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)考慮，都有許多特殊要求。

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(zhì)采用無縫優(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足，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實踐探索的基礎(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，采用進口材質(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情況現(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)6-126-126-12

4標準儲氣量（Nm3）1500-30001500-30001500-3000

5占地面積（m3）306010

6建設(shè)投資概算(萬元/站)66.094.096.5

7檢驗維護費(萬元/年)1.250.75——

8四川省2001年12月31日截止分類統(tǒng)計數(shù)(站)196836

1.2CH4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(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)和特殊要求作全面了解和掌握。

現(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%5.013分子量——16.04

2爆炸濃度上限%15.014凝固點℃-183.2

3化學計量濃度%9.4615熔點℃-182.5

4最大爆壓濃度%9.816沸點℃-161.5

5最大爆炸壓力MPa0.71717閃點℃-190

6最小引爆能量Mj0.2818自燃點℃540

7最小報警濃度

(LEL下限1/3)%≤1.719氣體密度（空氣）G/10.55

8燃燒熱值Kcal/m3950020液體密度（水）-164℃0.42

9燃燒溫度℃183021臨界溫度℃-82.6

10燃燒空氣量m3/m39.5222臨界壓力MPa4.58

11燃燒熱Kj/mol889.523CH4中的H2S允許濃度（民用）

mg/m3≯20

12氣化熱Kj/mol122.024CH4中的H2S允許濃度（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，一級易燃氣體；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(chǎn)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(fā)生時，可導致其介質(zhì)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(chǎn)生氣體混合物爆炸(亦稱為化學爆炸)。這種化學爆炸所產(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(即參與反應(yīng)的CH4總量)有關(guān)，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(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)生巨大聲響的現(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?？梢哉J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。根據(jù)氣體熱力學原理，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]

=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(shù)(Kgf.m/m3)

注：當CH4處于15～32MPa時，爆炸能量系數(shù)為2.88～6.48×106。

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，目前一般采用與等當量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))筑物的損害情況

序號超壓(△P，kpa)建筑物破壞情況人體傷害情況

15.0-6.0門窗玻璃部分破碎無傷害（安全）

26.0-10受壓面的門窗玻璃大部分破碎

315-20窗框損壞

420-30墻裂縫輕微損傷

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)臟器官嚴重損傷或死亡

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，并引起鋼瓶庫的15支鋼瓶發(fā)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(zāi)、化學及物理爆炸所產(chǎn)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(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)果表明，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)1866

5閥件設(shè)置數(shù)量(處)1411212

6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)疲勞次數(shù)(次)90001200019000

990年代100站事故率(%)2.01.00

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(shù)規(guī)范》中的二級站為例，表-5的研究試驗數(shù)據(jù)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(fā)火花地點2518728

2二類民用建筑保護物2015525

3甲、乙類儲罐或堆場2518728

4室外變電站2518728

5高速公路128433.3

6架空電力線1.5倍桿高1倍桿高0.533.3

7鐵路3024620

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(shè)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(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，從而顯著提高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(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(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)一標準、規(guī)范，設(shè)計不盡合理，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(fā)達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)標準，在CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術(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，在安全設(shè)計和安全工藝方面，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)設(shè)計單位承擔工程設(shè)計任務(wù)，并把儲氣裝置作為加氣站的設(shè)計重點。在"GB"標準尚未出臺之前，應(yīng)以CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術(shù)規(guī)范》作為設(shè)計依據(jù)，暫緩執(zhí)行"DB"(地方標準)和其它部頒標準。初步設(shè)計方案應(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。實踐證明，把好工程設(shè)計源頭關(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)當依據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)范和規(guī)定，嚴格履行消防建審監(jiān)督審批，依法建站，是預(yù)防事故的重要環(huán)節(jié)。

第三，為了確保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，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(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(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(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。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(guān)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(wèi)或其余人員負責滅火、報警和警衛(wèi)等。

②要采取正確得當?shù)拇胧?。CNG加氣站多數(shù)事故最終都會導致火災(zāi)發(fā)生，在消防警力尚未到達之前，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)擴大蔓延。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。

③要控制爆炸混合物形成及消防水浸入CH4管道。當泄漏事故發(fā)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(wǎng)和設(shè)備內(nèi)部，以防止與CH4中的H4S結(jié)合生成氫硫酸而緩慢腐蝕這些管道及設(shè)備。

④要控制可能引發(fā)的一切著火能源。事故發(fā)生時，已屬于非正常情況，在一定范圍內(nèi)，必須嚴格控制所有可能引起火災(zāi)或爆炸的點火能源，如正常運行的電氣設(shè)備和電氣開關(guān)，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(tài)的手機、BP機產(chǎn)生的火花等。

⑤要合理控的安全警戒范圍。為防止或最大限度地減少沖擊波或火災(zāi)對人身對財產(chǎn)安全的危害，應(yīng)根據(jù)加氣站的儲氣規(guī)模和CH4的爆炸極限以及沖擊波超城市的作用區(qū)域和有效半徑等現(xiàn)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(guān)人員進入警戒區(qū)。通過測算，各種規(guī)模加氣站的事故警戒半徑如表-6所示：

表-6不同規(guī)模加氣站事故警戒區(qū)半徑

CNG加氣站規(guī)模一級站二級站三級站

常規(guī)儲氣量(Nm3)3000-40001500-3000<1500

警戒區(qū)半徑(m)>100>80>60

5、結(jié)束語

綜上所述，對CNG儲氣裝置安全技術(shù)規(guī)律及相互關(guān)系的認識研究和探討，是為了更科學、更安全、更合理、更規(guī)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(fā)展的同時，更有利于CNG新興技術(shù)產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展和我國能源結(jié)構(gòu)的調(diào)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(yè)制造技術(shù)還不十分先進、管理水平還不太高、公民安全素養(yǎng)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(yù)防，堅決避免事故的發(fā)生，再才是尤一發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，必須能夠迅速處置和有效控制。