撬装式民用压缩天然气加气装置安全性分析①

0 引 言

我国居民用燃气主要以城市管道气供应为主，目前城市内老旧小区和周边居住较为分散的郊区和偏远农村管道气普及量还很低，市政燃气管网受建设投资制约，当前经济发展水平决定短期内实现更大范围的村村通、户户通面临诸多难题。发展适合城郊和偏远乡村使用的清洁燃料分布式供应技术，具有广阔的市场空间和重要的现实意义。天然气加气站在汽车燃料气领域应用较为成熟，但该类型气站属于永久气站，具有建设周期长和固定资产投资较高的特点，受用户量制约，因此借鉴传统汽车加气站发展民用罐装天然气不是理想选择。开发搬运灵活、占地面积小、建设投资低的罐装民用天然气供应装置成为燃气行业新的研究方向[1]。

1 装置介绍

撬装式民用压缩天然气加气装置，是集成式天然气加气系统的简称(下文简称“撬装民用加气装置”)，主要服务于居民生活用气，提供民用气瓶充装，以民用罐装式压缩天然气点供形式进入千家万户，为用户提供清洁环保、成本低廉的天然气新能源。

撬装民用加气装置整体设计借鉴较为成熟的撬装式LNG加气站设计思路，将储存设备、加气机、控制系统等安装在一个撬块上，具体由撬体、CNG储气瓶、油箱装置、液压油路系统、高压气路系统、加气机、外箱体、防爆电器仪表系统、配电柜、安全报警系统、PLC控制系统、仪表风等多个系统组成。装置具有不依赖天然气管网、占地少、投资小、建站周期短、易操作、易于搬迁,机动灵活等优势，可以在较短的时间内以较少的投资迅速形成加气网络，采用分布式供给形式实现民用灌装天然气快速普及应用[24]。

依托撬装民用加气装置进行民用罐装天然气生产工艺流程如图1所示。

图1 民用罐装天然气生产工艺流程示意图

2 装置设计

2.1 加气工艺

撬装民用加气装置所需天然气由来自母站的CNG气瓶管束车通过卸车设施将天然气卸至装置内置瓶组中，当加气机与用户储罐连通后，瓶组开始依靠自身贮气压力为储罐快速充气，如果压力不足，则开启泵系统增压，3～5min即可完成一次充装。为了确保罐装安全，在罐装前要对每个储罐进行抽真空置换处理，采用泵对储罐进行抽真空(由装置内置泵实现)，使每个储罐的真空度不小于 0.086MPa。

加气工艺与CNG液压子站相近，工艺技术成熟、可靠。整个装置内置放散阻火器，正常时起到平衡内外压力和防止着火引起事故。

2.2 储气瓶组

撬装民用加气装置内置8只储气瓶，每只气瓶容积为2.25m3，总容积累计为18m3。储气瓶组属于III类压力容器，公称工作压力为20MPa，工作温度为-40～60℃，主体材料为30CrMoE/4130X。

储气瓶两端瓶口均加工内外螺纹，两端外螺纹与安装法兰用螺纹连接，将安装法兰用螺栓固定在框架两端的前后支撑板上，瓶口内螺纹上端旋紧端塞，在端塞上连接管件，前端设有进出气管路、爆破片装置及安全阀构成安全仓。后端设有进出油管路、测压仪表、快装接头以及爆破片装置等构成操作仓，在操作仓每个瓶口短塞上安装爆破片+易熔合金的安全装置及控制每支气瓶油路进出的气动球阀、手动球阀及管路，各管路汇总至循环管路，循环管路通过PLC控制后与各气瓶连接，同时在汇总管路设置压力表；在操作仓内设气路的进气块体并连接快装接头，是外来运输车卸气时的专用接口，进气块头上安装有放散阀。

装置内置的压力容器、设备及管道设计、制造、安装和试压等严格现行国家标准《压力容器》(GB150.1～4-2011)、《压力管道规范-工业管道》( GB/T 20801.1～6-2006)、《压力容器压力管道设计许可规则》(TSGR1001-2008) 、《压力管道安全技术监察规程-工业管道》(TSGD0001-2009)、《固定式压力容器安全技术监察规程》(TSG 21-2016)和《工业金属管道设计规范》(GB50316-2000(2008版))中有关规定。

2.3 电仪系统

装置采用PLC控制，通过触摸屏进行操作方式完成全过程。电气系统全部采用防爆型设计，现场一次仪表采用隔爆型(ExdⅡBT4)，集中设置1个隔爆型控制柜，用于控制启动防爆电机、系统液压泵压力、气动阀门行器动作、点式燃气探头报警器对设备泄露的检测报警、防爆空压机为控制系统提供气动动力。控制系统采用安全控制方案，设置有压力连锁、天然气泄漏连锁、油箱液位连锁。

电仪设计严格执行《爆炸危险环境电力装置设计规范》(GB50058-2014)相关要求，控制仪表选型符合《石油化工自动化仪表选型设计规范》(SH/T3005-2016)或《自动化仪表选型设计规范》(HG/T20507-2014)的有关规定。

3 装置安全性分析

3.1 危险度评价[5]

针对危险性较大的撬装民用加气装置进行危险度评价，由物质、容量、温度、压力和操作5个项目共同确定各评价子单元的危险度，最后评价其危险等级，危险度分级见表1，评价过程见表2，结果为装置危险度为高度危险，危险等级为Ⅰ。

表1 危险度分级

表2 危险度评价过程

3.2 爆炸燃烧事故危害分析

天然气管道泄漏形成弥漫空间的云状可燃性气体混合物，燃烧后遇障碍物或受到局部约束，引起局部紊流使膨胀流加剧，可达层流燃烧的十几倍乃至几十倍，发生爆炸反应[6]。基于上述性质进行撬装民用加气装置天然气泄漏形成蒸气云爆炸事故模型分析。

假设因高压输气管道破裂造成泄漏(小孔流出方式)[7]，泄漏口为圆形。当管内介质压力较高时，孔口为临界流泄漏，忽略风况条件影响，气体泄漏率的计算公式如下[7]:

(1)

式中：Q为气体泄漏率，kg/s；CD为气体泄漏系数，取1.0(裂口形状为圆形)；A为裂口面积，m2；φ为孔口流速系数；P1为泄漏点管道内介质压力，Pa；M为气体摩尔质量，kg/mol；R为气体常数，取8.315J/mol·K；T1为气体泄露起点温度，K；

将数据代入(1)式得出：

Q0=4.871×10-3kg/s

基于TNT当量法，利用TNT爆炸的破坏作用代替蒸气云爆炸的破坏作用，能较准确方便地分析出爆炸的危害，TNT当量的计算模型如下[8]:

(2)

式中：WTNT为蒸气云的TNT当量，kg；λ为蒸气云的TNT当量系数，取0.04；Wf为参与爆炸的天然气质量，kg；Qf为天然气的燃烧热，MJ/m3；QTNT为TNT的爆炸热，MJ/kg。

泄露时间按10min考虑，将数据代入(2)式得出：

WTNT=1.43kg

根据爆炸生成的爆轰波特性，爆轰波形成的灾害区域也就是人员被伤害区域，由爆轰波危害的严重程度，将泄漏爆炸点周围环形危害区由内向外依次划分为死亡区、重伤区、轻伤区和安全区[9]。相应区域半径计算如下：

R死亡=13.6(WTNT/1000)0.37=1.21m

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

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

R安全>7.83m

天然气泄漏蒸气云爆炸受泄漏孔径、泄漏点周围大气条件等多因素影响，以10min泄漏量发生爆炸危害分析可以看出事故后果严重。

4 结 论

撬装式民用压缩天然气加气装置是传统CNG站向民用灌装天然气应用的发展演变，与传统气站同样存在安全应用问题。针对装置结构特点，从加气工艺、储气瓶组、电仪系统三个方面进行了装置安全设计；在此基础上进一步做了装置安全性分析，装置属于Ⅰ级高度危险，爆炸燃烧事故危害预测分析可以看出，装置发生爆炸后果严重。

考虑撬装民用加气装置在不同使用地点的自然条件及外部安全条件和管理模式等不尽相同，为此仅对装置本质安全性进行了分析评估，比选近年传统气站出现的安全事故，设备是导致安全事故的源头，重点关注关键系统及关键设备、主要易损件的安全可靠性及使用寿命、气质、在线检测及报警系统，确保装置本质安全是事故风险的关键控制点。