加气站CNG储气装置的安全评价及事故预防与处置技术

加气站CNG储气装置的安全评价及事故预防与处置技术1、CNG储气装置及CH4介质的燃爆特性

1.1加气站储气装置与技术。

在各种CNG加气站里，通过压缩机加压压缩，强行将天然气储存在固定场所设置的特制容器内，专供汽车加气的备用装置或系统，称为储气装置或储气技术。该装置因具有25-30MPa的高压以及介质易燃易爆的危险性质，因此储气装置在CNG加气站当属专门重要的核心部位，专门是对储气设施设备布置方式的选择、安全可靠性评判、工艺制造以及材质等方面的安全技术考虑，都有许多专门要求。

我国的CNG加气站，经历了较长时刻的开发研究，迄今储气瓶、储气罐和储气井技术工艺，目前正在逐步趋于成熟与完善，有的已初具规模。现将三类不同装置的加气站简介如下：

①瓶储加气站。是将若干储气瓶按不同压力分级布置的加气站，单瓶水容积通常为60L或80L居多，材质采纳无缝优质钢或具有防火功能的树脂纤维缠绕技术制造。储气瓶的优点是经济，灵活，建设成本较低。缺点是供气系统阻力大，管阀连接处泄漏点多，增加了不安全因素。此外，每年支付的爱护费用多，增加了后期供气成本。

②罐储加气站。是将压缩天然气储存在球型或园柱型储气罐中的加气站，其储罐水容积要紧有2m3、3m3、4m3或6m3的几种规格，一样每站设置3～6罐为宜。这种储气罐是90年代后期较为广泛使用的CH4高压储存容器，其优点要紧是：气体集中储存，管阀连接点较少，泄漏因素降低，恰好补偿了储气瓶的不足，具有较好的安全性。缺点是：爆炸事故发生时，地面冲击波的辐射范畴大、强度大等。是较受欢迎的储气装置。

③井储加气站。顾名思义，是将压缩天然气储存在地下储气井的加气站，储气井是四川石油治理局自80年代中期开始在不断实践探究的基础上，研究开发的新型储气技术。这种储气装置是在加气站一定位置开钻3～6口地下井，每口井的深度约100m，上小下大口径不等，单井水容积为2m3左右，采纳进口材质的套管和钢筋混凝土固井技术，具有安全牢固、节约爱护费用、节约土地资源以及减少地面冲击波放射范畴和强度等许多优点，是专门受欢迎、安全可靠的高压CH4储气装置。以上三种储气装置的差不多情形现列表如下：表--1CNG加气站储气设施布置概览序号项目储气瓶储气罐储气井1单个容量规格50L或80L/瓶2000-4000L2000L/井2单组布置数量80-230瓶3-6罐3-8井3容器水容积(m3)6-126-126-124标准储气量（Nm3）1500-30001500-30001500-30005占地面积（m3）3060106建设投资概算(万元/站)66.094.096.57检验爱护费(万元/年)1.250.75——8四川省2001年12月31日截止分类统计数(站)196836

1.2CH4介质的理化质及燃爆参数

我国车用压缩天然气要紧分为"干气"和"湿气"两大类，气质状况视CH4产地不同而有区不，四川、重庆、海南、陕西、新疆等地的气田气通常为干气，CH4含量一样在95%以上；而河北、吉林、辽宁、甘肃、湖北、山东等地的油田伴动气通常为湿气，CH4含量一样在80%左右。实际应用结果证明，"干气"不仅有利于安全，而且更有益于作为CNG汽车的燃料介质使用。处于高压状态下的CH4，不管治理人员或操作人员，都要对其性质、技术参数和专门要求作全面了解和把握。现将对CH4研究测试及查验的要紧理化性质及燃爆参数列于表-2：表--2CH4要紧理化性质及燃爆参数序号参数名称单位数据序号参数名称单位数据1爆炸浓度下限％5.013分子量——16.042爆炸浓度上限％15.014凝固点℃-183.23化学计量浓度％9.4615熔点℃-182.54最大爆压浓度％9.816沸点℃-161.55最大爆炸压力MPa0.71717闪点℃-1906最小引爆能量Mj0.2818自燃点℃5407最小报警浓度

(LEL下限1/3)％≤1.719气体密度（空气）G/10.558燃烧热值Kcal/m3950020液体密度（水）-164℃0.429燃烧温度℃183021临界温度℃-82.610燃烧空气量m3/m39.5222临界压力MPa4.5811燃烧热Kj/mol889.523CH4中的H2S承诺浓度（民用）mg/m3≯2012气化热Kj/mol122.024CH4中的H2S承诺浓度（汽车用）mg/m3≯15

除以上重要参数外，按照国家有关技术规范的规定，CH4生产储存场所的火灾危险性确定为甲类，一级易燃气体；火灾爆炸危险度为：

H=(R-L)/L=(15-5)/5=2；危险物资统一名称编号煤矿：21007。

2、高压容器的爆炸冲击波及其危害

2.1爆炸冲击波及特性。

CNG加气站储气装置由于高压和介质可燃爆两大事故因素，不管发生何种事故，都可能引发泄漏、火灾、化学爆炸和物理爆炸。假如事故得不到有效操纵，还可相互作用，相互阻碍，促使事故扩大蔓延及至产生庞大的冲击波危害，其要紧特点是：①化学爆炸冲击波。在输送CH4的管阀连接处、运行过程的误操作以及高压容器破旧等事故因素发生时，可导致其介质泄漏于空气中，当浓度达到5.15%，或量超过15%但

专门快又降至上限与下限之间，专门是处于9.5-9.8%的浓度范畴时，只需0.28ml以上点火能量的作用，便可产动气体混合物爆炸(亦称为化学爆炸)。这种化学爆炸所产生的冲击波能量，可直截了当对建、构筑物和人体造成不同程度的危害，其强度要紧与CH4气体混合物的空间体积(即参与反应的CH4总量)有关，可采纳以下公式进行运算：

Lh=V·H·427

式中：

Lh-CH4冲击波或爆炸力(Kgf.m)；

V-参与应的CH4气体总量(Nm3)；

H-CH4的高燃烧热值(Kcal/m3)；

427-转换常数，1Kcal相当于427Kgf.m之功。

②物理爆炸冲击波。压力容器破裂时，容器内的高压气体解除了外壳的约束，迅速膨胀并以专门高的速度开释出内在能量，造成压力装置瞬时破坏并产生庞大声响的现象。即为通常所讲的物理爆炸。CNG装置因属于高压容器，由此引发的爆炸事故更具典型的物理爆炸特点。能够认为此类膨胀爆炸是在绝热状态下进行的，而爆炸的冲击波能量则是在绝热膨胀时所作的功。依照气体热力学原理，理想气体在绝热膨胀状态下所作之功可表示为：

Ug=PV/K-1·[1-(1/P)K-1/K]·104

式中：

Ug--气体膨胀所作的功(Kgf.m)；

P--容器内气体绝对压力(MPa)；

V--容器水容积(m3)；

K--气体的绝对指数

由于CH4及常见气体多为双原子分子，其绝对指数K=1.4，则绝热膨胀所作之功即为：

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

简化后用如下公式表示：

Ug=CgV

式中：

Ug--气体膨胀所作的功或CH4的的爆炸能量(Kgf.m)；

V--CH4压缩容器体积(Nm3)；

Cg--CH4爆炸能量系数(Kgf.m/m3)

注：当CH4处于15～32MPa时，爆炸能量系数为2.88～6.48×106。

2.2冲击波超压(△P)产生的危害。

由于压力容器爆炸的气体压力变动范畴较大，系统试验数据又比较缺乏，加之冲击波超压△P与爆炸能开释的时刻等因素有关，使测定和运算爆炸产生的△P较为困难，目前一样采纳与等当量TNT比较的方法或模拟比的方法，将其相应结果代入Ug=CgV公式后，再运算确定压力容器的冲击波超压(△P)值。

储气瓶和储气罐两类装置不管发生化学爆炸或物理爆炸，都将产生立体冲击波，这种冲击波阵面上的不同超压△P，对建筑物、构筑物和人体可造成不同程度的危害和损害。表-3是不同超压力作用在建筑物或人体时所产生的破坏与危害特点。表--3不同冲击波超压对人体或建(构)筑物的损害情形序号超压(△P，kpa)建筑物破坏情形人体损害情形15.0-6.0门窗玻璃部分破裂无损害（安全）26.0-10受压面的门窗玻璃大部分破裂315-20窗框损坏420-30墙裂缝轻微损害540-50墙大裂缝，屋瓦掉下损害听觉或骨折660-70木建筑厂房柱折断，房梁松动内脏器官严峻损害或死亡770-100砖墙倒塌8100-200防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌大多数人员死亡9200-300大型钢筋结构破坏死亡

1995年，川东某CNG加气站，因钢瓶质量和H2S处理不净引发的爆炸事故，将一钢瓶炸飞50m以远，并引起钢瓶库的15支钢瓶发生喷射燃烧，焰柱高达20余米。这起典型的加气站火爆事故，集中反映了火灾、化学及物理爆炸所产生的冲击波超压的严峻危害性。

3、储气装置的安全选择与评判

3.1储气装置的安全状况及设置要求比较。

储气瓶、储气罐和储气井三类装置的安全状况以及设置要求是各不相同的，通过对二级CNG加气站的试验研究和比较结果讲明，储气井装置的安全可靠性优于储气瓶和储气罐。现列表拟作如下比较：表--4不同储气装置的安全状况及设置要求比较序号比较项目储气瓶储气罐储气井1爆炸冲击波强度(地面)较强强弱2爆炸冲击波放射方向立体(球状)立体(球状)上端(顶部)3防爆构造设置防爆墙防爆墙不设置4管道设置数量(根)18665阀件设置数量(处)14112126输气系统阻力较大较小一样7防腐处理操作较难较易较易8运行循环疲劳次数(次)90001200019000990年代100站事故率(%)2.01.00

3.2防火间距减少量的比较。

使用储气井装置，具有减少防火间距的实际意义，以CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》中的二级站为例，表-5的研究试验数据讲明了储气井与储气瓶、储气罐装置相比较的防火间距减少量。表--5储气井装置与储气瓶(罐)防火间距减少量的比较序号项目储气罐(瓶)储气井间距减少量减少率(%)1明火及散发火花地点25187282二类民用建筑爱护物20155253甲、乙类储罐或堆场25187284室外变电站25187285高速公路128433.36架空电力线1.5倍杆高1倍杆高0.533.37铁路3024620表-6不同规模加气站事故戒备区半径CNG加气站规模一级站二级站三级站常规储气量(Nm3)3000-40001500-3000＜1500戒备区半径(m)＞100＞80＞60

5、终止语

综上所述，对CNG储气装置安全技术规律及相互关系的认识研究和探讨，是为了更科学、