液化天然氣工廠廠址選擇和總圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)

秦慧艷 劉家洪 余 翔 楊成貴 李正才

中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)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(jià)格低廉（相對(duì)于LPG、石油產(chǎn)品）及符合國(guó)家地方可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略等特點(diǎn)，因此多應(yīng)用在天然氣管道尚未到達(dá)地區(qū)的中小城鎮(zhèn)城市燃?xì)?、工業(yè)燃料、城市燃?xì)庹{(diào)峰及事故應(yīng)急、燃?xì)馄嚒⑻厥鈿怏w利用等領(lǐng)域。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截至2013年10月，國(guó)內(nèi)已建LNG工廠30座，規(guī)劃和在建LNG工廠17座。然而國(guó)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(jì)的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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?zé)N等深度處理后，經(jīng)過(guò)液化裝置進(jìn)行-162℃液化，然后常壓儲(chǔ)存后裝車（船）外運(yùn)。

1.1 LNG工廠一般構(gòu)成

LNG工廠一般構(gòu)成見(jiàn)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(guò)工廠截?cái)嚅y組進(jìn)入工廠，依次通過(guò)壓縮機(jī)增壓、脫硫、脫碳、脫水、脫汞及脫重?zé)N等處理后，進(jìn)入液化裝置進(jìn)行液化。液化裝置產(chǎn)生的LNG產(chǎn)品進(jìn)入儲(chǔ)罐區(qū)儲(chǔ)存和裝車外運(yùn)。LNG儲(chǔ)罐與裝車區(qū)產(chǎn)生閃蒸氣（BOG），經(jīng)過(guò)BOG壓縮機(jī)增壓后可作為燃料氣，或再次液化。冷劑儲(chǔ)存為液化裝置提供開(kāi)車和運(yùn)行中補(bǔ)充冷劑，同時(shí)回收停車時(shí)制冷循環(huán)系統(tǒng)中的冷劑。

1.3 與天然氣處理廠對(duì)比

天然氣處理廠僅對(duì)原料天然氣進(jìn)行脫硫、脫碳、脫水、脫汞、脫重?zé)N處理，使其達(dá)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(jìn)行深度脫除，而且增加了液化裝置、LNG儲(chǔ)罐、裝車設(shè)施、冷劑儲(chǔ)存裝置和閃蒸汽（BOG）增壓裝置。

2 LNG工廠選址要點(diǎn)

2.1 國(guó)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(hù)條例》對(duì)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(yùn)輸安全保護(hù)條例》對(duì)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(guó)土資源局、環(huán)境保護(hù)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(chǔ)罐溢流

LNG儲(chǔ)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(lái)自土壤及周圍空氣對(duì)流的熱傳導(dǎo)，也來(lái)自太陽(yáng)輻射。LNG蒸發(fā)是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程，初始時(shí)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(dòng)，水面很少出現(xiàn)結(jié)冰。擾動(dòng)的水流可為L(zhǎng)NG的沸騰提供近乎穩(wěn)定的熱量，而不像土壤提供的熱量會(huì)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(kuò)散

LNG最重大的安全問(wèn)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(dāng)溫度低于-112℃時(shí)，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(kāi)始劇烈沸騰和蒸發(fā)，蒸發(fā)氣體沿地面形成擴(kuò)散流層。蒸發(fā)氣體向環(huán)境吸收熱量并逐漸擴(kuò)散的同時(shí)，還將周圍環(huán)境空氣冷卻到露點(diǎn)以下，形成可見(jiàn)的蒸汽云移動(dòng)，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(duì)于周邊情況復(fù)雜的LNG工廠，應(yīng)找專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)廠址進(jìn)行蒸汽云擴(kuò)散專項(xiàng)評(píng)估，以進(jìn)一步論證選址合理性。

2.4 LNG儲(chǔ)罐及火炬區(qū)熱輻射

2.4.1 LNG儲(chǔ)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(duì)周邊人員和設(shè)施造成危害。

熱輻射傷害和破壞標(biāo)準(zhǔn)［1］見(jiàn)表2。

表2 熱輻射傷害和破壞標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50183-2004《石油天然氣工程防火設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］10.2.5條：“對(duì)于儲(chǔ)存總量大于或等于30 000m3時(shí)，儲(chǔ)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(dá)4 000W/m2界線以內(nèi)，不得有50人以上的室外活動(dòng)場(chǎng)所”“熱輻射量達(dá)9 000W/m2界線以內(nèi)，不得有活動(dòng)場(chǎng)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(dá)30 000W/m2界線以內(nèi)，不得有即使能耐火且提供熱輻射保護(hù)的在用構(gòu)筑物”。因此在選址過(guò)程中，應(yīng)將廠址選在城鎮(zhèn)規(guī)劃區(qū)外，避開(kāi)人口稠密區(qū)，減少拆遷工程量。

對(duì)于周邊情況復(fù)雜的LNG工廠，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐熱輻射進(jìn)行專項(xiàng)評(píng)估，進(jìn)一步論證選址合理性。LNG儲(chǔ)罐安全間距無(wú)法滿足的，應(yīng)通過(guò)調(diào)整儲(chǔ)罐位置、改變儲(chǔ)罐類型、降低LNG儲(chǔ)存總量或縮小圍堰大小等措施來(lái)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(chǔ)罐、裝車設(shè)施、冷劑儲(chǔ)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(shí)不能忽視火炬區(qū)，應(yīng)充分考慮其熱輻射范圍。

對(duì)于LNG儲(chǔ)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(yùn)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(chǔ)存周期、裝車時(shí)間等參數(shù)，計(jì)算LNG槽車交通量，并結(jié)合槽車載重評(píng)估擬選廠（站）址公路依托情況，判斷其能否滿足交通運(yùn)輸要求。

3 LNG工廠總圖設(shè)計(jì)使用規(guī)范

3.1 國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)

目前常用的國(guó)外LNG工廠總圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要有美國(guó)防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 59A-2009《LNG生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1473-2005《LNG設(shè)備-岸上裝置設(shè)計(jì)》。

3.2 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

國(guó)內(nèi)常用LNG工廠總圖設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)是GB 50183-2004《石油天然氣工程防火設(shè)計(jì)規(guī)范》第10章《液化天然氣站場(chǎng)》、GB/T 20368-2012《液化天然氣 (LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》（等同于美國(guó)防火協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 59A－2009）及JTS 165-5-2009《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》。

3.3 容易混亂使用的國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)GB 50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》第2.0.19條、第3.0.1條、第3.0.2條及其對(duì)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?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》僅適用于總儲(chǔ)存容積不大于2 000m3的城鎮(zhèn)LNG供應(yīng)站工程設(shè)計(jì)［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(jì)防火規(guī)范》和GB 50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》用于LNG工廠是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹?/p>

4 LNG工廠總圖設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 總平面布置要點(diǎn)

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(chǔ)罐區(qū)、裝車區(qū)）相對(duì)集中布置，縮短低溫管道的長(zhǎng)度，降低BOG氣量。冷劑儲(chǔ)存應(yīng)靠近液化裝置，并考慮運(yùn)輸冷劑車輛裝卸和回車場(chǎng)地。閃蒸氣（BOG）增壓裝置應(yīng)靠近儲(chǔ)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(chǔ)罐區(qū)的距離，保證低壓氣放空。

4.1.2 確定LNG儲(chǔ)罐區(qū)圍堰大小和高度

不同類型LNG儲(chǔ)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(chǔ)罐可分為三類：?jiǎn)稳莨?、雙容罐和全容罐。這三種儲(chǔ)罐都是雙壁儲(chǔ)罐，但在事故狀態(tài)下，三種儲(chǔ)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(gè)儲(chǔ)罐或者由內(nèi)罐和外罐組成的儲(chǔ)罐，其設(shè)計(jì)和建造僅需單容罐的內(nèi)罐滿足其儲(chǔ)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(hù)隔熱層以及保持清掃氣體壓力的作用，而不是用來(lái)在內(nèi)罐漏時(shí)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(chǔ)罐液位高度、儲(chǔ)罐內(nèi)液面上的蒸汽壓力等參數(shù)確定。儲(chǔ)罐區(qū)圍堰的大小和高度關(guān)系［6］見(jiàn)圖1。

圖1 儲(chǔ)罐區(qū)圍堰的大小和高度關(guān)系

圍堰與儲(chǔ)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(dāng)量壓頭高度。

單容罐圍堰圍合的容積應(yīng)滿足LNG儲(chǔ)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(huì)高于常見(jiàn)高度3～6m。為了方便消防操作，圍堰相對(duì)儲(chǔ)罐區(qū)外地坪，高度不超過(guò)2.2m，因此需要將儲(chǔ)罐內(nèi)地坪降低（常見(jiàn)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(chǔ)罐壁算起。

雙容罐是在設(shè)計(jì)和建造上使其內(nèi)罐和外罐都能單獨(dú)容納所儲(chǔ)存的低溫液體產(chǎn)品的雙層儲(chǔ)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(guò)6m。在正常工況下，低溫液體產(chǎn)品盛裝在內(nèi)罐中。當(dāng)內(nèi)罐發(fā)生液體泄漏時(shí)，外罐可用來(lái)容納這些泄漏出的低溫液態(tài)產(chǎn)品，但不能用來(lái)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(jì)和建造上使其內(nèi)罐和外罐都能單獨(dú)容納所儲(chǔ)存的低溫液體產(chǎn)品的雙層儲(chǔ)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(wú)需再設(shè)置圍堰，熱輻射距離從儲(chǔ)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(xiǎn)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(chǔ)罐區(qū)圍堰大小，可計(jì)算出圍堰至室外活動(dòng)場(chǎng)所、建（構(gòu)）筑物的隔熱距離。

GB 50183第5.3.2條規(guī)定 “儲(chǔ)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(chǔ)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(jī)、冷劑壓縮機(jī)、BOG壓縮機(jī)、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(shí)，應(yīng)盡量將以上設(shè)施靠近廠區(qū)邊緣布置，并遠(yuǎn)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(dú)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(cuò)，車輛貫穿裝車棚，進(jìn)出全程不需要倒車。具有順暢、快捷、安全等優(yōu)點(diǎn)。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(jiàn)圖2。

圖2 環(huán)入式裝車平面圖

倒入式裝車：車輛進(jìn)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(dāng)裝車位較多時(shí)，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(jiàn)圖3。

4.2 豎向布置要點(diǎn)

合理布置儲(chǔ)罐區(qū)［7］，應(yīng)將儲(chǔ)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(chǔ)罐，能有效攔蓄泄漏后的LNG擴(kuò)散。

階梯式布置時(shí)，LNG儲(chǔ)罐區(qū)在高處布置時(shí)，儲(chǔ)罐區(qū)防火堤外局部區(qū)域標(biāo)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(duì)液化裝置、裝車區(qū)、儲(chǔ)罐區(qū)及冷劑儲(chǔ)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(chǎng)地排水系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段明渠或者敞口水池再排出，LNG儲(chǔ)蓄攔蓄區(qū)必須設(shè)置檢漏報(bào)警裝置。

事故污水池應(yīng)盡量靠近儲(chǔ)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(diǎn)

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?yàn)榈販戏忾]，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(yǔ)

由于國(guó)內(nèi)LNG標(biāo)準(zhǔn)體系尚不健全，LNG工廠的總圖設(shè)計(jì)仍存在諸多挑戰(zhàn)。一方面，應(yīng)積極學(xué)習(xí)國(guó)際先進(jìn)技術(shù)；另一方面，需不斷完善國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不斷總結(jié)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使LNG工廠選址和總圖設(shè)計(jì)更加安全合理、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

［1］朱建華，褚家成.池火特性參數(shù)計(jì)算及其熱輻射危害評(píng)價(jià)［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，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(jì)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(jì)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?xì)庠O(shè)計(jì)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(jì)［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.

［6］熊光德，毛云龍.LNG的儲(chǔ)存和運(yùn)輸 ［J］.天然氣與石油，2005，23（2）：17-20.Xiong Guangde，Mao Yunlong.LNG Storage and Transportation ［J］.NaturalGasand Oil， 2005， 23（2）:17-20.

［7］楊成貴，鄭瀟瀟，王 濤.不同地形條件下的建廠對(duì)策［J］.天然氣與石油，2008，26（3）：63-67.Yang Chenggui，Zheng Xiaoxiao， W ang Tao.Gas Purification Plant Construction in Different Landform Conditions［J］.NaturalGasand Oil， 2008，26（3）：63-67.