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建筑消防之天然气如何防火防爆

文章来源:安富伟业 点击数:作者:安富伟业 发布时间:2021-09-04 14:47
建筑消防之天然气如何防火防爆

  天然气与空气混合物发生爆炸必备两个条件:一是要处于爆炸范围;二是混合物温度达到着火温度。爆炸时的压力比常压大6~7倍,同时产生强烈冲击波,并且往往引起火灾。由于天然气中H2含量极低,点燃无爆鸣声。因此防止天然气管道、管件、燃烧器泄漏是关键。天然气燃具都是高温设备,要采取绝热、隔热措施,与可燃材料保持规定距离。

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  液化天然气气源气量大且比较集中,往往需要远距离输送。考虑经济性,则采用较大的压力。天然气的储存不论采用哪种方式,其要求条件均比较高。尽管在技术上都是成熟的,都应该高度重视其高压输配和储存的安全性。本节重点对液化天然气站的防火防爆进行介绍。

  天然气属于易燃、易爆的介质,在天然气的应用中,安全问题始终是放在非常重要的位置。液化天然气是天然气储存和输送的一种有效的方法,在实际应用中,液态天然气也是要转变为气态使用,因此,在考虑LNG设备或工程的安全问题时,不仅要考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性,还要考虑由于转变为液态以后,其低温特性和液体特征所引起的安全问题。在考虑LNG系统的安全问题时,首先要了解液化天然气的特性及其潜在的危险性。针对这些潜在的危险性,充分考虑对人员、设备、环境等可能造成的危害,考虑相应的防护要求和措施。其次是要了解相关的标准,我国液化天然气工业起步比较晚,相关的标准还不大健全,对于不同的LNG系统,有必要参照一些液化天然气工业比较发达的国家的标准。如美国的NFPA59A、NFPA57、英国的EN-1473、国际海事组织的(IMO)关于液化石油气体船运规定等。对于液化天然气的生产、储运和汽化供气各个环节,主要考虑的安全问题,就是围绕如何防止天然气泄漏,与空气形成可燃的混合气体,消除引发燃烧爆炸的基本条件以及LNG设备的防火及消防要求:防止低温液化天然气设备超压,引起超压排放或爆炸;由于液化天然气的低温特性。对材料选择和设备制作方面的相关要求:在进行LNG操作时,操作人员的防护等。

  一、基本常识

  1. 点火源

  点火源包括明火、无遮挡的强光、点燃的香烟、电火花、物体撞击发出的火花和静电、高温表面、发动机排气等。有关安全和消防部门都针对这些点火源制定了相关的操作规程。总之,LNG设备和确定的危险区域应远离和避免上述点火源。除了指定的安全区域,都应严格禁止吸烟和非工作必需的明火。工作流程必须能确保安全区的安全。“禁止吸烟”、“禁止明火”等标识必须明显标志。如果非要在危险区使用明火,则必须使用可燃气体检测器来监控大气中可燃气体的含量。

  静电、电力设备都有可能产生火花。金属或硬物之间的碰撞也可能产生热和火花,如工具、机械零件掉落或撞击。尼龙类的衣服或鞋的摩擦等,也有可能产生火花。铝制的工具在与生锈的钢铁撞击后,会产生铝热反应。该反应产生的火花也有可能点燃天然气。使用安全的工具可以减少火花的产生,操作时应防止工具的掉落或撞击。在使用工具或器具前,还应先接一下地或连接一些地线等。

  化纤类的衣服容易产生静电,这种静电很难消除。进入工作区应穿安全的工作服和棉制衣服,以减少静电的产生。

  电力开关或转换器在切断电源或接通电源时,会产生电火花。接线松动、电线破裂等情况下,也会产生电火花。电流过大,导致电线或设备温度很高,也可以起到点火源的作用。美国消防协会NFPA分别对危险区域和设备的安全等级做了规定。应当充分保证这些设备的安全。操作人员应该认识到关闭电源时,有可能会产生电弧。在危险区安装的插头和插座,都应经过安全的防爆设计,并合理地使用。

  表面温度高于9℃的物体,可以点燃天然气和空气的混合物。因此,对表面温度较高的部件,如燃烧型气化器、引擎的排放管路等,都应该当作明火来处理。内燃机和燃气轮机产生的火花,也是潜在的点火源。在山区工厂中,安装这些设备必须遵循NFPA37的标准。工作人员也必须注意到危险区内卡车、驳船、终端运输船等引擎产生的电火花。任何安装有发动机的设备,在危险区必须确认周围没有可燃气体,否则不能使用。

  2. 可燃物

  引起火灾的第二个要素是可燃物的存在。对于LNG系统,就是指LNG蒸气与空气的混合物。除了天然气和其他可燃制冷剂以外,还有油漆、纸和木材等。这些可燃材料都不能存放在危险区内。

  3. 氧化剂

  空气本身就是一种氧化剂,其中含有体积分数为21%的氧气。在燃烧的三要素中,氧化剂是很难避免的,因为空气无处不在。但在发生火灾时,应设法减少空气的对流。如LNG储罐发生溢出后,对积存在围堰中的LNG,可用泡沫灭火剂喷洒,使泡沫覆盖在LNG的液面上,减少空气与LNG的接触面积。同时也可降低LNG的蒸发速率。

  二、LNG溢出或泄漏

  LNG溢出能使现场的人员处于非常危险的境地。这些危害包括低温灼烧、冻伤、体温降低、肺部伤害、窒息等。当蒸气云团被点燃发生火灾时,热辐射也将对人体造成伤害。

  在意外情况下,如果系统或设备发生LNG溢出或泄漏,LNG在短时间内将产生大量的蒸气。与空气形成可燃的混合物,并将很快扩散到下风处。于是,产生LNG溢出的附近区域均存在发生火灾的危险性。

  LNG蒸气受热以后,密度小于空气,有利于快速扩散到高空大气中。蒸气扩散的距离与初始溢出的数量、持续的时间、风速和风向、地形,以及大气的温度和湿度有关。从对LNG溢出的研究表明:风速比较高时,能很快地驱散LNG蒸气云团;风速较低或无风时,蒸气云团主要聚集在溢出附近。移动的蒸气云团容易产生燃烧的区域,主要是在可见气团的周围,因为这些区域内的部分混合气体处于燃烧范围之内。

  LNG溢出或泄漏是属于一种比较严重的事故,由于设备的损坏或操作失误等原因引起。正确评估LNG的溢出,以及蒸气云的产生与扩散,是有关安全的一个重要问题。溢出的LNG蒸发速度非常快,形成大量的蒸气云。蒸气云将四面扩散,比较危险的情况是遇到火源易产生火灾。因为蒸气的数量多,溢出的LNG能不断地蒸发和扩散。在蒸气扩散的过程中,如果遇到有风的情况,火灾可能迅速蔓延。而且火灾本身也能产生强劲的空气对流。因此,在考虑人员和设备的安全问题时,应重视风和火的相互作用的影响。最危险的情况是由于燃烧产生强烈的空气对流,能对LNG设备造成进一步的损坏,扩大事故的严重性。

  LNG的溢出可分溢出到地面和水面两种类型。

  1. LNG溢出到地面

  主要是指陆地上的LNG系统,因设备或操作原因,使LNG泄漏到地面。由于LNG与地面之间存在较大的温差,LNG将吸收地面的热量迅速汽化。这是一个非常快速的汽化过程,初期的汽化率很高,只有当土壤中的水分被冻结以后,土壤传递给LNG的热量逐渐地减少,汽化速率才开始下降。另外,周围空气的传导和对流,以及太阳辐射也会增加LNG的汽化速率。在考虑系统或设施的安全性问题时,应考虑两方面的问题:首先是设备本身,在万一发生泄漏的情况下,设备周围应具备有限制LNG扩散的设施(围堰或蓄液池),应使LNG影响的范围尽可能减小;其次是LNG溢出后,抑制气体发生的速率及影响的范围。

  围堰是用于液化天然气储罐发生泄漏时,防止LNG扩散的设施。围堰内的容积应足够容纳储罐内的液态天然气。在某些设计中,则在储罐周围的地面采用低热导率的材料,如用具有隔热作用的水泥围起来,以减少蒸发的速率。另一种减少蒸发速率的安全措施是围绕围堰,安装有固定的泡沫发生器,在发生LNG溢出时,泡沫发生器喷出泡沫,泡沫覆盖在围堰中的LNG上面,既可以减少来自空气的热量,又可以降低LNG蒸气产生的速率。目前有一些新的设计理念,储罐周围不设围堰。LNG储罐安装在一钢筋混凝土的外壳内,内罐通常使用9Ni钢制造。如果内罐发生溢出或泄漏,溢出的液体包含在水泥外壳的内部,液体表面暴露于空气的面积相对很小,气体产生的速度比LNG在围堰内要小得多。

  比较危险的是LNG气体在飘散的过程中,可能在途中遇到点火源,然后产生燃烧,火焰顺着蒸气云往回蔓延到蒸气发生点,对设施具有潜在的毁坏作用。

  2. LNG溢出到水面

  LNG在水面上产生溢出时,水面会产生强烈的扰动,并形成少量的冰。汽化的情况与LNG溢出到地面差不多,当然,溢出到水面的蒸发速度要快得多。而且水是一个无限大的热源,水的流动性为LNG的汽化提供了稳定的热量。有关的LNG工业机构和航运安全代理机构,对LNG在水上溢出的情况进行了深入的研究。根据有关的报道,LNG溢出到水面的蒸发速率是0.181kg/(m2·s),基本上不受时间的影响。LNG溢出到水面上,最重要的安全问题是蒸气云的形成和引起火灾的可能性。在空旷的地方,LNG产生的蒸气云一般不会产生爆炸,但有可能引起燃烧和快速蔓延的火灾。蒸气云产生以后,主要有两个方面的问题:一是蒸气云随着风向的扩散,如果在下风方向存在高温热源或火源,就有可能点着这些可燃气体的云团;二是天然气云团被点燃后,火焰的扩散及火焰产生的热流,点燃飘逸的天然气云团。一旦发生类似的事故以后,需要利用气象学方面的技术,对可能扩散到的区域,提前进行预报,预先采取防火和防空气污染的措施。

  三、LNG溢出或泄漏的预防

  焊缝、阀门、法兰和与储罐壁连接的管路等,是LNG容易产生泄漏的地方。当LNG从系统中泄漏出来时,冷流体将周围的空气冷却至露点以下,形成可见雾团。通过可见的蒸气云团可以观测和判断有LNG的泄漏。

  当发现泄漏后,应当迅速判断装置是否需要立即停机,还是在不停机的情况下可将泄漏处隔离和修复,事先应当制定评估泄漏的标准并决定相应的措施。另外,安全规程中必须防止人员接近泄漏的流体或冷蒸气,并尽量减少蒸气接近火源。工厂应当安装栅栏、警告标志、可燃气体检测器等设备。

  1. 管路阀门的泄漏

  阀门是比较容易漏泄的部件。虽然LNG系统的阀门都是根据低温条件特殊设计的,但当系统在工作温度下被冷却后,金属部分会产生严重的收缩,管路阀门可能产生泄漏。需要充分考虑这种泄漏的可能性应对措施,并安装必需的设备。另外,为了在冷却过程中操作调节这些部件,应当准备相应的工具和服装。总之,暴露在外部的LNG设备上的阀门,可以通过阀门上异常结霜来判断是否出现泄漏。日常的检测可以有效地防止液体的泄漏。

  2. 输送软管和连接处的泄漏

  LNG从容器向外输送时,LNG在管路中流动,并有蒸气回流。由于温度很低,造成管路螺纹或法兰连接处的泄漏。在使用软管输送LNG的情况下,软管本身也可能产生泄漏。柔软的软管必须通过相关标准的压力测试,并在使用前对每一根管路进行检查,尽量减少泄漏发生的可能性。

  当输送管万一发生泄漏时,应当采取适当的措施将泄漏处堵住,或切断输送,更换泄漏部件。同时,个人安全保护和防止蒸气点燃等措施也要同时启动。

  3. 气相管路的泄漏

  在天然气液化、存储、汽化等流程中,液化流程使用的制冷剂也有可能产生泄漏。连接液化部分和储罐的管路、气体回流管路及汽化环路都可能产生泄漏。当气化器及其控制系统出现故障,冷气体和液体进入普通温度下运行的管路,造成设备的损坏。应当采取预防措施,使其能够迅速隔离产生泄漏的管路和气化器,同时采取紧急控制措施,阻止液体继续流人气化器。

  冷气体的泄漏主要发生在焊缝、阀门、法兰、接头和容器与管路的连接处。在一个封闭空间中,大量的泄漏有可能使工作人员产生窒息的危险。

  当冷气体泄漏后,应当像处理液体泄漏一样采取应对措施。这些措施包括关闭系统、隔绝泄漏区域、保护人身安全、隔离火源,并尽快将蒸气云团驱散。在离火源很近的区域(如使用燃烧设备的气化器),应当设置快速关闭系统。除了安装自动装置防止冷气体或液体进入外输管路系统外,气化器还应当安装可燃气体检测器、燃烧传感器、自动干粉灭火器等设备。

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