加气站CNG储气装置的安全评价及事故预防与处置技术

　　评论：　更新日期：2014年05月19日

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，所以储气装置在CNG加气站当属特别重要的核心部位，尤其是对储气设施设备布置方式的选择、安全可靠性评价、工艺制造以及材质等方面的安全技术考虑，都有许多特殊要求。
　　我国的CNG加气站，经历了较长时间的开发研究，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，材质采用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，每年支付的维护费用多，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，其储罐水容积主要有2m³、3m³、4m³或6m³的几种规格，一般每站设置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，其优点主要是：气体集中储存，管阀连接点较少，泄漏因素降低，恰好弥补了储气瓶的不足，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围大、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，储气井是四川石油管理局自80年代中期开始在不断实践探索的基础上，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，采用进口材质的套管和钢筋混凝土固井技术，具有安全牢固、节约维护费用、节约土地资源以及减少地面冲击波放射范围和强度等许多优点，是很受欢迎、安全可靠的高压CH₄储气装置。以上三种储气装置的基本情况现列表如下：

表--1 CNG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	2000-4000L	2000L/井
2	单组布置数量	80-230瓶	3-6罐	3-8井
3	容器水容积(m³)	6-12	6-12	6-12
4	标准储气量（Nm³）	1500-3000	1500-3000	1500-3000
5	占地面积（m³）	30	60	10
6	建设投资概算(万元/站)	66.0	94.0	96.5
7	检验维护费(万元/年)	1.25	0.75	——
8	四川省2001年12月31日截止分类统计数(站)	19	68	36

1.2 CH₄介质的理化质及燃爆参数

　　我国车用压缩天然气主要分为"干气"和"湿气"两大类，气质状况视CH₄产地不同而有区别，四川、重庆、海南、陕西、新疆等地的气田气通常为干气，CH₄含量一般在95%以上；而河北、吉林、辽宁、甘肃、湖北、山东等地的油田伴生气通常为湿气，CH₄含量一般在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，无论管理人员或操作人员，都要对其性质、技术参数和特殊要求作全面了解和掌握。现将对CH₄研究测试及查验的主要理化性质及燃爆参数列于表-2：

表--2　CH₄主要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	％	5.0	13	分子量	——	16.04
2	爆炸浓度上限	％	15.0	14	凝固点	℃	-183.2
3	化学计量浓度	％	9.46	15	熔点	℃	-182.5
4	最大爆压浓度	％	9.8	16	沸点	℃	-161.5
5	最大爆炸压力	MPa	0.717	17	闪点	℃	-190
6	最小引爆能量	Mj	0.28	18	自燃点	℃	540
7	最小报警浓度 (LEL下限1/3)	％	≤1.7	19	气体密度（空气）	G/1	0.55
8	燃烧热值	Kcal/m³	9500	20	液体密度（水）	-164℃	0.42
9	燃烧温度	℃	1830	21	临界温度	℃	-82.6
10	燃烧空气量	m³/m³	9.52	22	临界压力	MPa	4.58
11	燃烧热	Kj/mol	889.5	23	CH₄中的H₂S允许浓度（民用）	mg/m³	≯20
12	气化热	Kj/mol	122.0	24	CH₄中的H₂S允许浓度（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；危险货物统一名称编号煤矿：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，无论发生何种事故，都可能引发泄漏、火灾、化学爆炸和物理爆炸。如果事故得不到有效控制，还可相互作用，相互影响，促使事故扩大蔓延及至产生巨大的冲击波危害，其主要特征是：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损等事故因素发生时，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

很快又降至上限与下限之间，尤其是处于9.5-9.8%的浓度范围时，只需0.28ml以上点火能量的作用，便可产生气体混合物爆炸(亦称为化学爆炸)。这种化学爆炸所产生的冲击波能量，可直接对建、构筑物和人体造成不同程度的危害，其强度主要与CH₄气体混合物的空间体积(即参与反应的CH₄总量)有关，可采用以下公式进行计算：
　　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，迅速膨胀并以很高的速度释放出内在能量，造成压力装置瞬间破坏并产生巨大声响的现象。即为通常所说的物理爆炸。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征。可以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。根据气体热力学原理，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)；