低温可燃气体储罐结构特点及防火对策
苏明涛
（山东省青岛市公安消防支队，山东 青岛）
摘要：低温储存技术是近年来为适应液化天然气和液化石油气进口需求，在沿海港口周边逐步发展起来的液化气体储存方式，在消防安全方面需要研究与之相适应的防火措施及应急处置措施。本文介绍了单防罐、双防罐、全防罐的类型、结构，分析了低温储存方式的火灾危险性，提出了安全措施和消防设施设置要求，便于在安全管理及灭火抢险采取相应措施。
关键词：消防；单防罐；双防罐；全防罐；火灾危险性；防火措施
1 引言
可燃气体储存分为液态储存和气态储存。液态储存根据储存温度和压力不同，储罐分为全压力式、半冷冻式和全冷冻式3种［1］。
全压力式储存方式是在常温和较高压力下储存液化烃或其他类似可燃液体，有球形和卧式圆筒形两种储罐，容量大于120m3时常选用球形，小于120m3则多用卧式圆筒形。储罐内部没有活动部件，结构简单，按其贮存压力变化而改变其贮存量，多用于贮存液化石油气、烯烃等。
半冷冻式储存方式是在较低温度和较低压力下储存液化烃或其他类似可燃液体。
全冷冻式储存方式是在低温和常压下储存液化烃或其他类似可燃液体。
全压力式储存方式属于常温高压储存，小型液化气供应站及家用液化气钢瓶均属常温高压储存方式。半冷冻式储存方式和全冷冻式储存方式均属低温储存方式，储罐是借助罐壁保冷、可靠的制冷系统和自动化安全保护措施保证安全运行。低温储存方式国内工程实例较少，仅在在深圳、太仓、张家港和汕头等沿海地区建成一些液化石油气全冷冻式储存基地，因此《城镇燃气设计规范》只是对液化石油气供应基地的全冷冻式储罐与基地外建、构筑物的防火间距进行了规定，其他要求尚需逐步完善。本文重点对可燃液化气体低温储存方式进行论述。
2 低温储存方式储罐类型及结构
低温储罐的罐体结构型式有很多种，目前主要采用单防罐、双防罐、全防罐。
2.1 单防罐
单防罐指带隔热层的单壁储罐或双壁储罐。
2.1.1 单壁型单防罐
单壁型单防罐是低温储存技术发展初期所采用的储罐。储罐采用低温碳钢，罐体外部保温材料使用发泡聚氨酯，保温层外采用一层铝合金或铁皮保护，其结构如图1所示。由于受聚氨酯保温层厚度及使用耐久性所限制，这种罐一般用于储存高于-50℃的低温液体。例如氨、液化石油气（LPG）等，考虑到安全和隔热等因素，单壁罐未在液化天然气（LNG）中使用。
图1 单壁型单防罐
1—高架混凝土承台；2—外护层；3—罐顶；4—储罐；5—外隔热层；6—罐底隔热层；7—围堰
2.1.2 双壁型单防罐
双壁型单防罐由内罐和外罐组成，其内罐能适应储存低温冷冻液体的要求，外罐一般用普通碳钢制成，主要是支撑和保护隔热层，并能承受气体吹扫的压力，但不能储存内罐泄漏出的低温冷冻液体，其结构如图2所示。同单壁罐相比，双壁罐的综合性能较好，主要用于用于储存氨、LPG、乙烷、乙烯、LNG等，但一般不在大型LNG储存站中应用。
图2 双壁型单防罐
1—罐底加热器；2—松散充填隔热材料；3—吊顶（隔热）；4—内罐；5—罐顶；6—外壳（不能用于容纳液体）；7—罐底隔热层；8—围堰
为防止罐底土壤冻结，一般采用在罐底设高架混凝土承台（如图1），或者设置罐底加热器的方式（如图2），以提高土壤的强度和水密性。
2.2 双防罐
双防罐由内罐和外罐组成，其内罐和外罐都能适应储存低温冷冻液体，在正常操作条件下，内罐储存低温冷冻液体，外罐能够储存内罐泄漏出来的冷冻液体，但不能限制内罐泄漏的冷冻液体所产生的气体排放。外罐一般由耐低温的金属材料或混凝土的构成，有的外罐采用预应力混凝土并增加土质护堤。其结构如图3、图4所示。
图3 双防罐（金属外罐）
1—罐底加热器；2—外罐罐壳；3—外护层；4—环空顶盖；5—罐顶；6—内罐；7—外隔热层；8—罐底隔热层
图4 双防罐（混凝土外罐）
1—混凝土外罐承台；2—罐底加热器；3—预应力混凝土外罐壁；4—吊顶（隔热）；5—罐顶；6—顶盖；7—松散充填隔热层；8—内罐；9—外壳（不能用于容纳液体）；10—罐底加热器
2.3 全防罐
全防罐由内罐和外罐组成，其内罐和外罐都能适应储存低温冷冻液体，内外罐之间的距离为1～2m，罐顶由外罐支撑，在正常操作条件下内罐储存低温冷冻液体，外罐既能储存冷冻液体，又能限制内罐泄漏液体所产生的气体排放，大量应用于LNG储存。
内罐一般采用5％或9％镍钢，外罐一般采用镍钢或混凝土，可允许内罐里的低温冷冻液体和气体向外罐泄露，外罐可以承受内罐泄露的低温冷冻液体和气体，不会向外界泄露。混凝土外罐和罐顶可以承受外来物体的冲击和相邻储罐火情的热辐射。内罐罐底一般采用泡沫玻璃等绝热材料，罐壁夹层采用珠光砂和弹性玻璃棉毡等绝热，吊顶一般采用玻璃纤维绝热。图5为采用混凝土外罐的全防罐结构图。
图5 全防罐（混凝土外罐）
1—罐底加热器；2—罐底隔热层；3—外罐墙内部的隔热层；4—预应力混凝土外罐墙；5—吊顶（隔热）；6—钢筋混凝土罐顶；7—松散充填隔热材料；8—内罐
通过储罐结构可以看出，单防罐、双防罐、全防罐三种类型的储罐投资依次增加，安全性能也依次提高。对于LNG，其沸点为-162℃，其可燃性和储存温度的超低温性，对储罐有着很高的要求，一般采用安全性能较高的全防罐。
3 储存可燃液化气体的低温储罐的火灾危险性
低温储罐储存的可燃液化气体主要有氨、液化石油气、乙烷、乙烯、液化天然气等，液化石油气主要组分为丙烷、丁烷，少量的乙烯、丙烯、乙烷、丁烯等；液化天然气主要成分为甲烷，其余为乙烷、丙烷等。这些液化气体极易燃，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇火源有燃烧爆炸的危险。储罐、管线、阀门及安全附件因选择材质不好，焊接不良，受机械损伤或腐蚀，管理不善导致超温超压，以及装卸过程中的违章操作，均可造成液化气体的泄漏。与其他储存方式相比，在安全方面主要有以下的特点。
3.1 储存物品的超低温性
低温常压储存的方法，是将气体冷冻到其沸点温度以下，在其饱和蒸汽压接近于常压的情况下进行储存。例如，液化天然气是将气态天然气冷冻至-162℃以下制得，常压下其他气体的沸点是：乙烯为-104℃，丙烷为-42℃，正丁烷为-0.6℃，异丁烷为-12℃。沸点越低，储存设施的设计温度和操作温度也越低，对储罐及相关设备、管道的要求也越高。
3.2 液化气体气化后，易形成大范围爆炸性混合物
液化石油气变为气态，其体积扩大至250～350倍，液化天然气气化后体积增大600倍。而液化石油气在空气中的的爆炸极限范围为1.5％～9.5％，天然气爆炸极限为5％～15％，因此少量的液化气体泄露，即可形成大量的爆炸性混合气体。
爆炸性混合气体宜在地面聚集，不易扩散。液化石油气气态密度是空气的1.5～2倍，泄露气化后的气体会沿地面流动，不易扩散。氢气、天然气等虽然常温时的密度比空气小，但泄漏后迅速蒸发，吸收大量的热，低温气体的密度大于常温时的密度，易在地面形成流动层，使危险性大大增加。例如，氢气是最轻的气体，但当液氢发生泄漏后，其密度比空气大（在-25℃时，相对密度1.04），而使汽化的气体能沉积在地面上，当温度升高后才扩散，并在空气中形成爆炸混合气体，遇到点火源发生爆炸。
3.3 隔热材料破坏或操作不当，易引起迅速气化，压力剧增
隔热材料的完整有效以及冷冻系统的正常运行是低温储存的保障，一旦隔热材料破坏，且冷冻系统失灵，会导致液化气体气化，造成储罐破裂。
向储罐输送物料时，物料的闪蒸及外界环境热量的传入将引起储罐内液体不断气化，这部分蒸发的气体若不处理，将引起储罐的压力升高。因此输送物料时应当预冷管线，控制输送速率，防止瞬间过多液体汽化。
3.4 低温危害造成抢险救援困难
液化气体气化后吸收大量热量，低温易使设备、阀门遇冷收缩导致损坏，为事故处置带来不便。同时低温易使抢险人员冻伤，增加抢险难度，需采取防护措施。
4 安全措施
低温储罐储存方式的特殊性及储存物品的易燃易爆性，需要充分考虑低温罐区的防泄漏、防静电和防火防爆措施。爆炸危险区域内的电气设施应当满足防爆要求，并在装置区设置可燃性气体报警仪监控可燃性气体的含量，以采取有效措施。
4.1 采取防超压措施
为了使贮罐运行安全可靠，防止超压，低温储罐一般装有自动控制的超压排放系统、先导式安全阀以及安全阀。如果罐内压力升高接近贮罐设计压力或先导式安全阀定压时，打开控制阀排至尾气焚烧炉系统，当压力继续升高到安全阀定压时，则安全阀启跳排至大气，以防止超压引起破罐。
4.2 防火堤的设置
根据储罐的结构特点，全冷冻式单防罐罐组、半冷冻式储罐组应设防火堤，全冷冻式双防或全防罐罐组可不设防火堤［1］。全冷冻双防式或全防式液化烃储罐，一旦内罐发生泄漏，泄漏出的液体能100％被外罐所容纳，不会发生液体流淌蔓延而造成事态扩大，外罐已具备防火堤作用，不需另设防火堤。
4.3 消防设施的设置
液化气体储罐火灾的根本灭火措施是切断气源，在气源无法切断时，要维持其稳定燃烧，避免气体大范围扩散。同时对储罐进行水冷却，确保罐壁温度不致过高，从而使罐壁强度不降低，防止罐内压力升高，避免事故扩大。
4.3.1 半冷冻式储罐
半冷冻式储罐应当根据储罐容量的大小，参照《石油化工企业设计防火规范》GB 50160—2008的要求设置消防设施，其中对于单罐容积等于或大于1000m3的储罐，应采用固定式水喷雾（水喷淋）系统及移动消防冷却水系统［1］。
4.3.2 全冷冻式储罐
①当单防罐外壁为钢制时，应设水喷雾或水喷淋系统等固定消防冷却系统［1］，防止罐外壁在着火时破坏，保护隔热材料，使罐内的介质稳定气化，不至于引起更大的破坏。丁二烯或比丁烷分子量高的碳氢化合物燃烧时，会在钢的表面形成抗湿的碳沉积，应采用具有冲击作用的水喷雾系统。
②当双防罐、全防罐外壁为钢筋混凝土结构时，管道进出口等局部危险处设置水喷雾系统，罐顶和罐壁可不考虑冷却［1］。
当半冷冻式储罐及全冷冻式储罐采用固定式消防冷却水系统时，对储罐的阀门、液位计、安全阀等宜设水喷雾或水喷淋喷头保护。在罐组周围应当设置消火栓和消防炮，以保护管架及罐顶部的阀组，并根据需要对罐壁进行冷却。储罐中控室及变配电室、设备区分别设置干粉灭火器、CO2灭火器。
5 事故处置
发生火灾时应当迅速启动水喷雾或水喷淋系统等固定消防冷却冷却系统对储罐、进出料阀组及邻近罐进行保护，防止着火罐及邻近罐保温层破坏，导致储罐破裂泄露。用固定式水炮及移动式消防水枪冷却燃烧区域内有爆炸危险的重点设备，使用喷雾水或蒸气驱散、稀释可燃气体。采取措施把泄露的液体控制在一定范围内，防止流淌蔓延。在工程技术人员带领下，采取关阀、断料、器具堵漏等的措施，切断物料来源，降低燃烧强度，辅助控制火势。处置时需采取防冻防护措施，具备扑救条件后，可采用干粉灭火。火灾扑灭后，应当核查储罐及阀门损坏情况，确保没有物料继续泄漏，对储罐内的物料可采取疏导的方法倒入其他容器或储罐。
6 结论
低温储存技术已经在液化石油气和液化天然气的储存得到应用，本文通过对低温冷冻储罐的类型、结构、火灾危险性进行介绍，分析了应当采取的安全措施和事故处置措施，为安全管理和应对突发事故奠定了基础。
参考文献
［1］ GB 50160—2008.