撬裝式民用壓縮天然氣加氣裝置安全性分析①

范劍明, 李艷斌, 武新崗, 馬桂香, 王 鑫

(1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院,鄂爾多斯 康巴什 017010;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020 3.內(nèi)蒙古中科聯(lián)合工程技術(shù)有限責(zé)任公司,鄂爾多斯市 康巴什 017010)

0 引 言

我國(guó)居民用燃?xì)庵饕猿鞘泄艿罋夤?yīng)為主，目前城市內(nèi)老舊小區(qū)和周邊居住較為分散的郊區(qū)和偏遠(yuǎn)農(nóng)村管道氣普及量還很低，市政燃?xì)夤芫W(wǎng)受建設(shè)投資制約，當(dāng)前經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平?jīng)Q定短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大范圍的村村通、戶(hù)戶(hù)通面臨諸多難題。發(fā)展適合城郊和偏遠(yuǎn)鄉(xiāng)村使用的清潔燃料分布式供應(yīng)技術(shù)，具有廣闊的市場(chǎng)空間和重要的現(xiàn)實(shí)意義。天然氣加氣站在汽車(chē)燃料氣領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，但該類(lèi)型氣站屬于永久氣站，具有建設(shè)周期長(zhǎng)和固定資產(chǎn)投資較高的特點(diǎn)，受用戶(hù)量制約，因此借鑒傳統(tǒng)汽車(chē)加氣站發(fā)展民用罐裝天然氣不是理想選擇。開(kāi)發(fā)搬運(yùn)靈活、占地面積小、建設(shè)投資低的罐裝民用天然氣供應(yīng)裝置成為燃?xì)庑袠I(yè)新的研究方向[1]。

1 裝置介紹

撬裝式民用壓縮天然氣加氣裝置，是集成式天然氣加氣系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“撬裝民用加氣裝置”)，主要服務(wù)于居民生活用氣，提供民用氣瓶充裝，以民用罐裝式壓縮天然氣點(diǎn)供形式進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)，為用戶(hù)提供清潔環(huán)保、成本低廉的天然氣新能源。

撬裝民用加氣裝置整體設(shè)計(jì)借鑒較為成熟的撬裝式LNG加氣站設(shè)計(jì)思路，將儲(chǔ)存設(shè)備、加氣機(jī)、控制系統(tǒng)等安裝在一個(gè)撬塊上，具體由撬體、CNG儲(chǔ)氣瓶、油箱裝置、液壓油路系統(tǒng)、高壓氣路系統(tǒng)、加氣機(jī)、外箱體、防爆電器儀表系統(tǒng)、配電柜、安全報(bào)警系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、儀表風(fēng)等多個(gè)系統(tǒng)組成。裝置具有不依賴(lài)天然氣管網(wǎng)、占地少、投資小、建站周期短、易操作、易于搬遷,機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，可以在較短的時(shí)間內(nèi)以較少的投資迅速形成加氣網(wǎng)絡(luò)，采用分布式供給形式實(shí)現(xiàn)民用灌裝天然氣快速普及應(yīng)用。

依托撬裝民用加氣裝置進(jìn)行民用罐裝天然氣生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 民用罐裝天然氣生產(chǎn)工藝流程示意圖

2 裝置設(shè)計(jì)

2.1 加氣工藝

撬裝民用加氣裝置所需天然氣由來(lái)自母站的CNG氣瓶管束車(chē)通過(guò)卸車(chē)設(shè)施將天然氣卸至裝置內(nèi)置瓶組中，當(dāng)加氣機(jī)與用戶(hù)儲(chǔ)罐連通后，瓶組開(kāi)始依靠自身貯氣壓力為儲(chǔ)罐快速充氣，如果壓力不足，則開(kāi)啟泵系統(tǒng)增壓，3～5min即可完成一次充裝。為了確保罐裝安全，在罐裝前要對(duì)每個(gè)儲(chǔ)罐進(jìn)行抽真空置換處理，采用泵對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行抽真空(由裝置內(nèi)置泵實(shí)現(xiàn))，使每個(gè)儲(chǔ)罐的真空度不小于 0.086MPa。

加氣工藝與CNG液壓子站相近，工藝技術(shù)成熟、可靠。整個(gè)裝置內(nèi)置放散阻火器，正常時(shí)起到平衡內(nèi)外壓力和防止著火引起事故。

2.2 儲(chǔ)氣瓶組

撬裝民用加氣裝置內(nèi)置8只儲(chǔ)氣瓶，每只氣瓶容積為2.25m3，總?cè)莘e累計(jì)為18m3。儲(chǔ)氣瓶組屬于III類(lèi)壓力容器，公稱(chēng)工作壓力為20MPa，工作溫度為-40～60℃，主體材料為30CrMoE/4130X。

儲(chǔ)氣瓶?jī)啥似靠诰庸?nèi)外螺紋，兩端外螺紋與安裝法蘭用螺紋連接，將安裝法蘭用螺栓固定在框架兩端的前后支撐板上，瓶口內(nèi)螺紋上端旋緊端塞，在端塞上連接管件，前端設(shè)有進(jìn)出氣管路、爆破片裝置及安全閥構(gòu)成安全倉(cāng)。后端設(shè)有進(jìn)出油管路、測(cè)壓儀表、快裝接頭以及爆破片裝置等構(gòu)成操作倉(cāng)，在操作倉(cāng)每個(gè)瓶口短塞上安裝爆破片+易熔合金的安全裝置及控制每支氣瓶油路進(jìn)出的氣動(dòng)球閥、手動(dòng)球閥及管路，各管路匯總至循環(huán)管路，循環(huán)管路通過(guò)PLC控制后與各氣瓶連接，同時(shí)在匯總管路設(shè)置壓力表；在操作倉(cāng)內(nèi)設(shè)氣路的進(jìn)氣塊體并連接快裝接頭，是外來(lái)運(yùn)輸車(chē)卸氣時(shí)的專(zhuān)用接口，進(jìn)氣塊頭上安裝有放散閥。

裝置內(nèi)置的壓力容器、設(shè)備及管道設(shè)計(jì)、制造、安裝和試壓等嚴(yán)格現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《壓力容器》(GB150.1～4-2011)、《壓力管道規(guī)范-工業(yè)管道》( GB/T 20801.1～6-2006)、《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》(TSGR1001-2008) 、《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》(TSGD0001-2009)、《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(TSG 21-2016)和《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50316-2000(2008版))中有關(guān)規(guī)定。

2.3 電儀系統(tǒng)

裝置采用PLC控制，通過(guò)觸摸屏進(jìn)行操作方式完成全過(guò)程。電氣系統(tǒng)全部采用防爆型設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)一次儀表采用隔爆型(ExdⅡBT4)，集中設(shè)置1個(gè)隔爆型控制柜，用于控制啟動(dòng)防爆電機(jī)、系統(tǒng)液壓泵壓力、氣動(dòng)閥門(mén)行器動(dòng)作、點(diǎn)式燃?xì)馓筋^報(bào)警器對(duì)設(shè)備泄露的檢測(cè)報(bào)警、防爆空壓機(jī)為控制系統(tǒng)提供氣動(dòng)動(dòng)力?？刂葡到y(tǒng)采用安全控制方案，設(shè)置有壓力連鎖、天然氣泄漏連鎖、油箱液位連鎖。

電儀設(shè)計(jì)嚴(yán)格執(zhí)行《爆炸危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50058-2014)相關(guān)要求，控制儀表選型符合《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3005-2016)或《自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》(HG/T20507-2014)的有關(guān)規(guī)定。

3 裝置安全性分析

3.1 危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)[5]

針對(duì)危險(xiǎn)性較大的撬裝民用加氣裝置進(jìn)行危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)，由物質(zhì)、容量、溫度、壓力和操作5個(gè)項(xiàng)目共同確定各評(píng)價(jià)子單元的危險(xiǎn)度，最后評(píng)價(jià)其危險(xiǎn)等級(jí)，危險(xiǎn)度分級(jí)見(jiàn)表1，評(píng)價(jià)過(guò)程見(jiàn)表2，結(jié)果為裝置危險(xiǎn)度為高度危險(xiǎn)，危險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ。

表1 危險(xiǎn)度分級(jí)

表2 危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)過(guò)程

3.2 爆炸燃燒事故危害分析

天然氣管道泄漏形成彌漫空間的云狀可燃性氣體混合物，燃燒后遇障礙物或受到局部約束，引起局部紊流使膨脹流加劇，可達(dá)層流燃燒的十幾倍乃至幾十倍，發(fā)生爆炸反應(yīng)[6]?；谏鲜鲂再|(zhì)進(jìn)行撬裝民用加氣裝置天然氣泄漏形成蒸氣云爆炸事故模型分析。

假設(shè)因高壓輸氣管道破裂造成泄漏(小孔流出方式)[7]，泄漏口為圓形。當(dāng)管內(nèi)介質(zhì)壓力較高時(shí)，孔口為臨界流泄漏，忽略風(fēng)況條件影響，氣體泄漏率的計(jì)算公式如下[7]:

(1)

式中：Q為氣體泄漏率，kg/s；CD為氣體泄漏系數(shù)，取1.0(裂口形狀為圓形)；A為裂口面積，m2；φ為孔口流速系數(shù)；P1為泄漏點(diǎn)管道內(nèi)介質(zhì)壓力，Pa；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；R為氣體常數(shù)，取8.315J/mol·K；T1為氣體泄露起點(diǎn)溫度，K；

將數(shù)據(jù)代入(1)式得出：

Q0=4.871×10-3kg/s

基于TNT當(dāng)量法，利用TNT爆炸的破壞作用代替蒸氣云爆炸的破壞作用，能較準(zhǔn)確方便地分析出爆炸的危害，TNT當(dāng)量的計(jì)算模型如下[8]:

(2)

式中：WTNT為蒸氣云的TNT當(dāng)量，kg；λ為蒸氣云的TNT當(dāng)量系數(shù)，取0.04；Wf為參與爆炸的天然氣質(zhì)量，kg；Qf為天然氣的燃燒熱，MJ/m3；QTNT為T(mén)NT的爆炸熱，MJ/kg。

泄露時(shí)間按10min考慮，將數(shù)據(jù)代入(2)式得出：

WTNT=1.43kg

根據(jù)爆炸生成的爆轟波特性，爆轟波形成的災(zāi)害區(qū)域也就是人員被傷害區(qū)域，由爆轟波危害的嚴(yán)重程度，將泄漏爆炸點(diǎn)周?chē)h(huán)形危害區(qū)由內(nèi)向外依次劃分為死亡區(qū)、重傷區(qū)、輕傷區(qū)和安全區(qū)[9]。相應(yīng)區(qū)域半徑計(jì)算如下：

R死亡=13.6(WTNT/1000)0.37=1.21m

R重傷=Z(E/P0)1/3=1.099(1.43×4520/101.3)1/3=4.39m

R輕傷=Z(E/P0)1/3=1.96(1.43×4520/101.3)1/3=7.83m

R安全>7.83m

天然氣泄漏蒸氣云爆炸受泄漏孔徑、泄漏點(diǎn)周?chē)髿鈼l件等多因素影響，以10min泄漏量發(fā)生爆炸危害分析可以看出事故后果嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

撬裝式民用壓縮天然氣加氣裝置是傳統(tǒng)CNG站向民用灌裝天然氣應(yīng)用的發(fā)展演變，與傳統(tǒng)氣站同樣存在安全應(yīng)用問(wèn)題。針對(duì)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從加氣工藝、儲(chǔ)氣瓶組、電儀系統(tǒng)三個(gè)方面進(jìn)行了裝置安全設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了裝置安全性分析，裝置屬于Ⅰ級(jí)高度危險(xiǎn)，爆炸燃燒事故危害預(yù)測(cè)分析可以看出，裝置發(fā)生爆炸后果嚴(yán)重。

考慮撬裝民用加氣裝置在不同使用地點(diǎn)的自然條件及外部安全條件和管理模式等不盡相同，為此僅對(duì)裝置本質(zhì)安全性進(jìn)行了分析評(píng)估，比選近年傳統(tǒng)氣站出現(xiàn)的安全事故，設(shè)備是導(dǎo)致安全事故的源頭，重點(diǎn)關(guān)注關(guān)鍵系統(tǒng)及關(guān)鍵設(shè)備、主要易損件的安全可靠性及使用壽命、氣質(zhì)、在線檢測(cè)及報(bào)警系統(tǒng)，確保裝置本質(zhì)安全是事故風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵控制點(diǎn)。