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--1CNG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2000-4000L2000L/井

2单组布置数量80-230瓶3-6罐3-8井

3容器水容积(m3)6-126-126-12

4标准储气量（Nm3）1500-30001500-30001500-3000

5占地面积（m3）306010

6建设投资概算(万元/站)66.094.096.5

7检验维护费(万元/年)1.250.75——

8四川省2001年12月31日截止分类统计数(站)196836

1.2CH4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--2CH4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%5.013分子量——16.04

2爆炸浓度上限%15.014凝固点℃-183.2

3化学计量浓度%9.4615熔点℃-182.5

4最大爆压浓度%9.816沸点℃-161.5

5最大爆炸压力MPa0.71717闪点℃-190

6最小引爆能量Mj0.2818自燃点℃540

7最小报警浓度

(LEL下限1/3)%≤1.719气体密度（空气）G/10.55

8燃烧热值Kcal/m3950020液体密度（水）-164℃0.42

9燃烧温度℃183021临界温度℃-82.6

10燃烧空气量m3/m39.5222临界压力MPa4.58

11燃烧热Kj/mol889.523CH4中的H2S允许浓度（民用）

mg/m3≯20

12气化热Kj/mol122.024CH4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)；

V--CH4压缩容器体积(Nm3)；

Cg--CH4爆炸能量系数(Kgf.m/m3)

注：当CH4处于15～32MPa时，爆炸能量系数为2.88～6.48×106。

2.2冲击波超压(△P)产生的危害。

由于压力容器爆炸的气体压力变动范围较大，系统试验数据又比较缺乏，加之冲击波超压△P与爆炸能释放的时间等因素有关，使测定和计算爆炸产生的△P较为困难，目前一般采用与等当量TNT比较的方法或模拟比的方法，将其相应结果代入Ug=CgV公式后，再计算确定压力容器的冲击波超压(△P)值。

储气瓶和储气罐两类装置无论发生化学爆炸或物理爆炸，都将产生立体冲击波，这种冲击波阵面上的不同超压△P，对建筑物、构筑物和人体可造成不同程度的危害和伤害。表-3是不同超压力作用在建筑物或人体时所产生的破坏与危害特征。

表--3不同冲击波超压对人体或建(构)筑物的损害情况

序号超压(△P，kpa)建筑物破坏情况人体伤害情况

15.0-6.0门窗玻璃部分破碎无伤害（安全）

26.0-10受压面的门窗玻璃大部分破碎

315-20窗框损坏

420-30墙裂缝轻微损伤

540-50墙大裂缝，屋瓦掉下损伤听觉或骨折

660-70木建筑厂房柱折断，房梁松动内脏器官严重损伤或死亡

770-100砖墙倒塌

8100-200防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌大多数人员死亡

9200-300大型钢筋结构破坏死亡

1995年，川东某CNG加气站，因钢瓶质量和H2S处理不净引发的爆炸事故，将一钢瓶炸飞50m以远，并引起钢瓶库的15支钢瓶发生喷射燃烧，焰柱高达20余米。这起典型的加气站火爆事故，集中反映了火灾、化学及物理爆炸所产生的冲击波超压的严重危害性。

3、储气装置的安全选择与评价

3.1储气装置的安全状况及设置要求比较。

储气瓶、储气罐和储气井三类装置的安全状况以及设置要求是各不相同的，通过对二级CNG加气站的试验研究和比较结果表明，储气井装置的安全可靠性优于储气瓶和储气罐。现列表拟作如下比较：

表--4不同储气装置的安全状况及设置要求比较

序号比较项目储气瓶储气罐储气井

1爆炸冲击波强度(地面)较强强弱

2爆炸冲击波放射方向立体(球状)立体(球状)上端(顶部)

3防爆构造设置防爆墙防爆墙不设置

4管道设置数量(根)1866

5阀件设置数量(处)1411212

6输气系统阻力较大较小一般

7防腐处理操作较难较易较易

8运行循环疲劳次数(次)90001200019000

990年代100站事故率(%)2.01.00

3.2防火间距减少量的比较。

使用储气井装置，具有减少防火间距的实际意义，以CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》中的二级站为例，表-5的研究试验数据表明了储气井与储气瓶、储气罐装置相比较的防火间距减少量。

表--5储气井装置与储气瓶(罐)防火间距减少量的比较

序号项目储气罐(瓶)储气井间距减少量减少率(%)

1明火及散发火花地点2518728

2二类民用建筑保护物2015525

3甲、乙类储罐或堆场2518728

4室外变电站2518728

5高速公路128433.3

6架空电力线1.5倍杆高1倍杆高0.533.3

7铁路3024620

3.3占地面积和冲击波减少量的比较。

储气井装置的占地面积与储气瓶或储气罐相比，减少量更多。由表-1第5项比较得知：二级加气站储气瓶、储气罐、储气井装置的占地面积分别为30m2，60m2和10m2，储气井比前两类装置的占地面积减少3-6倍，在城市建设用地和土地资源十分紧缺的情况下，选择井储装置具有更大的实际价值和积极意义。

由于储气井事故状态下的地面冲击波放射方向主要集中在井口上端顶部，地面平行方向几乎完全不会受到波面影响，与储气瓶和储气罐爆炸冲击波的立体全方位放射比较，冲击波危害会大大降低，从而显著提高了这种井储装置的安全可靠性。此外，在经济性方面的比较，虽然储气井比瓶装置在初期建设成本上高出1/3的费用，但在后期运行的维护成本费上将大为减少。

3.4评价结论和相关建议。

通过对以上安全状况及相关项目的分析研究和讨论，笔者以为，从消防安全和社会公共安全角度综合考虑，储气井与储气瓶和储气罐相比，具有"四种减少"的明显优势，即：

①减少冲击波危害；

②减少防火间距；

③减少占地面积；

④减少隔爆墙设置。

因此，对加气站CNG储气装置安全评价的结论意见是：储气井最佳；储气罐次之；储气瓶再次之。针对以上评价与选择，拟提如下相关建议：

首先，四川始建于80年代末，90年代初的CNG加气站约占总数的1/5，且多数为钢瓶组储气，由于早期尚无统一标准、规范，设计不尽合理，有的储气装置与设备现已老化陈旧，并接近或达到安全使用期限。因此建议陆续淘汰80L以下的钢瓶组储气装置，对已使用10年以上的瓶储加气站，有计划地列入技术改造，使之逐步更新为储气井，以减少或避免事故的发生。

第二，进一步加大对CNG储气装置尤其是井储安全及先进技术的课题研究力度和资金投入，不断提高储气效率和自动化管理水平。

第三，借助加入WTO的有利时机，建立与美国等燃气汽车发达国家之间的储气技术交流与合作，逐步将我国成熟的储气井技术推向国际市场。

第四，政府行政及技术主管部门，应尽快制定出台相关的管理法规和"翅"(国标)标准，在CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》的基础上，增加储气井专篇内容，并作重点阐述和提出相关要求。

4、储气装置的事故防范与处置技术

4.1事故防范措施及要求。

首先，在安全设计和安全工艺方面，各种储气规模的CNG加气站，必须选择具有甲级资质的专业设计单位承担工程设计任务，并把储气装置作为加气站的设计重点。在"GB"标准尚未出台之前，应以CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》作为设计依据，暂缓执行"DB"(地方标准)和其它部颁标准。初步设计方案应由政府CNG管理部门组织有关专家评审并报主管部门审批后方可进入工程施工建设程序。实践证明，把好工程设计源头关，是控制事故的关键环节。

第二，要把预防CNG加气站火灾爆炸事故的具体消防技术措施作为重点，其内容主要包括：①站、址选点布局；②建筑消防措施(安全距离、耐火等级、建筑构造、通风排气、建筑防爆等)；③电气消防措施(电气运行设备选择和安全控制、电气防爆、自动报警装置、防静电、防雷等)；④消防给水的类型和容量以及常规消防器材的配置等。消防监督部门应当依据有关技术规范和规定，严格履行消防建审监督审批，依法建站，是预防事故的重要环节。

第三，为了确保CNG加气站储气装置的长期、安全、稳定运行，在生产工艺技术上，必须严格把好"三脱"(脱硫、脱水、脱烃)关，有利于从源头上控制和减少储气设备遭受腐蚀侵害和事故危害，是避免事故的有效环节。

4.2安全操作与安全管理。

加气站的CH4处理系统、压缩系统、设备控制系统和售气系统，都是支持储气装置稳定运行的附属设备，这些岗位具有较高的技术含量，操作人员必须进行岗前专业技能和安全培训，做到懂得本岗位的消防措施，掌握本岗位的操作步骤，明确本岗位的安全职责，知道加气站燃爆事故的应急处置方法和对策。在消防安全管理方面，加气站是理所当然的消防安全重点单位，必须认真落实各级消防安全责任制，建立健全全员义务消防组织以及制定应急事故处理预案等。

4.3火灾爆炸事故处置要点。

加气站一旦发生火灾、爆炸或非火灾爆炸的泄漏事故，绝不可惊慌失措，一定要沉着冷静并迅速正确地予以处置，全力将事故控制在萌芽阶段，以最大限度地减少经济损失和人员伤亡，其处置要点主要是：

①要明确各自的分工职责。站长或值班长负责事故处置分工和指令下达；机房操作工和维修工负责截断气源，包括关闭总进气阀和储气装置的进出气阀；电工负责截断电源；加气工、门卫或其余人员负责灭火、报警和警卫等。

②要采取正确得当的措施。CNG加气站多数事故最终都会导致火灾发生，在消防警力尚未到达之前，要充分利用加气站站区设置的各种水源(水对扑灭CH4火灾非常有效)及常规消防器材，竭尽全力阻止初期火灾扩大蔓延。如果储气瓶、储气罐或输气管道发生破裂爆炸，必须果断关阀断气。此外，由于CNG储气装置压力很高，加之气体又轻于空气很容易扩散，因此一般不易采取类似LPG(液化石油气)储存容器的堵漏方法，否则将事倍功半。

③要控制爆炸混合物形成及消防水浸入CH4管道。当泄漏事故发生时，通常采用雾状水稀释泄散的CH4，是防止爆炸混合物形成的有效方法。但要注意尽可能避免这些消防水浸入未受损的CH4管网和设备内部，以防止与CH4中的H4S结合生成氢硫酸而缓慢腐蚀这些管道及设备。

④要控制可能引发的一切着火能源。事故发生时，已属于非正常情况，在一定范围内，必须严格控制所有可能引起火灾或爆炸的点火能源，如正常运行的电气设备和电气开关，生活用火及明火，金属撞击火花，静电火花以及处于工作状态的手机、BP机产生的火花等。

⑤要合理控的安全警戒范围。为防止或最大限度地减少冲击波或火灾对人身对财产安全的危害，应根据加气站的储气规模和CH4的爆炸极限以及冲击波超城市的作用区域和有效半径等现场客观条件，大致确定一个比较安全的警戒范围，并配合公安交警、巡警等专门力量布控，以阻止或严禁无关人员进入警戒区。通过测算，各种规模加气站的事故警戒半径如表-6所示：

表-6不同规模加气站事故警戒区半径

CNG加气站规模一级站二级站三级站

常规储气量(Nm3)3000-40001500-3000<1500

警戒区半径(m)>100>80>60

5、结束语

综上所述，对CNG储气装置安全技术规律及相互关系的认识研究和探讨，是为了更科学、更安全、更合理、更规范地驾驭CNG特殊易燃易爆场所的操作和管理，使其在政府倡导发展的同时，更有利于CNG新兴技术产业的健康、可持续发展和我国能源结构的调整。CNG加气站储气装置的最佳选择，必须将安全可靠性放在首位，然后综合考虑其它因素。尤其在我国城市人口密度大、工业制造技术还不十分先进、管理水平还不太高、公民安全素养及法律意识还比较淡薄的情况下，对此类重点场所的事故防范，首先必须是积极预防，坚决避免事故的发生，再才是尤一发生火灾爆炸事故，必须能够迅速处置和有效控制。