FLNG油氣處理裝置安全消防系統的設計

2021-08-12
[摘 要] 分析了 LNG 及液化處理過程中的火災危險性，提出了适應 FLNG 油氣處理裝置的防火防爆措施及消防設計思路，可為 FLNG安全消防設計方案提供參考。

近年來，随着全球天然氣勘探與開發的深入，越來越多的深海氣田、邊際小氣田、伴生氣田被發現。為解決這些氣田的開發與運輸問題，各國正加緊研究 FLNG（浮式液化天然氣生産儲卸裝置）技術，以利用 LNG 易于運輸與儲存的特點，加大上述氣田的開發力度。FLNG 是一種開采深海氣田、邊際氣田的天然氣，并将其冷凝成 LNG 的海上生産設施。FLNG 作為新型開發技術，以其投資較低、建造周期短、便于遷移、可重複使用、環境友好等優點而受到各國的歡迎。FLNG 集液化天然氣生産、儲存及卸載于一身，簡化了邊際氣田的開發過程，将成為海工裝備建造的新熱點。
1 LNG的危險性
LNG的成分絕大部分是甲烷，天然氣經過低溫液化後即得到 LNG。LNG 具有低溫、易燃、易爆、易蒸發、易擴散、易流淌、易産生靜電荷的特點。發生火災後火焰傳播速度快、質量燃燒速率大、火焰溫度高、輻射熱強、易形成大面積火災，具有複燃、複爆性，難于撲滅。 LNG的爆炸極限為5%～15.8% （V）。LNG在儲罐中一般以常壓低溫（-162℃）儲存，一旦發生災難性洩漏，其後果不堪設想。
LNG 一旦從儲罐或管道中洩漏，一小部分立即氣化成蒸氣，其餘部分洩漏到地面上，沸騰氣化後與周圍的空氣混合成冷蒸氣霧，在空氣中冷凝成白煙，再稀釋受熱後與空氣形成爆炸性混合物。這種爆炸性混合物若遇到點火源，便可引發火災甚至爆炸。此外在事故狀态時，設備的安全釋放設施排放的 LNG遇到點火源，也可能引發火災。
海上 FLNG生産裝置的消防設計與陸地 LNG 消防設計的不同點，主要表現在以下方面：
（1）海上自然環境惡劣，對船體上使用的設備、閥件等要求适應其惡劣的環境。
（2）生産裝置距岸較遠，發生火災
時很難及時得到陸上的救援。
（3）由于 FLNG 造價昂貴，設備集中，面積狹小，一旦發生事故引起火災，損失較大。
2 LNG 處理過程中危險性分析
LNG處理過程中的火災危險性為甲類。洩漏是LNG處理過程中應最先考慮的事故，處理過程中存在的主要洩漏事故有：
（1）船上儲罐閥門及管道發生洩漏。閥門是 LNG 儲罐的易洩漏部位。閥門法蘭、密封墊片常因老化、開裂、螺母緊固不均等故障而發生洩漏。此外，管道容易因材質問題或受振動、撞擊出現裂縫而發生洩漏。
（2）儲罐發生洩漏。儲罐本體也是可能發生洩漏的重要部位，若儲罐内部超壓或受高溫烘烤急劇增壓造成頂部爆裂，儲罐根部因材質或其它原因也會出現裂縫，造成洩漏。
（3）工藝處理中發生的洩漏。在 LNG工藝處理過程中，工藝管線、閥門及處理設備如低壓泵/高壓泵都有可能存在洩漏的危險。
（4）卸船作業中發生的洩漏。由于高壓外輸設備進行卸船作業，如操作不當或設備本身出現故障等原因，會導緻外輸設備損壞而出現洩漏現象。此外舶貨物歧管與碼頭輸液臂之間的非正常斷開也會造成LNG洩漏。
3 防火措施
3.1 工藝、設備防火措施
LNG儲罐多采用絕熱保冷設計，儲罐中的LNG 處于沸點狀态。由于外界熱量（或其它能量）的導入，會導緻少量LNG蒸發氣化。儲罐上裝有安全報警設施，以保證安全操作，防止出現溢出、翻滾、分層、過壓和欠壓等事故。為防止LNG儲罐發生超壓，配備有BOG壓縮機，可連續将LNG儲罐内的蒸發氣（BOG）抽出，壓縮後作為燃料氣使用。如果液化天然氣儲罐氣相空間的壓力超高，蒸發氣壓縮機不能控制，且壓力超過壓力調節閥的設定值時，會通過壓力調節閥将蒸發氣排至火炬系統燒掉，以減少對大氣的污染。如壓力仍然超高，儲罐内多餘的蒸發氣将通過安全閥釋放。為防止LNG儲罐在運行中發生欠壓（真空）事故，工藝系統中應配置防真空補氣系統。當LNG儲罐産生真空時，從氣化器出口總管處引出部分高壓天然氣，通過罐頂壓力控制閥補充返回儲罐，如壓力依然下降出現負壓，将真空釋放閥開啟。
3.2 設備布置安全技術措施
在LNG船體設備布置中，應将危險等級相同的工藝及公用設施盡量布置在相鄰區域，危險等級低的設備與危險等級高的設備之間要留有一定的空間或設置一定防火等級的結構隔離措施，如防火/防爆牆。
3.3 防火防爆技術措施
3.3.1 漏源控制
LNG洩漏将引起火災或爆炸事故，應特别加強設備、管道、閥門的密封，防止LNG及天然氣等可燃物料洩漏。應在LNG處理及儲存區安裝洩漏檢測裝置，以便及時發現和緊急處理事故。國内外使用的檢測方法主要有：可燃性氣體檢測、溫度檢測、火焰檢測、熱檢測、煙霧檢測等方法。
LNG罐區和工藝區應考慮設置事故收集池，洩漏的LNG收集到事故收集池内，以防止洩漏的LNG溢流。同時，每個收集池均設置高倍數泡沫滅火系統，當低溫探測器檢測到收集池内有洩漏的LNG後，即自動向收集池内噴射高倍數泡沫混合液，以減少LNG氣化。
3.3.2 點火源控制
點火源包括明火、無遮擋的強光、點燃的香煙、電火花、物體撞擊的火花和靜電、高溫表面、發動機排氣等。LNG設備和确定的危險區域應遠離和避免上述點火源。除指定的安全區域外，一律嚴格禁止吸煙和非工作必需的明火。工作流程必須确保安全區的安全。
3.3.3 電氣防爆
根據規範要求，劃分火災爆炸危險區域，根據火災爆炸危險區域的劃分選用相應的防爆電氣設備、配線及開關等。
3.3.4 耐火保護
對工藝裝置内承重的鋼框架、支架、裙座以及鋼管架等按規範要求采取覆蓋耐火層等耐火保護措施，使塗有耐火層的鋼結構的耐火極限滿足規範要求。對火災爆炸危險區域内可能受到火災威脅的關鍵閥門、控制關鍵設備的儀表、電纜均應采取有效的耐火保護措施。
3.3.5 防靜電
對處理和輸送可燃物料的、可能産生靜電危險的設備和管道，均采取可靠的靜電接地措施。對輸送可燃氣體、液體等物料的管道，采取限制流速的措施，以避免因流速過快而帶來的靜電危害。
3.3.6 防雷
對LNG儲罐、高大的框架和設備（如火炬）等均采取可靠的防雷接地措施，避免因雷擊造成的危害。
4 消防措施
消防滅火的首要措施是控制可燃物，防止其擴散。同時在LNG溢流發生後啟動消防系統。通常情況下，LNG産生的大火在燃料源未被切斷前，應先設法切斷燃料源。當判斷大火不會再次造成破壞的情況下，應讓大火燒完。如人員處于危險境地、氣體閥門處在火焰中或大火的熱量中，可通過設備傳熱對人身造成間接傷害時，應将火立即撲滅。對于小型設備，如果發生火災，在火災被撲滅之前，溢出的LNG有可能已燃燒得差不多了。對于大型設備發生火災，首先要控制火焰傳播。天然氣在被點着的瞬間，火焰很大，燃燒開始以後，火焰的大小由氣化率決定。在某些場合，控制LNG的火焰比滅火的效果要好。應在上風口位置控制火焰，滅火劑順着風向向火焰流動，并使消防人員遠離火焰。在考慮LNG設備和裝置的滅火系統時，必須充分考慮滅火系統的能力。LNG是一種深冷物料，其洩漏引起的火災多為氣體火災，化學幹粉滅火劑和氣體滅火劑，都可用于撲滅LNG産生的火焰。泡沫和水無法撲滅LNG産生的大火。如把常溫水噴射到深冷的LNG上會加劇其揮發而帶來更大的危險。高倍數泡沫一般用于撲救LNG的流淌火災及控制LNG的揮發，噴淋水主要用于冷卻設備、閥門及控制火災的蔓延。
4.1 水噴淋系統
水噴淋系統主要對天然氣處理設備、鋼結構、管道、儀表閥門、安全閥及其它設施進行保護。其目的是冷卻設備、控制火災蔓延。水噴淋系統為自動控制，同時具有就地控制的功能。當探測器檢測到火災信号後，将信号傳輸到火災報警控制盤，通過火災報警控制盤的連鎖控制信号啟動閥門，從而開啟水噴淋系統。為防止火災蔓延，考慮對每個天然氣處理模塊設置一套噴淋系統，如果某個模塊發生火災，除保護該模塊的噴淋系統需要開啟外，同時開啟與其相鄰模塊的噴淋系統。水噴淋系統的噴淋強度見表2。
4.2 幹粉滅火系統
幹粉滅火系統通過幹粉與火焰接觸時産生的物理化學作用進行滅火。幹粉顆粒以霧狀形式噴向火焰，大量吸收火焰中的活性基團，使燃燒反應的活性基團急劇減少，中斷燃燒的連鎖反應，從而使火焰熄滅。幹粉噴向火焰時，像濃雲似的罩住火焰，減少熱輻射。幹粉受高溫發生反應，放出結晶水或産生分解，不僅可以吸收火焰的部分熱量，還可降低燃燒區内的氧含量。在 LNG儲罐、BOG儲罐、管道安全閥等氣體放空部位，設置固定幹粉滅火系統，采用自動控制方式，一旦排出的氣體被點燃，可自動釋放幹粉滅火，避免事故擴大造成危險。
4.3 高倍泡沫滅火系統
高膨脹率的泡沫可用于抑制 LNG産生的火焰擴散，并降低火焰的輻射。當泡沫噴到液态天然氣表面後，蒸氣不斷受熱并穿過泡沫上升，而不是在地面擴散。在使用高倍泡沫後，LNG 蒸氣擴散範圍可明顯減小。當泡沫噴到已點燃的 LNG表面時，它可抑制熱量的傳遞，降低蒸發率和火焰的規模。
4.4 輔助消防設備
在天然氣工藝處理區、 LNG罐區和各建築物内配置幹粉、泡沫、二氧化碳等手提式或推車式滅火器，以撲滅初起火災。還應根據規範要求配備足量的消防員、消防器械、洗眼站、呼吸器等其它消防用品。
5 結語
我國目前處于FLNG概念設計和基本設計的初期，缺少FLNG的建造經驗，相應的配套規範也比較缺乏。因此，有關 FLNG 的安全消防系統設計方案應由國家有關部門專家進行充分論證，以使安全消防系統的設計更加可靠、經濟和适用。

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