加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預防與處置技術

　　評論：　更新日期：2014年05月19日

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，有的已初具規模。現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。
　　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。
　　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。現將對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。
　　②物理爆炸沖擊波。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。可以認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)；