LPG灌装加气站防火防爆课程设计 HKH.docx
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LPG灌装加气站防火防爆课程设计 HKH.docx
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LPG灌装加气站防火防爆课程设计HKH
基于LPG灌装加气站防火防爆安全设计
摘要
本文首先对液化石油气(Liquefiedpetroleumgas简称LPG)的组成成分以及各组成成分的物理化学性质进行了详细的介绍,具体阐述了LPG的火灾危险特性。
确定加气站储罐的选材、型号、安装方式及安全附件的设计,确定总平面的布置及防火间距,根据总平面布置和储罐区情况确定消防水池位置、容积,以及消防通道形式和安全消防设备及设施的安全设计,如布置消防给水管道,设计计算消防水量,计算储罐区冷却喷淋水量。
对储罐区物质进行危险性分析及火灾危险等级的划分,提出防火防爆安全对策措施。
根据分析绘制LPG灌装加气站的总平面布置图和工艺流程图。
关键词:
储罐、防火间距、消防、安全
LPGfillingstationsonfireandexplosionsafetydesign
Abstract
ThisarticlefirstLPG(LiquefiedpetroleumgasreferredtoasLPG)aswellasthecompositionofphysicalandchemicalpropertiesofcomponentsofadetailedintroduction,describesthespecificcharacteristicsofLPGfirehazard.Determinetheselectionoftankfillingstations,model,installationandsafetypartsdesign,determinethetotaldistancebetweentheplaneandfirearrangement,accordingtothegenerallayoutanddeterminedinthefirewaterstoragetankarealocation,volume,andthefireexitsandsafetyformsFiresafetydesignofequipmentandfacilities,suchasthelayoutoffirewaterpiping,firewaterdesigncalculationstocalculatethecoolingsprayofwaterstoragetankarea.Dangeroussubstancesonthestoragetankareaandfiredangerratinganalysisofthedivisionoffireandexplosionsafetycountermeasuresproposed.LPGfillingstationsaccordingtotheanalysistodrawgeneralfloorplanandflowchart.
Keywords:
storagetank,fireinterval,fire,security
●1液化石油气的性质
1.1物理化学性质
液化石油气(Liquefiedpetroleumgas简称LPG)为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等轻烃组成的混合物,各组分的物理化学性质如下表,一般前两者为主要组分。
常温常压下为无色低毒气体。
由炼厂气或天然气(包括油田伴生气)加压、降温、液化得到的一种无色、挥发性气体。
当临界温度高达90℃以上,5~10个大气压下即能使之液化。
LPG各组分的物理化学性质
项目
甲烷
乙烷
丙烷
正丁烷
异丁烷
分子式
CH4
C2H6
C3H8
n-C4H10
i-C4H10
相对分子量
16.04
30.07
44.004
58.124
58.12
蒸气压/Mpa
0℃
-----
2.43
0.476
0.104
0.107
20℃
-----
3.75
0.8104
0.203
0.299
气体密度/(kg/m3)
0℃
0.7168
1.3562
2.020
2.5985
2.6726
15.5℃
0.677
1.269
1.860
2.452
2.452
沸点(0.1013Mpa)/℃
-161.5
-88.63
-42.07
-0.5
-11.73
汽化潜热(沸点及0.1013Mpa下)/(kJ/kg)
569.4
489.9
427.1
386.0
367.6
临界压力/Mpa
4.64
4.88
4.25
3.8O
3.66
临界密度/(kg/L)
0.162
0.203
0.236
0.227
0.233
临界温度
-82.5
32.3
96.8
152.0
134.9
低热值(0,1013MPa,15.6℃)(kJ/kg)
液态
-----
-----
46099
45358
45375
气态
34207
60753
88388
115561
115268
气态比热容(0,1013Mpa,15.6℃)[(kJ/kg·k)]
定压比热容
2.21
1.72
1.63
1.66
1.62
定容比热容
1.68
1.44
1.44
1.52
1.47
爆炸极限(体积分数)/%
上限
5.3
3.2
2.37
1.86
1.80
下限
14.0
12.5
9.50
8.41
8.44
当空气中含量达到一定浓度范围时,LPG遇明火即爆炸。
故具有易燃易爆、低温、腐蚀等特性,添加恶臭剂后,有特殊臭味,低温或加压时为棕黄色液体。
(一)比重
LPG是混合物,其比重随组成的变化而变化,气态时比重比空气大1.5-2.0倍,在大气中扩散较慢,易向低洼处流动。
(二)饱和蒸汽压
LPG的饱和蒸汽压是指在一定的温度下,混合物气、液相平衡时的蒸汽压力也就是蒸汽分子的蒸发速度同凝聚速度相等时的压力。
受温度、组成变化的影响,常温下约为1.3-2.0MPa。
(三)体积膨胀系数
LPG液态时和其他液体一样,受热膨胀,体积增大;温度越高,体积越大,同温下约为水的11-17倍。
(四)溶解度
溶解度是指液态时LPG的含水率。
LPG微溶于水。
(五)爆炸极限窄,点火能量低,燃烧热值高
LPG爆炸极限较窄,约为2-10%,而且爆炸下限比其他燃气低。
着火温度约为430--460℃,比其他燃气低燃烧热值高,约为22000-29000
.燃烧所需要的空气量大,约需23-30倍的空气量,而一般城市煤气只需3-5倍的空气量。
(六)电阻率
LPG的电阻率为10-10
,LPG从容器、设备、管道中喷出时产生的静电压达到9000V。
1.2火灾危险特性
燃烧伴随爆炸、破坏性大、火焰温度高,辐射热强、易形成二次爆炸、火灾初发面积大。
(一)、易燃性。
LPG,属甲类火灾危险物质。
它只需极小的能量(0.2-0.3毫焦)即可引燃,万立方米的爆炸性混合物,遇火花即可发生化学性爆炸。
(二)、易聚积性。
LPG在充分气化后,气体的密度比空气要大1.5一2倍,极易在厂房和房屋等不通风或地面的坑、沟、下水道等低洼处聚积,不易挥发飘散而形成爆炸性混合物。
(三)、易扩散性。
LPG是由多种低碳数的烃类组分组成的,其中有些轻组分物质的密度小于或接近空气。
在空气中扩散的范围和空间极大,引燃一点即可造成大面积的化学性爆炸。
(四)、易产生静电。
LPG在机泵管线中输送、充装和移动的过程中,极易与输送管道、充装设备、LPG钢瓶因摩擦产生高位静电。
特别是LPG中含有其它因窒息造成死亡。
(五)、易冻伤。
LPG的沸点在-6.3℃~-47.70℃之间,在气化过程中,需要大量吸收热量造成局部温度骤降,特别是在事故状态下,容易造成人员冻伤。
(六)、易膨胀性。
LPG的饱和蒸汽压随温度升高而急剧增加,其膨胀系数也比较大。
一般为水的10倍以上,气化后体积可急剧膨胀250~300倍左右。
(七)、破坏性大。
LPG爆燃的速度可达2000~3000
以上,其火焰的燃烧温度达2000℃以上。
在标准情况下,1
LPG完全燃烧其发热量高达25000
。
●2LPG灌装加气站的介绍
2.1LPG灌装加气站的工作任务
LPG灌装加气站的工作任务就是经营液化石油气,即接收和储存由气源厂输送来的液化石油气,并将其灌装到罐车或钢瓶内,分送到供应点或用户的手中。
具体内容如下:
1接纳气源生产厂或其它液化石油气储配站通过管道或罐车输送来的液化石油气,并通过机泵将液化石油气卸入站内的储罐储存。
2将储罐内的液化石油气通过机泵灌装到罐车或纲瓶中,并向外发送。
3从有缺陷的钢瓶中回收液化石油气,从待灌装瓶中通过压缩机回收残液,并进行处理。
4对自有产权钢瓶进行建档管理,对所充装调换钢瓶的安全负责。
5按照有关规定对灌装前的钢瓶进行检查,对不符合灌装条件的钢瓶负责检验单位处理。
6认真贯彻落实国家有关规定,保证液化石油气储配站的安全运营。
2.2LPG灌区危险性分析
液化石油气(LPG)是非常重要的燃料,在工业和日常生活中使用量大。
一旦大量泄漏,极易与周围空气混合形成爆炸性混合物,如遇明火引起火灾爆炸,其产生的爆炸冲击波及爆炸火球热辐射破坏、伤害作用极大,并且伤害范围大,极易导致次生灾害。
国内外曾发生过多起LPG灌区池火灾(PoolFire)、蒸气云爆炸(UVCE)、沸腾液体扩展蒸气爆炸(BLEVE)事故,伤亡、损失极为严重。
因此对LPG灌区进行危险分析对指导灌区安全设计、科学防灾和应急救援,有着重要的社会意义和经济价值。
根据分析灌区的主要危险性是:
PoolFire、UVCE、BLEVE等。
2.2.1LPG灌区的池火灾危险性
LPG的PoolFire大多是由于设备及管线的跑冒滴漏、容器的破裂、阀门开启或失效、超载、雷击等因素所造成的。
LPG灌区的火灾有以下特点:
燃烧伴随爆炸、破坏性大、火焰温度高,辐射热强、易形成二次爆炸、火灾初发面积大。
灌区的PoolFire的危害是火焰的强烈辐射对周围人员及装备的危害,在火焰环境下,易导致周围储罐的破裂而引发二次灾害。
2.2.2LPG灌区的蒸气云爆炸危险性
当LPG灌区的储存LPG等物质的设备罐体在机械作用(如撞击、打击)、化学作用(如腐蚀)或热作用(如火焰环境、热冲击)下发生破坏,就会导致大量液化气泄漏,此外工作人员在装运取样等业务中不正确操作,也是导致罐内液化气泄漏的一个重要因素。
容器破裂后,LPG就会快速泄漏并与周围空气形成爆炸性混合气云,在遇到延迟点火的情况下,就会导致UVCE的发生。
由此可见,罐体破裂是导致UVCE发生的直接原因。
LPG灌区发生的UVCE具有以下特点:
一般由火灾发展为爆燃,而不是爆轰;是由于存储温度一般高于LPG的常压沸点的LPG大量泄漏的结果;是一种面源爆炸模型。
UVCE发生后的破坏作用有爆炸冲击波,爆炸火球热辐射对周围人员,建筑物,储罐等设备的伤害,破坏作用。
2.2.3LPG灌区的沸腾液体扩展蒸气爆炸危险性
BLEVE是指LPG储罐在外部火焰的烘烤下突然破裂,压力平衡破坏,LPG急剧汽化,并随即被火焰点燃而产生的爆炸。
BLEVE发生有以下条件:
储罐内LPG在外部热作用下,处于过热状态,罐内气液压力平衡破坏,LPG急剧汽化;罐壁不能承受LPG急剧汽化导致的超压。
LPG储罐的BLEVE的发生有它自生的规律与条件要求,不同的BLEVE事故的发生原因也不同,但它们都有一些共性的规律。
其中大多数BLEVE的发生是由于外来热辐射作用使容器内LPG处于过热状态,容器内压力超过对应材料的爆炸压力,导致容器发生灾难性失效,容器内LPG爆炸的气体快速泄放,即BLEVE的发生。
装有LPG的容器发生失效时,可能会有以下结果:
容器部分失效,伴有LPG的喷射泄放或产生喷射火焰;容器罐体产生抛射物;容器内LPG完全快速泄放(TLOC)并导致BLEVE的发生。
导致TLOC和BLEVE的因素很多,包括罐体材料缺陷材料疲劳腐蚀热应力压应力池火焰包围或喷射火焰条件下罐体材料强度下降,容器过载,操作不当等,通常BLEVE的发生是以上几种因素的联合作用的结果。
灌区的BLEVE发生后爆炸产生的火球热辐射是主要危害,同时爆炸产生的碎片和冲击波超压也有一定的危害,但与火球热辐射危害相比,危害次要。
2.3灌装加气站的危险场所划分
根据液化石油气的危险特性,灌装加气站按爆炸和火灾危险场所等级可划分为以下三个场所:
Q-1级场所:
罐瓶车间内罐瓶附近的空间。
Q-2级场所:
非敞开的建筑物、构筑物,如罐瓶间及附属车库、压缩机房、泵房、储罐间、汽化间、混气间、汽车槽车库等内部空间;局部或全开的瓶库(或瓶槽内部)距地面高度2m以内的区域;储罐和容器类的安全阀放散口和排污阀管口3m以内的空间。
Q-3级场所:
储罐区防护堤以内的空间;使用LPG做燃料的锅炉房;灌装间及附属瓶库、压缩机室、储罐间、汽化间、混气间、汽车槽车库等通向露天的门窗1m(垂直和水平)以内的区域空间;局部或全开的瓶库(或瓶槽内部)距地面高度2m以上以及敞开面向外水平方面20m以内,高度为敞开面加3m以内的区域空间;储罐及半敞开或露天设置的泵、压缩机、汽化器、分离器、缓冲罐等周围3m以内的空间。
●3储罐的具体设计
3.1储罐的选材、型号及安装方式
3.1.1储罐的选材、型号
根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第8.8.7条,液化石油气储罐、容器及附件的材料选择和设计应符合国家现行标准《压力容器安全技术观察规程》和现行国家标准《钢制压力容器》GB150、《钢制球形容器》GB12337的规定。
储罐容器的设计要根据说储存物料的性质、运输条件、现场安装条件、安全可靠程度和经济性等原则选用其材质和大体形式。
储罐用以存放酸、醇、气体等提炼的化学物质。
其种类很多,根据储罐材料大体上有:
滚塑储罐,玻璃钢储罐,陶瓷储罐、普通碳钢储罐、低合金钢储罐、不锈钢储罐等。
根据其形状划分有方形储罐、圆筒形储罐、球形储罐和特殊性储罐。
储罐又有立式、卧式、立式圆筒形固定顶储罐系列、立式圆筒形内浮顶储罐系列、球罐系列等
用于储存液体或气体的钢制密封容器即为钢制储罐,防腐储罐工程是石油、化工、粮油、食品、消防、交通、冶金、国防等行业必不可少的、重要的基础设施。
钢制储罐是储存各种液体(或气体)原料及成品的专用设备,对许多企业来讲没有储罐就无法正常生产,特别是国家战略物资储备均离不开各种容量和类型的防腐储罐等储罐。
我国的储油设施多以地上储罐为主,且以金属结构居多。
本次设计采用的是5个地上卧式储罐,其中3个容积为20m3,两个容积为30m3。
具体参数如下表:
卧式储罐的尺寸参数
容积(m3)
直径(
)
筒体长度(mm)
总长(mm)
总高(mm)
人孔(
)
20
2000
5700
6700
2200
400
30
2200
7150
8250
2400
400
根据所储存的液化石油气的物理化学性质,选用卧式有折边椭圆形封头系列(HG5-1580—85),采用不锈钢储罐,用于p=0.25—4.0MPa,储存化工液体,属于中压容器(1.6—10MPa)。
钢号为20R,厚度为6—100mm,最高使用温度为475。
C。
3.1.2储罐的安装方式
卧式储罐用鞍式支座支撑在混凝土结构实体的基础上,底板与基础顶面重合.,如下图所示
支座数量的确定:
双鞍座结构较普遍,多支座结构难于保证各支座受力均匀,
故本设计采用双鞍座,稳定且施工方便。
支座位置的确定:
鞍式支座的最佳位置,在保证A≤0.2L的条件下,尽量使A≤0.5Ri.A最大不超过0.25L,如上图所示。
3.2储罐的安全附件的具体设计
3.2.1安全阀的设计
安全阀是一种安全保护用阀,它的启闭件受外力作用下处于常闭状态,当设备或管道内的介质压力升高,超过规定值时自动开启,通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值。
安全阀属于自动阀类,主要用于锅炉、压力容器和管道上,控制压力不超过规定值,对人身安全和设备运行起重要保护作用。
根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第8.8.12条的规定
1安全阀的结构形式必须选用弹簧封闭全启式。
选用封闭式,可防止气体向周围低空排放。
选用全启式,其排放量较大。
安全阀的开启压力不应高于储罐设计压力是根据《压力容器安全技术监察规程》的规定确定的。
2容积为100m3和100m3以上的储罐容积较大,故规定设置2个或2个以上安全阀。
此时,其中一个安全阀的开启压力按本条第l款的规定取值,其余可略高些,但不得超过设计压力的1.05倍。
故本设计每个储罐设置一个全启式安全阀,根据压力系统的工作压力自动启闭,当设备或管道内压力超过安全阀设定压力时,自动开启泄压,保证设备和管道内介质压力在设定压力之下,保护设备和管道正常工作,防止发生意外,减少损失。
3.2.2爆破片装置设计
爆破片是压力容器、管道的重要安全装置。
它能在规定的温度和压力下爆破,泄放压力,保障人民生命和国家财产的安全。
爆破片安全装置具有结构简单、灵敏、准确、无泄漏、泄放能力强等优点。
能够在粘稠、高温、低温、腐蚀的环境下可靠地工作,还是超高压容器的理想安全装置。
广泛用于引进的石油、化工、化肥、医药、冶金、空调等大型装置和国产设备上。
按照结构型式来分类,爆破片主要有三种,即平板型、正拱型和反拱型。
平板型爆破片的综合性能较差,主要用于低压和超低压工况,尤其是大型料仓。
正拱型和反拱型的应用场合较多。
对于传统的正拱型爆破片,其工作原理是利用材料的拉伸强度来控制爆破压力,爆破片的拱出方向与压力作用方向一致。
在使用中发现,所有的正拱型爆破片都存在相同的局限:
爆破时,爆破片碎片会进入泄放管道;由于爆破片的中心厚度被有意减弱,易于因疲劳而提前爆破;操作压力不能超过爆破片最小爆破压力的65%。
由此导致了反拱型爆破片的出现。
本设计采用反拱型爆破片,这种爆破片利用材料的抗压强度来控制其爆破压力,较之传统的正拱型爆破片,其具有抗疲劳性能优良、爆破时不产生碎片且操作压力可达其最小爆破压力90%以上的优点。
3.2.3阻火器的设计
阻火器是应用火焰通过热导体的狭小孔隙时,由于热量损失而熄灭的原理设计制造。
阻火器的阻火层结构有砾石型、金属丝网型或波纹型。
适用于可燃气体管道,如汽油、煤油、轻柴油、苯、甲苯、原油等油品的储罐。
燃烧所需要的必要条件之一就是要达到一定的温度,即着火点。
低于着火点,燃烧就会停止。
依照这一原理,只要将燃烧物质的温度降到其着火点以下,就可以阻止火焰的蔓延。
当火焰通过阻火元件的许多细小通道之后将变成若干细小的火焰。
设计阻火器内部的阻火元件时,则尽可能扩大细小火焰和通道壁的接触面积,强化传热,使火焰温度降到着火点以下,从而阻止火焰蔓延。
因此在LPG储罐以及输送管道设置阻火器可以在很大程度上避免火灾的蔓延,造成巨大的损失。
3.2.4仪表的设计
根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第8.8.15条的规定
在液化石油气储罐测量参数中,首要的是液位,其次是压力,再次是液温。
因此其仪表设置根据储罐容积的大小作了相应的规定。
储罐不分容积大小均必须设置就地指示的液位计、压力表。
单罐容积大于100m3的储罐除设置前述的就地指示仪表外,尚应设置远传显示液位计、压力表和相应的报警装置。
同时,推荐就地指示液位计采用能直接观测储罐全液位的液位计。
因为这种液位计最直观,比较可靠,适于我国国情。
3.2.5检测报警装置的设计
根据《城镇燃气设计规范》GB50028-2006第8.8.18条的规定
液化石油气站内具有爆炸危险的场所应设置可燃气体浓度检测报警器。
检测器设置在现场,报警器应设置在有值班人员的场所。
报警器的报警浓度应取液化石油气爆炸下限的20%。
此值是参考国内外有关规范确定的。
“20%”是安全警戒值,以警告操作人员迅速采取排险措施。
瓶装供应站和瓶组气化站等小型液化石油气站危险性小些,也可采用手提式可燃气体浓度检测报警器。
3.3地基与基础的确定
基础是建筑地面以下的承重构件,是建筑的下部结构。
它承受建筑物上部结构传下来的全部荷载,并把这些荷载连同本身的重量一起传到地基上。
地基则是承受由基础传下的荷载的土层。
地基承受建筑物荷载而产生的应力和应变随着土层深度的增加而减小,在达到一定深度后就可忽略不计。
基础的埋置深度称为埋深。
一般基础的埋深应考虑地下水位、冻土线深度、相邻基础以及设备布置等方面的影响。
从经济和施工角度考虑,基础的埋深,在满足要求的情况下愈浅愈好,但最小不能小于0.5m。
天然地基上的基础,一般把埋深在5m以内的叫浅基础。
当土层的承载力较差或虽然土层较好,但上部荷载甚大时,为使地基具有足够的承载能力,可以对土层进行人工加固,这种经人工处理的土层,称为人工地基。
常用的人工加固地基的方法有压实法、换土法和桩基。
本设计液化石油气储罐区属于重大危险源,查相关规范:
根据《中华人民共和国石油化工行业标准》SH/T3528-2005第3.1.3条规定:
罐基础工程施工中,对地基处理、砂垫层、沥青砂绝缘层、砖砌体、钢筋混凝土环墙(梁)、底板等分项工程,应及时进行中间验收,合格后方可进行下道工序的施工。
第3.1.4条规定:
对素土地基、灰土地基、砂和砂石地基、强夯地基、石屑地基、级配碎石地基、预压地基等,其地基承载力应达到设计文件要求。
检验数量,每台罐基不应少于3点;1000m2以上,每100m2至少应有1点;3000m2以上,每300m2至少应有1点。
第3.1.5条规定:
对砂桩地基、振冲桩地基,其承载力应达到设计文件要求。
检验数量为桩总数的0.5%~1%,但不应少于3处。
有单桩强度检验要求时,数量为总数的0.5%~1%,但不应少于3根。
本设计可采用强夯地基、石屑地基等人工地基,每台罐基不小于3点,承载整个储罐传下的载荷。
3.4应力设计
3.4.1储罐的载荷分析
1.压力:
内压或外压
2.储罐重量:
圆筒+封头+附件的总重量
3.物料重量:
正常操作时=物料重量
水压试验时=充水重量
4.其他载荷:
环境影响下的载荷,如风载、雪载、地震载等
3.4.2设计计算
卧罐总重量作用的总长度为L'=L+(4/3)H
20m3储罐L'=L+(4/3)H=5700+(4/3)×2200=8633mm
30m3储罐L'=L+(4/3)H=7150+(4/3)×2400=10350mm
如下图所示:
单位长度的均布载荷q=2F/L'
封头本身和其中物料的总量为2/3Hq,作用在重心上
(注:
由于缺乏数据,故代入计算略)
储罐的应力分析图
剪力图
弯矩图
●4储罐区的具体布置
4.1罐区布置设计
4.1.1罐区位置
根据《建筑设计防火规范》GBJ16-87(2001版)第4.6.1条规定:
LPG储罐区宜布置在本单位或本地区全年最小频率风向的上风侧,并选择通风良好的地点单独设置。
储罐区宜设置高度为1m的非燃烧体实体防护墙。
本设计主导风向是东风,在不考虑居住建筑物条件下,罐区布置
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