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cng加气母站风险分析及事故后果模拟 CNG 加气母站风险分析及事故后果模拟 摘要： 由于 CNG 具有易燃、易爆和易泄漏等危险性，其运行设备又处于高压状态，一旦发生事故，将对加气站场周边居民和环境造成巨大的风险和破坏，因而研究 CNG 加气母站运行风险及模拟事故后果严重程度，对CNG 加气母站的安全管理和规划布局具有重要意义。为此，阐述了 CNG 加气母站工艺流程，详细分析了 CNG加气母站运行过程中的安全隐患，并在此基础上应用挪威 DNV 公司开发的 SAFETI 软件，结合数学模型对某CNG 加气母站进行事故后果模拟。通过构建针对性强的事故模型，对 CNG 加气母站发生的 主要事故类型和风险程度进行了模拟计算，得出了较真实的事故影响范围曲线图。分析结果表明：该模拟方法可以为 CNG 加气母站的安全管理和事故预防工作提供一定的技术支撑。 关键词： CNG 加气母站；风险分析；事故；模拟； SAFETI 软件 为了降低汽车废气排放，改善大气环境，压缩天然气 (CNG)成为替代汽油、柴油的首选清洁燃料。该燃料能降低汽车运行费用、提高经济效益，延长汽车设备使用寿命，降低维修费用 [1]。由于该燃料所具有的强大市场发展潜力，近年来，全国各地 CNG 加气母站的兴建数量逐年增加。然而，由于 CNG 具有 易燃、易爆和易泄漏等危险性，同时运行设备又处于高压状态，一旦发生事故 (遇火源易发生火灾爆炸 )，将对站场周边居民和环境造成巨大的风险和破坏。因此研究 CNG 加气母站运行风险及模拟事故后果严重程度，对 CNG 加气母站的安全管理和规划布局具有重要意义 [2]。 1 CNG 加气母站工艺流程 所谓加气母站，是指与输气管道末端相连，以管道气为处理气源而修建的工艺站场。目前国内加气母站普遍采用技术比较成熟的工艺流程，即对进站气源进行除尘、脱水、脱硫和压缩等主要处理，然后将天然气增压至 25MPa，随后经加气机给专用运输车 辆 (CNG 槽车或长管拖车 )充装，运送至市区各加气站。 CNG加气母站一般由 5 个操作系统组成，即计量调压系统、净化脱水系统、气体压缩系统、输气系统和输送系统[3]，其工艺流程如图 1 所示。 2 CNG 加气母站的运行风险分析 CNG 加气母站的整个工艺过程都充满高压可燃性气体，且属于高压操作系统，因 而 CNG 加气母站的运行特征决定其具有一定危险性。所以，分析、探讨 CNG 加气母站运行风险，对于搞好站场安全管理，减少安全隐患具有重要意义。 2.1 气源风险分析 2.1.1 易燃易爆性 CNG 加气母站处理气源 (天然气 )的主要成分为甲烷，甲烷是一种易燃易爆气体，在空气中的爆炸极限为 5.3%～ 14%，最小点火能为 0.28mJ，火灾危险性属甲类。因此，一旦发生火灾，扑救难度相当大。 2.1.2 腐蚀性 输气管道中的天然气除甲烷外，还含有少量的硫化氢、可溶性硫化物、水分及二氧化碳等组分 [4]。若 CNG 加气 站没有脱水和脱硫设备，硫化氢在潮湿的环境下会对管壁及设备造成应力腐蚀 [5]，随着时间的推移可能造成事故隐患。 2.1.3 静电荷聚集性 天然气本身是绝缘的，当其在较高流速下流经管路进入容器的过程中或压缩气体从管口或破损处高速喷出时，由于强烈的摩擦作用，有产生静电的特性，静电聚积到一定电位时就会产生静电放电 [6]。如果静电放电产生的电火花能量达到或大于可燃物的最小点火能，就会立即引起燃烧或爆炸。 2.1.4 膨胀和压缩性 CNG 加气母站要求将进站天然气经脱水 (硫 )、压缩等工艺，最终增压至 25MPa。由于天然气具有压缩性，使得压力容器和管道的天然气储存了大量的压缩能，导致系统处于高压运行状态，容易发生超压 [7]，若系统压力超过了其能够承受的许用压力，压力容器和管道会出现裂纹，最终超过设备及配件的强度极限而发生爆炸事故。 2.2 工艺设备风险分析 2.2.1 压力管道 (容器 )超高压泄漏 CNG 加气母站运行过程始终处于高压状态，系统高压运行容易发生超压现象，很容易造成管道、压力容器泄漏；当压力超过设备和组件所能承受的最大压力时，有可能发生爆炸或局部破裂，造成天然气的大量泄漏 [8]。 2.2.2 管道腐 蚀泄漏 在高压状态下， H2S 水溶液对输气管道的腐蚀作用进行得很快，即使溶液中 H2S 的质量分数很低，容器及管道的硫化物也能在很短的时间内引起应力腐蚀破坏，造成管道腐蚀，发生天然气泄漏。 2.2.3 压缩机爆炸 天然气经压缩后温度会迅速升高，如果压缩机内循环冷却水水质差，冷却系统不能有效运行，会使设备内温度过高；高温就会导致压缩机内部的润滑油黏度降低，失去润滑作用，使设备的运行部件摩擦加剧，造成设备内温度超高，容易引起火灾爆炸 [9]。另外，如果压缩机气缸润滑油选择不当、加油量过多、油质不佳或过滤器 污垢严重，吸入气体含尘量大均易形成积碳。积碳燃烧后产生大量的一氧化碳，当压缩机系统中一氧化碳的含量达到 15%～ 75%时就会发生爆炸，并引起压缩机爆炸事故。 3 事故后果模拟 3.1 事故后果模拟方法简介 事故后果模拟是在事故模型分析的基础上选择数学模型 (常见的数学模型有气体泄漏模型、扩散模型、爆炸模型和热辐射模型等 )，并根据事故现场的情况 (包括气象条件、装置设备的尺寸大小和储存条件等 )和有关危险物质的物性参数，利用计算机模拟并输出模拟结果的过程 [10]。 借鉴挪威 DNV 开发的 SAFETI 6.5.1(Software for Assessment of Flammable， Explosive and Toxic Impacts， SAFETI 是一种多功能定量风险评估和危险性评价的计算软件，可对任何一种石油化工装置可能发生的火灾和爆炸事故的影响范围及程度进行计算，并生成相应的图形文件，进而得出事故影响区 )软件，将数学模型 (SAFETI 软件中采用的数学模型有气体 释放模型、气云扩散模型、喷射火模型和蒸气云爆炸模型等 )应用于某 CNG 加气母站进行事故后果模拟分析。 3.2 事故后果模拟 南京某 CNG 加气母站设计规模为 20×10 4m3/d，进站压力为 4.2～ 5.88MPa，温度为 17.2～ 22.5℃ 。该加气母站分为生产区 (压缩机 4 台， 3 用 1 备 )、加气区 (6 台加气柱 )、站场值班室和停车区 4 个部分，如图 2 所示。 3.2.1 计算模型说明 3.2.1.1 气体释放模型 采用 PHAST 的 LEAK 模型计算站内工艺设备或管道腐蚀穿孔后的天然气的释放，如图 3 所示。 3.2.1.2 气云扩散模型 UDM 采用 UDM 扩散模型进行扩散模拟。对气云扩散分为 5 个阶段进行分段模拟。 UDM 模型考虑了气象条件、介质密度、表面粗糙度和湍流扩散等多种因素的影响。图 4 演示了天然气泄漏后气云扩散的过程。 3.2.1.3 喷射火模型 喷射火焰采用 Shell 喷射火焰模型。 Shell 模型将火焰模拟为一倾斜的平截头圆锥体，如图 5 所示。 3.2.1.4 热辐射伤害阈值 火灾热辐射对人 /建筑物的损害情况见表 1。 3.2.1.5 爆炸冲击波超压阈值 爆炸超压的破坏影响见表 2。 3.2.2 计算假设和场景 3.2.2.1 天然气主要可燃物性参数 天然气主要可燃物性参数见表 3。 3.2.2.2 计算天气条件 采用 QRA 计算中常使用的 2 种大气稳定度 D、 F，对 3 种天气条件进行分别计算。主要的天气条件如表 4。 3.2.2.3 计算假设 1) 假设释放方向为水平方向，不考虑线路截断阀门关闭的影响以及沿线高程的影响。 2) 延迟蒸气云爆炸的中心位于气云中心处。 3.2.2.4 计算假设场景 假设场景 1： CNG 压缩机 3 台同时运行，此时排 :气量约为 2.60kg/s，加气柱被槽车撞到，发生严重破裂事故，管道完全断裂。 假设场景 2：加气母站气源入口处发生小孔泄漏。 计算假设场景参数见表 5。 3.2.3 计算结果 各场景泄漏、扩散、火灾和蒸气云延迟爆炸的计算结果见表 6～ 8。 3.2.4 结果分析 场景 1 以加气柱管 道被槽车碰撞后断裂口为 25mm 假设场景进行了后果定量模拟计算，结果表明热辐射 (12.5kW/m2)影响距离为 23m，蒸气云爆炸产生 0.014MPa 冲击波的影响距离约为 49m。 场景 2 以加气母站气源入口处发生 20mm 小孔泄漏为假设场景进行了后果定量模拟计算，结果表明热辐射 (12.5kW/m2)影响距离为 23m，蒸气云爆炸产生 0.014MPa 冲击波的影响距离约为 48m。 从该加气母站的总图布置以及场景 1、场景 2 的热辐射和气云爆炸模拟来看，天然气泄漏扩散遇到点火源都可能会对加气母站或输气末站造成十 分严重的后果，因此，站场应严格控制站区内的点火源，做好以下安全防护措施，以防止火灾爆炸事故的发生。 1) 站场内应严格按照相关规范要求设置紧急逃生线路和风向标。 2) 在天然气易泄漏处严格按 SY 6503— 2008《石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全技术规范》的要求设置可燃气体检测报警器，同时，每周应对报警器白检系统试验 1 次，检查指示系统运行状况。已投入使用的可燃气体检测报警器的检定周期不应超过 1a。 3) 在槽车充装作业过程中，应制订严格的充装作业 (工作人员应穿防静电工作服 )程 序；在装卸现场不允许有点火源；充装开始前，接地设施必须已经连接至槽车并经过测试确认；充装后，在充装连接管置换合格后，才能脱开连接。 4) 加气机附近应设置防撞柱 (栏 )，以免槽车碰撞；加气软管应耐天然气腐蚀，防止因腐蚀而造成天然气泄漏。 5) 定期检测站内的安全阀、自力式调节阀和 ESD 系统等安全保护设施，设定参数测试，对安全阀、放空阀等应按相应运行和维护规程进行操作和维护。 6) 管理单位应制订加气母站事故应急预案，包括工艺管线断裂、火灾爆炸和通信中断等紧急情况，且应急预案应与地方政府 和社区联动。 4 结论 1) 结合 CNG 加气母站的工艺流程，对加气母站运行过程中常见的风险因素进行了详细分析，为预防、控制加气母站火灾爆炸事故提供技术参考。 2) CNG 加气母站事故发生具有不确定性，因此，运用 SAFETI6.5.1 软件对各种常见事故模型进行定量模拟计算，模拟结果对 CNG 加气母站的安全运行和事故预防具有一定的指导意义。 参考文献 [1] 张沛 .CNG 汽车是天然气利用的重要发展途径 [J].石油与天然气化工， 2008， 37(1)： 23-26. [2] 蔡周全，李永怀，罗振敏 .CNG 加气站抑爆系统研制 [J].天然气工业， 2009， 29(4)： 109-111. [3] 陈杰，李求进，吴宗之 .100 起 CNG 加气站事故的统计分析及对策研究 [J].中国安全生产科学技术， 2009， 5(1)： 71-75. [4] 温永红，段天平 .车用燃料低硫化及应对措施 [J].石油与天然气化工， 2002， 31(1)： 31-34. [5] 郁永章，高其烈，冯兴全，等 .天然气汽车加气站设备与运行 [M].北京：中国石化出版社， 2006. [6] 黄郑华，王玮，李建华 .压缩天然气汽车加气站火灾危险分析与预防 [J].安全 、环境和健康， 2007， 7(8)：16-18. [7] 刘海燕 .天然气加气站安全评价 [D].成都：西南石油大学， 2007. [8] 苏昌林，刘缙林，邱东利 .压缩天然气 (CNG)加气站安全监测及信息管理 [J].中国测试技术， 2007， 33(5)：15-18. [9] 韩中华 .CNG 加气站的火灾危险性分析及预防措施探讨 [J].煤炭技术， 2008， 27(12)： 161-163. [10] 梁韬，陈国华，张瑞华，等 .SAFETI 在 LPG 储罐事故后果评价中的应用 [J].油气储运， 2006， 25(2)：53-62. (本文作者：王涛 1， 2 刘晓龙 1， 2 史少帅 1， 2 1.中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院； 2.化学品安全控制国家重点实验室 )
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CNG气瓶风险分析
　　摘要： 本文从气源质量、气瓶安装、充装、使用、检验五方面对CNG汽车存在的安全隐患进行了分析，以达到预测风险，防止事故发生的目的。 中国论文网 /7/view-4481273.htm　　Abstract： This article analyzes the potential risk of CNG automobile from five aspects： gas source quality， gas cylinder installation， gas filling， using and checking， in order to predict risk and prevent accidents. 　　关键词： 风险；质量；操作 　　Key words： risk；quality；operation 　　中图分类号：TG435+.1 文献标识码：A 文章编号：（4-02 　　0 引言 　　天然气易燃易爆，CNG气瓶压力也达到20Mpa，属于高压设备，同时汽车的流动性大，且多在人口密度大的地方，在安装、充装、使用、检验等环节稍有疏漏，极易发生火灾和爆炸事故，给广大群众的生命财产带来巨大的损失，这就要求掌握CNG汽车存在的安全隐患。本文从以下几个方面进行分析。 　　1 气源的质量问题 　　天然气是无色、无臭易燃气体，其主要成分是甲烷（CH4），沸点-160℃，相对密度（水=1）0.45（液化），自燃温度482-632℃，爆炸极限（V%）5%-14%，最大爆炸压力6.8×102kPa。《车用压缩天然气》（GB18047）对汽车用压缩天然气技术指标如表1所示。 　　未经处理的天然气含少量的SO2、H2S、CO2和水等杂质，这些杂质会对气瓶及其附件造成腐蚀，从而导致阀门和管路连接处密封不严、减压器功能失效等后果，最终可能引起天然气的泄露，发生火灾或爆炸。因此，在压缩天然气的生产中必须对脱硫、脱水等工序严格把关，确保产品质量满足国家标准的要求。 　　2 安装 　　天然气汽车多为燃油车改装，在保留原车供油系统的情况下，增加一套“CNG型车用压缩天然气装置”。改装部分由以下三个系统组成。①天然气系统。主要由充气阀、高压截止阀、天然气钢瓶、高压管线、高压接头、压力表、压力传感器及气量显示器等组成。②天然气供给系统。主要由天然气高压电磁阀、三级组合式减压阀、混合器等组成。③油气燃料转换系统。主要由三位油气转换开关、点火时间转换器、汽油电磁阀等组成。天然气钢瓶的瓶口处安装有易熔塞和爆破片两种保安装置，当气瓶温度超过100℃或压力超过26MPa时，保安装置会自动破裂卸压；减压阀上设有安全阀；气瓶及高压管线安装时，均有防震胶垫，卡固牢固。车载气瓶安装单位必须按照《特种设备安全监察条例》的规定取得相应的安装资质，所选用的气瓶必须是正规厂家生产的通过了产品安全性能监督检验的产品，安装程序必须严格按照操作规程进行。 　　在以往的车载气瓶事故案例中，有非正规安装单位使用旧气瓶，甚至是报废气瓶进行安装，最后导致事故的发生。对此，应该加大监管力度，坚决杜绝此类事件的发生。 　　3 充装 　　加气站内有压缩机、储气瓶组、加气机以及附属的管路、配电设备等，这些设备的任一点出现问题，都可能造成严重的后果。 　　压缩机结构复杂，调试、检修、安装、运行操作都有一定的难度，因检修、安装不当、操作失误，水电不正常，机组附件、管路、阀门及密封的损坏等因素，都可能造成天然气的泄漏。 　　加气站内用闸阀、调压阀、球阀、安全阀等阀门较多，其密封件易损坏，或开启、关闭、调压等功能失效，特别是安全阀和调压阀易于出现不能起跳和不能泄压等故障，从而造成系统介质的泄漏。 　　加气站内的各种电气设备可能因接地设施失效，线路绝缘损坏，接触点不良，不符合防爆要求等原因引起电火花或过热，若遇泄漏的天然气，可能引起火灾爆炸事故。若监测压力、温度、流量的仪表指示失真，则可能导致管线设备超压，超温，操作失控，设备损坏等后果，进而引起火灾。 　　另外，一些人为的因素也可能导致事故的发生： 　　①操作人员不按操作规程操作，有可能导致压缩机或加气机憋压，如果安全阀故障不动作，就会造成管线、阀门、设备超压运行，甚至发生事故。②在加气、卸气过程中，天然气高速流动会产生大量静电，在进行这些作业时，若未将地线与车辆连接，或接地设施失效，则产生的静电火花可能引起火灾爆炸事故。③加气车辆停在加气位置后，要先熄火后加气，如不熄火或汽车突然启动，有将加气抢拉断、引起火灾爆炸的可能。④在加气站里不穿防静电服，穿钉鞋与地面摩擦产生火花，都是不安全因素。 　　4 使用 　　车载气瓶本身的安全性能很好，但是如果在使用中操作不当，日常维护不到位，或一些不可抗拒的因素等，就有可能造成气瓶的损伤，从而埋下安全隐患。 　　①在车载气瓶的使用过程中，疲劳破坏是致命的。相关标准对气瓶的使用寿命有所规定，但这是以正常充装为前提。实际运营中，由于种种原因会造成气瓶的充装频率要远大于设计的频率，在这种情况下运营的气瓶就要适当缩短其使用寿命，否则就会对气瓶的安全性带来危害。②车用压缩天然气气瓶在实际运行环境中，可能遭受酸雨等化学物质的侵蚀，这就可能造成缠绕气瓶的缠绕层纤维的断裂、溶解、松动或产生应力腐蚀裂纹等，而对钢瓶则直接造成壁厚减薄、产生凹坑等后果。如果车用压缩天然气缠绕气瓶的纤维缠绕层长期暴露在阳光及大气中，其外表面涂层的状况会变化，也可能导致缠绕纤维松动、断裂，从而降低气瓶的强度，影响其安全性能。③车载气瓶在使用、搬运等过程中，由于操作不当或汽车本身发生事故等影响，可造成车载气瓶受到冲击、碰撞、磨损、过热等损伤，造成气瓶表面受损，或缠绕瓶表面纤维层松动、断裂、树脂破碎等后果，导致气瓶安全性能的降低。 　　5 检验 　　按国家标准GB《汽车用压缩天然气金属内胆纤维环缠绕气瓶定期检验与评定》和GB《汽车用压缩天然气钢瓶定期检验与评定》规定，气瓶检验周期最长不超过3年，一般出租车用气瓶前两次检验为两年一次，以后每一年检验一次，其他车辆所用气瓶前两次检验为三年一次，以后两年检验一次。另外，根据标准规定，缠绕气瓶的使用寿命为设计寿命，钢瓶的使用寿命分两种情况：出租车用钢瓶为5年，其他车辆用钢瓶为10年，超出使用寿命的，按报废处理。 　　当出现以下意外情况应随时进行检验：①事故及气瓶或车辆着火，承受冲击、过热或确认被其它方式所损伤；②被化学品损伤；③气瓶超压或被货物、车辆所损伤；④其它异常情况，有天然气味（确认为非管道泄漏），不明原因的气体压力下降、异常声响、安装松动迹象；⑤库存或停用时间超过一个检验周期的气瓶，启用前应进行检验；⑥出现其它非正常情况。 　　6 结论 　　车载气瓶自身的特点决定了它有着太多的不确定性，这对监管工作带来了一定的难度。所以必须通过分析车载气瓶在各个环节可能存在的安全隐患，以此来预判风险，防止事故的发生，达到管理的目的。 　　参考文献： 　　[1]李自力，尚兴彬，唐建峰，刘杨，李盈.非标况下可燃混合气爆炸极限确定方法研究[J].天然气化工（C1化学与化工），2013（04）. 　　[2]工业产品生产许可证发证检验管理规定[J].中国质量技术监督，2011（04）. 　　[3]唐志山.特种设备监督检验管理系统的开发与实现[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2011（04）.
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