CNG加氣母站風(fēng)險(xiǎn)分析及事故后果模擬

摘 要

摘要：由于CNG具有易燃、易爆和易泄漏等危險(xiǎn)性，其運(yùn)行設(shè)備又處于高壓狀態(tài)，一旦發(fā)生事故，將對(duì)加氣站場(chǎng)周邊居民和環(huán)境造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)和破壞，因而研究CNG加氣母站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及模擬事故
摘要：由于CNG具有易燃、易爆和易泄漏等危險(xiǎn)性，其運(yùn)行設(shè)備又處于高壓狀態(tài)，一旦發(fā)生事故，將對(duì)加氣站場(chǎng)周邊居民和環(huán)境造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)和破壞，因而研究CNG加氣母站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及模擬事故后果嚴(yán)重程度，對(duì)CNG加氣母站的安全管理和規(guī)劃布局具有重要意義。為此，闡述了CNG加氣母站工藝流程，詳細(xì)分析了CNG加氣母站運(yùn)行過(guò)程中的安全隱患，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用挪威DNV公司開(kāi)發(fā)的SAFETI軟件，結(jié)合數(shù)學(xué)模型對(duì)某CNG加氣母站進(jìn)行事故后果模擬。通過(guò)構(gòu)建針對(duì)性強(qiáng)的事故模型，對(duì)CNG加氣母站發(fā)生的主要事故類型和風(fēng)險(xiǎn)程度進(jìn)行了模擬計(jì)算，得出了較真實(shí)的事故影響范圍曲線圖。分析結(jié)果表明：該模擬方法可以為CNG加氣母站的安全管理和事故預(yù)防工作提供一定的技術(shù)支撐。
關(guān)鍵詞：CNG加氣母站；風(fēng)險(xiǎn)分析；事故；模擬；SAFETI軟件
    為了降低汽車廢氣排放，改善大氣環(huán)境，壓縮天然氣(CNG)成為替代汽油、柴油的首選清潔燃料。該燃料能降低汽車運(yùn)行費(fèi)用、提高經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)汽車設(shè)備使用壽命，降低維修費(fèi)用[1]。由于該燃料所具有的強(qiáng)大市場(chǎng)發(fā)展?jié)摿?，近年?lái)，全國(guó)各地CNG加氣母站的興建數(shù)量逐年增加。然而，由于CNG具有易燃、易爆和易泄漏等危險(xiǎn)性，同時(shí)運(yùn)行設(shè)備又處于高壓狀態(tài)，一旦發(fā)生事故(遇火源易發(fā)生火災(zāi)爆炸)，將對(duì)站場(chǎng)周邊居民和環(huán)境造成巨大的風(fēng)險(xiǎn)和破壞。因此研究CNG加氣母站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)及模擬事故后果嚴(yán)重程度，對(duì)CNG加氣母站的安全管理和規(guī)劃布局具有重要意義[2]。
1 CNG加氣母站工藝流程
    所謂加氣母站，是指與輸氣管道末端相連，以管道氣為處理氣源而修建的工藝站場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)加氣母站普遍采用技術(shù)比較成熟的工藝流程，即對(duì)進(jìn)站氣源進(jìn)行除塵、脫水、脫硫和壓縮等主要處理，然后將天然氣增壓至25MPa，隨后經(jīng)加氣機(jī)給專用運(yùn)輸車輛(CNG槽車或長(zhǎng)管拖車)充裝，運(yùn)送至市區(qū)各加氣站。CNG加氣母站一般由5個(gè)操作系統(tǒng)組成，即計(jì)量調(diào)壓系統(tǒng)、凈化脫水系統(tǒng)、氣體壓縮系統(tǒng)、輸氣系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)[3]，其工藝流程如圖1所示。
 

2 CNG加氣母站的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)分析
    CNG加氣母站的整個(gè)工藝過(guò)程都充滿高壓可燃性氣體，且屬于高壓操作系統(tǒng)，因而CNG加氣母站的運(yùn)行特征決定其具有一定危險(xiǎn)性。所以，分析、探討CNG加氣母站運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)于搞好站場(chǎng)安全管理，減少安全隱患具有重要意義。
2.1 氣源風(fēng)險(xiǎn)分析
2.1.1易燃易爆性
    CNG加氣母站處理氣源(天然氣)的主要成分為甲烷，甲烷是一種易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限為5.3%～14%，最小點(diǎn)火能為0.28mJ，火災(zāi)危險(xiǎn)性屬甲類。因此，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救難度相當(dāng)大。
2.1.2腐蝕性
    輸氣管道中的天然氣除甲烷外，還含有少量的硫化氫、可溶性硫化物、水分及二氧化碳等組分[4]。若CNG加氣站沒(méi)有脫水和脫硫設(shè)備，硫化氫在潮濕的環(huán)境下會(huì)對(duì)管壁及設(shè)備造成應(yīng)力腐蝕[5]，隨著時(shí)間的推移可能造成事故隱患。
2.1.3靜電荷聚集性
    天然氣本身是絕緣的，當(dāng)其在較高流速下流經(jīng)管路進(jìn)入容器的過(guò)程中或壓縮氣體從管口或破損處高速噴出時(shí)，由于強(qiáng)烈的摩擦作用，有產(chǎn)生靜電的特性，靜電聚積到一定電位時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電放電[6]。如果靜電放電產(chǎn)生的電火花能量達(dá)到或大于可燃物的最小點(diǎn)火能，就會(huì)立即引起燃燒或爆炸。
2.1.4膨脹和壓縮性
    CNG加氣母站要求將進(jìn)站天然氣經(jīng)脫水(硫)、壓縮等工藝，最終增壓至25MPa。由于天然氣具有壓縮性，使得壓力容器和管道的天然氣儲(chǔ)存了大量的壓縮能，導(dǎo)致系統(tǒng)處于高壓運(yùn)行狀態(tài)，容易發(fā)生超壓[7]，若系統(tǒng)壓力超過(guò)了其能夠承受的許用壓力，壓力容器和管道會(huì)出現(xiàn)裂紋，最終超過(guò)設(shè)備及配件的強(qiáng)度極限而發(fā)生爆炸事故。
2.2 工藝設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)分析
2.2.1壓力管道(容器)超高壓泄漏
    CNG加氣母站運(yùn)行過(guò)程始終處于高壓狀態(tài)，系統(tǒng)高壓運(yùn)行容易發(fā)生超壓現(xiàn)象，很容易造成管道、壓力容器泄漏；當(dāng)壓力超過(guò)設(shè)備和組件所能承受的最大壓力時(shí)，有可能發(fā)生爆炸或局部破裂，造成天然氣的大量泄漏[8]。
2.2.2管道腐蝕泄漏
    在高壓狀態(tài)下，H2S水溶液對(duì)輸氣管道的腐蝕作用進(jìn)行得很快，即使溶液中H2S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，容器及管道的硫化物也能在很短的時(shí)間內(nèi)引起應(yīng)力腐蝕破壞，造成管道腐蝕，發(fā)生天然氣泄漏。
2.2.3壓縮機(jī)爆炸
    天然氣經(jīng)壓縮后溫度會(huì)迅速升高，如果壓縮機(jī)內(nèi)循環(huán)冷卻水水質(zhì)差，冷卻系統(tǒng)不能有效運(yùn)行，會(huì)使設(shè)備內(nèi)溫度過(guò)高；高溫就會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)內(nèi)部的潤(rùn)滑油黏度降低，失去潤(rùn)滑作用，使設(shè)備的運(yùn)行部件摩擦加劇，造成設(shè)備內(nèi)溫度超高，容易引起火災(zāi)爆炸[9]。另外，如果壓縮機(jī)氣缸潤(rùn)滑油選擇不當(dāng)、加油量過(guò)多、油質(zhì)不佳或過(guò)濾器污垢嚴(yán)重，吸入氣體含塵量大均易形成積碳。積碳燃燒后產(chǎn)生大量的一氧化碳，當(dāng)壓縮機(jī)系統(tǒng)中一氧化碳的含量達(dá)到15%～75%時(shí)就會(huì)發(fā)生爆炸，并引起壓縮機(jī)爆炸事故。
3 事故后果模擬
3.1 事故后果模擬方法簡(jiǎn)介
    事故后果模擬是在事故模型分析的基礎(chǔ)上選擇數(shù)學(xué)模型(常見(jiàn)的數(shù)學(xué)模型有氣體泄漏模型、擴(kuò)散模型、爆炸模型和熱輻射模型等)，并根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的情況(包括氣象條件、裝置設(shè)備的尺寸大小和儲(chǔ)存條件等)和有關(guān)危險(xiǎn)物質(zhì)的物性參數(shù)，利用計(jì)算機(jī)模擬并輸出模擬結(jié)果的過(guò)程[10]。
    借鑒挪威DNV開(kāi)發(fā)的SAFETI 6.5.1(Software for Assessment of Flammable，Explosive and Toxic Impacts，SAFETI是一種多功能定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的計(jì)算軟件，可對(duì)任何一種石油化工裝置可能發(fā)生的火災(zāi)和爆炸事故的影響范圍及程度進(jìn)行計(jì)算，并生成相應(yīng)的圖形文件，進(jìn)而得出事故影響區(qū))軟件，將數(shù)學(xué)模型(SAFETI軟件中采用的數(shù)學(xué)模型有氣體
釋放模型、氣云擴(kuò)散模型、噴射火模型和蒸氣云爆炸模型等)應(yīng)用于某CNG加氣母站進(jìn)行事故后果模擬分析。
3.2 事故后果模擬
    南京某CNG加氣母站設(shè)計(jì)規(guī)模為20×104m3/d，進(jìn)站壓力為4.2～5.88MPa，溫度為17.2～22.5℃。該加氣母站分為生產(chǎn)區(qū)(壓縮機(jī)4臺(tái)，3用1備)、加氣區(qū)(6臺(tái)加氣柱)、站場(chǎng)值班室和停車區(qū)4個(gè)部分，如圖2所示。
 
3.2.1計(jì)算模型說(shuō)明
3.2.1.1 氣體釋放模型
    采用PHAST的LEAK模型計(jì)算站內(nèi)工藝設(shè)備或管道腐蝕穿孔后的天然氣的釋放，如圖3所示。
 

3.2.1.2 氣云擴(kuò)散模型UDM
    采用UDM擴(kuò)散模型進(jìn)行擴(kuò)散模擬。對(duì)氣云擴(kuò)散分為5個(gè)階段進(jìn)行分段模擬。UDM模型考慮了氣象條件、介質(zhì)密度、表面粗糙度和湍流擴(kuò)散等多種因素的影響。圖4演示了天然氣泄漏后氣云擴(kuò)散的過(guò)程。
 

3.2.1.3 噴射火模型
    噴射火焰采用Shell噴射火焰模型。Shell模型將火焰模擬為一傾斜的平截頭圓錐體，如圖5所示。

3.2.1.4 熱輻射傷害閾值
   火災(zāi)熱輻射對(duì)人/建筑物的損害情況見(jiàn)表1。
 

3.2.1.5 爆炸沖擊波超壓閾值
   爆炸超壓的破壞影響見(jiàn)表2。
3.2.2計(jì)算假設(shè)和場(chǎng)景
3.2.2.1 天然氣主要可燃物性參數(shù)
    天然氣主要可燃物性參數(shù)見(jiàn)表3。
 

3.2.2.2 計(jì)算天氣條件
    采用QRA計(jì)算中常使用的2種大氣穩(wěn)定度D、F，對(duì)3種天氣條件進(jìn)行分別計(jì)算。主要的天氣條件如表4。
 

3.2.2.3 計(jì)算假設(shè)
    1) 假設(shè)釋放方向?yàn)樗椒较颍豢紤]線路截?cái)嚅y門關(guān)閉的影響以及沿線高程的影響。
    2) 延遲蒸氣云爆炸的中心位于氣云中心處。
3.2.2.4 計(jì)算假設(shè)場(chǎng)景
    假設(shè)場(chǎng)景1：CNG壓縮機(jī)3臺(tái)同時(shí)運(yùn)行，此時(shí)排:氣量約為2.60kg/s，加氣柱被槽車撞到，發(fā)生嚴(yán)重破裂事故，管道完全斷裂。
    假設(shè)場(chǎng)景2：加氣母站氣源入口處發(fā)生小孔泄漏。
    計(jì)算假設(shè)場(chǎng)景參數(shù)見(jiàn)表5。
 
3.2.3計(jì)算結(jié)果
    各場(chǎng)景泄漏、擴(kuò)散、火災(zāi)和蒸氣云延遲爆炸的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6～8。

3.2.4結(jié)果分析
    場(chǎng)景1以加氣柱管道被槽車碰撞后斷裂口為25mm假設(shè)場(chǎng)景進(jìn)行了后果定量模擬計(jì)算，結(jié)果表明熱輻射(12.5kW/m2)影響距離為23m，蒸氣云爆炸產(chǎn)生0.014MPa沖擊波的影響距離約為49m。
    場(chǎng)景2以加氣母站氣源入口處發(fā)生20mm小孔泄漏為假設(shè)場(chǎng)景進(jìn)行了后果定量模擬計(jì)算，結(jié)果表明熱輻射(12.5kW/m2)影響距離為23m，蒸氣云爆炸產(chǎn)生0.014MPa沖擊波的影響距離約為48m。
    從該加氣母站的總圖布置以及場(chǎng)景1、場(chǎng)景2的熱輻射和氣云爆炸模擬來(lái)看，天然氣泄漏擴(kuò)散遇到點(diǎn)火源都可能會(huì)對(duì)加氣母站或輸氣末站造成十分嚴(yán)重的后果，因此，站場(chǎng)應(yīng)嚴(yán)格控制站區(qū)內(nèi)的點(diǎn)火源，做好以下安全防護(hù)措施，以防止火災(zāi)爆炸事故的發(fā)生。
    1) 站場(chǎng)內(nèi)應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求設(shè)置緊急逃生線路和風(fēng)向標(biāo)。
    2) 在天然氣易泄漏處嚴(yán)格按SY 6503—2008《石油天然氣工程可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)范》的要求設(shè)置可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器，同時(shí)，每周應(yīng)對(duì)報(bào)警器白檢系統(tǒng)試驗(yàn)1次，檢查指示系統(tǒng)運(yùn)行狀況。已投入使用的可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器的檢定周期不應(yīng)超過(guò)1a。
    3) 在槽車充裝作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)制訂嚴(yán)格的充裝作業(yè)(工作人員應(yīng)穿防靜電工作服)程序；在裝卸現(xiàn)場(chǎng)不允許有點(diǎn)火源；充裝開(kāi)始前，接地設(shè)施必須已經(jīng)連接至槽車并經(jīng)過(guò)測(cè)試確認(rèn)；充裝后，在充裝連接管置換合格后，才能脫開(kāi)連接。
    4) 加氣機(jī)附近應(yīng)設(shè)置防撞柱(欄)，以免槽車碰撞；加氣軟管應(yīng)耐天然氣腐蝕，防止因腐蝕而造成天然氣泄漏。
    5) 定期檢測(cè)站內(nèi)的安全閥、自力式調(diào)節(jié)閥和ESD系統(tǒng)等安全保護(hù)設(shè)施，設(shè)定參數(shù)測(cè)試，對(duì)安全閥、放空閥等應(yīng)按相應(yīng)運(yùn)行和維護(hù)規(guī)程進(jìn)行操作和維護(hù)。
    6) 管理單位應(yīng)制訂加氣母站事故應(yīng)急預(yù)案，包括工藝管線斷裂、火災(zāi)爆炸和通信中斷等緊急情況，且應(yīng)急預(yù)案應(yīng)與地方政府和社區(qū)聯(lián)動(dòng)。
4 結(jié)論
    1) 結(jié)合CNG加氣母站的工藝流程，對(duì)加氣母站運(yùn)行過(guò)程中常見(jiàn)的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了詳細(xì)分析，為預(yù)防、控制加氣母站火災(zāi)爆炸事故提供技術(shù)參考。
    2) CNG加氣母站事故發(fā)生具有不確定性，因此，運(yùn)用SAFETI6.5.1軟件對(duì)各種常見(jiàn)事故模型進(jìn)行定量模擬計(jì)算，模擬結(jié)果對(duì)CNG加氣母站的安全運(yùn)行和事故預(yù)防具有一定的指導(dǎo)意義。
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(本文作者：王濤1，2 劉曉龍1，2 史少帥1，2 1.中國(guó)石油化工股份有限公司青島安全工程研究院；2.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)