摘要：針對液化天然氣易燃、易爆、低溫等特性以及產業(yè)鏈長的特征，介紹了產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)、各類用戶的安全技術特點與要求，論述了LNG泄漏引發(fā)的安全風險及防范措施，提出了實施全面安全管理的建議。
關鍵詞：液化天然氣；泄漏；安全技術；全面安全管理；產業(yè)鏈
Research on Safety Technology of LNG Industry Chain
LI Shu-wang，LUO Dong-xiao
Abstract：Aimed at the characteristics of inflammability，explosivity，low temperature and long industry chain of LNG，the safety technology features and requirement for each link of Industry chain and each type of users are introduced，the safety risk due to LNG leakage and the prevention measures are discussed，and some suggestions on implementation of comprehensive safety management are made.
Key words：LNG；leakage；safety technology；comprehensive safety management；industry chain
1 概述
世界上最早使用LNG的時間是1959年，“甲烷先鋒號”裝載2000t的LNG從美國的路易斯安那州出發(fā)穿過大西洋運抵英國泰晤士的Canvery島。在我國，2000年2月，第一座天然氣液化工廠在上海建成投產，標志著我國大規(guī)模利用LNG開始。第一座大型LNG接收站(在深圳大鵬灣)建成投產于2006年6月，進口澳大利亞LNG，供應廣東部分城市燃氣和電廠。
經過近幾年的快速發(fā)展，中國LNG已形成一個極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦彤a業(yè)，國產LNG與進口資源有機結合，互為補充，平衡發(fā)展。2009年，我國LNG的使用量已達到800×104t/a以上，預計未來5年，國產LNG產能將達到350×104t/a，進口LNG接收站規(guī)?？赏黄?000×104t/a。
作為一個發(fā)展歷史較短、技術含量較高的新領域，LNG產業(yè)安全技術具有許多獨特之處，從生產到利用歷經多個環(huán)節(jié)，產業(yè)鏈長且密切聯系、相互依存，氣相-液相-氣相多次轉換，易燃易爆，低溫，使其安全管理問題錯綜復雜。因此，深入研究LNG產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的安全保障技術，對于促進行業(yè)穩(wěn)妥發(fā)展有著十分重要的意義。
2 LNG產業(yè)鏈
LNG的主要組分是甲烷(CH4)，氣相體積分數一般在85%以上，還含有一定量的乙烷、丙烷及微量的氮氣等組分。
LNG產業(yè)鏈是一條資金龐大、技術密集的完整鏈系，產業(yè)鏈較長，主要包括上游開采與液化、中游運輸與輸配、下游儲存、氣化、利用等部分，涉及開采、集輸、凈化、液化、液相運輸、儲存、氣化、管道輸送、利用等多個環(huán)節(jié)。典型的LNG產業(yè)鏈流程見圖1。
從圖1可以看出，為便于運輸及節(jié)省運輸費用，天然氣一般在產地經過低溫處理變成液體，然后借助于車船等運輸工具將其運抵終端用戶側進行氣化，再通過管道及輸配設施輸送給用戶使用。其間，天然氣經歷了幾次相變、幾次溫度劇變。這大大增加了LNG產業(yè)鏈上的安全管理難度，對LNG安全技術提出了較高的要求，對操作人員的操作技能要求也愈加嚴格。
3 LNG產業(yè)鏈的安全風險分析
3.1 LNG的安全特性
① 基本物性
LNG氣相相對密度為0.6～0.7；液相密度為430～460kg/m3；氣態(tài)體積是液態(tài)體積的600多倍；臨界溫度為190K左右，常溫下不能靠加壓液化而只能采用低溫工藝將其液化。
② 燃燒
著火溫度：LNG的著火溫度約為538℃，高于丙烷(493℃)、柴油(252℃)、汽油(257℃)、甲醇(464℃)。
最小點火能量與燃燒速度：LNG的最小點火能量約為0.285mJ，低于汽油與柴油；燃燒速度也較慢，只有0.3m/s。
爆炸極限：LNG在空氣中的爆炸極限約為5%～15%，范圍較窄，危險性相對小一些。
擴散性：氣相LNG常溫條件下密度小，擴散系數較大，具有很強的擴散性。這表明，一方面，LNG泄漏后容易擴散，難以形成爆炸氣體；但另一方面，一旦發(fā)生燃燒爆炸，火勢蔓延速度則很快，燃燒面積和破壞程度也較大。因此，LNG泄漏后，力求避免燃燒爆炸是首要任務。
③ 低溫
LNG的最典型特征是低溫，儲存及運輸環(huán)節(jié)中的LNG均呈低溫特性。除了表現在對設備、管道材料的抗低溫要求外，還要解決系統(tǒng)保冷、蒸發(fā)氣處理等技術問題。防低溫灼傷是運行人員必須具備的基本常識。
④ 泄漏
防泄漏擴散及低溫凍傷是安全利用LNG的兩個關鍵問題。
泄漏擴散包含液相泄漏與氣相泄漏兩種形式，涵蓋LNG產業(yè)鏈的全部過程。無論哪個環(huán)節(jié)的任何形式的泄漏，都具有極大的危險性。LNG連續(xù)供應的特征，在一定程度上更易造成持續(xù)和大量的危險氣體泄漏，造成更大范圍的爆炸性氣體空間，使事故的波及范圍擴大。
⑤ 儲存
儲存過程中應防止LNG分層與翻滾等現象的產生。此外，有效抑制儲罐內LNG由液相向氣相轉換也是儲存過程主要工作目標。
⑥ 壓力輸配
氣相LNG的輸送一般都采用壓力輸送方式，輸配管道運行壓力大多在4.0MPa以上，具有典型的高壓特征。防止泄漏是該環(huán)節(jié)最重要的任務。
3.2 LNG產業(yè)鏈的安全風險分析
從圖1可以看出，在終端利用環(huán)節(jié)之前，盡管LNG都是以液相形式出現的，但自始至終都需要設法抑制其由液相向氣相轉化。事實上，每個環(huán)節(jié)的LNG都是處于氣液兩相平衡之中。LNG產業(yè)所有鏈條上最大的安全風險就在于LNG的泄漏(包括氣相狀態(tài)的泄漏)，以及由此而產生的火災與爆炸事故。
① LNG泄漏及其危害分析
LNG的泄漏較容易被發(fā)現，但也極易引起火災爆炸和低溫凍傷等安全事故。如果是陸上地面泄漏，LNG將吸收地面和空氣的熱量迅速氣化，在短時間內產生大量的蒸氣。起初，低溫的LNG蒸氣密度大于空氣，隨著不斷吸收周圍環(huán)境的熱量，LNG蒸氣的密度小于空氣，向大氣上方擴散并與空氣形成可燃的混合物隨風漂流[1]。
如果是水上泄漏，由于水的比熱容大及流動性等原因，使得LNG泄漏在水面上比在地面時的蒸發(fā)速率大得多，一般可達到0.18kg/(m2·s)。
LNG蒸氣擴散的范圍與初始溢出的數量、持續(xù)的時間、風速和風向、地形、大氣溫度與濕度等因素有關。處置LNG泄漏事故要結合現場實際，正確評估LNG溢出速率、溢出量以及蒸氣云的產生與擴散情況，采取正確的措施。對于風的影響，應從兩方面考慮，沒有產生火災或爆炸事故之前，風勢大有助于危險氣體的快速消散；一旦造成了火災，則會導致火災蔓延、事故擴大。
② 預防與控制
對于有可能發(fā)生泄漏的設備周圍應設置限制LNG擴散的設施，比如圍堰或蓄液池，減少暴露的LNG表面與空氣的對流換熱，以降低蒸發(fā)量；也可以將高膨脹率的泡沫滅火劑噴灑在LNG液面上，使其與空氣隔離，降低LNG表面的氣化率。
少量泄漏情況下，最有效的措施是通風并消除點火源。
③ 氣相LNG的泄漏及其預防
少量氣相LNG泄漏的情況較多，而且較難發(fā)現。預防氣相LNG泄漏的有效方式是加強巡查及設置完善的檢測監(jiān)控設施，特別是一些易泄漏的部位，應重點監(jiān)控，及早發(fā)現，及早處理。
4 LNG產業(yè)鏈的安全技術研究
4.1 天然氣開采、凈化處理與液化環(huán)節(jié)
天然氣開采過程的安全技術問題很復雜，主要是鉆探、鉆井建造及井口設施運行管理的安全技術措施。
天然氣凈化處理及液化環(huán)節(jié)則主要強調設備運行安全。需要針對LNG的低溫特性、制冷劑系統(tǒng)特點，采取必要的安全技術措施。
4.2 LNG儲存環(huán)節(jié)
儲存是LNG產業(yè)鏈中安全技術問題最為突出的環(huán)節(jié)。不僅涉及LNG儲罐等低溫儲存設施的性能及工藝流程的科學性，而且與操作人員技術水平、安全意識等息息相關[2～5]。
首先，工程設計、材料及設備的優(yōu)選，特別是儲罐的設計與建造是儲存環(huán)節(jié)提高安全可靠性的第一步。其次，工藝流程的設計與優(yōu)化，務必將安全性放在首位，并與操作的便利性、可靠性相融合，罐區(qū)布置等方面要竭力體現以人為本的理念。作為人的因素，對操作人員進行安全技術培訓，提高業(yè)務素質，嚴格執(zhí)行各項規(guī)章、操作規(guī)程等，都是至關重要的。訓練出一個素質高、安全意識及責任心強、技術水平高的操作人員團隊，儲運環(huán)節(jié)的安全性就多了一份保障。
在具體的安全技術方面，需要掌握LNG的如下特性。
① 液體分層
不同來源的LNG存在組成、液體密度上的差異，不針對密度不同的LNG采取正確的進液方法，就有可能導致儲罐內LNG因密度大小不一致而產生分層現象。另外，即使混合均勻的LNG，若N2含量較高，也會由于氮的常壓沸點(-195.82℃)遠低于甲烷的沸點(-161.5℃)，其揮發(fā)性遠大于甲烷，使得氮的蒸發(fā)量遠大于甲烷，從而形成自由液面上的LNG中甲烷濃度增加，液體密度減小，與儲罐中下部的LNG產生分層的現象。
② 老化
多組分的LNG在儲存過程中，因各組分的蒸發(fā)量差異導致液體的密度發(fā)生變化的過程稱為老化。可見，組分越多、組分間蒸發(fā)速度差距越大的LNG，老化的速度越快；靜態(tài)儲存時間越長，老化的程度就越嚴重。
③ 翻滾
翻滾現象發(fā)生時，蒸發(fā)率比正常情況增加250多倍，壓力瞬間驟升，大量的蒸發(fā)氣體很難立即通過安全閥得到釋放。此時，儲罐損壞則不可避免，導致大量的LNG外泄，后果不堪設想。
盡管形成LNG翻滾的機理十分復雜，但分層、老化的發(fā)生是導致其產生的主要因素。因此，避免分層及老化是避免翻滾現象產生的有效對策。
④ 間歇泉和水錘現象
如果儲罐底部有較長的而且充滿LNG的豎直管道，由于管內LNG受熱，有可能產生氣泡積聚，間歇性形成噴發(fā)，這稱為間歇泉現象。另外，管道中有可能產生一種類似于水擊現象的LNG液體沖擊波，這稱為水錘現象。上述兩種情況下，均會產生很大的瞬間高壓，有可能對管道中的墊圈和閥門造成損壞，應力求避免。
4.3 LNG運輸環(huán)節(jié)
常見的LNG運輸方式主要有水路運輸和陸路運輸兩種方式，水運指的是船運，陸運則可分為汽車運輸和火車運輸兩種類型，短距離運輸則可以考慮采用管道方式[6]。在國際貿易中，LNG船運量占80%以上。
① 船運
LNG船運的安全技術類似于儲存環(huán)節(jié)，但有其特殊性，主要是蒸發(fā)氣(BOG)的回收處理問題。一般如果能夠較好地解決BOG問題，則對船上儲罐隔熱要求可適當低一些，有利于降低船舶造價、增加貨運量、提高航運經濟性。目前，回收船上LNG蒸發(fā)氣的技術方向，一是采用BOG再液化工藝，將BOG降溫使之再成為液體回到儲罐中去；另一個方向是船上動力采用天然氣燃料，BOG直接用作船上驅動燃料。
② 車運
車運分汽車槽車與火車槽車兩種方式，盡管情況有些差異，但安全技術的重點相同，都是防泄漏擴散和BOG問題。對于汽車運輸[7]，避免超壓、消除靜電、防泄漏是安全方面應注意的主要問題。因蒸發(fā)量大而超壓的情況在車運環(huán)節(jié)較少出現，也較好解決，放散是有效對策之一。防泄漏問題除了在設備的可靠性方面嚴格把關之外，駕駛員的安全意識、駕駛水平等特別關鍵。良好的接地是防靜電產生的根本措施。對于火車運輸，安全技術措施與汽車槽車相同，不同之處在于車輛編組導致路途時間不可控情況的避免。
4.4 LNG接收站與衛(wèi)星站
影響接收站與衛(wèi)星站安全運行的主要因素是泄漏引發(fā)的風險以及相繼產生的火災爆炸事故[8]，危險源除與儲存環(huán)節(jié)相同外，薄弱環(huán)節(jié)還包括以下兩個方面：
① LNG的裝卸操作，即原料的頻繁進出。盡管流程并不復雜，但無數次的反復操作，容易使操作人員產生懈怠和疏忽情緒，在思想上麻痹大意，以致于麻木而喪失警惕，因而極易掉以輕心，出現安全事故。
② LNG的氣化操作，涉及LNG相變過程，伴隨著壓力增加和溫度的急劇升高，稍有不慎，就會留下隱患，應引起高度重視。
此外，站內應設置完善的防雷擊、防靜電措施。
4.5 天然氣輸配環(huán)節(jié)
液化天然氣的輸配環(huán)節(jié)同其他種類天然氣，本文不再贅述。
4.6 天然氣安全利用技術
終端用戶數量繁多，分散性、失衡性、多變性等問題突出，用氣性質也各不相同，可以劃分為7個大的類別：居民用氣、商業(yè)用氣、工業(yè)企業(yè)生產用氣、供暖通風與空調用氣、燃氣汽車用氣、發(fā)電用氣、化工原料用氣。各類用戶利用天然氣的方式、用氣規(guī)律、對天然氣壓力、流量、氣質的要求等千差萬別。面對一個天然氣輸配管網系統(tǒng)的安全問題，燃氣企業(yè)與各用戶特別是居民用戶之間，不可能有明確的分界面，由此極有可能帶來諸多的技術與管理缺失或矛盾。
用氣設施多而復雜，設備安全性能與技術水平參差不齊，是誘發(fā)安全事故的又一大主因。大到技術先進的燃氣輪機、燃氣空調設備，小到分散在各家各戶的各種品牌、規(guī)格的燃燒器具。既有連續(xù)24h不停運轉、具有嚴格生產計劃的大型用氣設施，更有間歇使用、分散性極強的小型用氣設備；既有高壓設施，也有低壓用具；不但有使用常規(guī)氣相LNG的用戶，而且還有直接使用液相LNG的瓶組用戶、LNG汽車用戶。用戶及用氣設施的復雜性，無疑增加了安全隱患產生的概率和管理上的難度。
① 居民用氣
液化天然氣的居民用氣同其他種類城市燃氣，本文不再贅述。
② 商業(yè)用氣
商業(yè)用戶的燃氣用具主要包括炒爐、蒸爐等，安全使用規(guī)程與家用燃氣灶基本相同。需要特別引起重視的是一些使用LNG瓶組供應的商業(yè)用戶，工藝流程較為復雜，除涉及LNG儲存、氣化、管道輸送等環(huán)節(jié)外，往往還牽涉到瓶組更換、電加熱氣化等操作。最令人擔憂的是一些單位個別的具體操作人員，并不一定都是經過專業(yè)訓練過的燃氣技術工人。對于這類用戶，加強技術業(yè)務培訓與現場安全管理是關鍵。
③ 工業(yè)企業(yè)生產用氣
工業(yè)企業(yè)的用氣設施一般都有完善的監(jiān)控管理系統(tǒng)，操作人員相對穩(wěn)定，用氣系統(tǒng)安全性能較高。需要加強的是其與供氣單位間的溝通與協(xié)調及事故應急處理機制的建立與完善。
④ 供暖通風與空調用氣
該類用戶和工業(yè)企業(yè)用氣性質有些相似，但有其獨特之處。一是用氣設施場地往往受限，空間狹?。欢窃O備往往安裝在地面以下的建筑物內，通風條件差，光線不好，工作環(huán)境惡劣。因此，設置符合要求的安全緊急通道、加強安全巡查等，是杜絕事故發(fā)生的必不可少的手段。
⑤ 燃氣汽車用氣
燃氣汽車分為壓縮天然氣汽車(CNGV)和液化天然氣汽車(LNGV)兩種，區(qū)別在于進入發(fā)動機之前的燃料儲存狀態(tài)。
CNGV、LNGV事故的表現形式主要是燃料泄漏和燃燒爆炸，安全性的主要影響因素重點體現在燃料供應系統(tǒng)上[9]。因此，天然氣汽車最大的不安全因素在于其壓力達到25MPa的高壓CNG儲氣瓶和最低溫度達-162℃的LNG儲罐內的低溫液體。確保高壓CNG儲氣瓶和低溫LNG儲罐安全運行的有效措施是按章操作和定期檢驗。
⑥ 發(fā)電用氣
發(fā)電用戶一般使用高壓天然氣，安全工作重點防范對象是壓力管道與相關設施。其中防泄漏是主要工作。
⑦ 化工原料用氣
屬于易燃易爆行業(yè)，由于企業(yè)自身性質的原因，安全技術水平較高，具有各類事故的處置與應對經驗，對安全工作也極為重視。因此，相比之下，這類用戶的安全隱患和事故較少。
5 結論
縱觀我國LNG工業(yè)的發(fā)展狀況，放眼全球，我們清楚地意識到，我國LNG產業(yè)正處于高速發(fā)展初期，及時在各個環(huán)節(jié)實施全面安全管理(全過程安全管理、全員安全管理、全部工作安全管理)十分必要。當務之急是在全行業(yè)盡早引入現代安全管理理念，建立以預防事故為中心的科學預測和決策體系。
① 確保LNG產業(yè)安全發(fā)展最重要的是，必須堅定不移、始終不渝地貫徹執(zhí)行“安全第一，預防為主”的方針，明確安全生產管理目標，建立完備的安全生產管理體系。
② 加強全員的安全教育、技術業(yè)務培訓工作。重點把握好培訓的對象、內容、形式、效果4個環(huán)節(jié)，做到培訓內容有針對性、培訓對象有層次性和培訓形式多樣性。要設法提高職工的安全防范意識、安全技術水平和事故應急處理能力，消除職工在安全生產上的麻痹大意思想和僥幸心理，嚴格執(zhí)行操作規(guī)程。
③ 大力推廣新技術、新設備、新工藝、新材料的應用，并建立完善先進的監(jiān)測監(jiān)控體系，以技術促安全，提高安全管理水平。
④ LNG產業(yè)的所有工程項目，應建立預先分析與評價制度，從工程項目的立項、可行性研究、選址、初步設計、施工、驗收、試運行、投產等全過程，對潛在危險和事故的可能性進行分析、、測定、評估，為制定安全防護對策提出依據。
⑤ 泄漏的預防與控制是LNG產業(yè)安全工作面臨的重要課題，應圍繞這個課題，應用現代多種學科領域知識和專門技術，綜合采取管理、技術和教育的對策，有效防止和避免事故發(fā)生。
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(本文作者：李樹旺1 羅東曉1、2 1.新奧燃氣控股有限公司 河北廊坊 065001；2.中山大學 廣東廣州 520275)
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