FLNG油气处理装置安全消防系统的设计

2021-08-12
[摘 要] 分析了 LNG 及液化处理过程中的火灾危险性，提出了适应 FLNG 油气处理装置的防火防爆措施及消防设计思路，可为 FLNG安全消防设计方案提供参考。

近年来，随着全球天然气勘探与开发的深入，越来越多的深海气田、边际小气田、伴生气田被发现。为解决这些气田的开发与运输问题，各国正加紧研究 FLNG（浮式液化天然气生产储卸装置）技术，以利用 LNG 易于运输与储存的特点，加大上述气田的开发力度。FLNG 是一种开采深海气田、边际气田的天然气，并将其冷凝成 LNG 的海上生产设施。FLNG 作为新型开发技术，以其投资较低、建造周期短、便于迁移、可重复使用、环境友好等优点而受到各国的欢迎。FLNG 集液化天然气生产、储存及卸载于一身，简化了边际气田的开发过程，将成为海工装备建造的新热点。
1 LNG的危险性
LNG的成分绝大部分是甲烷，天然气经过低温液化后即得到 LNG。LNG 具有低温、易燃、易爆、易蒸发、易扩散、易流淌、易产生静电荷的特点。发生火灾后火焰传播速度快、质量燃烧速率大、火焰温度高、辐射热强、易形成大面积火灾，具有复燃、复爆性，难于扑灭。 LNG的爆炸极限为5%～15.8% （V）。LNG在储罐中一般以常压低温（-162℃）储存，一旦发生灾难性泄漏，其后果不堪设想。
LNG 一旦从储罐或管道中泄漏，一小部分立即气化成蒸气，其余部分泄漏到地面上，沸腾气化后与周围的空气混合成冷蒸气雾，在空气中冷凝成白烟，再稀释受热后与空气形成爆炸性混合物。这种爆炸性混合物若遇到点火源，便可引发火灾甚至爆炸。此外在事故状态时，设备的安全释放设施排放的 LNG遇到点火源，也可能引发火灾。
海上 FLNG生产装置的消防设计与陆地 LNG 消防设计的不同点，主要表现在以下方面：
（1）海上自然环境恶劣，对船体上使用的设备、阀件等要求适应其恶劣的环境。
（2）生产装置距岸较远，发生火灾
时很难及时得到陆上的救援。
（3）由于 FLNG 造价昂贵，设备集中，面积狭小，一旦发生事故引起火灾，损失较大。
2 LNG 处理过程中危险性分析
LNG处理过程中的火灾危险性为甲类。泄漏是LNG处理过程中应最先考虑的事故，处理过程中存在的主要泄漏事故有：
（1）船上储罐阀门及管道发生泄漏。阀门是 LNG 储罐的易泄漏部位。阀门法兰、密封垫片常因老化、开裂、螺母紧固不均等故障而发生泄漏。此外，管道容易因材质问题或受振动、撞击出现裂缝而发生泄漏。
（2）储罐发生泄漏。储罐本体也是可能发生泄漏的重要部位，若储罐内部超压或受高温烘烤急剧增压造成顶部爆裂，储罐根部因材质或其它原因也会出现裂缝，造成泄漏。
（3）工艺处理中发生的泄漏。在 LNG工艺处理过程中，工艺管线、阀门及处理设备如低压泵/高压泵都有可能存在泄漏的危险。
（4）卸船作业中发生的泄漏。由于高压外输设备进行卸船作业，如操作不当或设备本身出现故障等原因，会导致外输设备损坏而出现泄漏现象。此外舶货物歧管与码头输液臂之间的非正常断开也会造成LNG泄漏。
3 防火措施
3.1 工艺、设备防火措施
LNG储罐多采用绝热保冷设计，储罐中的LNG 处于沸点状态。由于外界热量（或其它能量）的导入，会导致少量LNG蒸发气化。储罐上装有安全报警设施，以保证安全操作，防止出现溢出、翻滚、分层、过压和欠压等事故。为防止LNG储罐发生超压，配备有BOG压缩机，可连续将LNG储罐内的蒸发气（BOG）抽出，压缩后作为燃料气使用。如果液化天然气储罐气相空间的压力超高，蒸发气压缩机不能控制，且压力超过压力调节阀的设定值时，会通过压力调节阀将蒸发气排至火炬系统烧掉，以减少对大气的污染。如压力仍然超高，储罐内多余的蒸发气将通过安全阀释放。为防止LNG储罐在运行中发生欠压（真空）事故，工艺系统中应配置防真空补气系统。当LNG储罐产生真空时，从气化器出口总管处引出部分高压天然气，通过罐顶压力控制阀补充返回储罐，如压力依然下降出现负压，将真空释放阀开启。
3.2 设备布置安全技术措施
在LNG船体设备布置中，应将危险等级相同的工艺及公用设施尽量布置在相邻区域，危险等级低的设备与危险等级高的设备之间要留有一定的空间或设置一定防火等级的结构隔离措施，如防火/防爆墙。
3.3 防火防爆技术措施
3.3.1 漏源控制
LNG泄漏将引起火灾或爆炸事故，应特别加强设备、管道、阀门的密封，防止LNG及天然气等可燃物料泄漏。应在LNG处理及储存区安装泄漏检测装置，以便及时发现和紧急处理事故。国内外使用的检测方法主要有：可燃性气体检测、温度检测、火焰检测、热检测、烟雾检测等方法。
LNG罐区和工艺区应考虑设置事故收集池，泄漏的LNG收集到事故收集池内，以防止泄漏的LNG溢流。同时，每个收集池均设置高倍数泡沫灭火系统，当低温探测器检测到收集池内有泄漏的LNG后，即自动向收集池内喷射高倍数泡沫混合液，以减少LNG气化。
3.3.2 点火源控制
点火源包括明火、无遮挡的强光、点燃的香烟、电火花、物体撞击的火花和静电、高温表面、发动机排气等。LNG设备和确定的危险区域应远离和避免上述点火源。除指定的安全区域外，一律严格禁止吸烟和非工作必需的明火。工作流程必须确保安全区的安全。
3.3.3 电气防爆
根据规范要求，划分火灾爆炸危险区域，根据火灾爆炸危险区域的划分选用相应的防爆电气设备、配线及开关等。
3.3.4 耐火保护
对工艺装置内承重的钢框架、支架、裙座以及钢管架等按规范要求采取覆盖耐火层等耐火保护措施，使涂有耐火层的钢结构的耐火极限满足规范要求。对火灾爆炸危险区域内可能受到火灾威胁的关键阀门、控制关键设备的仪表、电缆均应采取有效的耐火保护措施。
3.3.5 防静电
对处理和输送可燃物料的、可能产生静电危险的设备和管道，均采取可靠的静电接地措施。对输送可燃气体、液体等物料的管道，采取限制流速的措施，以避免因流速过快而带来的静电危害。
3.3.6 防雷
对LNG储罐、高大的框架和设备（如火炬）等均采取可靠的防雷接地措施，避免因雷击造成的危害。
4 消防措施
消防灭火的首要措施是控制可燃物，防止其扩散。同时在LNG溢流发生后启动消防系统。通常情况下，LNG产生的大火在燃料源未被切断前，应先设法切断燃料源。当判断大火不会再次造成破坏的情况下，应让大火烧完。如人员处于危险境地、气体阀门处在火焰中或大火的热量中，可通过设备传热对人身造成间接伤害时，应将火立即扑灭。对于小型设备，如果发生火灾，在火灾被扑灭之前，溢出的LNG有可能已燃烧得差不多了。对于大型设备发生火灾，首先要控制火焰传播。天然气在被点着的瞬间，火焰很大，燃烧开始以后，火焰的大小由气化率决定。在某些场合，控制LNG的火焰比灭火的效果要好。应在上风口位置控制火焰，灭火剂顺着风向向火焰流动，并使消防人员远离火焰。在考虑LNG设备和装置的灭火系统时，必须充分考虑灭火系统的能力。LNG是一种深冷物料，其泄漏引起的火灾多为气体火灾，化学干粉灭火剂和气体灭火剂，都可用于扑灭LNG产生的火焰。泡沫和水无法扑灭LNG产生的大火。如把常温水喷射到深冷的LNG上会加剧其挥发而带来更大的危险。高倍数泡沫一般用于扑救LNG的流淌火灾及控制LNG的挥发，喷淋水主要用于冷却设备、阀门及控制火灾的蔓延。
4.1 水喷淋系统
水喷淋系统主要对天然气处理设备、钢结构、管道、仪表阀门、安全阀及其它设施进行保护。其目的是冷却设备、控制火灾蔓延。水喷淋系统为自动控制，同时具有就地控制的功能。当探测器检测到火灾信号后，将信号传输到火灾报警控制盘，通过火灾报警控制盘的连锁控制信号启动阀门，从而开启水喷淋系统。为防止火灾蔓延，考虑对每个天然气处理模块设置一套喷淋系统，如果某个模块发生火灾，除保护该模块的喷淋系统需要开启外，同时开启与其相邻模块的喷淋系统。水喷淋系统的喷淋强度见表2。
4.2 干粉灭火系统
干粉灭火系统通过干粉与火焰接触时产生的物理化学作用进行灭火。干粉颗粒以雾状形式喷向火焰，大量吸收火焰中的活性基团，使燃烧反应的活性基团急剧减少，中断燃烧的连锁反应，从而使火焰熄灭。干粉喷向火焰时，像浓云似的罩住火焰，减少热辐射。干粉受高温发生反应，放出结晶水或产生分解，不仅可以吸收火焰的部分热量，还可降低燃烧区内的氧含量。在 LNG储罐、BOG储罐、管道安全阀等气体放空部位，设置固定干粉灭火系统，采用自动控制方式，一旦排出的气体被点燃，可自动释放干粉灭火，避免事故扩大造成危险。
4.3 高倍泡沫灭火系统
高膨胀率的泡沫可用于抑制 LNG产生的火焰扩散，并降低火焰的辐射。当泡沫喷到液态天然气表面后，蒸气不断受热并穿过泡沫上升，而不是在地面扩散。在使用高倍泡沫后，LNG 蒸气扩散范围可明显减小。当泡沫喷到已点燃的 LNG表面时，它可抑制热量的传递，降低蒸发率和火焰的规模。
4.4 辅助消防设备
在天然气工艺处理区、 LNG罐区和各建筑物内配置干粉、泡沫、二氧化碳等手提式或推车式灭火器，以扑灭初起火灾。还应根据规范要求配备足量的消防员、消防器械、洗眼站、呼吸器等其它消防用品。
5 结语
我国目前处于FLNG概念设计和基本设计的初期，缺少FLNG的建造经验，相应的配套规范也比较缺乏。因此，有关 FLNG 的安全消防系统设计方案应由国家有关部门专家进行充分论证，以使安全消防系统的设计更加可靠、经济和适用。

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