液化天然氣工廠廠址選擇和總圖設(shè)計要點

秦慧艷 劉家洪 余 翔 楊成貴 李正才

中國石油集團工程設(shè)計有限責任公司西南分公司，四川 成都 610041

0 前言

液化天然氣（LNG）具有清潔環(huán)保、價格低廉（相對于LPG、石油產(chǎn)品）及符合國家地方可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等特點，因此多應(yīng)用在天然氣管道尚未到達地區(qū)的中小城鎮(zhèn)城市燃氣、工業(yè)燃料、城市燃氣調(diào)峰及事故應(yīng)急、燃氣汽車、特殊氣體利用等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至2013年10月，國內(nèi)已建LNG工廠30座，規(guī)劃和在建LNG工廠17座。然而國內(nèi)LNG有關(guān)規(guī)范體系不夠健全，在此背景下，總結(jié)LNG工廠選址和總圖設(shè)計的工程實踐經(jīng)驗顯得尤為重要。

1 LNG工廠

LNG工廠將原料天然氣增壓、脫硫、脫碳、脫水、脫汞、脫重烴等深度處理后，經(jīng)過液化裝置進行-162℃液化，然后常壓儲存后裝車（船）外運。

1.1 LNG工廠一般構(gòu)成

LNG工廠一般構(gòu)成見表1。

表1 LNG工廠一般構(gòu)成

1.2 LNG工廠工藝流程

原料天然氣通過工廠截斷閥組進入工廠，依次通過壓縮機增壓、脫硫、脫碳、脫水、脫汞及脫重烴等處理后，進入液化裝置進行液化。液化裝置產(chǎn)生的LNG產(chǎn)品進入儲罐區(qū)儲存和裝車外運。LNG儲罐與裝車區(qū)產(chǎn)生閃蒸氣（BOG），經(jīng)過BOG壓縮機增壓后可作為燃料氣，或再次液化。冷劑儲存為液化裝置提供開車和運行中補充冷劑，同時回收停車時制冷循環(huán)系統(tǒng)中的冷劑。

1.3 與天然氣處理廠對比

天然氣處理廠僅對原料天然氣進行脫硫、脫碳、脫水、脫汞、脫重烴處理，使其達到產(chǎn)品氣要求。而LNG工廠不僅需要在天然氣處理廠處理的基礎(chǔ)上進行深度脫除，而且增加了液化裝置、LNG儲罐、裝車設(shè)施、冷劑儲存裝置和閃蒸汽（BOG）增壓裝置。

2 LNG工廠選址要點

2.1 國家、地方政策及法規(guī)

靠近公路的廠（站），應(yīng)滿足《公路安全保護條例》對易燃易爆設(shè)施距離公路邊緣100m安全間距的要求和公路建筑控制區(qū)的范圍要求。

靠近鐵路的廠（站），應(yīng)滿足《鐵路運輸安全保護條例》對易燃易爆設(shè)施距離鐵路200m安全間距的要求。

應(yīng)滿足地方規(guī)劃局、國土資源局、環(huán)境保護廳和發(fā)改委等部門關(guān)于LNG廠（站）選址政策法規(guī)文件的要求。

2.2 LNG儲罐溢流

LNG儲罐若發(fā)生溢流，溢流到地面的LNG將蒸發(fā)。蒸發(fā)熱量主要來自土壤及周圍空氣對流的熱傳導(dǎo)，也來自太陽輻射。LNG蒸發(fā)是一個瞬態(tài)過程，初始時蒸發(fā)率較大，隨著土壤的凍結(jié)，蒸發(fā)率將逐漸減小。

溢流到水面的LNG的蒸發(fā)率比溢流到地面的高。由于劇烈的擾動，水面很少出現(xiàn)結(jié)冰。擾動的水流可為LNG的沸騰提供近乎穩(wěn)定的熱量，而不像土壤提供的熱量會逐漸減小。

溢流出的低溫LNG容易引起低溫凍傷、麻醉、窒息，并可能引起冷爆炸甚至火災(zāi)。

鄰近江河、海岸選址，應(yīng)采取措施防止低溫LNG溢流污染水域。

2.3 LNG蒸汽云擴散

LNG最重大的安全問題是蒸汽云的形成以及可能導(dǎo)致的火災(zāi)。LNG在大氣壓下的液化溫度為-162℃。當溫度低于-112℃時，LNG蒸汽質(zhì)量比15.6℃下的空氣質(zhì)量重，但隨著溫度的升高，該氣體變得比空氣輕。LNG泄露后將大量吸收環(huán)境熱量，開始劇烈沸騰和蒸發(fā)，蒸發(fā)氣體沿地面形成擴散流層。蒸發(fā)氣體向環(huán)境吸收熱量并逐漸擴散的同時，還將周圍環(huán)境空氣冷卻到露點以下，形成可見的蒸汽云移動，蒸汽云遇到明火則發(fā)生火災(zāi)和爆炸。

應(yīng)盡量將LNG廠址選在人口密度較低的地區(qū)，且應(yīng)采取措施阻止事故狀態(tài)下形成蒸汽云飄向明火，尤其是廠外火炬區(qū)。對于周邊情況復(fù)雜的LNG工廠，應(yīng)找專業(yè)機構(gòu)對廠址進行蒸汽云擴散專項評估，以進一步論證選址合理性。

2.4 LNG儲罐及火炬區(qū)熱輻射

2.4.1 LNG儲罐熱輻射

泄露后的LNG不斷汽化，逐漸形成蒸汽云，遇明火則可能引起“池火”，其火焰和熱輻射將對周邊人員和設(shè)施造成危害。

熱輻射傷害和破壞標準［1］見表2。

表2 熱輻射傷害和破壞標準

根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程防火設(shè)計規(guī)范》［2］10.2.5條：“對于儲存總量大于或等于30 000m3時，儲罐周邊500m不得有居住區(qū)、公共福利設(shè)施”；10.3.4條：“熱輻射量達4 000W/m2界線以內(nèi)，不得有50人以上的室外活動場所”“熱輻射量達9 000W/m2界線以內(nèi)，不得有活動場所、學(xué)校、醫(yī)院、監(jiān)獄、拘留所和居民區(qū)等在用建筑物”“熱輻射量達30 000W/m2界線以內(nèi)，不得有即使能耐火且提供熱輻射保護的在用構(gòu)筑物”。因此在選址過程中，應(yīng)將廠址選在城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)外，避開人口稠密區(qū)，減少拆遷工程量。

對于周邊情況復(fù)雜的LNG工廠，應(yīng)對儲罐熱輻射進行專項評估，進一步論證選址合理性。LNG儲罐安全間距無法滿足的，應(yīng)通過調(diào)整儲罐位置、改變儲罐類型、降低LNG儲存總量或縮小圍堰大小等措施來減小安全間距，若還不能滿足要求，應(yīng)考慮拆遷工程量或改變廠址。

2.4.2 火炬區(qū)熱輻射

由于LNG工廠與常規(guī)天然氣處理廠比，增設(shè)了液化裝置、LNG儲罐、裝車設(shè)施、冷劑儲存裝置和閃蒸氣（BOG）增壓裝置，因此放空量及熱輻射量相應(yīng)增加，選址時不能忽視火炬區(qū)，應(yīng)充分考慮其熱輻射范圍。

對于LNG儲罐區(qū)和火炬區(qū)熱輻射影響范圍是否需要征地或隔離，應(yīng)在選址階段與建設(shè)方、地方相關(guān)部門充分溝通。

2.5 LNG槽車運輸

選址尚應(yīng)考慮交通依托情況，應(yīng)根據(jù)LNG工廠規(guī)模、儲存周期、裝車時間等參數(shù)，計算LNG槽車交通量，并結(jié)合槽車載重評估擬選廠（站）址公路依托情況，判斷其能否滿足交通運輸要求。

3 LNG工廠總圖設(shè)計使用規(guī)范

3.1 國外標準

目前常用的國外LNG工廠總圖設(shè)計標準主要有美國防火協(xié)會標準NFPA 59A-2009《LNG生產(chǎn)、儲存和裝運》和歐洲標準EN1473-2005《LNG設(shè)備-岸上裝置設(shè)計》。

3.2 國內(nèi)標準

國內(nèi)常用LNG工廠總圖設(shè)計標準是GB 50183-2004《石油天然氣工程防火設(shè)計規(guī)范》第10章《液化天然氣站場》、GB/T 20368-2012《液化天然氣 (LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》（等同于美國防火協(xié)會標準NFPA 59A－2009）及JTS 165-5-2009《液化天然氣碼頭設(shè)計規(guī)范》。

3.3 容易混亂使用的國內(nèi)標準

根據(jù)GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》第2.0.19條、第3.0.1條、第3.0.2條及其對應(yīng)條文解釋，LNG既不屬于液化烴［3］、也不屬于可燃液體。因此該規(guī)范不適用于LNG工廠。

GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》僅適用于總儲存容積不大于2 000m3的城鎮(zhèn)LNG供應(yīng)站工程設(shè)計［4］，并不適用于LNG工廠。

故有必要特別指出，將GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》和GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范》用于LNG工廠是不夠嚴謹?shù)摹?/p>

4 LNG工廠總圖設(shè)計要點

4.1 總平面布置要點

4.1.1 符合工藝流程

根據(jù)流程［5］，應(yīng)將關(guān)系緊密的設(shè)施（如預(yù)處理裝置、液化裝置、儲罐區(qū)、裝車區(qū)）相對集中布置，縮短低溫管道的長度，降低BOG氣量。冷劑儲存應(yīng)靠近液化裝置，并考慮運輸冷劑車輛裝卸和回車場地。閃蒸氣（BOG）增壓裝置應(yīng)靠近儲罐、裝車和液化裝置。

在滿足規(guī)范的條件下，應(yīng)盡量縮短火炬區(qū)和儲罐區(qū)的距離，保證低壓氣放空。

4.1.2 確定LNG儲罐區(qū)圍堰大小和高度

不同類型LNG儲罐的圍堰大小及熱輻射影響范圍不同。目前應(yīng)用的絕大多數(shù)LNG儲罐可分為三類：單容罐、雙容罐和全容罐。這三種儲罐都是雙壁儲罐，但在事故狀態(tài)下，三種儲罐容納液體和氣體的能力是不同的，總圖布置也存在較大差異。

單容罐指單個儲罐或者由內(nèi)罐和外罐組成的儲罐，其設(shè)計和建造僅需單容罐的內(nèi)罐滿足其儲存低溫液體所應(yīng)具備的低溫延展性要求。單容罐的內(nèi)罐是5%～9%鎳鋼，外罐是普通碳鋼。外罐（如需要）主要起固定、保護隔熱層以及保持清掃氣體壓力的作用，而不是用來在內(nèi)罐漏時容納低溫液體產(chǎn)品。

單容罐應(yīng)設(shè)置圍堰，圍堰大小應(yīng)根據(jù)LNG儲罐液位高度、儲罐內(nèi)液面上的蒸汽壓力等參數(shù)確定。儲罐區(qū)圍堰的大小和高度關(guān)系［6］見圖1。

圖1 儲罐區(qū)圍堰的大小和高度關(guān)系

圍堰與儲罐內(nèi)壁的距離為x，圍堰頂與最高液位的距離為y，x應(yīng)大于或等于y加液面上的蒸汽壓力的LNG當量壓頭高度。

單容罐圍堰圍合的容積應(yīng)滿足LNG儲罐破裂后泄露LNG的全部容積。圍合面積決定“池火”熱輻射量及其安全距離，因此圍堰面積越小，安全間距就越小。因此若滿足容積要求，圍堰高度則會高于常見高度3～6m。為了方便消防操作，圍堰相對儲罐區(qū)外地坪，高度不超過2.2m，因此需要將儲罐內(nèi)地坪降低（常見高度0.8～3.8m）。單容罐圍堰熱輻射距離需從圍堰算起，而不是從儲罐壁算起。

雙容罐是在設(shè)計和建造上使其內(nèi)罐和外罐都能單獨容納所儲存的低溫液體產(chǎn)品的雙層儲罐。雙容罐具有耐低溫的金屬材料或混凝土的外罐。為盡可能縮小所泄漏罐內(nèi)液體的積聚范圍，外罐與內(nèi)罐之間的距離不應(yīng)超過6m。在正常工況下，低溫液體產(chǎn)品盛裝在內(nèi)罐中。當內(nèi)罐發(fā)生液體泄漏時，外罐可用來容納這些泄漏出的低溫液態(tài)產(chǎn)品，但不能用來容納因液體泄漏而產(chǎn)生的蒸發(fā)氣。

全容罐［6］是在設(shè)計和建造上使其內(nèi)罐和外罐都能單獨容納所儲存的低溫液體產(chǎn)品的雙層儲罐，其外罐或外壁與內(nèi)罐之間的距離應(yīng)在1～2m之間。全容罐的結(jié)構(gòu)采用5%～9%鎳鋼內(nèi)罐、5%～9%鎳鋼或混凝土外罐和頂蓋。在正常情況下，內(nèi)罐盛裝低溫液體產(chǎn)品。外罐頂由外罐支撐，外罐既能夠容納低溫液體產(chǎn)品，也能夠有控制地排放因液體泄漏而產(chǎn)生的蒸發(fā)氣。

雙容罐和全容罐無需再設(shè)置圍堰，熱輻射距離從儲罐壁算起，相應(yīng)熱輻射量及其安全間距成倍減小。

4.1.3 滿足安全間距要求

LNG、冷劑的火災(zāi)危險性為甲A類，在規(guī)范執(zhí)行中應(yīng)特別注意安全間距。

參照NFPA 59A-2009中提供的 “LNG火災(zāi)輻射模型”，結(jié)合LNG儲罐區(qū)圍堰大小，可計算出圍堰至室外活動場所、建（構(gòu)）筑物的隔熱距離。

GB 50183第5.3.2條規(guī)定 “儲罐組消防車道與防火堤的外坡腳線之間的距離不小于3m，儲罐中心與最近的消防車道之間的距離不應(yīng)大于80m”，在總平面布置中應(yīng)特別注意。

4.1.4 充分考慮噪聲因素

廠內(nèi)原料氣壓縮機、冷劑壓縮機、BOG壓縮機、空氮站、循環(huán)水冷卻裝置和裝車區(qū)均為噪聲源，在總平面布置時，應(yīng)盡量將以上設(shè)施靠近廠區(qū)邊緣布置，并遠離人員集中辦公區(qū)。

4.1.5 合理布置裝車區(qū)

裝車區(qū)應(yīng)獨立成區(qū)布置在工廠邊緣，并設(shè)置圍欄。LNG槽車轉(zhuǎn)彎半徑18m，轉(zhuǎn)彎半徑較大，規(guī)劃裝車路線很重要。裝車區(qū)的布置形式有環(huán)入式裝車和倒入式裝車。

環(huán)入式裝車：車輛各行其道，可在很大程度上減少車輛交錯，車輛貫穿裝車棚，進出全程不需要倒車。具有順暢、快捷、安全等優(yōu)點。但占地較大，故適合裝車位較多的工廠。環(huán)入式裝車平面圖見圖2。

圖2 環(huán)入式裝車平面圖

倒入式裝車：車輛進入裝車區(qū)后，需將車尾倒至裝車棚。倒入式裝車占地較少，但當裝車位較多時，車輛交叉較多，且車輛需要倒車，容易引發(fā)輕車和重車碰撞事故。倒入式裝車適合裝車位較少的工廠。倒入式裝車平面圖見圖3。

4.2 豎向布置要點

合理布置儲罐區(qū)［7］，應(yīng)將儲罐區(qū)布置在全廠較低處，防止泄漏后大量LNG流到周邊區(qū)域，如水域、道路、周邊企業(yè)等，引發(fā)更大事故。

盡量利用天然坑洼地形，并采用坑式儲罐，能有效攔蓄泄漏后的LNG擴散。

階梯式布置時，LNG儲罐區(qū)在高處布置時，儲罐區(qū)防火堤外局部區(qū)域標高要低于周邊，形成低洼，并采取防止LNG從高處向低處流淌的措施。

對液化裝置、裝車區(qū)、儲罐區(qū)及冷劑儲存區(qū)采取措施，禁止將LNG排入封閉的排水溝內(nèi)或地下管網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)。切斷LNG與外部管道、管溝聯(lián)系，為了防止泄露的LNG竄入市政地下管網(wǎng)系統(tǒng)，在LNG容易泄露處，需確保場地排水系統(tǒng)經(jīng)過一段明渠或者敞口水池再排出，LNG儲蓄攔蓄區(qū)必須設(shè)置檢漏報警裝置。

事故污水池應(yīng)盡量靠近儲罐區(qū)、液化裝置區(qū)和裝車區(qū)，且應(yīng)位于全廠較低處。

4.3 管網(wǎng)綜合布置要點

LNG工廠應(yīng)盡量使工藝管道和電纜架空敷設(shè)，尤其是LNG低溫管道，不應(yīng)用地溝埋設(shè)，因為地溝封閉，泄漏后不僅不利于檢修，且容易引起LNG聚集，引發(fā)次生災(zāi)害。

5 結(jié)語

由于國內(nèi)LNG標準體系尚不健全，LNG工廠的總圖設(shè)計仍存在諸多挑戰(zhàn)。一方面，應(yīng)積極學(xué)習國際先進技術(shù)；另一方面，需不斷完善國內(nèi)相關(guān)規(guī)范標準。結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標準規(guī)范不斷總結(jié)工程設(shè)計經(jīng)驗，使LNG工廠選址和總圖設(shè)計更加安全合理、經(jīng)濟實用。

［1］朱建華，褚家成.池火特性參數(shù)計算及其熱輻射危害評價［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2003，13（6）：27.Zhu Jianhua，Chu Jiacheng.Calculation of Characteristic Parametersof Pool Fire and Assessment of Its Thermal Radiation Hazard ［J］.China Safety Science Journal， 2013， 13（6）:27.

［2］GB 50183-2004，石油天然氣工程防火設(shè)計規(guī)范［S］.GB 50183-2004，Code for Fire Protection Design ofPetroleum and NaturalGasEngineering ［S］.

［3］GB 50160-2008，石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范［S］.GB 50160-2008，F(xiàn)ire Prevention Code of Petrochem icalEnterprise Design ［S］.

［4］GB 50028-2006，城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范［S］.GB 50028-2006，Code for Design of City Gas Engineering［S］.

［5］雷 明.工業(yè)企業(yè)總平面設(shè)計［M］.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1998.261.LeiM ing.Design ofGeneralPlan of Industrial Enterprises［M］.Xi’an:ShaanxiScienceand Technology Press， 1998.261.

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