[11]，即表 5.2.1规定“集中控制室与甲、乙类厂房和密闭工艺装置的距离不小于25 m，车间办公室、仪表控制间与甲、乙类厂房和密闭工艺装置的距离不小于15 m”; LNG工艺设备间防火间距按GB/T 20368-2021《液化天然气(LNG) 生产、储存和装运》确定[12]，即第5.5.1节规定“含有LNG、致冷剂、易燃液体和可燃气体的工艺设备与点火源、集中控制室、仪表控制间、办公室、厂房和其他有人建、构筑物的距离不应小于15 m。”和第5.6.3节规定“除与装卸操作有直接关联的设备外，LNG和易燃制冷剂的装卸臂到不受控制的点火源、工艺区、储罐、控制室、办公室、车间和其他有人设施或重要站场设施的距离应不小于15 m。”

目前，小型移动式LNG橇装回收站的防火间距是根据GB 50183-2004和GB/T 20368-2021的规定，按照五级站场标准进行平面布置。但因GB 50183-2004针对LNG主要采用的是美国标准NFPA 59A-2001《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》[13]，GB/T 20368-2021主要采用的是美国标准NFPA 59A-2016《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》[14]，两个标准存在原文转化与实际情况不匹配的问题，故针对性不够强。同时，GB 50183-2004规定，LNG站场的区域布置除满足标准规定的防火间距外，尚应按“国际公认的液化天然气燃烧的热辐射计算模型和高浓度气体扩散模型”进行校核。本研究重点针对移动式LNG橇装回收站内LNG设施泄漏发生不同事故情况下模拟计算其影响距离，并与标准规定的集中控制室、装车区值班室与LNG设施的间距进行对比，提出防火间距建议。

2 事故后果模拟计算
2.1 计算模型

本研究采用软件PHAST(Process Hazard Analysis Software Tool)对气体扩散影响距离进行模拟计算。PHAST是挪威DNV Technical公司开发的一款专门用于石油石化和天然气领域危险分析和安全计算的软件。该软件内嵌了多种计算模式，包括泄放扩散、燃烧、爆炸和毒气扩散等，其计算范围较广，可以快速地模拟事故的各种数据，计算结果与试验数据也较为吻合。PHAST软件中气体扩散部分的计算一般运用PHAST UDM(Unified Dimensional Model)模型来计算泄漏及扩散。UDM为一种复合模型，分为准瞬时模型和有限时间修正模型两种，模型以距离和时间作为关键变量，通过一系列代数方程来描述云团的扩散状态[15-18]。

2.2 计算标准
2.2.1 热辐射标准

热辐射采用GB/T 22724-2008 《液化天然气设备与安装陆上装置设计》规定的界区内池火焰热辐射和喷射火焰热辐射影响距离[19]。池火焰热辐射和喷射火焰热辐射取值说明见表 1和表 2。

表 1    池火焰界区内允许的热辐射

表 2    喷射火焰界区内允许的热辐射

2.2.2 蒸气云爆炸冲击波超压标准

蒸气云爆炸冲击波依据GB/T 20368-2021附录A和附录B，取值说明按表 3确定。

表 3    站场界区和有人场所爆炸超压限值

2.2.3 蒸气云扩散标准

蒸气云扩散依据GB/T 20368-2021附录A和GB 50183-2004第10.3.5条，蒸气云扩散影响距离取蒸气云扩散爆炸上限、爆炸下限和爆炸下限50%的最远距离。LNG主要成分为甲烷，其爆炸极限范围为5%~15%，本研究取甲烷的爆炸上限为15%、爆炸下限为5%和爆炸下限50%为2.5%。

2.3 模拟计算条件
2.3.1 处理规模

根据气田实际应用情况，目前小型移动式LNG橇装回收站单套回收装置处理规模为5×104 m3/d和10×104 m3/d两种类型，本研究以实际运行的两种处理规模回收装置参数进行模拟计算，模拟计算参数分别见表 4和表 5。

表 4    处理规模为5×104 m3/d的计算参数

表 5    处理规模10×104 m3/d的计算参数

2.3.2 泄漏孔径

根据装置连接管线情况，分别选取小孔(直径5 mm)、中孔(直径25 mm)、大孔(直径50 mm，连接管道DN50 mm为完全破裂)、完全破裂(LNG管道为DN80 mm或槽车储罐完全破裂)进行模拟。

2.3.3 气象条件

依据GB/T 22724-2008第4.4.5.2条，选取扩散的天然气条件：风速2 m/s，大气稳定度F，空气湿度50%。

2.4 模拟计算结果
2.4.1 池火热辐射模拟

LNG管道、槽车和冷箱池火热辐射计算结果见表 6。

表 6    LNG管道、槽车和冷箱池火热辐射计算结果

由表 6可知，小型移动式LNG橇装回收站内LNG管道和LNG槽车发生小孔泄漏、冷箱在各种泄漏孔径情况下，LNG泄漏时直接汽化，不能形成池火。在此种情况下，站场内集中控制室、装车区值班室与LNG设施无防火间距要求。

2.4.2 喷射火热辐射模拟

LNG管道、槽车和冷箱喷射火热辐射计算结果见表 7。

表 7    LNG管道、槽车和冷箱喷射火热辐射计算结果

由表 7可知，小型移动式LNG橇装回收站的LNG设施发生小孔泄漏时，喷射火焰热辐射为5 kW/m2时，影响距离最近为13 m，最远为22 m。

2.4.3 蒸气云爆炸模拟

LNG管道、槽车和冷箱蒸气云爆炸模拟计算结果见表 8。

表 8    LNG管道、槽车和冷箱蒸气云爆炸模拟计算结果

由表 8可知，小型移动式LNG橇装回收站的LNG设施发生小孔泄漏时，LNG气化形成的天然气云团爆炸冲击波超压6.9 kPa时，影响距离最近为18 m、最远为30 m。

2.4.4 蒸气云扩散模拟

LNG管道、槽车和冷箱蒸气云扩散模拟计算结果见表 9。

表 9    LNG管道、槽车和冷箱蒸气云扩散模拟计算结果

由表 9可知，小型移动式LNG橇装回收站的LNG设施发生小孔泄漏时，LNG气化形成的天然气云团扩散达到爆炸下限50%(体积分数, 下同)，可爆云团扩散影响距离最近为19 m、最远为29 m。小型移动式LNG橇装回收站内LNG设施发生小孔泄漏时，LNG气化形成的天然气云团爆炸上限、爆炸下限和爆炸下限的50% 3种体积分数的扩散侧视图分别如图 2~图 7所示。其中，红线为爆炸上限扩散侧视图，绿线为爆炸下限扩散侧视图，蓝线为爆炸下限的50%扩散侧视图。

图 2     LNG管径(管长100 m)小孔泄漏扩散图

图 3     LNG管径(管长200 m)小孔泄漏扩散图

图 4     LNG槽车(容积20 m3)小孔泄漏扩散图

图 5     LNG槽车(容积50 m3)小孔泄漏扩散图

图 6     冷箱(处理规模5 × 104 m3/d)小孔泄漏扩散图

图 7     冷箱(处理规模10× 104 m3/d)小孔泄漏扩散图

3 模拟计算结果分析
3.1 采标依据分析

小型移动式LNG橇装回收站人员集中场所为工艺装置区集中控制室和装车区值班室两个点，根据标准中对人员集中场所影响距离标准规定，站场界区内池火热辐射值取8 kW/m2，喷射火热辐射取5 kW/m2，蒸气云爆炸冲击波超压取6.9 kPa，蒸气云扩散取爆炸下限50%。

根据国际油气生产协会对事故状况下工艺管道泄漏概率统计[20]，对于DN50管道只会出现小孔泄漏和中孔泄漏，不会出现大孔泄漏和破裂两种类型。小孔泄漏和中孔泄漏概率分别为91.25%和8.75%;对于DN150管道只会出现小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏，不会出现破裂类型，小孔泄漏、中孔泄漏和大孔泄漏概率分别为90.78%、7.1%和2.12%。小型移动式LNG橇装回收站处理规模((5~10)×104 m3/d)LNG工艺管道只有DN50 mm和DN80 mm两种类型，小孔泄漏概率占90%以上，事故后果影响距离以小孔泄漏影响距离为主。

3.2 小孔泄漏统计分析

LNG管道、LNG槽车和冷箱小孔泄漏影响距离统计见表 10。

表 10    LNG管道、LNG槽车和冷箱小孔泄漏影响距离统计表

根据表 10统计可知：在小孔泄漏条件下，LNG管道、LNG槽车、冷箱均未形成池火，无防火间距要求; 当喷射火热辐射为5 kW/m2时，LNG管道、LNG槽车、冷箱热辐射影响距离分别为13 m、16 m和22 m; 当蒸气云爆炸冲击波超压6.9 kPa时，LNG管道、LNG槽车、冷箱爆炸冲击波影响距离分别为18 m、29 m和30 m; 当蒸气云扩散至爆炸下限50%时，LNG管道、LNG槽车、冷箱蒸气云扩散影响距离分别为19 m、23 m和29 m。

3.3 小型移动式LNG橇装回收站防火间距建议

根据上述模拟计算结果，LNG管道、LNG槽车、冷箱发生泄漏事故时，影响距离大于标准规定的15 m，建议小型移动式LNG橇装回收站内集中控制室、装车区值班室与LNG管道、LNG槽车、冷箱的防火间距分别为20 m、30 m、30 m，站场其他密闭工艺装置防火间距按GB 50183-2004和GB/T 20368-2021确定。

4 结论与建议

本研究根据气田实际应用情况，针对不同处理规模的小型移动式LNG橇装回收站，选取LNG设施(LNG管道、LNG槽车、冷箱)发生泄漏时引发池火热辐射、喷射火热辐射、蒸气云爆炸冲击波和蒸气云扩散不同情况进行模拟计算。

根据模拟计算结果，小型移动式LNG橇装回收站内LNG管道、LNG槽车、冷箱发生小孔泄漏时不同事故情况下最大影响距离分别为19 m、29 m和30 m，即站内有人值守集中控制室、装车区值班室与LNG管道、LNG槽车、冷箱的防火间距至少保持19 m、29 m和30 m。

GB 50183-2004和GB/T 20368-2021规定集中控制室与密闭工艺装置的距离不小于25 m，装车区值班室与密闭工艺装置、装车工艺设施的距离不小于15 m，对工艺管道无具体要求。根据模拟计算结果，建议站内集中控制室、装车区值班室与LNG管道、LNG槽车、冷箱分别为20 m、30 m、30 m，此间距可作为制定小型移动式LNG橇装回收站内集中控制室、装车区值班室与LNG设施防火间距的参考。

对于固定式LNG橇装回收站，站场外部安全防护距离建议按照GB/T 20368-2021附录B采用定量风险分析进行模拟计算确定。

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