壓縮天然氣(CNG)加氣站安全措施研究
浙江海洋學(xué)院安全工程專業(yè) 李達(dá)
[摘要] 介紹壓縮天然氣(CNG)加氣站的主要設(shè)備構(gòu)成，并對其進(jìn)行了危險性分析。統(tǒng)計了主要事故類型，并對加氣站的火災(zāi)、爆炸事故通過事故樹分析法做了簡單分析。從總體布局；安全監(jiān)控；安全保護(hù)裝置；靜電、電火花、雷電的預(yù)防；人員的管理與制度這5個方面提出預(yù)防措施。
[關(guān)鍵詞] 壓縮天然氣;危險性分析;事故樹分析法;預(yù)防措施
1.前言
近年來，天然氣在世界范圍內(nèi)的市場不斷增大。據(jù)統(tǒng)計，全國CNG加氣站已經(jīng)從2012年底的2400座左右，增長至2013年六月底的3000座左右。除去中國外，美國、阿根廷、巴西、巴基斯坦近年來也大力發(fā)展天然氣能源，這些國家的加氣站數(shù)量也達(dá)到了1000座以上，特別是巴基斯坦，其天然氣加氣站到2013年6月底已達(dá)2997座。發(fā)達(dá)國家和天然氣出產(chǎn)國是天然氣的主要市場，包括美國，歐洲，墨西哥和一些拉美國家，天然氣的使用率在近幾年大幅增加，天然氣加氣站的數(shù)量也隨之增大。伴隨著天然氣汽車的使用范圍不斷擴(kuò)大，加氣站的數(shù)量大幅增加，加氣站的安全問題也成為了安全工作者的主要研究方向之一。天然氣加氣站事故不僅發(fā)生的頻率高，而且一旦發(fā)生，一般伴隨著設(shè)備報廢，人員傷亡，其損失往往較大。自科技部的“十五”清潔汽車技術(shù)研究項目開展以來，對全國范圍內(nèi)68個天然氣加氣站進(jìn)行了重點抽樣調(diào)查，發(fā)現(xiàn)僅三、四年間其中的35個加氣站共發(fā)生了101起事故，而這只是中國眾多加氣站事故的冰山一角。由此可見加氣站的安全問題已達(dá)刻不容緩的地步。本文將根據(jù)近幾年天然氣加氣站的事故統(tǒng)計，結(jié)合事故樹分析的手段，從加氣站的安全技術(shù)角度展開研究，并提出相應(yīng)的應(yīng)對策略。
2.壓縮天然氣(CNG)加氣站設(shè)備構(gòu)成及危險性分析
CNG加氣站的主要設(shè)備包括：調(diào)壓計量裝置、凈化干燥裝置、壓縮裝置、儲氣裝置、充氣優(yōu)先級控制盤、售氣機(jī)。
加氣站的工藝流程為：經(jīng)管道輸送至加氣站的天然氣先進(jìn)入調(diào)壓計量系統(tǒng)和凈化干燥系統(tǒng)進(jìn)行氣體預(yù)處理，再經(jīng)過壓縮機(jī)組使氣體的壓力達(dá)到25 MPa ，然后進(jìn)入儲氣系統(tǒng)，最后由售氣機(jī)將壓縮天然氣加入車輛儲氣瓶。
2.1.調(diào)壓計量裝置
調(diào)壓計量裝置主要包括：過濾器、調(diào)壓器、流量計、壓力表、旁通閥，以及主閥門等。其主要作用是使輸入的天然氣的壓力保持穩(wěn)定，并滿足壓縮機(jī)組對與入口壓力的要求。并對輸入加氣站的天然氣量進(jìn)行計量。
因為進(jìn)入調(diào)壓計量系統(tǒng)的天然氣氣壓不高，除去泄露、電火花等因素，其本身是一個不容易發(fā)生事故的系統(tǒng)，但由于這是加氣站工藝的第一階段，如果氣體處理不當(dāng)，出口氣體壓力、流速、流量不符合規(guī)定，則會對后續(xù)的工藝流程和設(shè)備造成一定的損害，導(dǎo)致之后的脫水脫硫，壓縮等工藝的事故發(fā)生概率增大。
2.2.凈化干燥裝置
凈化干燥裝置的主要作用是將從調(diào)壓計量系統(tǒng)處來的天然氣，送入脫硫塔與吸附器，進(jìn)行脫硫脫水處理，使得進(jìn)入壓縮裝置的天然氣的硫化氫和水含量達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
由于輸送到CNG加氣站的原料氣一般硫含量較低，硫含量在10-200mg/m3之間，少數(shù)氣井出來的原料氣也不超過1000mg/m3，但仍然沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)美國工程師協(xié)會NACE對硫化氫濃度所做的規(guī)定，硫化氫分壓P≤3.5×10-4MPa，即硫化氫含量小于20mg/m3。否則，在高壓容器內(nèi)可能會發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂，對設(shè)備造成損害，甚至引起爆炸。
在儲存過程中，在最高儲存壓力下氣體水露點應(yīng)在當(dāng)?shù)刈畹铜h(huán)境溫度以下，如果達(dá)不到該要求，則CNG可能會析出液態(tài)水，液態(tài)水的存在會嚴(yán)重危害加氣站的安全。同時影響加氣站正常工作，嚴(yán)重時加氣站將無法運行。原因有以下幾點：
(1) 液態(tài)水的存在加強(qiáng)了酸性組分(H2S、CO2)對壓力容器及管道的腐蝕，并可能發(fā)生硫化氫應(yīng)力腐蝕開裂及二氧化碳腐蝕開裂，使設(shè)備無法運行甚至發(fā)生爆炸。
(2) CNG 汽車的充氣溫度達(dá)70℃以上，析出的液態(tài)水會在管道和閥門處產(chǎn)生冰堵，使充氣無法進(jìn)行。
(3) 在高壓狀態(tài)下，液態(tài)水的存在會使CNG在儲氣裝置中生成水化物，水化物會堵塞管道和閥門，使設(shè)備無法正常運行。
2.3.壓縮裝置
壓縮系統(tǒng)是CNG加氣站的核心部分，原料天然氣經(jīng)過脫硫脫水處理后，進(jìn)入壓縮系統(tǒng)，使其壓力達(dá)到25MPa，再進(jìn)入儲氣系統(tǒng)儲存。
壓縮系統(tǒng)在運行時長時間處于高壓狀態(tài)，加上設(shè)備老化、操作失誤等問題，極易發(fā)生故障。有些故障如：安全閥失靈、測量儀表故障等一旦發(fā)生，會導(dǎo)致重大事故。
由于天然氣在進(jìn)行壓縮時，處于高熱、高壓狀態(tài)，所以很容易發(fā)生天然氣泄露，此時如果閥門、管道密閉性不夠好，泄露出來的氣體一旦遇到引火源就會發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，造成巨大的損失。
2.4.儲氣裝置
壓縮天然氣的儲存方式目前有三種形式，分別是瓶儲式、罐儲式和井儲式。
(1) 瓶儲式儲氣：該儲氣方式由于輸氣管線錯綜復(fù)雜，保養(yǎng)維護(hù)困難，從實際情況看，這種儲氣方式已經(jīng)被逐步淘汰。
(2) 罐儲式儲氣：罐儲式儲氣是我國主要采用的儲氣方式之一，該儲氣方式管線連接少，不容易發(fā)生氣體泄漏，系安全性能相對較高。但是作為壓力容器，輸送和存儲過程均屬于高壓狀態(tài)，不排除設(shè)備老化、閥門管線故障等原因致使天然氣外泄，造成火災(zāi)、爆炸事故。而且該種儲氣方式一旦發(fā)生爆炸事故，由于其沖擊波輻射范圍、強(qiáng)度較大，造成的后果極為嚴(yán)重。
(3) 井儲式儲氣：井儲式儲氣較前二者而言是一種較為新型的儲氣方式，也正因如此，井儲技術(shù)也相對不完善。雖然此種儲氣方式具安全牢固，維護(hù)簡單，占地面積小等優(yōu)點，但由于磨損、腐蝕、老化等原因，還是會導(dǎo)致事故發(fā)生。儲氣井事故主要包括泄露、井管爆裂、筒體嚴(yán)重浮動三種，一旦發(fā)生，后果極為嚴(yán)重。
無論哪種儲存系統(tǒng)，其內(nèi)部壓力都在25-30MPa之間，都屬于高壓容器。因此儲氣設(shè)備的質(zhì)量就顯得非常重要。儲氣設(shè)施基本都是鋼制材料由于受腐蝕或存在先天性缺陷，如制造工藝不能滿足規(guī)定的技術(shù)要求，加之維修保養(yǎng)不善，安全管理措施不落實等因素，極易造成儲氣設(shè)施零部件損壞，發(fā)生天然氣泄漏，引起火災(zāi)和爆炸事故。
2.5.售氣系統(tǒng)
售氣系統(tǒng)主要包括高壓管線、閥門、加氣槍、計量、計價及控制部分。CNG從儲氣系統(tǒng)出來經(jīng)售氣機(jī)給CNG汽車加氣。
售氣系統(tǒng)因為直接對外關(guān)聯(lián)，是發(fā)生事故最頻繁的系統(tǒng)，很多細(xì)節(jié)都會引發(fā)事故。如閥門損壞漏氣、接地線斷裂等。除此之外，違章操作也會造成事故，例如工作人員穿化纖服，乘客在加氣過程中未熄火，吸煙等都會導(dǎo)致事故的發(fā)生。
3.加氣站事故分析
3.1.加氣站事故類型
從近年來的近年加氣站事故統(tǒng)計可以看出, 在加氣站各部分中, 安全事故集中在售氣系統(tǒng)和高壓儲氣系統(tǒng), 其次是CNG 壓縮系統(tǒng), 共占事故總數(shù)的90%。如圖1所示 。
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加氣站事故故障位置統(tǒng)計 圖1
在CNG 加氣站事故中, 后果比較嚴(yán)重的事故類型是爆炸、燃燒, 其次是儲氣井套管沖出、售氣機(jī)相關(guān)部件報廢、壓縮機(jī)震動報廢、壓縮機(jī)冰堵、高壓管線腐蝕報廢等, 如圖2所示 。
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加氣站事故類型統(tǒng)計 圖2
3.2.加氣站火災(zāi)、爆炸事故分析
對于加氣站來說，火災(zāi)、爆炸是后果最為嚴(yán)重的事故類型，事故一旦發(fā)生，不僅會使設(shè)備報廢，嚴(yán)重時還會造成大范圍的人員傷亡，事故損失更是不可估量。而加氣站容易發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故的主要原因有以下幾點：
1. 天然氣本身危險性大
天然氣的主要成分甲烷屬于一級可燃?xì)怏w，甲類火災(zāi)危險性，爆炸極限為5%-15%(體積分?jǐn)?shù))，最小點火能量僅為0.28mJ，燃燒速度快，燃燒熱值高，極易燃燒、爆炸，并且擴(kuò)散能力極強(qiáng)，一旦發(fā)生火災(zāi)施救難度大。
2. 容易發(fā)生泄漏事故
加氣站內(nèi)工藝過程一般處于高壓狀態(tài)，容易造成氣體泄漏，管道焊縫、干燥器、閥門、法蘭、管道、壓縮機(jī)等都可能發(fā)生泄漏事故；當(dāng)天然氣管道斷裂或加氣車輛失控而撞毀站內(nèi)設(shè)備時會引發(fā)天然氣大量泄漏。一旦遇到引火源，就會發(fā)生火災(zāi)和爆炸。
3. 高壓工藝過程極具危險性
加氣站工藝過程要求壓縮機(jī)必須加壓至25MPa以上，才能將天然氣充裝到儲存裝置中。若儲存設(shè)備或者壓縮裝置不能滿足該標(biāo)準(zhǔn)，稍有疏忽，便會發(fā)生爆炸或火災(zāi)。高壓過程容易發(fā)生超壓事故，一旦工作壓力超過站內(nèi)設(shè)備的強(qiáng)度極限，就會發(fā)生爆炸或局部炸裂。
4. 天然氣氣質(zhì)問題引發(fā)危險
如果天然氣中的存在未脫凈水，鋼瓶積水中的硫化氫便會引起鋼瓶腐蝕。硫化氫水溶液在高壓狀態(tài)下對鋼瓶或容器的腐蝕速度比在相對低壓的天然氣管道中要快得多。其次，壓縮天然氣中在高溫下析出析出的液態(tài)水則會在閥門、法蘭等部位產(chǎn)生冰堵，使得設(shè)備無法運行。
5. 多種引火源的存在
商業(yè)性的CNG加氣站絕大多數(shù)建立在交通干道一側(cè)，周圍的環(huán)境比較復(fù)雜，受到外部點火源的影響較大，如頻繁出入的車輛，煙火、打火機(jī)火焰、手機(jī)通電時產(chǎn)生的電火花、撞擊火花、化纖服裝摩擦產(chǎn)生的靜電火花、雷擊等，均可成為加氣站火災(zāi)的點火源。操作中也存在多種引火源，設(shè)備運行過程中充斥著電氣火花；天然氣在管道中高速流動，易產(chǎn)生靜電火源；操作時容易造成摩擦、撞擊火花等。
6. 工作人員安全培訓(xùn)存在問題
近年來，隨著天然氣行業(yè)的發(fā)展，一些不規(guī)范的中小型加氣站常常會忽視對工作人員的培訓(xùn)。部分加氣站的工作人員在不熟悉CNG技術(shù)和未經(jīng)過培訓(xùn)的情況下就上崗，容易出現(xiàn)違反安全操作規(guī)程的現(xiàn)象。有些對安全知識特別是消防知識了解不全面，不能及時發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患，沒有處理突發(fā)事故的能力。
加氣站火災(zāi)、爆炸事故發(fā)生的原因多樣復(fù)雜，圖3是加氣站火災(zāi)爆炸事故樹。
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加氣站火災(zāi)爆炸事故樹圖3
通過最小割集、最小徑集及基本事件重要度分析，可以發(fā)現(xiàn)安全閥失效與報警器失效是造成事故的最重要因素，只要對安全閥與報警器這二者進(jìn)行定期檢查維護(hù)，就能最大程度上的預(yù)防事故的發(fā)生。
4.加氣站事故預(yù)防措施
4.1.總體布局
CNG 加氣站的布局應(yīng)充分從安全的角度出發(fā)，站內(nèi)壓縮裝置和儲氣系統(tǒng)與周圍建筑的防火間距, 應(yīng)嚴(yán)格按照GB50156-2012《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》。加氣站內(nèi)的平面布置應(yīng)按照《建筑設(shè)計防火規(guī)范》與《城市燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范》, 除了儲氣系統(tǒng)、生產(chǎn)建筑和一些輔助設(shè)施以外,不應(yīng)再設(shè)置其他建筑物。加氣站的生產(chǎn)區(qū)域和辦公區(qū)域應(yīng)分開建設(shè)。加氣站內(nèi)的儲氣系統(tǒng)、壓縮機(jī)組、調(diào)壓計量裝置、售氣機(jī)等必須設(shè)置明顯的分隔線,并符合相關(guān)規(guī)范的規(guī)定。加氣站適宜建設(shè)在工廠和居民區(qū)全年最小頻率風(fēng)向的上風(fēng)側(cè)，并選擇在通風(fēng)良好的地點，選址應(yīng)盡量遠(yuǎn)離學(xué)校、醫(yī)院、商場及文物保護(hù)區(qū)等人口稠密地帶及重要設(shè)施。
4.2.安全監(jiān)控
根據(jù)上文得出的結(jié)論，安全監(jiān)控系統(tǒng)是加氣站事故預(yù)防著重要的因素之一。監(jiān)控內(nèi)容主要包括：1、安全參數(shù)監(jiān)控，指的是對溫度、壓力、可燃?xì)怏w濃度、接地電阻、天然氣中的硫化氫與水含量的監(jiān)控。2、視頻監(jiān)控，主要包括對加氣站進(jìn)出口人員車輛的監(jiān)控與對站內(nèi)設(shè)備如壓縮機(jī)組、儲氣系統(tǒng)等的現(xiàn)場監(jiān)控。
按照國家構(gòu)建重大危險源四級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及國家安全生產(chǎn)信息化建設(shè)的要求, 加氣站安全監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)采取“監(jiān)控中心級基于WEB(Internet或?qū)＞W(wǎng))的B/S 架構(gòu), 底層加氣站現(xiàn)場級基于C/S 架構(gòu)”。系統(tǒng)的安裝與設(shè)置應(yīng)按照《加油加氣站視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)要求》實行。加氣站必須制定安全監(jiān)控管理制度，站內(nèi)工作人員必須嚴(yán)格執(zhí)行，從源頭上預(yù)防事故發(fā)生，以保證加氣站安全運行。
4.3.安全保護(hù)裝置
加氣站內(nèi)應(yīng)設(shè)置安全保護(hù)裝置，并必須嚴(yán)格按照GB50156-2012《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》中的要求進(jìn)行設(shè)計。如：天然氣進(jìn)站管道應(yīng)設(shè)緊急手動截斷閥,一旦發(fā)生事故,自動控制系統(tǒng)失靈,操作人員手動關(guān)閉截斷閥,切斷天然氣來源,以防事故擴(kuò)大。儲氣裝置進(jìn)氣管上應(yīng)設(shè)安全閥、緊急放散管、壓力表和超壓報警器。每個儲氣裝置出口應(yīng)設(shè)截止閥,用來保證儲氣裝置的安全或者當(dāng)發(fā)生事故時可以及時切斷氣源。對嚴(yán)寒區(qū)域的室外管道,其選材應(yīng)考慮環(huán)境溫度的影響。由于天然氣內(nèi)含有硫化氫、二氧化碳等腐蝕性介質(zhì),因此加氣站內(nèi)與壓縮天然氣接觸的所有設(shè)備、管道、閥門、法蘭、墊片等材質(zhì)應(yīng)選取抗腐蝕材料。地下管道防腐蝕設(shè)計應(yīng)采用最高級別的防腐措施。加氣機(jī)應(yīng)該設(shè)置限壓裝置，加氣機(jī)的進(jìn)氣管道上應(yīng)設(shè)置自動切斷閥。不同壓力級別的放散管應(yīng)該分開設(shè)置,放散管管口必須高出設(shè)備平臺2m以上,并且高出所在地面5m以上。儲氣設(shè)施與站內(nèi)汽車通道相鄰一側(cè),應(yīng)設(shè)置安全防撞攔或其它防撞措施,防止汽車因失控而撞上儲氣設(shè)施造成事故。
4.4.靜電、雷擊、電火花的預(yù)防
加氣站防雷、防靜電接地的設(shè)計；電氣設(shè)備的安裝；電力線路敷設(shè)應(yīng)按照GB-50156《加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》和GB-50058《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定。加氣站的防雷接地、防靜電接地、電氣設(shè)備的工作接地、保護(hù)接地及信息系統(tǒng)的接地等，宜共用一個接地裝置,其電阻值應(yīng)按照其中最小的電阻值進(jìn)行確定。當(dāng)各自單獨設(shè)置接地裝置時,儲氣瓶組的防雷接地裝置的接地電阻、配線電纜金屬外皮兩端和保護(hù)鋼管兩端的接地裝置的接地電阻不應(yīng)大于10Ω；電氣系統(tǒng)的接地電阻不應(yīng)大于4Ω；CNG管道始、末端和分支處接地裝置的接地電阻不應(yīng)大于30Ω。防靜電接地裝置的接地電阻不應(yīng)大于100Ω。加氣站的天然氣運轉(zhuǎn)車接卸氣時，應(yīng)設(shè)運轉(zhuǎn)車車時用的防靜電接地裝置，并宜設(shè)置能檢測跨接線及監(jiān)視接地裝置狀態(tài)的靜電接地儀。在爆炸危險區(qū)域內(nèi)的天然氣管道上的法蘭及膠管兩端接處采用金屬線跨接,防止法蘭和膠管兩端連接點由于接觸不良而發(fā)生靜電或電火花。加氣站的站房和罩棚一般采用較經(jīng)濟(jì)的避雷帶(網(wǎng))保護(hù)。加氣站建筑物作環(huán)形接地裝置后，所有進(jìn)出環(huán)形接地裝置的金屬管道。電纜金屬外皮，導(dǎo)線保護(hù)管，均應(yīng)在與環(huán)形接地裝置交叉處相連。防止雷電反擊火花及維護(hù)操作人員產(chǎn)生電擊，保護(hù)設(shè)備及人身安全。相鄰的金屬導(dǎo)體及設(shè)備應(yīng)用導(dǎo)電體跨接。配電系統(tǒng)安裝的智能配電系統(tǒng)（SPD)要符合防雷類別要求，并注意外露的電器設(shè)備不能過于突出，金屬支架必須接地，電源線路應(yīng)屏蔽接地保護(hù)，并在開關(guān)處安裝過電壓保護(hù)裝置，同時關(guān)注信息系統(tǒng)雷電的防護(hù)。
4.5.人員管理與制度
做好加氣站的安全管理工作，確保加氣站經(jīng)營活動的正常開展，只注重設(shè)備的配置是不夠的，還必須根據(jù)加氣站的特點，結(jié)合石化行業(yè)的有關(guān)規(guī)定，制訂一套切實可行的安全管理辦法和各項操作規(guī)程，并落實到崗、到人，嚴(yán)格執(zhí)行，以有效地預(yù)防、控制和消除事故的發(fā)生。加氣站安全管理應(yīng)注意以下幾點：
一、根據(jù)加氣站實際，科學(xué)合理地制訂適應(yīng)加氣站的各崗位工作制度和操作規(guī)程，并強(qiáng)化員工的安全教育，包括氣體燃料知識的學(xué)習(xí)，樹立安全觀念，增強(qiáng)安全意識。
二、強(qiáng)化明火管理制度，嚴(yán)防火種進(jìn)入。
三、制定明確規(guī)范的接卸氣、加氣操作規(guī)程及管理制度，并嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行接卸氣、加氣作業(yè)。
四、應(yīng)制訂完善的應(yīng)急預(yù)案，以保證在事故發(fā)生時能有應(yīng)對措施，并能進(jìn)行簡單的預(yù)處理，使事故損失降到最低。
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來自：《安全生產(chǎn)》2014年第1期