加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預防與處置技術(shù)

加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預防與處置技術(shù)1、CNG儲氣裝置及CH4介質(zhì)的燃爆特性

1.1加氣站儲氣裝置與技術(shù)。

在各種CNG加氣站里，通過壓縮機加壓壓縮，強行將天然氣儲存在固定場所設置的特制容器內(nèi)，專供汽車加氣的備用裝置或系統(tǒng)，稱為儲氣裝置或儲氣技術(shù)。該裝置因具有25-30MPa的高壓以及介質(zhì)易燃易爆的危險性質(zhì)，因此儲氣裝置在CNG加氣站當屬專門重要的核心部位，專門是對儲氣設施設備布置方式的選擇、安全可靠性評判、工藝制造以及材質(zhì)等方面的安全技術(shù)考慮，都有許多專門要求。

我國的CNG加氣站，經(jīng)歷了較長時刻的開發(fā)研究，迄今儲氣瓶、儲氣罐和儲氣井技術(shù)工藝，目前正在逐步趨于成熟與完善，有的已初具規(guī)?！，F(xiàn)將三類不同裝置的加氣站簡介如下：

①瓶儲加氣站。是將若干儲氣瓶按不同壓力分級布置的加氣站，單瓶水容積通常為60L或80L居多，材質(zhì)采納無縫優(yōu)質(zhì)鋼或具有防火功能的樹脂纖維纏繞技術(shù)制造。儲氣瓶的優(yōu)點是經(jīng)濟，靈活，建設成本較低。缺點是供氣系統(tǒng)阻力大，管閥連接處泄漏點多，增加了不安全因素。此外，每年支付的愛護費用多，增加了后期供氣成本。

②罐儲加氣站。是將壓縮天然氣儲存在球型或園柱型儲氣罐中的加氣站，其儲罐水容積要緊有2m3、3m3、4m3或6m3的幾種規(guī)格，一樣每站設置3～6罐為宜。這種儲氣罐是90年代后期較為廣泛使用的CH4高壓儲存容器，其優(yōu)點要緊是：氣體集中儲存，管閥連接點較少，泄漏因素降低，恰好補償了儲氣瓶的不足，具有較好的安全性。缺點是：爆炸事故發(fā)生時，地面沖擊波的輻射范疇大、強度大等。是較受歡迎的儲氣裝置。

③井儲加氣站。顧名思義，是將壓縮天然氣儲存在地下儲氣井的加氣站，儲氣井是四川石油治理局自80年代中期開始在不斷實踐探究的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)的新型儲氣技術(shù)。這種儲氣裝置是在加氣站一定位置開鉆3～6口地下井，每口井的深度約100m，上小下大口徑不等，單井水容積為2m3左右，采納進口材質(zhì)的套管和鋼筋混凝土固井技術(shù)，具有安全牢固、節(jié)約愛護費用、節(jié)約土地資源以及減少地面沖擊波放射范疇和強度等許多優(yōu)點，是專門受歡迎、安全可靠的高壓CH4儲氣裝置。以上三種儲氣裝置的差不多情形現(xiàn)列表如下：表--1CNG加氣站儲氣設施布置概覽序號項目儲氣瓶儲氣罐儲氣井1單個容量規(guī)格50L或80L/瓶2000-4000L2000L/井2單組布置數(shù)量80-230瓶3-6罐3-8井3容器水容積(m3)6-126-126-124標準儲氣量（Nm3）1500-30001500-30001500-30005占地面積（m3）3060106建設投資概算(萬元/站)66.094.096.57檢驗愛護費(萬元/年)1.250.75——8四川省2001年12月31日截止分類統(tǒng)計數(shù)(站)196836

1.2CH4介質(zhì)的理化質(zhì)及燃爆參數(shù)

我國車用壓縮天然氣要緊分為"干氣"和"濕氣"兩大類，氣質(zhì)狀況視CH4產(chǎn)地不同而有區(qū)不，四川、重慶、海南、陜西、新疆等地的氣田氣通常為干氣，CH4含量一樣在95%以上；而河北、吉林、遼寧、甘肅、湖北、山東等地的油田伴動氣通常為濕氣，CH4含量一樣在80%左右。實際應用結(jié)果證明，"干氣"不僅有利于安全，而且更有益于作為CNG汽車的燃料介質(zhì)使用。處于高壓狀態(tài)下的CH4，不管治理人員或操作人員，都要對其性質(zhì)、技術(shù)參數(shù)和專門要求作全面了解和把握。現(xiàn)將對CH4研究測試及查驗的要緊理化性質(zhì)及燃爆參數(shù)列于表-2：表--2CH4要緊理化性質(zhì)及燃爆參數(shù)序號參數(shù)名稱單位數(shù)據(jù)序號參數(shù)名稱單位數(shù)據(jù)1爆炸濃度下限％5.013分子量——16.042爆炸濃度上限％15.014凝固點℃-183.23化學計量濃度％9.4615熔點℃-182.54最大爆壓濃度％9.816沸點℃-161.55最大爆炸壓力MPa0.71717閃點℃-1906最小引爆能量Mj0.2818自燃點℃5407最小報警濃度

(LEL下限1/3)％≤1.719氣體密度（空氣）G/10.558燃燒熱值Kcal/m3950020液體密度（水）-164℃0.429燃燒溫度℃183021臨界溫度℃-82.610燃燒空氣量m3/m39.5222臨界壓力MPa4.5811燃燒熱Kj/mol889.523CH4中的H2S承諾濃度（民用）mg/m3≯2012氣化熱Kj/mol122.024CH4中的H2S承諾濃度（汽車用）mg/m3≯15

除以上重要參數(shù)外，按照國家有關(guān)技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，CH4生產(chǎn)儲存場所的火災危險性確定為甲類，一級易燃氣體；火災爆炸危險度為：

H=(R-L)/L=(15-5)/5=2；危險物資統(tǒng)一名稱編號煤礦：21007。

2、高壓容器的爆炸沖擊波及其危害

2.1爆炸沖擊波及特性。

CNG加氣站儲氣裝置由于高壓和介質(zhì)可燃爆兩大事故因素，不管發(fā)生何種事故，都可能引發(fā)泄漏、火災、化學爆炸和物理爆炸。假如事故得不到有效操縱，還可相互作用，相互阻礙，促使事故擴大蔓延及至產(chǎn)生龐大的沖擊波危害，其要緊特點是：①化學爆炸沖擊波。在輸送CH4的管閥連接處、運行過程的誤操作以及高壓容器破舊等事故因素發(fā)生時，可導致其介質(zhì)泄漏于空氣中，當濃度達到5.15%，或量超過15%但

專門快又降至上限與下限之間，專門是處于9.5-9.8%的濃度范疇時，只需0.28ml以上點火能量的作用，便可產(chǎn)動氣體混合物爆炸(亦稱為化學爆炸)。這種化學爆炸所產(chǎn)生的沖擊波能量，可直截了當對建、構(gòu)筑物和人體造成不同程度的危害，其強度要緊與CH4氣體混合物的空間體積(即參與反應的CH4總量)有關(guān)，可采納以下公式進行運算：

Lh=V·H·427

式中：

Lh-CH4沖擊波或爆炸力(Kgf.m)；

V-參與應的CH4氣體總量(Nm3)；

H-CH4的高燃燒熱值(Kcal/m3)；

427-轉(zhuǎn)換常數(shù)，1Kcal相當于427Kgf.m之功。

②物理爆炸沖擊波。壓力容器破裂時，容器內(nèi)的高壓氣體解除了外殼的約束，迅速膨脹并以專門高的速度開釋出內(nèi)在能量，造成壓力裝置瞬時破壞并產(chǎn)生龐大聲響的現(xiàn)象。即為通常所講的物理爆炸。CNG裝置因?qū)儆诟邏喝萜?，由此引發(fā)的爆炸事故更具典型的物理爆炸特點。能夠認為此類膨脹爆炸是在絕熱狀態(tài)下進行的，而爆炸的沖擊波能量則是在絕熱膨脹時所作的功。依照氣體熱力學原理，理想氣體在絕熱膨脹狀態(tài)下所作之功可表示為：

Ug=PV/K-1·[1-(1/P)K-1/K]·104

式中：

Ug--氣體膨脹所作的功(Kgf.m)；

P--容器內(nèi)氣體絕對壓力(MPa)；

V--容器水容積(m3)；

K--氣體的絕對指數(shù)

由于CH4及常見氣體多為雙原子分子，其絕對指數(shù)K=1.4，則絕熱膨脹所作之功即為：

Ug=PV/K-1·[1-(1/P)K-1/K]

=PV/1.4-1·[1-(1/P·104)1.4-1/1.4]·104

=2.5PV·[1-(1/P)0.2857]·104

=2.5PV·[1-(1/P)0.2857]·104

令Cg==2.5P·[1-(P)-0.2857]·104

簡化后用如下公式表示：

Ug=CgV

式中：

Ug--氣體膨脹所作的功或CH4的的爆炸能量(Kgf.m)；

V--CH4壓縮容器體積(Nm3)；

Cg--CH4爆炸能量系數(shù)(Kgf.m/m3)

注：當CH4處于15～32MPa時，爆炸能量系數(shù)為2.88～6.48×106。

2.2沖擊波超壓(△P)產(chǎn)生的危害。

由于壓力容器爆炸的氣體壓力變動范疇較大，系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)又比較缺乏，加之沖擊波超壓△P與爆炸能開釋的時刻等因素有關(guān)，使測定和運算爆炸產(chǎn)生的△P較為困難，目前一樣采納與等當量TNT比較的方法或模擬比的方法，將其相應結(jié)果代入Ug=CgV公式后，再運算確定壓力容器的沖擊波超壓(△P)值。

儲氣瓶和儲氣罐兩類裝置不管發(fā)生化學爆炸或物理爆炸，都將產(chǎn)生立體沖擊波，這種沖擊波陣面上的不同超壓△P，對建筑物、構(gòu)筑物和人體可造成不同程度的危害和損害。表-3是不同超壓力作用在建筑物或人體時所產(chǎn)生的破壞與危害特點。表--3不同沖擊波超壓對人體或建(構(gòu))筑物的損害情形序號超壓(△P，kpa)建筑物破壞情形人體損害情形15.0-6.0門窗玻璃部分破裂無損害（安全）26.0-10受壓面的門窗玻璃大部分破裂315-20窗框損壞420-30墻裂縫輕微損害540-50墻大裂縫，屋瓦掉下?lián)p害聽覺或骨折660-70木建筑廠房柱折斷，房梁松動內(nèi)臟器官嚴峻損害或死亡770-100磚墻倒塌8100-200防震鋼筋混凝土破壞，小房屋倒塌大多數(shù)人員死亡9200-300大型鋼筋結(jié)構(gòu)破壞死亡

1995年，川東某CNG加氣站，因鋼瓶質(zhì)量和H2S處理不凈引發(fā)的爆炸事故，將一鋼瓶炸飛50m以遠，并引起鋼瓶庫的15支鋼瓶發(fā)生噴射燃燒，焰柱高達20余米。這起典型的加氣站火爆事故，集中反映了火災、化學及物理爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓的嚴峻危害性。

3、儲氣裝置的安全選擇與評判

3.1儲氣裝置的安全狀況及設置要求比較。

儲氣瓶、儲氣罐和儲氣井三類裝置的安全狀況以及設置要求是各不相同的，通過對二級CNG加氣站的試驗研究和比較結(jié)果講明，儲氣井裝置的安全可靠性優(yōu)于儲氣瓶和儲氣罐?，F(xiàn)列表擬作如下比較：表--4不同儲氣裝置的安全狀況及設置要求比較序號比較項目儲氣瓶儲氣罐儲氣井1爆炸沖擊波強度(地面)較強強弱2爆炸沖擊波放射方向立體(球狀)立體(球狀)上端(頂部)3防爆構(gòu)造設置防爆墻防爆墻不設置4管道設置數(shù)量(根)18665閥件設置數(shù)量(處)14112126輸氣系統(tǒng)阻力較大較小一樣7防腐處理操作較難較易較易8運行循環(huán)疲勞次數(shù)(次)90001200019000990年代100站事故率(%)2.01.00

3.2防火間距減少量的比較。

使用儲氣井裝置，具有減少防火間距的實際意義，以CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術(shù)規(guī)范》中的二級站為例，表-5的研究試驗數(shù)據(jù)講明了儲氣井與儲氣瓶、儲氣罐裝置相比較的防火間距減少量。表--5儲氣井裝置與儲氣瓶(罐)防火間距減少量的比較序號項目儲氣罐(瓶)儲氣井間距減少量減少率(%)1明火及散發(fā)火花地點25187282二類民用建筑愛護物20155253甲、乙類儲罐或堆場25187284室外變電站25187285高速公路128433.36架空電力線1.5倍桿高1倍桿高0.533.37鐵路3024620表-6不同規(guī)模加氣站事故戒備區(qū)半徑CNG加氣站規(guī)模一級站二級站三級站常規(guī)儲氣量(Nm3)3000-40001500-3000＜1500戒備區(qū)半徑(m)＞100＞80＞60

5、終止語

綜上所述，對CNG儲氣裝置安全技術(shù)規(guī)律及相互關(guān)系的認識研究和探討，是為了更科學、