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山西國新科萊天然氣有限公司
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加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預防與處置技術

瀏覽次數: 日期:2017年8月4日 11:23

摘要:

1、CNG儲氣裝置及CH4介質的燃爆特性
  1.1 加氣站儲氣裝置與技術。
  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,專供汽車加氣的備用裝置或系統,稱為儲氣裝置或儲氣技術。該裝置因具有25-30MPa的高壓以及介質易燃易爆的危險性質,所以儲氣裝置在CNG加氣站當屬特別重要的核心部位,尤其是對儲氣設施設備布置方式的選擇、安全可靠性評價、工藝制造以及材質等方面的安全技術考慮,都有許多特殊要求。
  我國的CNG加氣站,經歷了較長時間的開發研究,迄今儲氣瓶、儲氣罐和儲氣井技術工藝,目前正在逐步趨于成熟與完善,有的已初具規?!,F將三類不同裝置的加氣站簡介如下:
 ?、倨績託庹?。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,材質采用無縫優質鋼或具有防火功能的樹脂纖維纏繞技術制造。儲氣瓶的優點是經濟,靈活,建設成本較低。缺點是供氣系統阻力大,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。
 ?、诠迌託庹?。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的幾種規格,一般每站設置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足,具有較好的安全性。缺點是:爆炸事故發生時,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。
 ?、劬畠託庹?。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實踐探索的基礎上,研究開發的新型儲氣技術。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,采用進口材質的套管和鋼筋混凝土固井技術,具有安全牢固、節約維護費用、節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情況現列表如下:
表--1 CNG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 單個容量規格 50L或80L/瓶 2000-4000L 2000L/井
2 單組布置數量 80-230瓶 3-6罐 3-8井
3 容器水容積(m3) 6-12 6-12 6-12
4 標準儲氣量(Nm3) 1500-3000 1500-3000 1500-3000
5 占地面積(m3) 30 60 10
6 建設投資概算(萬元/站) 66.0 94.0 96.5
7 檢驗維護費(萬元/年) 1.25 0.75 ——
8 四川省2001年12月31日截止分類統計數(站) 19 68 36


1.2 CH4介質的理化質及燃爆參數

  我國車用壓縮天然氣主要分為"干氣"和"濕氣"兩大類,氣質狀況視CH4產地不同而有區別,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。實際應用結果證明,"干氣"不僅有利于安全,而且更有益于作為CNG汽車的燃料介質使用。處于高壓狀態下的CH4,無論管理人員或操作人員,都要對其性質、技術參數和特殊要求作全面了解和掌握?,F將對CH4研究測試及查驗的主要理化性質及燃爆參數列于表-2:
表--2 CH4主要理化性質及燃爆參數
 
序號 參數名稱 單位 數據 序號 參數名稱 單位 數據
1 爆炸濃度下限 % 5.0 13 分子量 —— 16.04
2 爆炸濃度上限 % 15.0 14 凝固點 ℃ -183.2
3 化學計量濃度 % 9.46 15 熔點 ℃ -182.5
4 最大爆壓濃度 % 9.8 16 沸點 ℃ -161.5
5 最大爆炸壓力 MPa 0.717 17 閃點 ℃ -190
6 最小引爆能量 Mj 0.28 18 自燃點 ℃ 540
7 最小報警濃度
(LEL下限1/3) % ≤1.7 19 氣體密度(空氣) G/1 0.55
8 燃燒熱值 Kcal/m3 9500 20 液體密度(水) -164℃ 0.42
9 燃燒溫度 ℃ 1830 21 臨界溫度 ℃ -82.6
10 燃燒空氣量 m3/m3 9.52 22 臨界壓力 MPa 4.58
11 燃燒熱 Kj/mol 889.5 23 CH4 中的H2S允許濃度(民用) mg/m3 ≯20
12 氣化熱 Kj/mol 122.0 24 CH4 中的H2S允許濃度(汽車用) mg/m3 ≯15


  除以上重要參數外,按照國家有關技術規范的規定,CH4生產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;危險貨物統一名稱編號煤礦: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可燃爆兩大事故因素,無論發生何種事故,都可能引發泄漏、火災、化學爆炸和物理爆炸。如果事故得不到有效控制,還可相互作用,相互影響,促使事故擴大蔓延及至產生巨大的沖擊波危害,其主要特征是: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損等事故因素發生時,可導致其介質泄漏于空氣中,當濃度達到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,便可產生氣體混合物爆炸(亦稱為化學爆炸)。這種化學爆炸所產生的沖擊波能量,可直接對建、構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(即參與反應的CH4總量)有關,可采用以下公式進行計算:
  Lh=V?H?427
式中:
  Lh-CH4沖擊波或爆炸力  (Kgf.m);
  V-參與應的CH4氣體總量(Nm3);
  H-CH4的高燃燒熱值 (Kcal/m3);
  427-轉換常數,1Kcal相當于427Kgf.m之功。
 ?、谖锢肀_擊波。壓力容器破裂時,容器內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在能量,造成壓力裝置瞬間破壞并產生巨大聲響的現象。即為通常所說的物理爆炸。CNG裝置因屬于高壓容器,由此引發的爆炸事故更具典型的物理爆炸特征??梢哉J為此類膨脹爆炸是在絕熱狀態下進行的,而爆炸的沖擊波能量則是在絕熱膨脹時所作的功。根據氣體熱力學原理,理想氣體在絕熱膨脹狀態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--容器內氣體絕對壓力  (MPa);
  V--容器水容積  (m3);
  K--氣體的絕對指數
  由于CH4及常見氣體多為雙原子分子,其絕對指數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  (Kgf.m/m3)
  注:當CH4處于15~32MPa時,爆炸能量系數為2.88~6.48×106。
2.2 沖擊波超壓(△P)產生的危害。
  由于壓力容器爆炸的氣體壓力變動范圍較大,系統試驗數據又比較缺乏,加之沖擊波超壓△P與爆炸能釋放的時間等因素有關,使測定和計算爆炸產生的△P較為困難,目前一般采用與等當量TNT比較的方法或模擬比的方法,將其相應結果代入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生化學爆炸或物理爆炸,都將產生立體沖擊波,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生的破壞與危害特征。
表--3 不同沖擊波超壓對人體或建(構)筑物的損害情況
 
序號 超壓(△P,kpa) 建筑物破壞情況 人體傷害情況
1 5.0-6.0 門窗玻璃部分破碎 無傷害(安全)
2 6.0-10 受壓面的門窗玻璃大部分破碎
3 15-20 窗框損壞
4 20-30 墻裂縫 輕微損傷
5 40-50 墻大裂縫,屋瓦掉下 損傷聽覺或骨折
6 60-70 木建筑廠房柱折斷,房梁松動 內臟器官嚴重損傷或死亡
7 70-100 磚墻倒塌
8 100-200 防震鋼筋混凝土破壞,小房屋倒塌 大多數人員死亡
9 200-300 大型鋼筋結構破壞 死亡


  1995年,川東某CNG加氣站,因鋼瓶質量和H2S處理不凈引發的爆炸事故,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生的沖擊波超壓的嚴重危害性。

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果表明,儲氣井裝置的安全可靠性優于儲氣瓶和儲氣罐?,F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 防爆構造設置 防爆墻 防爆墻 不設置
4 管道設置數量(根) 18 6 6
5 閥件設置數量(處) 141 12 12
6 輸氣系統阻力 較大 較小 一般
7 防腐處理操作 較難 較易 較易
8 運行循環疲勞次數(次) 9000 12000 19000
9 90年代100站事故率(%) 2.0 1.0 0


  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規范》中的二級站為例,表-5的研究試驗數據表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 明火及散發火花地點 25 18 7 28
2 二類民用建筑保護物 20 15 5 25
3 甲、乙類儲罐或堆場 25 18 7 28
4 室外變電站 25 18 7 28
5 高速公路 12 8 4 33.3
6 架空電力線 1.5倍桿高 1倍桿高 0.5 33.3
7 鐵路 30 24 6 20


  3.3 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,在城市建設用地和土地資源十分緊缺的情況下,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,從而顯著提高了這種井儲裝置的安全可靠性。此外,在經濟性方面的比較,雖然儲氣井比瓶裝置在初期建設成本上高出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 評價結論和相關建議。
  通過對以上安全狀況及相關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考慮,儲氣井與儲氣瓶和儲氣罐相比,具有"四種減少"的明顯優勢,即:
 ?、贉p少沖擊波危害;
 ?、跍p少防火間距;
 ?、蹨p少占地面積;
 ?、軠p少隔爆墻設置。
  因此,對加氣站CNG儲氣裝置安全評價的結論意見是:儲氣井最佳;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加氣站約占總數的1/5,且多數為鋼瓶組儲氣,由于早期尚無統一標準、規范,設計不盡合理,有的儲氣裝置與設備現已老化陳舊,并接近或達到安全使用期限。因此建議陸續淘汰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,有計劃地列入技術改造,使之逐步更新為儲氣井,以減少或避免事故的發生。
  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的課題研究力度和資金投入,不斷提高儲氣效率和自動化管理水平。
  第三,借助加入WTO的有利時機,建立與美國等燃氣汽車發達國家之間的儲氣技術交流與合作,逐步將我國成熟的儲氣井技術推向國際市場。
  第四,政府行政及技術主管部門,應盡快制定出臺相關的管理法規和"翅"(國標)標準,在CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術規范》的基礎上,增加儲氣井專篇內容,并作重點闡述和提出相關要求。
4、儲氣裝置的事故防范與處置技術
  4.1 事故防范措施及要求。
  首先,在安全設計和安全工藝方面,各種儲氣規模的CNG加氣站,必須選擇具有甲級資質的專業設計單位承擔工程設計任務,并把儲氣裝置作為加氣站的設計重點。在"GB"標準尚未出臺之前,應以CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術規范》作為設計依據,暫緩執行"DB"(地方標準)和其它部頒標準。初步設計方案應由政府CNG管理部門組織有關專家評審并報主管部門審批后方可進入工程施工建設程序。實踐證明,把好工程設計源頭關,是控制事故的關鍵環節。
  第二,要把預防CNG加氣站火災爆炸事故的具體消防技術措施作為重點,其內容主要包括:①站、址選點布局;②建筑消防措施(安全距離、耐火等級、建筑構造、通風排氣、建筑防爆等);③電氣消防措施(電氣運行設備選擇和安全控制、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消防器材的配置等。消防監督部門應當依據有關技術規范和規定,嚴格履行消防建審監督審批,依法建站,是預防事故的重要環節。
  第三,為了確保CNG加氣站儲氣裝置的長期、安全、穩定運行,在生產工藝技術上,必須嚴格把好"三脫"(脫硫、脫水、脫烴)關,有利于從源頭上控制和減少儲氣設備遭受腐蝕侵害和事故危害,是避免事故的有效環節。
  4.2 安全操作與安全管理。
  加氣站的CH4處理系統、壓縮系統、設備控制系統和售氣系統,都是支持儲氣裝置穩定運行的附屬設備,這些崗位具有較高的技術含量,操作人員必須進行崗前專業技能和安全培訓,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,知道加氣站燃爆事故的應急處置方法和對策。在消防安全管理方面,加氣站是理所當然的消防安全重點單位,必須認真落實各級消防安全責任制,建立健全全員義務消防組織以及制定應急事故處理預案等。
  4.3 火災爆炸事故處置要點。
  加氣站一旦發生火災、爆炸或非火災爆炸的泄漏事故,絕不可驚慌失措,一定要沉著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濟損失和人員傷亡,其處置要點主要是:
 ?、僖鞔_各自的分工職責。站長或值班長負責事故處置分工和指令下達;機房操作工和維修工負責截斷氣源,包括關閉總進氣閥和儲氣裝置的進出氣閥;電工負責截斷電源;加氣工、門衛或其余人員負責滅火、報警和警衛等。
 ?、谝扇≌_得當的措施。CNG加氣站多數事故最終都會導致火災發生,在消防警力尚未到達之前,要充分利用加氣站站區設置的各種水源(水對撲滅CH4火災非常有效)及常規消防器材,竭盡全力阻止初期火災擴大蔓延。如果儲氣瓶、儲氣罐或輸氣管道發生破裂爆炸,必須果斷

關閥斷氣。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,因此一般不易采取類似LPG(液化石油氣)儲存容器的堵漏方法,否則將事倍功半。
 ?、垡刂票ɑ旌衔镄纬杉跋浪隒H4管道。當泄漏事故發生時,通常采用霧狀水稀釋泄散的CH4,是防止爆炸混合物形成的有效方法。但要注意盡可能避免這些消防水浸入未受損的CH4管網和設備內部,以防止與CH4中的H4S結合生成氫硫酸而緩慢腐蝕這些管道及設備。
 ?、芤刂瓶赡芤l的一切著火能源。事故發生時,已屬于非正常情況,在一定范圍內,必須嚴格控制所有可能引起火災或爆炸的點火能源,如正常運行的電氣設備和電氣開關,生活用火及明火,金屬撞擊火花,靜電火花以及處于工作狀態的手機、BP機產生的火花等。
 ?、菀侠砜氐陌踩浞秶?。為防止或最大限度地減少沖擊波或火災對人身對財產安全的危害,應根據加氣站的儲氣規模和CH4的爆炸極限以及沖擊波超城市的作用區域和有效半徑等現場客觀條件,大致確定一個比較安全的警戒范圍,并配合公安交警、巡警等專門力量布控,以阻止或嚴禁無關人員進入警戒區。通過測算,各種規模加氣站的事故警戒半徑如表-6所示:
表-6 不同規模加氣站事故警戒區半徑
 
CNG加氣站規模 一級站 二級站 三級站
常規儲氣量(Nm3) 3000-4000 1500-3000 <1500
警戒區半徑(m) >100 >80 >60


5、結束語

  綜上所述,對CNG儲氣裝置安全技術規律及相互關系的認識研究和探討,是為了更科學、更安全、更合理、更規范地駕馭CNG特殊易燃易爆場所的操作和管理,使其在政府倡導發展的同時,更有利于CNG新興技術產業的健康、可持續發展和我國能源結構的調整。CNG加氣站儲氣裝置的最佳選擇,必須將安全可靠性放在首位,然后綜合考慮其它因素。尤其在我國城市人口密度大、工業制造技術還不十分先進、管理水平還不太高、公民安全素養及法律意識還比較淡薄的情況下,對此類重點場所的事故防范,首先必須是積極預防,堅決避免事故的發生,再才是尤一發生火災爆炸事故,必須能夠迅速處置和有效控制。

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