1、问题的提出
1.1 安全设计的重要性
液化天然气（LNG）汽车加气站由于工作介质的易燃易爆特性和低温深冷特性、工作环境的特殊性以及周边环境的复杂性，它的安全问题尤为重要。
装置的安全设计是系统安全的根本基础，安全设计需要以系统科学的分析作为基础，以“问题发现式”的预测方法，评价系统中存在的危险因素及可能造成的后果，在充分辨识潜在危险和不安全部位、不安全环境的基础上采取适用的安全技术措施，将系统的安全置于装置的设计阶段，实现设计安全。
国家有关标准、规范是装置安全设计的法律依据，但是由于我国LNG汽车技术起步较晚，相应的标准、规范空缺，而相关部门及建设单位对国外标准不熟悉且对标准的采用原则不了解，从而使LNG汽车加气站在项目建设中遇到了一系列的困难。致使LNG加气站的发展受到制约，本文主要针对此种情况，在设计规范的选用及安全设计方面作以下探讨。
1.2 LNG加气站危险性分析
1.2.1 介质危险性
（1）介质的危险性
① 火灾、爆炸特性
液化天然气是以甲烷为主的液态混合物，储存温度约为－162℃。泄漏后由于地面和空气的加热，会生成白色蒸气云。当气体温度继续被空气加热直到高于－107 ℃时，天然气比空气轻，会在空气中快速扩散。气态天然气的容积约为液态的600倍，天然气与空气混合后，体积分数在一定的范围内就会产生爆炸，其爆炸下限为5％，上限为15％。天然气的燃烧速度相对于其它可燃气体较慢（大约是0.3m/s）。
②低温特性
由于LNG储存温度为－162 ℃，泄漏后的初始阶段会吸收地面和周围空气中的热量迅速气化。但到一定的时间后，地面被冻结，周围的空气温度在无对流的情况下也会迅速下降，此时气化速度减慢，甚至会发生部分液体来不及气化而被防护堤拦蓄。气化的天然气在空气中形成冷蒸气云。冷蒸气云或者来不及气化的液体都会对人体产生低温灼烧、冻伤等危害。
LNG泄漏后的冷蒸气云、来不及气化的液体或喷溅的液体，会使所接触的一些材料变脆、易碎，或者产生冷收缩，致使管材、焊缝、管件受损产生泄漏。特别是对LNG储罐可能引起外筒脆裂或变形，导致真空失效，绝热性能降低，从而引起内筒液体膨胀压力升高，造成更大事故，设备的混凝土基础可能由于冷冻而强度受损。
（2）火灾危险类别
天然气火灾危险性类别按照我国现行防火设计规范如《建筑设计防火规范》划为甲类，《石油天然气工程设计防火规范》及《石油化工企业设计防火规范》划分为甲A类，即它的火灾危险性类别是最高的。
（3）爆炸危险环境分区
根据我国现行规范《爆炸和危险火灾环境电力装置设计规范》规定，天然气的物态属工厂爆炸性气体，分类、分组、分级为：Ⅱ类，B级，T1组，即ⅡBT1。
站内拦蓄区、加气区、卸车区属易产生爆炸性气体环境，区域划分为2级区域（简称2区），即在正常运行时，不可能出现爆炸性气体混合物，即使出现也仅是短时存在的环境，在此区域内防爆电器的类型可为dⅡBT1。
1.2.2 装置运行的危险性
（1）因漏热或绝热破坏产生的危险
LNG低温储罐，是加气站危险介质的盛装容器，因漏热必然要产生部分自然蒸发（BOG）气体；当绝热破坏时，低温深冷储存的LNG因受热而气化，储罐内压力剧增。
液相管道因漏热同样生产BOG气体，绝热破坏时，管内压力同样剧增。
（2）因过冷损害产生的危险
泄漏后产生的冷蒸气云或液体会使管道产生冷收缩，会使碳钢产生脆裂等现象，可能造成焊缝裂开、法兰、阀门漏气，储罐外筒可能变形、脆裂，造成绝热破坏。
（3）储罐液位超限产生的危险
LNG储罐内在卸车过程中要防止液位超限，液体的充装量不宜超过85%左右，万一超限可使多余液体从溢流阀流出；出液过低会使泵抽空，罐内出现负压，出液时最低液位应控制在10%左右。超限情况下监测报警系统会启动，并且联锁关闭阀门，避免事故发生。
（4）管道振动产生的危险
①液击现象与管道振动
在LNG的输送管道中，由于加气车辆的随机性，装置反复开停，液相管道内的液体流速发生突然变化，有时是十分激烈的变化，液体流速的变化使液体的动量改变，反映在管道内的压强迅速上升或下降，同时伴有液体锤击的声音，这种现象叫做液击现象，液击造成管道内压力的变化有时是很大的，突然升压严重时可使管道爆裂，迅速降压形成的管内负压可能使管子失稳，导致管道振动。
②管道中的两相流与管道振动
在LNG的液相管道中，管内液体在流动的同时，由于吸热、摩擦及压力降等原因，势必有部分液体要气化为气体（尽管气体的量很小），液体同时因冷损而体积膨胀，这种有相变的两相流因流体的体积发生突然的变化，流体的流型和流动状态也受到扰动，管子内的压力可能增大，这种情况可能激发管道振动。
当气化后的气体在管道中以气泡的形式存在时，有时形成“长泡带”；当气体流速增大时，气泡随之增大，其截面可增至接近管径，液体与气体在管子中串联排列形成所谓“液节流”；这两种流型都有可能激发管道振动，尤其是在流经弯头时振动更为剧烈。
③加气卸气软管的老化及振动
加气卸气接口为软管连接。软管为高分子材料容易老化，工作时由于剧烈振动容易爆裂，接口处因经常磨损可能有时密封不严。
（5）装置预冷产生的危险
LNG储罐在投料前需要预冷，同样在生产中工艺管道每次开车前需要预冷，如预冷速度过快或者不进行预冷，有可能使工艺管道、法兰、阀门发生变脆、断裂和剧烈的冷收缩，引发泄漏事故。
（6）BOG气体和增压气体产生的危险
LNG储罐或液相工艺管道，由于漏热而自然蒸发一定量的气体，一般情况下（制造厂家提供的数据为每昼夜3‰的蒸发量）；生产运行中由于卸车，需要给卸车系统增压，出液时需要给LNG储罐增压；受气车辆在加气之前需要降低车载气瓶内的压力，此部分气体在加气时又抽回储罐。这些气体始终储存于系统中，当系统压力过高时需要进行安全放散，国内有的加气站每年因BOG放散损失达十多万元，且对大气环境有一定的污染，笔者所在单位设计时对此流程作了改进，尽量少用增压器增压，可使车和储罐的气相管相连通，达到气相平衡，利用泵的扬程，就能达到卸车或加气的目的。
1.2.3 自然灾害的危险性
自然灾害是指风荷载和雪荷载可能破坏设备的稳定性；地震荷载造成储罐基础坍塌；雷电直击时强大的电效应、热效应和机械效应可能使储罐变形受损，雷电感应可能产生电火花，雷电电磁脉冲可造成信息系统失灵。
综上所述，LNG加气站不管是人为事故或自然灾害所造成的最大危险性在于泄漏，最严重的事故在于泄漏后与空气混合形成爆炸性气体混合物，遇火源发生爆炸或火灾。所以对LNG加气站而言，安全设计始终围绕着防止泄漏及防止火源的产生这两方面。 。
2.防火规范及采用规范的意见
2.1 国内标准
（1）《石油化工企业设计防火规范》 GB50160（称《石化规》）；
（2）《石油天然气工程设计防火规范》GB50183（称《石油规》）；
（3）《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》 GB/T20368（称《LNG规》）；
（4）《建筑设计防火规范》GB50016（称《防火规》）；
（5）《城镇燃气设计规范》GB50028（称《燃气规》）；
（6）《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》 SH3501（称《石化管道规》）；
（7）《建筑物防雷设计规范》GB50057（以下称《防雷规》）；
（8）《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058（称《爆炸规》）；
（9）《化工企业静电接地设计规范》 HGJ28（称《静电规》）。
2.2 国外标准
（1）美国国家防火协会NFPA 59A《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》（2002年版 称《美国LNG规》）；
（2）美国国家防火协会NFPA 57《液化天然气（LNG）车辆燃料系统规范》（2002年版 称《美国车用LNG规》）。
2.3 有关标准说明
（1）《石化规》主要用于大型石油化工装置。其中的液化烃装置及全压力式液化烃储罐适用于液化天然气装置，防火间距的要求较大。
（2）《石油规》主要用于油气田工程，其中有“液化天然气站场”章节，防火间距的部分规定等同《美国LNG规》， 它规定总容积小于265m3的LNG储罐可不设固定供水系统。
（3）《LNG规》完全等同于《美国LNG规》， 我国的LNG技术起步较晚，美国早在20世纪80年代就相应制定了一系列LNG技术标准。我国2006年10月1日实施的《LNG规》完全等同采用了《美国LNG规》。此标准对LNG的生产、储存和装运全过程中的设计、选址、施工、操作、人员培训等作了详尽的规定，它是美国LNG产业技术发展的科学总结，它合理、人性化地规范了LNG产业设施的防火设计要求，是目前世界范围内通用的先进规范。
（4）《美国车用LNG规》适用于所有类型交通工具的LNG发动机燃料系统的设计、安装、运行和维护，适用于其有关加注燃料（输配）设施（包括L-CNG设施）。
2.4 标准采用原则
（1）国内有的适用的优先采用国内标准，因为国内标准适合我国国情，政府主管部门容易接受，工程技术人员熟悉。
（2）国内没有的直接引进国外的先进标准，国家《标准化法》明确规定“国家鼓励采用国际标准和国外先进标准”，我国第一个LNG试点项目—广东LNG项目正是根据此原则进行工程建设的。
（3）有明确规范执行明确规范，无明确规范执行相近规范。
如国内第一个LNG气化站—淄博气化站，在工程建设时征求《石化规》标准管理组的意见，同意工程设计执行《石化规》。
（4）《美国车用LNG规》主要对车（船）使用LNG作了详尽具体的规定，它在防火间距的要求方面与《美国LNG规》一致。我国有关部门目前正在做我国LNG车辆燃料系统完全等同采用此标准的工作。
（5）在规范允许设计者做出评判的情况下，根据实际情况，因地制宜、合理灵活理解执行规范，我国上述相关规范主要用于大型LNG生产、储运和使用，如大型液化厂、LNG接收站、城市气化站等。LNG加气站在危险介质储存量上—储罐容积小，数量少，相对危险性小，所以当规范要求设计者对防火设施的程度做出评判时，设计者应根据防火设计的原则、设施、当地条件和危险性的分析以及周边建构筑物的实际情况作出合理的评判。
2.5 采用标准
综上所述，LNG汽车加气站工程的防火设计首先执行《美国车用LNG规》；其次执行我国《LNG规》；公用工程首先执行上述两标准，局部参照执行《石化规》、《石油规》、《防火规》等。
我国有关部门及建设单位认为无规范可依，以至于影响LNG加气站的建设，此种状况是因为对国内和国外有关标准不熟悉，对国家《标准化法》鼓励采用国外标准的规定不了解。
3、LNG加气站安全设计
3.1 总平面布置安全设计
（1）结合地形、风向、站外环境，综合考虑防火间距
《美国车用LNG规》地上和半地下LNG储罐从拦蓄区到建筑物和用地线的距离
储罐水容积（m3）
从拦蓄区或储罐排水系统边缘到建筑物和用地线的最小距离（m）
储罐之间的最小距离（m）
3.8～7.6
4.6
1.5
7.6～56.8
7.6
1.5
56.8～114
15
1.5
114～265
23
1.5
（2）按流程顺序、使用功能合理分区
按流程顺序及功能将站内区域分为：拦蓄区、作业区、辅助区，各区之间分界明显，将配电、控制、生活等容易出现火源的设施远离危险区布置。
（3）设置拦蓄区和集液池，防止事故扩大
根据《LNG规》LNG储罐的周围应设置拦蓄区，拦蓄区的作用是在发生泄漏时，为防止流体流淌蔓延，将流体限制在一定的区域内，便于使用泡沫灭火器隔绝空气限制流淌火灾。在拦蓄区内设置集液池，以便收集泄漏的LNG和雨水，集液池与拦蓄区外的水封井相连，两者之间设置截断阀，阀门平时关闭，当排除集液池内雨水时，阀门打开，雨水进入水封井，潜水泵启动排出雨水。
（4）设置环形车道或回车场地
LNG加气站站区虽小，但总平面布置时要考虑到方便消防车从场地中进退，方便LNG槽车的进出，特别要考虑到事故状态下需要向LNG槽车倒出事故储罐液体，要方便LNG槽车快捷进入。
3.2 建（构）筑物安全设计
（1）耐火等级
建（构）筑物的耐火等级为2级、耐火时限2小时，所有混凝土及钢构架、管架、支座、螺栓施工完毕后应涂覆耐火层。
（2）耐低温设计
站内工艺设施的基础，如储罐、低温泵、加气机基础及防护堤应采用抗冻性能好的混凝土，储罐钢支座应作耐低温处理。
（3）抗震设计
①按照工程所在地抗震设防要求设计。
②考虑水平和垂直加速度引起的动作用力。
③考虑地震力和操作荷载的组合。
（4）安全疏散口
拦蓄区及操作平台均设置两个安全疏散口。
3.3 工艺安全设计
（1）工艺流程要简单简洁
LNG加气站的工艺流程已经较为成熟，较为定型。由于如前所述的危险特征，在紧急情况下要快速切断，在正常情况下要操作方便。这就要求系统流程要简单、简洁。简单可以省掉很多繁琐的操作过程，减少故障点，减少投资；简洁可以使人容易操作，容易判断系统故障原因，快速排除故障、恢复系统。这就要求设计在确保安全、满足规范和工艺要求的前提下尽量优化、简化流程。
如国内有的建成站分别设了卸车、储罐、备用等三个增压器，笔者所在单位在南方某工程设计时，只设一个增压器，使卸车和储罐共用，取消备用增压器。
（2）设备管道布置要合理
①管道排列依据介质危害程度
管线地面并排布置时要按照工艺、给水、仪表风、控制、电气顺序排列。地下电气和仪表不能与工艺管线同沟，并应按规范保证一定间距，防止天然气泄漏时与电气火花相遇产生爆炸。
②配管系统要安全
配管设计要进行柔性计算，低温管道考虑冷收缩要进行补偿，补偿尽量采用自然补偿式，管道支架要考虑管道振动、地震力、温度变化等荷载安全性。
③设备管道布置时应考虑到操作、维修及安全通道
所谓维修通道要考虑到大件部件维修时，容易移至地面，维修时无障碍；所谓安全通道即逃逸通道，考虑在发生泄漏、视线极差的情况下方便操作人员快速逃离。管道布置要方便逃逸，防护提内一般采用地上管道，高度300mm左右为宜，防护提内到加气机的管线采用地下管沟敷设。
（3）超压安全放散
①自动放散及人工放散
LNG系统尽管采取了保冷措施，但介质仍要受到漏热的影响而产生体积膨胀，压力升高。所以系统的超压放散十分重要，储罐设置两个安全阀自动泄压，防止压力超限，设置真空安全阀，防止储罐出现负压，液相管道两个阀门之间设置安全阀，防止管道压力超限，气相管道上也设置安全阀；除设置安全阀自动放散外，设置人工放散阀，防止自动放散失效，增加放散的灵活性。
②集中放散
站内各工艺设施如储罐、低温泵、工艺管道等设备设有统一集中的放散管，使安全放散或人工放散的气体集中排放，放散管高出周围25米之内的建筑物2米，位置设置在站区全年最小频率风向的上风侧，放散方向为无建（构）筑物和无人活动的空旷地带。
（4） 紧急切断系统（ESD）
系统内设置紧急切断系统，紧急切断系统自动或人工、远程或现场均可操作，当系统内设置的监测仪表监测到系统运行工况超限时，能自动报警并切断系统（首先切断储罐等危险源装置）；当系统内场地监测仪表监测到系统发生泄漏或火灾等灾难性事故时，能自动报警并快速切断（同样首先切断储罐等危险源装置）。
站内在拦蓄区、加气区、卸车区等经常操作的区域内，设置紧急切断系统人工按钮，当操作者判断系统不在受控条件下时，可以通过人工手段快速实现停车。
（5）控制系统失“源”保护安全设计
当控制系统失去电源或仪表用气源时，系统应能中止在安全状态，并保持这一状态直至系统重新启动或长期安全。
3.4 控制报警系统安全设计
（1）装置检测仪表
储罐上分别设置现场和远传液位计、压力表，并对液位、压力实行联锁，超限自动报警、切断；低温泵的进出口、工艺管道上设有现场和远传压力表、温度计，加气机上设有现场和远传流量计、压力表、温度计，所有仪表均远传到控制室，实行在线实时控制。
（2）现场监测仪表
① 卸车区、拦蓄区、加气区设置可燃气体泄漏报警器；
② 拦蓄区设置能连续检测LNG泄露的低温控制报警装置；
③ 卸车区、拦蓄区、加气区设置火焰探测器。
（3）所有检测、监测仪表与紧急切断系统联锁，当检测到系统工艺参数超限时，立即启动ESD，实现紧急切断和停车。
3.5 电气安全设计
（1）按照《爆炸规》划定爆炸和火灾危险区域，在爆炸区域内选择相应防爆级别的电器设备、灯具、电缆等；
（2）采用阻燃性电缆，并对电缆沟填实封堵，防止气体和液体进入配电室，控制室内。
（3）按照《防雷规》站内危险区划为第二类防雷建筑物，采取如下防雷措施：
① 防止直击雷：将加气区罩棚屋面彩钢板厚度设计大于0.5mm（满足雷电直击要求），在办公楼屋面设置避雷网（网格不大于10×10m），壁厚大于4mm的容器利用金属壳体直接作接闪器，但应与防雷接地网可靠连接，保证良好的电气通路。当需设计避雷针时，避雷针高度按照滚球法计算合适即可，不能加高，太高容易“招雷”。
② 防止感应雷：将所有工艺设施，如储罐、低温泵、管道、放散管、加气机及钢结构的加气罩棚等，均应接到防雷电感应的接地装置上；
③ 防止雷电波侵入：电缆外皮、保护钢管接到防雷电感应的接地装置上，架空工艺管道每隔25米接地一次，并与防感应雷接地装置相连；
④ 防雷击电磁脉冲（LEMP）：信息系统需要防雷击电磁脉冲，其防雷区（LPZ）按《防雷规》可划分为LPZ1区，主要措施是在信息系统设备所在的建筑物屋面设置避雷网；房间采用屏蔽接地措施，即将建筑物内所有的金属构件、金属门窗、钢筋混凝土的钢筋等自然构件、工艺设备、管道等电位连接，并与防雷接地装置相连。
在低压进线屏上设置浪涌保护器，在信息系统的电源入口处设置浪涌保护器。
（4）按照《静电规》，对工艺装置、管道等进行防静电接地，选择导电性能好的加卸气软管对LNG槽车及受气车辆进行接地。
（5）全站的防雷接地、防静电接地、电气接地及信息系统接地共用接地装置，接地电阻不大于1欧姆。
3.6 排水系统安全设计
（1） 拦蓄区的集液池与外部排水管道之间无直接联系，防止LNG流入市政排水管道。
（2）在排出系统上设置水封井，当拦蓄区集液池的雨水需要排出时，隔离夹杂的LNG，并采用明沟排至安全地带。
3.7 灭火系统设计
（1）干粉灭火系统
在拦蓄区、卸车区，加气区设置干粉灭火器，一旦排出的泄漏气体被引燃时，人工快速释放干粉灭火，避免火势扩大，把事故消灭在萌芽状态。
（2）气体灭火系统
在控制室、配电室等建筑物内设置气体灭火器，如二氧化碳型灭火器等扑灭电气火灾。
（3）泡沫灭火系统
在拦蓄区、卸车区、加气区设置泡沫灭火器，主要用于隔绝流体与空气的接触；扑灭流淌火灾。
4.、安全设计中两个问题的探讨
4.1 关于消防给水系统的设置
水在LNG站场与其它消防系统的用途不同，水既不能控制也不能熄灭LNG站场的火灾，水遇到LNG火灾时，只会加速LNG的气化，进而加快其燃烧速度。对火灾的控制只能起到相反的作用。水在LNG站场主要是用来冷却其它受到火灾热辐射的储罐或设备，关于消防给水系统的设计现行规范规定如下：
①《石油规》规定，储存总容积小于265 m3的LNG罐组可不设消防给水系统；
②《LNG规》第9.1.2条规定，消防水系统是否设置，需要根据防火工程的原则、设施场地条件和危险性分析、暴露建筑物或其它财产进行评价。
LNG汽车加气站为小型LNG站场，一般情况下最多设两个储罐，国内目前的LNG加气站均设置一个储罐，设置消防给水系统是为了保护其它储罐，在仅有一个储罐或两个储罐的情况下，着火时拦蓄区内一片火海，冷却已无意义，冷却其它未着火储罐主要是针对罐组多、界区大的大型LNG站场，故小型LNG加气站可不设消防给水系统。但是发生泄漏时，为了给处理事故留下时间，应设置泡沫灭火器隔离封闭拦蓄区及集液池内的LNG。
4.2 关于地下储罐的开发问题
《LNG规》第10.6.3章已经明确地下储罐的防火间距几乎是地上储罐的一半。在城市寸土寸金高楼大厦林立、周边环境复杂的情况下，采用地下储罐可大幅度的节约土地；再则地下储罐泄漏时无LNG溢出问题，较之地上储罐安全。但是，目前国内无厂家生产地下储罐。美国国内有不少的LNG加气站采用地下储罐，这里除了地下储罐外，LNG潜液泵的开发也要随之配套。
5.、问题及建议
5.1 等同采用美国标准应注意的问题
我国即将等同采用《美国车用LNG规》，包括已经等同的《LNG规》。在我国尚未有太多的LNG工程实际经验的情况下，采用先进国家标准是十分必要的，但这两种标准毕竟是美国的标准，标准中有几个问题可能在执行过程中引起混淆。
（1）标准中多处有经过“主管部门”同意可适当放宽防火间距。对“主管部门”的解释是多个法定部门或法定权力人，我国权力交叉的现象比较普遍，建议明确一个主管部门。
（2）等同采用的标准中的“热辐射距离”要通过美国天然气研究院GRI0176报中的“LNG火灾辐射模型”计算，此模型属于商业软件，国内使用不太现实，建议由有关部门组织攻关，建立我国自己的“LNG火灾辐射模型”。
5.2 建立我国自己的LNG工程建设标准体系是当务之急
目前，我国LNG产业迅猛发展，上游单位如中海油、中石油，中石化三大集团公司相继制定了一系列标准，如液化天然气的通用标准、分析、计量、生产、储运标准。但是下游的工程建设缺少标准规范，建议国家有关部门尽快等同采用美国《车用LNG规》，或尽快制定适合自己国情的LNG汽车加气站工程建设标准。
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