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天然气和LNG泄漏及发生火灾时消防处置方式

返回列表来源: 未知 发布日期 2019-05-30 10:35

1   概述


燃气引发的火灾与爆炸均始于燃气泄漏。燃气泄漏会带来财物和环境的损失以及人员窒息的潜在危险,而燃气泄漏处置不当引发的火灾与爆炸将对人员、财物和环境造成令人难以承受的灾难。燃气一旦泄漏,将按以下目的对燃气设施及现场环境进行有效管控。

 

①严格控制一切可能存在或产生的点火源,使泄漏的燃气不发生火灾与爆炸,消防抢险时不发生人身伤害。

 

②提高最小点火能量以及使爆炸极限范围收窄,使其难以发生火灾与爆炸。

 

③降低燃气泄漏强度或泄漏速率,掌控燃气扩散范围及方向,使火灾与爆炸造成的损失最小化。

 

④一旦发生火灾,控制火势的发展,并采取安全有效的灭火方式。

 

从《中华人民共和国消防法实施细则》和相关消防管理规定中可知,消防机构的技术手段、消防器材和工作流程主要是针对扑灭火灾制定。针对燃气泄漏缺少必要和有效的消防处置技术手段,存在一些不合理、不科学的技术手段和消防理念,若处置不当,不但不能削弱潜在的危险,反而大幅度增加抢险过程危险性。本文将以天然气和LNG泄漏以及火灾现象为研究对象,探讨消防处置的科学性和有效性。

 

2   天然气和LNG泄漏时的消防处置现状


①管道天然气泄漏消防处置方式

 

一旦天然气设施受损发生大规模泄漏,目前公安消防机构和燃气经营企业通常采用对泄漏点和已形成的易燃易爆气团进行水枪喷洒,稀释、驱散及吸收天然气,然后由燃气经营企业关闭相关阀门,切断天然气供应,逐步减少天然气外泄直至停止。同时设置警戒区,并指派专人进行安全监护。警戒区内严禁一切可能的点火源进入,严防火灾和爆炸事故意外发生。非防爆车辆、工具以及非工作人员严禁进入警戒区。

 

LNG泄漏消防处置方式

 

近年来,我国没有发生大规模LNG泄漏,在此我们根据消防应急救援演练过程分析LNG泄漏处置。


国内一些大型燃气运营商与消防官兵联合开展LNG站消防应急救援演练时,均采用水枪对液化天然气(LNG)泄漏点(LNG储罐根部阀门发生泄漏)及周围带气区进行喷射,驱散稀释泄漏的天然气,很快泄漏得到控制。

 

3   当前天然气和LNG泄漏时消防处置方式

3.1  管道天然气泄漏消防处置方式探讨

 

①喷水是否可以稀释、驱散天然气

 

水枪对天然气泄漏点及周围带气区进行喷射形成的mm级水滴,对呈气态状分子的气相天然气的稀释能力和驱散效果微乎其微。局部的稀释和驱散对小规模泄漏点短时间会有一定的积极作用。

 

对于天然气高中压管道或储存容器受损而发生的泄漏事故,从泄漏到接警再抵达事故现场需要经历一段时间,此时现场环境中已形成较大体积的天然气和空气混合而成的易爆气团。由于天然气无色透明,天然气扩散边界难以通过目测迅速框定,局部的稀释和驱散对整个危险区域无积极意义,还可能因此威胁到近处操作的消防人员人身安全。

 

②喷水是否可以吸收天然气

 

天然气非常难以溶于水。常温常压(压力为103.36 kPa,温度为20 ℃)下溶解度(质量分数)约为0.002 8%,即1 t水中可以溶解甲烷约为28 g1


向天然气喷水时,散射的水滴瞬间吸收天然气能力应远小于天然气在水中的溶解度。从宏观上来看,采用消防水枪喷水几乎不吸收天然气,因此,天然气泄漏时采取以水吸收天然气的做法既无效也不科学。

 

③喷水是否可降低发生火灾爆炸的危险性

 

a.喷水是否可提高最小点火能量

 

点火是着火在局部发生并向外部传播而引发燃烧或爆炸的重要步骤。最小点火能量,是指能引起一定浓度可燃物燃烧或爆炸所需要的最小能量。所以最小点火能量的高低也是衡量可燃气体、粉尘燃烧爆炸危险性的重要参数。对于释放能量很小的撞击摩擦火花、静电火花,其能量是否大于最小点火能量,是判定其能否作为火源引发火灾和爆炸事故的重要条件。

 

适当提高最小点火能量,有利于降低发生火灾和爆炸的危险性。液相水气化成为水蒸气时吸收大量汽化潜热而降低了环境温度,同时也降低了含氧量,最终导致最小点火能量提高。

 

水蒸气可使天然气分子和氧分子隔离,在它们之间形成一层阻碍相互化合的有效屏障。这层屏障可以降低天然气分子和氧分子运动速度,使游离基消失,反应中断,抑制氧化、燃烧的持续性,大大降低点火成功率。提高最小点火能量的关键是水快速气化成为水蒸气,融入泄漏点周边环境中,而不是直接向泄漏点喷水或洒水。

 

b.喷水是否降低抢险过程中的点火可能性

 

通过气化器厂家分析可知,喷水不能从根本上起到防范泄漏天然气燃烧或爆炸的作用,但能起到防止抢险工具碰撞或跌落产生火花而意外点火。

 

不利的是喷水或洒水过多会使得有些地面过于泥泞,妨碍抢险工作进行。

 

c.喷水是否使爆炸极限范围收窄

 

倘若在天然气与空气的混合气体中加入水蒸气等惰性气体(通常指不参与氧化、燃烧反应的常见气体),当氧分子冲击惰性气体时,活化分子失去活化能量,使反应键中断。若在某处已经着火,则放出热量被惰性气体吸收,热量不能积聚,火焰不能蔓延到可燃气体分子上去,可起到抑制作用。混合气体中增加惰性气体含量,可有效地降低燃烧速度,会使爆炸上限显著降低,爆炸范围收窄。惰性气体增到一定浓度时,可使爆炸范围为零,即爆炸上下限重叠,使混合气体不发生爆炸。

 

在一般情况下,爆炸性混合物中惰性气体含量增加,对其爆炸上限的影响比对爆炸下限的影响更为显著。

 

只有泄漏环境中加入大量的水蒸气而不是喷水或洒水,才能使爆炸极限范围有效收窄。

 

d.喷水是否影响泄漏燃气的扩散范围

 

目前我国主要城市的天然气在标准状态(压力为101 325 Pa,温度为0 ℃)下,密度为0.740.78 kg/m3,低于空气密度。在地面上泄漏后受到大气夹带进行被动扩散并得到稀释,扩散过程中表现出上升的趋势,适用于高斯扩散模型。


影响泄漏扩散范围的主要因素很多,与天然气压力、泄漏孔面积、地面风速、大气稳定度、风向等主要参数有关。风向决定泄漏气体的扩散方向,风速决定泄漏气体扩散速度。


直接用水枪向泄漏点及周边环境中喷洒出的水的体积与泄漏天然气的体积相比极小,对一般规模的天然气泄漏扩散范围的影响不大,只有对天然气泄漏规模极小时,方可产生较有利的影响。

 

e.以喷水稀释和吸收天然气的错误理念由来

 

推测该理念应该是受到氨气(或氯气)泄漏处置流程的影响。氨气具有毒性和燃烧、爆炸能力,与空气形成的混合气体爆炸极限范围以体积分数计为15.7%27.4%,在常温常压下,1 m3水能溶解约500 m3氨气。氨气一旦溶于水成为氨水,不再具有燃烧和爆炸能力,毒性也大大降低。当氨气泄漏时,采用水吸收为最佳选择。同样水对氯气也有极高的吸收率。

 

3.2  LNG泄漏消防处置方式


LNG储罐或管道泄漏时,液体从泄漏点喷射而出,起初会发生猛烈沸腾蒸发,随后蒸发率迅速衰减至一个固定值,蒸气沿地面形成层流,从环境中吸收热量并逐渐上升和扩散,同时将周围的空气冷却至露点以下,形成一个可见云团。

 

①是否可用喷水方式来稀释和吸收LNG

 

当LNG泄漏(或已着火)时,严禁喷洒水(或用水灭火)。因为LNG与水接触时,会发生快速相变现象。水与LNG之间的热传递速率非常高,LNG将激烈地沸腾,伴随大的响声并形成水雾,导致LNG发生蒸气爆炸,有时也称之为冷爆炸。


当LNG大规模泄漏时,采用水枪喷水方式稀释、驱散和吸收天然气,是极其错误的处置手段和方式,必将导致灾难性的严重后果。

 

②为何演练LNG泄漏处置常用喷水方式

 

a.未设定真实的事故状态

 

目前消防应急救援演练并没有人为制造真实的LNG大规模泄漏实战状况,而是模拟泄漏,缺乏真实性和科学性。大多数消防处置是为演练应急预案流程,只为“看”不为“战”,过多追求场面气势和表演效果。

 

b.编制应急预案时存在思维惯性

 

LNG泄漏消防应急救援演练只是错误地拷贝了常温储存液化石油气(LPG)储罐发生泄漏的消防应急预案的处置办法。完全忽略了常温储存的LPG与低温储存的LNG理化特性有着巨大的差异。

 

3.3  天然气泄漏对人体伤害及一般处置方式

 

①天然气引起的窒息伤害

 

实验证明,救援人员如果吸入过量的天然气会引起缺氧窒息。当空气中天然气的体积分数高于50%时,氧气的体积分数将低于10.5%,将对人体会产生永久性伤害。如果吸入纯天然气,很快就会失去知觉甚至死亡。即使天然气浓度不是很高,长时间吸入也可能发生缓慢窒息2

 

②目前错误的处置方式

 

目前一般均要求配备一定数量的自吸过滤式防毒面具。自吸过滤式防毒面具是以高效活性炭药剂为载体,其不能防范一氧化碳中毒。一氧化碳是燃气燃烧恶化时烟气中的主要有害成分,除非是针对吸收一氧化碳制作的防毒面具。

 

自吸过滤式防毒面具不能在空气中含氧量低于18%环境内使用,即不能防范天然气泄漏时引起的缺氧窒息伤害。

 

4   泄漏引发火灾时消防处置现状

 

①管道天然气泄漏引发火灾时消防处置

 

根据报道,部分消防人员在管道天然气泄漏发生火灾时,常采用高压喷水车和移动水炮对着火点进行强制灭火。当燃烧的大火熄灭后,将会有大量的天然气外泄。由于天然气分子运动以及与大气较大的密度差双重作用,在多维方向扩散能力较强,受风向影响很大,对灾难发展控制十分不利。一旦失控,极易发生爆炸,该方法具有较强的危险性。

 

LNG泄漏发生火灾时消防处置

 

目前没有扑灭LNG大规模火灾的报道,只有针对LNG大规模火灾的消防演练报道,演练模拟LNG泄漏并发生火灾,处置方法是用水灭火和驱散泄漏的天然气。

 

a.较小规模LNG火灾扑灭

 

当容器或管道裂口较小时,LNG发生泄漏后就会立即蒸发,在压差作用下以较高速度喷射到大气中。如发生火灾,视同天然气着火,此刻若错误地采用水枪喷水灭火,或采用喷射泡沫灭火,若火焰熄灭而泄漏没有制止,LNG蒸气与空气的混合物形成“气云”,爆炸危险性提高。

 

b.中等规模LNG火灾扑灭

 

当容器或管道裂口中等时,LNG将以喷射流的方式喷洒到大气中,若被点燃,则发生喷射火灾。此刻若采用水枪灭火,水与LNG之间剧烈地热交换,引发LNG强烈气化,体积迅速膨胀,产生爆炸性效果,火势难以控制,必将导致更大的灾难。

 

c.大规模LNG火灾扑灭

 

当容器或管道裂口很大时,LNG大量泄漏积聚并流向低洼处或围堰内形成液池,若延迟点燃或远处点燃,则回燃至液池内引起池火。

 

池火是LNG火灾中最严重、最危险的类型,其热辐射会对远距离的人和设施造成损害。根据某燃气公司《危险化学品重大危险源安全评估报告》,规模为1 912.5 t LNG泄漏,火灾产生的强烈热辐射会导致454 m(侧风向)范围内的人员死亡。火灾的燃烧范围、火焰高度及破坏性与LNG泄漏速率、泄漏总量、周边环境及气象条件等有关。

 

在火灾巨大热量与LNG的超低温交替作用下,容易对LNG储存、运输低温容器产生二次损害。当火灾产生的热辐射强度足够大时,可使周围的物体变形或燃烧。此刻若采用水枪灭火,引发液池内的LNG更加强烈气化,发生爆炸性体积膨胀,将引发毁灭性的大灾难。

 

5   泄漏时科学有效的消防处置方式


①管道天然气泄漏消防处置方式

 

泄漏出的天然气被稀释、提高最小点火能量以及使爆炸极限范围收窄均依赖于在天然气与空气形成的易燃易爆气团中更多更迅速地加入惰性气体。最容易获得的惰性气体就是水蒸气,其相对分子质量、密度同甲烷十分接近,与甲烷更容易融合。同时水气化成为水蒸气时会吸收大量汽化潜热而降低环境温度,也可降低抢险过程中的点火可能性。

 

水快速雾化、气化为水蒸气融入环境尤为重要,如何高效地发生水蒸气成为天然气泄漏消防处置的关键因素。

 

市场上常见的高压气流远程引射喷雾器,水能够被粉碎成粒径仅为30 μm细小雾粒,射程逾200 m,覆盖面积大。水被高速射出,在空气中漂浮不易落地,其气化为水蒸气的能力很强。同时由于射速很高,驱散泄漏点及周边环境中的天然气能力较强。

 

车载移动式高压气流远程引射喷雾器被用来稀释、驱散泄漏点及环境中的天然气,可有效降低发生火灾和爆炸的危险性,是一个积极可行的方案。

 

LNG泄漏消防处置方式

 

依据CJJ 51—2016《 城镇燃气设施运行、维护和抢修安全技术规程》第5.3.15 条,“当LNG大量泄漏时,应立即启动全站紧急切断装置,并应停止站区全部作业;可使用泡沫发生设备对泄漏出的LNG进行表面泡沫覆盖,使其与空气隔离;并应设置警戒范围和快速撤离疏散人员,待LNG全部气化扩散后再进行检修。”在储罐周围设置围堰或拦蓄区,是为了降低LNG发生泄漏时产生的危害。其作用在于限制泄漏形成的液池发生外流和进一步扩散。

 

当LNG发生泄漏时,泄漏的LNG与周围物体接触,将会强烈地气化成为低温天然气(初始温度低而密度大于空气),如果气化率过快,体积过大,会向周边快速扩散和蔓延,就有可能引起火灾或爆炸。为了减小这种危险性,必须降低其蒸发率。使用含水量较低、低密度的、发泡倍数为500倍的泡沫覆盖隔绝泄漏的LNG是降低其气化的有效手段。同时能够对形成的沉积云团起到一定抬升作用,降低地面可燃气体浓度,从而降低了起火爆炸的可能性。


也可以向LNG的液面通过播撒设备播撒一些密度低、热容量小的材料,使其浮在液体表面,以减少液体表面直接与空气接触的面积。泡沫玻璃热导率低、不燃烧,在这种场合使用具有很好的防火作用。

 

③防止泄漏对人体伤害的处置方式

 

正确的防护方式应采用隔离式呼吸器(又称为贮气式防毒面具)。供消防员或抢险救护人员在浓烟、毒气、蒸汽或缺氧等各种环境下安全有效地开展抢险、救护和灭火工作。

 

隔离式空气呼吸器以钢瓶中盛装的压缩空气为气源,工作时间一般为30~90 min。专业消防员需要长时间工作佩戴应首选隔离式氧气呼吸器,工作时间可长达60~240 min。天然气经营企业的抢险救护人员一般使用隔离式空气呼吸器即可满足通常的抢险救护需要。


6   发生火灾时科学有效的消防处置方式


①天然气泄漏发生火灾时正确处置方法

 

目前针对天然气泄漏发生火灾时处置办法,绝大多数现场处理科学合理。依据CJJ 51—20165.2.2条,主要遵循“当燃气设施发生火灾时,应采取切断气源或降低压力等方法控制火势。并应防止产生负压。”在燃气设施火灾事故抢修中降低压力控制火势时,应注意维持燃气有一定正压,如果快速关闭阀门,不仅会造成瞬间降压,而且可能导致管道内的天然气回流,吸入空气,增加发生爆炸的危险性。所以,只能采取管道逐步降压处理,当管道内压力达到微正压(300800 Pa)时,才能将火扑灭,燃气公司相关技术人员随后将对管道泄漏点进行清理、堵漏。

 

LNG泄漏发生火灾时一般处置办法

 

依据CJJ 51—20165.3.16条,“LNG泄漏着火后,不得用水灭火。当LNG泄漏着火区域周边设施受到火焰灼热威胁时,应对未着火的储罐、设备和管道进行隔热、降温处理。”当需要对着火设施进行灭火时可采用干粉灭火系统,它是扑救较大火灾的最有效措施。对泄漏量较小的火灾,可用二氧化碳、卤代烷进行扑救。灭火后应立即切断气源,防止复燃的发生。

 

此外还要对着火设施及邻近未着火的储罐、设备和管道,在不影响已泄漏的LNG时可采用水进行隔热、冷却保护,固定式冷却设备失效时应迅速采用消防水炮等移动式设备进行冷却,避免储罐受热发生超压爆炸,造成更大灾害。


为了抑制火灾的持续性,切断LNG供应尤其重要。若是因LNG储罐损坏泄漏引发的火灾,几乎不可能切断供应。

 

当判断火灾已被有效控制不再蔓延以及不会产生新的破坏时,应当让液池中的LNG有序受控地燃烧殆尽。在大部分场合控制火焰的发展和蔓延实际效果要好于灭火,使其不再可能产生天然气与空气形成的易爆气团。

 

针对由LNG设施损坏泄漏引发的火灾,是选择灭火还是受控燃烧,应根据现场实际状况科学地决断。


在这里,气化器厂家要提醒大家,干粉灭火器只能用于灭火,不可采用干粉灭火器对泄漏出的LNG表面覆盖,使其与空气隔离。干粉只有通过与火焰接触时产生物理化学作用才有抑制火焰传播的效果。

 

7   结论

 

①为了降低天然气泄漏后的危险性,关键因素是水快速雾化并气化成为水蒸气融入环境中,而不是直接向泄漏点喷水或洒水。


②当大量LNG泄漏时,可用泡沫对其表面覆盖,使其与空气隔离。绝不可以采用水枪喷水方式稀释、驱散和吸收天然气,否则,必将导致灾难性严重后果。


③自吸过滤式防毒面具不能防范天然气泄漏时引起的缺氧窒息伤害,应选择隔离式呼吸器。

 

④天然气设施发生火灾时的正确处置方式是有效控制火势扩展与蔓延,而不是迅速灭火,更要避免灭火后天然气外泄扩散,增加爆炸危险性。


⑤一切燃气事故发生均由于疏于防范,一切燃气事故扩大和升级均由于事故初期处置失当。

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