天然气液化过程中安全隐患分析及应对策略

杨延君

(哈密新捷燃气有限责任公司，新疆 哈密 839000)

0 引言

天然气是一种清洁、高效的能源资源，广泛应用于能源供应、工业生产和运输领域。为满足全球不断增长的天然气需求，天然气液化已成为一项至关重要的工业过程，方便存储和运输。然而，在天然气液化过程中，高压、低温和特殊化学特性使其具有独特的安全挑战。天然气液化过程中的安全隐患可能涉及高压设备和管道系统的故障、液化天然气的储存和运输问题、火灾和爆炸风险以及与工人和环境安全相关的问题。这些隐患可能导致生命安全风险、环境污染和生产中断，对液化天然气项目的可持续性构成威胁。因此，本文旨在深入分析天然气液化过程中存在的安全隐患，并提出一系列应对策略。

1 天然气液化过程

1.1 液化天然气的基本概念

液化天然气(LNG)是指将天然气中的甲烷通过一系列冷却和液化过程转化为液态状态，以便更易存储和运输。这一过程基于天然气的特性，采用极低的温度和适当的压力，使甲烷从气态转变为液态。一般情况下，LNG 的制造过程包括气田产气后的净化处理，通过多级的制冷过程，将气体冷却至其凝固点温度约为-161.5 ℃。在这种温度下，天然气变成液体，体积大幅减小，便于储存和运输。因此，LNG 具有高纯度、低杂质、低密度、易储存和运输等优点，对能源供应链的可靠性和可持续性有重要意义，并被认为是未来能源转型的一部分，有望减少对传统石油和煤炭等高碳能源的依赖，减轻环境污染，同时为各国提供更多的能源选择。

1.2 天然气液化过程的关键步骤

天然气液化过程的关键步骤包括图1 所示的几个阶段：首先，原始天然气必须经过净化和去除杂质，以确保所液化的天然气是高纯度的甲烷，避免凝结时产生固体杂质；其次，通过压缩将天然气压缩到高压状态，以便在后续的液化过程中能够更好地进行冷却和分离；最后，液化天然气必须冷却至其凝固点以下的极低温度，通常在-161.5 ℃左右，这一步骤需要高效的冷却设备和高压环境，以维持低温高压条件。在达到所需温度后，天然气开始转化为液体，并进入储存罐[1]。

图1 天然气液化过程的关键步骤

这些关键步骤在整个液化过程中都需要高度精确的工程技术和严格的控制，以确保安全高效地将气态天然气转化为液态形式，为能源供应链提供可靠的能源资源。

1.3 相关设备和关键技术

在天然气液化过程中，关键设备和技术是确保高效液化和安全运输的关键，液化天然气(LNG) 工厂通常包括以下关键设备和技术：

(1) 离心式压缩机。这是将天然气压缩成高压气体的重要设备，其通过旋转运动将气体引入机器中心，利用离心力使其增压。这个过程有助于将天然气从气态转化为液态，为后续的液化步骤奠定基础。在天然气加工中，通常需要使用3～4 个叶轮的离心式压缩机进行制冷操作，以实现多级间的闪蒸节能，并允许多个冷却温度水平，以进一步降低功耗。

(2)冷凝器和换热器。这些设备利用冷凝和蒸发过程中的热量传递，以实现天然气的液化和再气化。冷凝器换热器通常由两个主要部分组成：第一部分是热传输管道，用于传递热量；第二部分是冷却介质管道，用于实现热能的吸收和带走。

(3) 储存罐。LNG 需要在极低温下储存，通常在-161.5 ℃附近。储存罐通常是双壁结构，以保持温度并减少蒸发损失。

这些设备和技术的高度工程化和技术要求对液化天然气工业的成功至关重要，因为它们直接影响到LNG 的生产效率和安全性。

2 天然气液化过程中的安全隐患

2.1 高压设备和管道系统的风险

在天然气液化过程中，高压设备和管道系统涉及着一系列潜在风险。其中高压设备，如压缩机和分离器，承受着极高的气压，存在爆炸风险。高压设备内部压力异常或失控可能导致压力容器破裂，引发严重的事故。此外，高压设备在运行中会产生大量的热量，需要有效的冷却系统来维持温度，否则过高的温度可能引发设备故障或事故。

高压管道系统也存在潜在危险。管道系统经常受到物理损伤、腐蚀或机械应力，这可能导致管道泄漏或破裂，释放高压天然气。特别是管道的连接点和焊缝附近容易出现问题，是潜在的泄漏源[2]。

总之，高压设备和管道系统的风险主要涉及爆炸、泄漏和过热。在天然气液化过程中，必须采取严格的安全措施来防范和减轻这些潜在风险，以确保设备和系统的可靠性和安全性。

2.2 液化天然气的储存和运输问题

在液化天然气的储存和运输过程中，表1 所示的关键参数揭示了一些重要的问题。

表1 液化天然气储存和运输的关键参数

首先，温度控制是确保液化天然气稳定性和安全性的至关重要的因素。尽管实际温度维持在要求范围内，但仍要特别注意，±2 ℃的温度波动可能对储存和运输过程产生影响。

其次，密封性能是防止泄漏的关键。尽管实际泄漏率较低，但仍存在一定程度的泄漏风险，要对密封系统进行更为严格的检测和改进，以确保系统的安全性和可靠性。

最后，密封方式的差异也值得关注，主要采用真空珠光砂隔热密封方式。由于珠光砂具有极低的导热性，可靠的化学稳定性，良好的充填流动性和极低的容重性，所以储存和运输装置充填的保冷材料绝大多数都是珠光砂。

2.3 火灾和爆炸风险

在液化天然气的生产和运输过程中，火灾和爆炸风险是需要高度关注和管理的关键问题。根据表2中的数据，可以对液化天然气的火灾和爆炸风险进行评估。

表2 天然气液化过程中的火灾和爆炸风险数据

首先，液化天然气的燃烧点略高于标准要求，达到了620 ℃，但仍在较高温度范围内。这表明在受到高温源的作用下，液化天然气具有较高的抗燃点，降低了火灾的发生概率。

其次，爆炸极限的下限和上限分别为0.05 和0.15。这表示在空气中液化天然气的爆炸浓度范围相对较窄，有利于减小爆炸风险。然而，仍需密切关注和控制空气中的液化天然气浓度，确保在正常操作和突发事件中都能维持在相对安全的范围内。

最后，爆炸热值符合标准要求，超过20 MJ/m3，表明液化天然气在燃烧时释放的能量充足。这对确保在发生火灾时能够进行充分燃烧，减缓火势蔓延，具有积极的作用。

2.4 工人和环境安全

在天然气液化过程中，工人和环境安全存在一些潜在隐患：

首先，由于LNG 的极低温度和高压性质，与液化天然气接触可能对工人构成危险。液化天然气可能导致冷冻伤害，因为其温度极低会导致组织冻结和受损。此外，高压天然气可能引发爆炸风险，需要工人在操作和维护设备时格外小心。

其次，环境安全也是一个重要关切点。天然气液化过程中如果发生泄漏，不仅会造成天然气的浪费，还会对环境造成污染。同样，LNG 泄漏后的天然气蒸发可能对周围生态系统产生不利影响。因此，必须采取措施来减少泄漏风险，确保环境安全。

最后，LNG 的运输和储存也可能对环境构成威胁。液化天然气的存储和运输需要设施和设备，如储罐、管道和船舶。如果这些设备发生泄漏或故障，可能导致天然气泄漏，对环境产生负面影响。

3 应对策略

3.1 安全管理体系和标准

在天然气液化过程中，确立强有力的安全管理体系和标准至关重要，这要在各个阶段采取一系列措施来降低潜在的风险：

首先，建立详尽的安全管理体系，包括明确的责任分工和程序。这意味着明确规定每个工作岗位的职责，确保工作人员了解并遵守相关安全规程。安全管理体系还应包括预防措施，例如定期检查和维护设备，以确保其正常运行。

其次，采用国际标准和最佳实践作为安全标准的基础。这包括ISO、API 等行业标准，以及本地法规和规章。这些标准为安全管理提供了基础框架，并确保遵循业界认可的最佳实践。

再次，安全管理体系还需要制定紧急响应计划。这些计划应详细说明如何应对各种紧急情况，包括泄漏、火灾、爆炸等。工作人员必须经过培训，了解如何有效执行这些计划[4]。

最后，定期进行安全审查和改进是确保安全管理体系不断提高的关键步骤。通过对现有安全程序的审查，可以识别潜在的改进点，并及时采取行动。这有助于不断提高安全标准，降低事故风险。

3.2 安全培训和教育

安全培训和教育在天然气液化过程中的应对策略中起着至关重要的作用：

首先，工作人员需要接受严格的培训，以了解潜在的危险和如何应对突发情况。这种培训应涵盖液化天然气的特性、设备操作、安全程序以及紧急应对计划等方面的内容。培训课程需要定期更新，以反映最新的安全标准和技术。

其次，工作人员还需要了解个体防护装备(PPE)的正确使用。这包括防护服、面罩、手套等，用于降低与液化天然气接触时的风险，培训应涵盖PPE 的选择、佩戴和维护。

再次，安全教育也需要扩展到供应链的其他环节，包括液化天然气的供应商和运输商。这可以通过合同规定来确保，供应商和承运商必须符合一定的安全标准和程序。

最后，技术演练和模拟是安全培训和教育的重要组成部分。通过模拟事故场景，工作人员可以实际演练应对紧急情况的技能，这有助于提高他们的反应速度和冷静应对危机的能力。

3.3 安全设备和技术创新

安全设备和技术创新在天然气液化过程中的应对策略中具有关键作用：

首先，高压设备和管道系统的安全性对于预防潜在的危险至关重要。技术创新可以包括更强化的材料用于建设高压设备，以承受极端条件下的压力和温度。此外，先进的监测和检测技术，如无损检测和遥感技术，可以用于实时监测管道和设备的状态，以便及时发现潜在问题。

其次，液化天然气的储存和运输也需要创新的技术来确保安全。这包括新型的绝热材料用于储存罐的设计，以减少液化天然气的蒸发和泄漏。此外，船舶和运输工具的设计也需要考虑防火和泄漏的特殊要求，以确保安全运输。

再次，火灾和爆炸风险的应对策略可以包括使用先进的火灾探测和灭火系统，以及在火灾和爆炸发生时的紧急应对计划。这些系统和计划需要与最新的技术相结合，以提供高效的应对和保护。

最后，工人和环境安全方面的技术创新可以包括更智能的个体防护装备，如可穿戴传感器，用于监测工作人员的安全状态。此外，培训和教育也可以通过虚拟现实技术和模拟来增强，以提供更真实的培训体验。

3.4 紧急应对计划

紧急应对计划在天然气液化过程中的安全管理中起着至关重要的作用，以处理突发事件和应对潜在的风险：

首先，紧急应对计划需要明确定义各种紧急情况，包括火灾、泄漏、爆炸等，以及可能涉及的设备、区域和工作人员。这涉及对系统进行全面的风险评估，以确定潜在的危险点和应对策略。

其次，计划中要包括明确的责任分工和通信流程，以确保在紧急情况下的及时响应。关键人员要接受培训，了解他们在紧急情况下的职责和行动计划，以便迅速采取行动。此外，计划还要包括紧急撤离程序，以确保工作人员的人身安全[5]。

最后，在技术细节方面，紧急应对计划要考虑使用先进的监测和通信技术，以及应急设备，如气体检测仪器、灭火器材等。这些技术可以用于监测潜在的危险情况，如气体泄漏，并提供实时信息以支持决策制定。同时，计划还要考虑在应急情况下的资源供给，如紧急维修设备和救援队伍的调度。

3.5 法规合规和监管

在天然气液化过程中，法规合规和监管起着至关重要的作用，以确保整个过程的安全性和可持续性。监管部门负责审查和监督天然气液化设施，以确保其运行符合法规和标准：

首先，天然气液化过程中必须遵循一系列法规和标准，其中包括建设、操作和环境方面的法规。这些法规通常规定了设备设计、建设、材料选择、操作流程和安全标准等方面的具体要求。例如，法规可能要求高压设备必须符合特定强度和材料要求，以确保安全操作。在此基础上，应增加一定的安全间距，确保设备运行过程中的稳定性。

其次，监管部门负责审查和批准天然气液化设施的建设和运营计划，并进行定期检查和监督以确保合规性。监管机构通常会对设备、操作程序、紧急应对计划等进行全面审查，以评估其安全性。加强危化品风险监测预警系统，通过双重预防机制确保在操作中发生问题时能够迅速采取措施进行应对。

最后，合规性和监管要与液化天然气设施的技术细节密切相关，这包括了解法规和标准的具体要求，以及如何满足这些要求。技术人员必须了解高压设备的设计和制造，监测系统的操作，紧急应对程序的建立等方面的技术细节，以确保合规性。

4 结语

天然气液化是一项关键的工程，在能源供应链中扮演着重要的角色。然而，在液化过程中存在着一系列安全隐患，包括高压设备和管道系统的风险、储存和运输问题、火灾和爆炸风险以及工人和环境安全问题。为确保天然气液化过程的持续运营和安全性，应对这些隐患至关重要，才能有效确保工程的成功和可持续性，同时保护人们和环境的安全。