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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，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合计，都有许多特别要求。
　　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。是将假设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够，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施行探究的基础上，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状况现列表如下：
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)

7
检验维护费(万元/年)

——
8
四川省2021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。实际应用结果证实，"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、技术参数和特别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
％

13
分子量
——

2
爆炸浓度上限
％

14
凝固点
℃

3
化学计量浓度
％

15
熔点
℃

4
最大爆压浓度
％

16
沸点
℃

5
最大爆炸压力
MPa

17
闪点
℃
-190
6
最小引爆能量
Mj

18
自燃点
℃
540
7
最小报警浓度
(LEL下限1/3)
％
≤
19
气体密度〔空气〕
G/1

8
燃烧热值
Kcal/m3
9500
20
液体密度〔水〕
-164℃

9
燃烧温度
℃
1830
21
临界温度
℃

10
燃烧空气量
m3/m3

22
临界压力
MPa

11
燃烧热
Kj/mol

23
CH4 中的H2S同意浓度〔民用〕
mg/m3
≯20
12
气化热
Kj/mol

24
CH4 中的H2S同意浓度〔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，还可互相作用，互相影响，促使事故扩大蔓延及至产生庞大的冲击波危害，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，只必需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(即参加反应的CH4总量)有关，可采纳以下公式进行计算：
　　Lh=V·H·427
式中：
　　Lh-CH4冲击波或爆炸力　　(Kgf.m)；
　　V-参加应的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庞大声响的现象。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。依据气体热力学原理，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]
·[1-(1/P·104)1.4-1/1.4]·104
·[1-(1/P)0.2857]·104
·[1-(1/P)0.2857]·104
·[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)；