加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預(yù)防與處置技術(shù)

加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預(yù)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(shè)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)，所以儲氣裝置在CNG加氣站當(dāng)屬特別重要的核心部位，尤其是對儲氣設(shè)施設(shè)備布置方式的選擇、安全可靠性評價、工藝制造以及材質(zhì)等方面的安全技術(shù)合計，都有許多特別要求。我國的CNG加氣站，經(jīng)歷了較長時間的開發(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。是將假設(shè)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(shè)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，每年支付的維護費用多，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，其儲罐水容積主要有2m3、3m3、4m3或6m3的幾種規(guī)格，一般每站設(shè)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)點主要是：氣體集中儲存，管閥連接點較少，泄漏因素降低，恰好彌補了儲氣瓶的不夠，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圍大、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，儲氣井是四川石油管理局自80年代中期開始在不斷施行探究的基礎(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)約維護費用、節(jié)約土地資源以及減少地面沖擊波放射范圍和強度等許多優(yōu)點，是很受歡迎、安全可靠的高壓CH4儲氣裝置。以上三種儲氣裝置的基本狀況現(xiàn)列表如下：表--1CNG加氣站儲氣設(shè)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(biāo)準(zhǔn)儲氣量〔Nm3〕1500-30001500-30001500-30005占地面積〔m3〕3060106建設(shè)投資概算(萬元/站)7檢驗維護費(萬元/年)——8四川省2001年12月31日截止分類統(tǒng)計數(shù)(站)1968361.2CH4介質(zhì)的理化質(zhì)及燃爆參數(shù)我國車用壓縮天然氣主要分為"干氣"和"濕氣"兩大類，氣質(zhì)狀況視CH4產(chǎn)地不同而有區(qū)別，四川、重慶、海南、陜西、新疆等地的氣田氣通常為干氣，CH4含量一般在95%以上；而河北、吉林、遼寧、甘肅、湖北、山東等地的油田伴生氣通常為濕氣，CH4含量一般在80%左右。實際應(yīng)用結(jié)果證實，"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，無論管理人員或操作人員，都要對其性質(zhì)、技術(shù)參數(shù)和特別要求作全面了解和掌握?，F(xiàn)將對CH4研究測試及查驗的主要理化性質(zhì)及燃爆參數(shù)列于表-2：表--2CH4主要理化性質(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％13分子量——2爆炸濃度上限％14凝固點℃3化學(xué)計量濃度％15熔點℃4最大爆壓濃度％16沸點℃5最大爆炸壓力MPa17閃點℃-1906最小引爆能量Mj18自燃點℃5407最小報警濃度(LEL下限1/3)％≤19氣體密度〔空氣〕G/18燃燒熱值Kcal/m3950020液體密度〔水〕-164℃9燃燒溫度℃183021臨界溫度℃10燃燒空氣量m3/m322臨界壓力MPa11燃燒熱Kj/mol23CH4中的H2S同意濃度〔民用〕mg/m3≯2012氣化熱Kj/mol24CH4中的H2S同意濃度〔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(zāi)危險性確定為甲類，一級易燃?xì)怏w；火災(zāi)爆炸危險度為：H=(R-L)/L=(15-5)/5=2；危險貨物統(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，無論發(fā)生何種事故，都可能引發(fā)泄漏、火災(zāi)、化學(xué)爆炸和物理爆炸。如果事故得不到有效控制，還可互相作用，互相影響，促使事故擴展蔓延及至產(chǎn)生龐大的沖擊波危害，其主要特征是：①化學(xué)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損等事故因素發(fā)生時，可導(dǎo)致其介質(zhì)泄漏于空氣中，當(dāng)濃度達(dá)到5.15%，或量超過15%但很快又降至上限與下限之間，尤其是處于9.5-9.8%的濃度范圍時，只需0.28ml以上點火能量的作用，便可產(chǎn)生氣體混合物爆炸(亦稱為化學(xué)爆炸)。這種化學(xué)爆炸所產(chǎn)生的沖擊波能量，可直接對建、構(gòu)筑物和人體造成不同程度的危害，其強度主要與CH4氣體混合物的空間體積(即參加反應(yīng)的CH4總量)有關(guān)，可采納以下公式進行計算：Lh=V·H·427式中：Lh-CH4沖擊波或爆炸力(Kgf.m)；V-參加應(yīng)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(dāng)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，迅速膨脹并以很高的速度釋放出內(nèi)在能量，造成壓力裝置瞬間破壞并產(chǎn)生龐大聲響的現(xiàn)象。即為通常所說的物理爆炸。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征。可以認(rèn)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。依據(jù)氣體熱力學(xué)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]·[1-(1/P·104)1.4-1/1.4]·104·[1-(1/P)0.2857]·104·[1-(1/P)0.2857]·104·[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)×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圍較大，系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)又比較缺乏，加之沖擊波超壓△P與爆炸能釋放的時間等因素有關(guān)，使測定和計算爆炸產(chǎn)生的△P較為困難，目前一般采納與等當(dāng)量TNT比較的方法或模擬比的方法，將其相應(yīng)結(jié)果代入Ug=CgV公式后，再計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無論發(fā)生化學(xué)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傷害。表-3是不同超壓力作用在建筑物或人體時所產(chǎn)生的破壞與危害特征。表--3不同沖擊波超壓對人體或建(構(gòu))筑物的損害狀況

序號超壓(△P，kpa)建筑物破壞狀況人體傷害狀況1門窗玻璃部分破碎無傷害〔安全〕2受壓面的門窗玻璃大部分破碎315-20窗框損壞420-30墻裂縫稍微損傷540-50墻大裂縫，屋瓦掉下?lián)p傷聽覺或骨折660-70木建筑廠房柱折斷，房梁松動內(nèi)臟器官嚴(yán)重?fù)p傷或死亡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(yuǎn)，并引起鋼瓶庫的15支鋼瓶發(fā)生噴射燃燒，焰柱高達(dá)20余米。這起典型的加氣站火爆事故，集中反映了火災(zāi)、化學(xué)及物理爆炸所產(chǎn)生的沖擊波超壓的嚴(yán)重危害性。3、儲氣裝置的安全選擇與評價3.1儲氣裝置的安全狀況及設(shè)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(shè)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)果說明，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(shè)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(shè)置防爆墻防爆墻不設(shè)置4管道設(shè)置數(shù)量(根)18665閥件設(shè)置數(shù)量(處)14112126輸氣系統(tǒng)阻力較大較小一般7防腐處理操作較難較易較易8運行循環(huán)疲憊次數(shù)(次)90001200019000990年代100站事故率(%)03.2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?xì)饧託庹炯夹g(shù)規(guī)范》中的二級站為例，表-5的研究試驗數(shù)據(jù)說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25187282二類民用建筑保護物20155253甲、乙類儲罐或堆場25187284室外變電站25187285高速公路12846架空電力線1倍桿高7鐵路30246203.3占地面積和沖擊波減少量的比較。儲氣井裝置的占地面積與儲氣瓶或儲氣罐相比，減少量更多。由表-1第5項比較得知：二級加氣站儲氣瓶、儲氣罐、儲氣井裝置的占地面積分別為30m2，60m2和10m2，儲氣井比前兩類裝置的占地面積減少3-6倍，在城市建設(shè)用地和土地資源十分緊缺的狀況下，選擇井儲裝置具有更大的實際價值和積極意義。由于儲氣井事故狀態(tài)下的地面沖擊波放射方向主要集中在井口上端頂部，地面平行方向幾乎完全不會受到波面影響，與儲氣瓶和儲氣罐爆炸沖擊波的立體全方位放射比較，沖擊波危害會大大降低，從而顯著提升了這種井儲裝置的安全可靠性。此外，在經(jīng)濟性方面的比較，雖然儲氣井比瓶裝置在初期建設(shè)成本上高出1/3的費用，但在后期運行的維護成本費上將大為減少。3.4評價結(jié)論和相關(guān)建議。通過對以上安全狀況及相關(guān)項目的分析研究和討論，筆者以為，從消防安全和社會公共安全角度綜合合計，儲氣井與儲氣瓶和儲氣罐相比，具有"四種減少"的顯然優(yōu)勢，即：①減少沖擊波危害；②減少防火間距；③減少占地面積；④減少隔爆墻設(shè)置。因此，對加氣站CNG儲氣裝置安全評價的結(jié)論看法是：儲氣井最正確；儲氣罐次之；儲氣瓶再次之。針對以上評價與選擇，擬提如下相關(guān)建議：首先，四川始建于80年代末，90年代初的CNG加氣站約占總數(shù)的1/5，且多數(shù)為鋼瓶組儲氣，由于早期尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，制定不盡合理，有的儲氣裝置與設(shè)備現(xiàn)已老化陳舊，并接近或達(dá)到安全使用期限。因此建議陸續(xù)淘汰80L以下的鋼瓶組儲氣裝置，對已使用10年以上的瓶儲加氣站，有計劃地列入技術(shù)改造，使之逐步更新為儲氣井，以減少或避免事故的發(fā)生。第二，進一步加大對CNG儲氣裝置尤其是井儲安全及先進技術(shù)的課題研究力度和資金投入，不斷提升儲氣效率和自動化管理水平。第三，借助加入WTO的有利時機，建立與美國等燃?xì)馄嚢l(fā)達(dá)國家之間的儲氣技術(shù)交流與合作，逐步將我國成熟的儲氣井技術(shù)推向國際市場。第四，政府行政及技術(shù)主管部門，應(yīng)盡快制定出臺相關(guān)的管理法規(guī)和"翅"(國標(biāo))標(biāo)準(zhǔn)，在CJJ84-2000《汽車用燃?xì)饧託庹炯夹g(shù)規(guī)范》的基礎(chǔ)上，增加儲氣井專篇內(nèi)容，并作重點闡述和提出相關(guān)要求。4、儲氣裝置的事故防范與處置技術(shù)4.1事故防范措施及要求。首先，在安全制定和安全工藝方面，各種儲氣規(guī)模的CNG加氣站，必須選擇具有甲級資質(zhì)的專業(yè)制定單位承當(dāng)工程制定任務(wù)，并把儲氣裝置作為加氣站的制定重點。在"GB"標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺之前，應(yīng)以CJJ84-2000《汽車用燃?xì)饧託庹炯夹g(shù)規(guī)范》作為制定依據(jù)，暫緩執(zhí)行"DB"(地方標(biāo)準(zhǔn))和其它部頒標(biāo)準(zhǔn)。初步制定方案應(yīng)由政府CNG管理部門組織有關(guān)專家評審并報主管部門審批后方可進入工程施工建設(shè)程序。施行證實，把好工程制定源頭關(guān)，是控制事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。第二，要把預(yù)防CNG加氣站火災(zāi)爆炸事故的具體消防技術(shù)措施作為重點，其內(nèi)容主要包括：①站、址選點布局；②建筑消防措施(安全距離、耐火等級、建筑構(gòu)造、通風(fēng)排氣、建筑防爆等)；③電氣消防措施(電氣運行設(shè)備選擇和安全控制、電氣防爆、自動報警裝置、防靜電、防雷等)；④消防給水的類型和容量以及常規(guī)消防器材的配置等。消防監(jiān)督部門應(yīng)當(dāng)依據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范和規(guī)定，嚴(yán)格履行消防建審監(jiān)督審批，依法建站，是預(yù)防事故的重要環(huán)節(jié)。第三，為了保證CNG加氣站儲氣裝置的長期、安全、穩(wěn)定運行，在生產(chǎn)工藝技術(shù)上，必須嚴(yán)格把好"三脫"(脫硫、脫水、脫烴)關(guān)，有利于從源頭上控制和減少儲氣設(shè)備遭受腐蝕侵害和事故危害，是避免事故的有效環(huán)節(jié)。4.2安全操作與安全管理。加氣站的CH4處理系統(tǒng)、壓縮系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)和售氣系統(tǒng)，都是支持儲氣裝置穩(wěn)定運行的附屬設(shè)備，這些崗位具有較高的技術(shù)含量，操作人員必須進行崗前專業(yè)技能和安全培訓(xùn)，做到懂得本崗位的消防措施，掌握本崗位的操作步驟，明確本崗位的安全職責(zé)，知道加氣站燃爆事故的應(yīng)急處置方法和對策。在消防安全管理方面，加氣站是理所當(dāng)然的消防安全重點單位，必須認(rèn)真落實各級消防安全責(zé)任制，建立健全全員義務(wù)消防組織以及制定應(yīng)急事故處理預(yù)案等。4.3火災(zāi)爆炸事故處置要點。加氣站一旦發(fā)生火災(zāi)、爆炸或非火災(zāi)爆炸的泄漏事故，絕不可驚慌失措，一定要冷靜冷靜并迅速正確地予以處置，全力將事故控制在萌芽階段，以最大限度地減少經(jīng)濟損失和人員傷亡，其處置要點主要是：①要明確各自的分工職責(zé)。站長或值班長負(fù)責(zé)事故處置分工和指令下達(dá)；機房操作工和修理工負(fù)責(zé)截斷氣源，包括關(guān)閉總進氣閥和儲氣裝置的進出氣閥；電工負(fù)責(zé)截斷電源；加氣工、門衛(wèi)或其余人員負(fù)責(zé)滅火、報警和警衛(wèi)等。②要采用正確得當(dāng)?shù)拇胧?。CNG加氣站多數(shù)事故最終都會導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生，在消防警力尚未到達(dá)之前，要充分利用加氣站站區(qū)設(shè)置的各種水源(水對撲滅CH4火災(zāi)非常有效)及常規(guī)消防器材，竭盡全力阻止初期火災(zāi)擴展蔓延。如果儲氣瓶、儲氣罐或輸氣管道發(fā)生破裂爆炸，必須果斷關(guān)閥斷氣。此外，由于CNG儲氣裝置壓力很高，加之氣體又輕于空氣很容易擴散，因此一般不易采用類似LPG(液化石油氣)儲存容器的堵漏方法，否則將事倍功半。③要控制爆炸混合物形成及消防水浸入CH4管道。當(dāng)泄漏事故發(fā)生時，通常采納霧狀水稀釋泄散的CH4，是防止爆炸混合物形成的有