加氣站CNG儲氣裝置的安全評價及事故預防與處置技術
V--CH
4壓縮容器體積 (Nm
3);
Cg--CH
4爆炸能量系數(shù) (Kgf.m/m
3)
注:當CH
4處于15~32MPa時,爆炸能量系數(shù)為2.88~6.48×10
6。
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,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,將其相應結果代入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)筑物的損害情況
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序號 | 超壓(△P,kpa) | 建筑物破壞情況 | 人體傷害情況 |
1 | 5.0-6.0 | 門窗玻璃部分破碎 | 無傷害(安全) |
2 | 6.0-10 | 受壓面的門窗玻璃大部分破碎 |
3 | 15-20 | 窗框損壞 |
4 | 20-30 | 墻裂縫 | 輕微損傷 |
5 | 40-50 | 墻大裂縫,屋瓦掉下 | 損傷聽覺或骨折 |
6 | 60-70 | 木建筑廠房柱折斷,房梁松動 | 內(nèi)臟器官嚴重損傷或死亡 |
7 | 70-100 | 磚墻倒塌 |
8 | 100-200 | 防震鋼筋混凝土破壞,小房屋倒塌 | 大多數(shù)人員死亡 |
9 | 200-300 | 大型鋼筋結構破壞 | 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、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果表明,儲氣井裝置的安全可靠性優(yōu)于儲氣瓶和儲氣罐。現(xiàn)列表擬作如下比較:
表--4 不同儲氣裝置的安全狀況及設置要求比較
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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 | 防爆構造設置 | 防爆墻 | 防爆墻 | 不設置 |
4 | 管道設置數(shù)量(根) | 18 | 6 | 6 |
5 | 閥件設置數(shù)量(處) | 141 | 12 | 12 |
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) | 9000 | 12000 | 19000 |
9 | 90年代100站事故率(%) | 2.0 | 1.0 | 0 |
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
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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 | 25 | 18 | 7 | 28 |
2 | 二類民用建筑保護物 | 20 | 15 | 5 | 25 |
3 | 甲、乙類儲罐或堆場 | 25 | 18 | 7 | 28 |
4 | 室外變電站 | 25 | 18 | 7 | 28 |
5 | 高速公路 | 12 | 8 | 4 | 33.3 |
6 | 架空電力線 | 1.5倍桿高 | 1倍桿高 | 0.5 | 33.3 |
7 | 鐵路 | 30 | 24 | 6 | 20 |
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 評價結論和相關建議。
通過對以上安全狀況及相關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:
?、贉p少沖擊波危害;
②減少防火間距;
?、蹨p少占地面積;
④減少隔爆墻設置。
因此,對加氣站CNG儲氣裝置安全評價的結論意見是: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,設計不盡合理,有的儲氣裝置與設備現(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交流與合作,逐步將我國成熟的儲氣井技術推向國際市場。
第四,政府行政及技術主管部門,應盡快制定出臺相關的管理法規(guī)和"翅"(國標)標準,在CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術規(guī)范》的基礎上,增加儲氣井專篇內(nèi)容,并作重點闡述和提出相關要求。
4、儲氣裝置的事故防范與處置技術
4.1 事故防范措施及要求。
首先,在安全設計和安全工藝方面,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)設計單位承擔工程設計任務,并把儲氣裝置作為加氣站的設計重點。在"GB"標準尚未出臺之前,應以CJJ84-2000《汽車用燃氣加氣站技術規(guī)范》作為設計依據(jù),暫緩執(zhí)行"DB"(地方標準)和其它部頒標準。初步設計方案應由政府CNG管理部門組織有關專家評審并報主管部門審批后方可進入工程施工建設程序。實踐證明,把好工程設計源頭關,是控制事故的關鍵環(huán)節(jié)。
第二,要把預防CNG加氣站火災爆炸事故的具體消防技術措施作為重點,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、建筑構造、通風排氣、建筑防爆等);③電氣消防措施(電氣運行設備選擇和安全控制、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)督部門應當依據(jù)有關技術規(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)工藝技術上,必須嚴格把好"三脫"(脫硫、脫水、脫烴)關,有利于從源頭上控制和減少儲氣設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)定運行的附屬設備,這些崗位具有較高的技術含量,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,建立健全全員義務消防組織以及制定應急事故處理預案等。
4.3 火災爆炸事故處置要點。
加氣站一旦發(fā)生火災、爆炸或非火災爆炸的泄漏事故,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:
?、僖鞔_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。
?、谝扇≌_得當?shù)拇胧?。CNG加氣站多數(shù)事故最終都會導致火災發(fā)生,在消防警力尚未到達之前,要充分利用加氣站站區(qū)設置的各種水源(水對撲滅CH4火災非常有效)及常規(guī)消防器材,竭盡全力阻止初期火災擴大蔓延。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。
?、垡刂票ɑ旌衔镄纬杉跋浪隒H4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)和設備內(nèi)部,以防止與CH4中的H4S結合生成氫硫酸而緩慢腐蝕這些管道及設備。
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或爆炸的點火能源,如正常運行的電氣設備和電氣開關,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對人身對財產(chǎn)安全的危害,應根據(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
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CNG加氣站規(guī)模 | 一級站 | 二級站 | 三級站 |
常規(guī)儲氣量(Nm3) | 3000-4000 | 1500-3000 | <1500 |
警戒區(qū)半徑(m) | >100 | >80 | >60 |
5、結束語
綜上所述,對CNG儲氣裝置安全技術規(guī)律及相互關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新興技術產(chǎn)業(yè)的健康、可持續(xù)發(fā)展和我國能源結構的調(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,首先必須是積極預防,堅決避免事故的發(fā)生,再才是尤一發(fā)生火災爆炸事故,必須能夠迅速處置和有效控制。