CNG危险性分析及安全阀设计.docx

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CNG危险性分析及安全阀设计

CNG加气站危险性分析与安全附件设计

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二〇一四年六月

CNG加气站危险性分析与安全设计

摘要

近年来随着国家能源战略，以天然气为燃料的交通运输得到大力的发展，CNG加气站的数目也在不断地增加，但是加气站始终存在着泄漏、火灾以及爆炸等危险，虽然这些事故发生的几率不算太大，但是一旦发生将会对人们造成严重的后果。

本文从安全方面对CNG加气站的常见事故及其原因进行了分析，选用事故树分析法对CNG加气站进行了危险性分析，并绘制了以“CNG加气站不安全”为顶事件的事故树，结果得到19个最小割集，发现导致加气站事故发生的最重要的危险因素是安全附件失效。

最后对储气井的安全阀进行了选型计算，对CNG加气站的布局进行了合理规划。

关键词：

CNG加气站；危险因素；事故树；安全阀

AnalysisRiskandDesignSafetyAccessoriesofCNGFillingStation

Abstract

Inrecentyears,alongwiththenationalenergystrategy,usingnaturalgasas thefueltransportationdevelopmentvigorously,thenumberofCNG fillingstation isincreasing.Butthe gasstationhasleakage,fireand explosion danger, althoughtheprobability oftheseaccidentsis nottoo big, butonceithas seriousconsequencesfor people willcause.

Thispaper analyzes commonaccidentsand causeofCNG fillingstationsafetyaspects, analysisofthe CNGstation, theriskanalysis using faulttree, anddrawnto "CNGfillingstation isnot safe"forthe accidenttree, thetopevent, theresultis19minimumcutsets, the riskof themost animportant factorofaccident fillingstation issafe andaccessoryfailure.Finally, thesafetyvalve for gasstoragewell arecalculated, thereasonableplanningofCNG fillingstation layout.

Keywords:

CNGfillingstation; riskfactors; faulttree; safetyvalve

第一章绪论

1.1课题提出的意义

CNG即压缩天然气（CompressedNaturalGas简称为CNG），CNG加气站是将天然气供气管线中的气体经过脱水、脱硫等净化工艺处理后，再有压缩机将低压天然气增压，压缩到20~25MPa，从而以压缩天然气形式向CNG汽车或其子站运输车提供原料。

进入21世纪以后，世界范围内的天然气探明储藏量与开发量都大大增加。

面对石油资源的匮乏和环境质量的下降，各国开始进行积极的能源机构调整，不断开放新的经济能源项目，因此天然气汽车的开发在世界范围内得到了广泛的推广和应用。

根据美国企业市场的调查数据显示，自2002年起，CNG汽车每年都以29%的比例在上涨[1]，有关数据还显示美国到2016年将会有10000座车用天然气加气站，CNG汽车也将会达到300多万辆。

与此同时，汽车工业发达国家日本的CNG汽车使用量在2016年也将会突破130万辆[2]。

我国也紧跟国际发展潮流，在1999年开展了针对高污染的汽车尾气的“清洁汽车工程”，该工程开展以后，我国的CNG汽车生产量与使用量大大增加，根据我国有关部门发布的统计数据显示，仅2005年我国就已经建成535座车用天然气加气站，目前，我国的CNG汽车重点布局在北京、新疆、四川、天津等地区。

在四川省已经有80多个县市有了车用天然气加气站，成为出租车、公交车、载重车等车用燃料的重要支撑部份[3]。

同时在国家天然气管网西气东输的大背景下，我国的CNG汽车已经开始形成了一个有序的网络体系。

2010年末，全国CNG加气站已经超过2000座。

在CNG加气站迅速发展的同时也伴随着加气站事故的增加。

有统计数据显示，我国68个重点建设的车用天然气加气站过程中，曾经发生安全事故的工程竟达35个，安全事故累计达到101起[4]，例如：

在四川省遂宁市曾发生过一起CNG加气站喷射燃烧事故，火柱高达20余米，造成直接经济损失18万元。

天然气主要的成分是甲烷，属于易燃易爆的化学物质，当浓度达到一定时，在不透风或是遇到火源时极易发生爆炸，这对于CNG加气站周边的居民来说是一个不小的威胁。

它严重阻碍了压缩天然气工程的发展和壮大。

因此我们必须要不断重视天然气加气站的安全技术与管理技术的发展，不断提高它的安全性和管理水平，但是仅仅提高加气站的安全技术和管理水平是远远不够的，它还不能全面保证加气站的安全。

因此对于加气站安全风险的评价也不能忽略，如果不进行安全技术的风险评价，那么它将会导致安全技术的不切实际以及管理工作的混乱，这些都严重制约着加气站的发展，导致加气站的安全受到威胁，容易发生各种灾害性事故。

加气站的安全风险评价它可以帮助企业判断技术的安全性和技术安全管理的有效性，加气站的安全风险评价它为技术的管理提供了相应的依据，从加气站的安全评价中得出的结论才具有一定的合理性和科学性，它强调我们在安全技术和管理工作上一定要做到行之有效。

只有这样才能确保安全技术和安全管理工作的高效地运行。

目前，就利用压缩天然气工程的安全问题，我国已经出台了相关的法律政策与法规进行治理与整治，但是这些措施都是宏观的，要想促进该类工程的发展我们还要不断加强对加气站工程安全的微观管理与研究，不断精益求精，真正做到“防患于未然”，将发生危险的事件可能性降到最低[5]。

因此，做好加气站工程的危险性分析与安全性设计，对于促进天然气的安全利用与开发，提高CNG加气站的安全性水平有着积极的推动作用，所以这课题的研究很必要。

通过对CNG加气站进行危险因素分并且对其进行运用安全评价技术找出其主要危险因素，然后再根据评价结果对CNG加气站进行安全性设计与安全性管理，为对CNG加气站的安全管理提供依据，从而提高CNG加气站的安全性。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

国外清洁能源汽车技术的发展较早，技术水平，管理经验，人员培训，专利技术都有比较领先，欧美等发达国家有比较严格的技术要求规格，配合使用高质量的管输天然气来保证加气站安全。

因为其主要利用液化天然气经气化后的天然气管网进行供气，通过这种工艺加气站内不需要设置脱硫，脱水等装置，因而在这方面的安全隐患减少了很多。

发达国家，优秀的设计能力、先进的设备制造技术能够保证各个具体的设备零部件的安全可靠性，如储气设备因为长时间储存压力较高的可燃性气体，其安全性对整个CNG加气站是否安全有着直接的关系。

对此，发达国家有两种解决办法：

一是保证储气系统中主要部件的安全可靠性，通过采用高灵敏度的安全部件，将安全部件与相关设备联动，一旦有事故发生可以第一时间自动采取制动，密闭等动作，有效控制事故发展的规模，使事故造成的损失降到最低[6]。

二是采用在线监控装置，在线监控装置通过电脑对各设备的运行状态进行实时监控，在任何设备出现异常的运行状态时，可以通过电脑软件进行自我调整，在出现可能引发事故的不安全运行状态时，系统会立刻报警提醒操作人员并通过联动装置采取相应的动作避免事故的发生。

英国，美国，德国和意大利等技术比较发达的国家在分析CNG站安全性方面引入数学方法和电脑应用技术，开发了一系列商业化的安全评价软件，帮人们找出导致事故发生的主要原因，辨识潜在事故的严重程度，并确定避免或减小危险的方法等方面发挥了重要的作用[7]。

除此之外，这些国家都非常重视CNG加气站安全评价基础资料的收集与研究，对CNG加气站的各种可能事故及事故发生原因进行了大量的数据模拟分析，按各系统主要设备的失效概率整理分类，建立了CNG加气站故障率数据库，数据的输入和使用很方便，为安全性和客观的可靠性分析提供了重要的数据资料。

1.2.2国内研究现状

国内在CNG加气站安全领域中，由于起步较晚，关键技术掌握欧美等发达国家的企业中，收集相关信息的数据库还没有建立，只有少数学者在这一领域进行相对独立的研究，因此针对CNG加气站的安全评价方法研究还比较落后，还没有公认的最科学全面的评价方法。

通过最近几年一些学者在一系列的研究中，总结出少数方法，其研究过程和结果都对CNG加气站安全评价主句库建立起到了重要作用。

例如：

在西华大学的加气站安全技术研究的课题中，建立了一些事故模型，进行一定的事故树分析，通过分析研究总结出一些可以指导实践工作的技术规范和技术措施[8]。

在四川南方天然气汽车检测中心与西南石油大学合作进行的安全评价方法研究的课题，该课题成果报告中对方法的研究主要是通过设计调查表的方式进行调查，综合考虑设备、管理、人为因素等方面并合理的将其他近似行业的安全评估方法进行移植，建立模型并对指标体系进行了初步分析以及在研究中做了许多基础信息的统计工作[9]。

另一方面，作为指导行业良性发展的各类标准对该行业的实际工作有着重要的意义，但是由于国内的技术水平发展相对较慢，所以国内目前还没有专门涉及到加气站安全管理的标准，但是因为城市规划和城市建设的需要，只在CNG加气站的设计建设方面几个部委和地方发布了一些标准，如：

1996年四川省发布的CNG汽车加气站建设地方标准（DB51/5013-1996）；石油部1998年制定了《汽车用压缩天然气加气站设计规范》（SY0092-98）；重庆市在1998年制定了地方标准《车用压缩天然气加气站设计施工及验收规范》（DB50/5004-1998）；建设部2000年制定了《汽车用燃气加气站技术规范》（CJJ84-2000）；国家质量监督检验检疫总局于2002年制定了国家标准《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002），在这些标准中，安全方面主要强调了各种设备在站内安装的安全间距和与邻近重要建筑物的安全间距，站区内停车场、加气岛及道路的设计要求，消防安全管理的原则要求，设备运行安全保护和报警系统的设置要求，加气站布点和选址应符合道路交通规划和城市规划的原则要求[10]，而没有直接的规范能够系统的指导CNG加气站的安全状况管理。

1.3本文的研究内容

本文对CNG加气站的调压系统、售气系统、储气系统、售气系统和自动化控制系统进行介绍，根据各工艺系统中所涉及到的设备、物质的特点分析可能发生的事故，对CNG加气站系统进行危险有害因素识别，绘制以“CNG加气站不安全”为顶事件的事故树进行了定性分析。

对储气井的安全泄压阀进行选型计算，并对加气站的布局进行合理规划。

第二章CNG加气站系统构成及危险有害因素

2.1CNG加气站系统

CNG站由天然气引入管道和调压、计量、脱硫、脱水、压缩、贮存、加气等主要生产工艺系统及循环冷却水、润滑油的回收、冷凝液处理、供电、供水等辅助生产工艺系统组成。

从中、高压管道输入的天然气经过滤、调压、计量、分离后进压缩机加压，加压后的气体经气体干燥器，程序控制阀组进入储气装置。

以给汽车加气为例，当充气时，打开充气台充气阀们，给汽车充气。

当汽车钢瓶内压力达到20MPa时，关闭充气阀，打开充气的台回收阀，使充气管内气体流回分离器。

当储气罐内无储存气体时，可以用压缩机直接供汽车充气。

当储气罐压力降至2MPa时，重新开启压缩机给储气罐充气。

下图为CNG加气站工艺流程图：

来自管线

放散口

油气处

理厂分

离阶段排污排污

图1.1CNG加气站工艺流程图

（1）调压系统

调压系统的主要作用是使从输气管道来的天然气的压力保持稳定，并满足压缩机对入口压力的要求，同时对输入加气站的气量进行计量。

其主要设备为过滤器、调压器、流量计、压力表、旁通阀和主阀门等。

（2）脱水系统

一般多级压缩机对吸入气体有比较严格的要求，原因是天然气含有的水分、尘粒和腐蚀杂质会对压缩机运行带来直接的影响，而且水分的存在还会被带入CNG汽车气瓶导致发动机无法正常工作。

因此，在多级压缩机前必需对吸入前的天然气进行低压脱水，并且在多级压缩机级间或末级出口设置高压脱水装置进行深度脱水（达到-55℃的露点）。

两者的脱水原理是相同的，目前一般采用固体干燥剂吸附法较多。

固体干燥剂种类很多，应选用那些吸水能力比吸烃类等其他气体能力强的吸附剂，选用颗粒状硅胶或分子筛。

干燥剂填料饱和后需用天然气再生，该过程为安全、稳定、连续再生，直接取脱水装置出口净气经稳压器后进入干燥器，再生气经分离计量后回到压缩机前。

（3）压缩系统

天然气从中、高压管道进站，经过滤、计量、调压至压缩机额定进口压力后，进入缓冲罐。

如从城市中压管道输送来的天然气，调压至0.3MPa后，进入缓冲罐。

按预处理后天然气压力的不同，一般选用3～4级压缩机就可将天然气升压至25MPa。

对加气站而言，天然气压缩机是关键。

由于国产压缩机和国际专业厂家生产的压缩机在技术方面还存在差距，进口机价格虽较高，但自动化程度高、使用方便、故障率低，另一方面积极采用技术先进的橇装式压缩机站，露天安装，尽可能少建或不建永久性建筑，降低加气站的投资。

在建站标准方面，国内标准通过距离保证安全，既是由于国内加气站设备的技术水平所限，也有认识上的局限性。

在国外为了确保加气站的运行安全，关键是采用先进技术，通过严格的质量控制，提高设备和系统的安全可靠性。

对于建设用地紧张的城市来说，为了减少加气站的占地面积，在资金条件允许的话，加气站业主更愿意选用进口压缩机。

为了减少压缩机频繁启动操作，在压缩机下游应设置储气装置。

并把储气装置分成高、中、低压力区，一般按1︰2︰3体积比分配容积，采取压缩机向储气装置优先控制充气原则，就是指压缩机向站内储气装置充气时，控制气流先充高压级、后充中、低压级直至都达到25MPa即可停机;而当车载气瓶从储气装置取气时，则采取顺序取气原则，即控制气流先从低压区取气，后从中、高压区取气。

这样的优先顺序流程均由程序控制气流分配系统，能提高储气装置容积利用率[11]。

（4）储气系统

目前，CNG的储存方式只要有三种形式：

每个气瓶容积在40L到80L的小气瓶组，每站为40到200个，国内基本用这种形式；

每个气瓶容积在500L以上的大气瓶组，每站36个，在国外应用的最多；

地下气井存储，每口井可以存气500Nm3。

这是我国石油业的创造，在四川等地区应用较多。

（5）售气系统

售气系统包括高压管路、阀门、加气枪、计量、计价以及控制部分。

最简单的售气系统，除了高压管路外，仅有一个非常简单的加气枪和一个手动阀门，先进的售气系统，不仅由微机控制，还具有优先顺序的加气控制、环境温度补偿、过压保护，软管断裂保护等功能。

有的还增加了自动收款系统和计算机经营管理系统。

（6）自动化控制系统

CNG加气站设备处在易燃、易爆、高压和重载的工作环境中运行，装置的自动化水平高低直接决定了系统的经济运行和安全运行的可靠性。

因此，压缩机系统实行高度自动化的控制管理，以PLC（可编制控制器）为核心，采用了电机软启动、闭式卸压无负荷启动，系统油压、电流、温度、气压自动监控，自动排污系统，多撬块运行自动授权启动，计算机控制的经济运行控制系统，PLC自动顺序供气控制系统，自动温度补偿及售气安全装置等[12]。

2.2系统危险因素识别分析

由于各工艺阶段所涉及到的主要物质均为车用压缩天然气，所以在各工艺阶段中所运用到的各种设备都存在着不同大小等级的危险性。

2.2.1物料本身的危险性

CNG是将天然气压缩后的物质，车用压缩天然气的标准[13]如表2.1所示:

表2.1车用压缩天然气的标准

项目

技术标准

高位发热量，MJ/m3

>31.4

硫化氢，mg/m3

≤15

总硫（以硫计），mg/m3

≤200

二氧化碳yCO2，%

≤3.0

氧气yO2，%

≤0.5

水露点，℃

在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，

水露点不应高于-13℃；当最低气温低于-8℃，水露点

应比最低气温低5℃

注：

本标准中气体体积的标准参比条件是101.325KPa，20℃

CNG中的物质主要为甲烷（CH4），并且含有部分硫化物、水、二氧化碳和氧气。

下面表2.2为主要成分甲烷的物化数据：

表2.2甲烷物化性质参数

项目

参数

项目

参数

颜色

无色

气味

无味

熔点

－182.5℃

沸点

－161.5℃

蒸汽压

53.32kPa/－168.8℃

饱和蒸气压（KPa）

53.32（－168.8℃）

临界温度（℃）

－82.6

临界压力（MPa）

4.59

爆炸上限%（V/V）

15.4

爆炸下限%（V/V）

5.0

闪点（℃）

－188

引燃温度（℃）

538

扩散系数

0.196

警示术语

R：

R12

燃烧热

890.31KJ/mol

总发热量（产物液态水）

55900kJ/kg（40020kJ/m3）

净热值（产物气态水）

50200kJ/kg（35900kJ/m3）

安全术语

S：

S2-S9-S16-S33

毒性

属剧毒类。

允许气体安全地扩散到大气中或当作燃料使用。

有单纯性窒息作用，在高浓度时因缺氧窒息而引起中毒。

空气中达到25～30%出现头昏、呼吸加速、运动失调。

备注

注：

R12—及易燃易爆；S2—避免儿童触及；S9—保持容器在通风良好的场所；

S16—远离火源，禁止吸烟；S33—对静电采取防护措施。

天然气的主要成分是甲烷，为一种易燃易爆的气体，属甲类火灾特性。

重大危险源临界量是50T。

在空气中，天然气的体积分数只要达到5%~15.4%就可能爆炸。

它对空气的相对密度为0.5548，扩散系数为0.196天然气极易燃烧、爆炸,，并在火灾发生后非常难控制。

天然气的爆炸是在瞬间（千分之一或万分之一秒）会产生高压、高温（2000~3000℃）的燃烧过程，爆炸波速可达2000~3000m，会造成很大破坏力。

甲烷对人体有一定的危害，含量过高时，使空气中氧含量明显下降，使人呼吸困难。

当空气中甲烷含量达25%~30%时，可以引起头痛、头晕、乏力、注意力不能集中、呼吸和心跳加速、共济失调，如果不能及时脱离，可以导致窒息甚至死亡。

天然气的主要危险性表现为：

（1）腐蚀性：

天然气中除了甲烷之外，其中还含有H2S、可溶性的硫化物、水分以及二氧化碳等组分，其中H2S和二氧化碳为酸性气体，湿的H2S对钢制材料具有很强的腐蚀性。

（2）易扩散性：

当设备或者管道密封不严时，天然气极容易发生泄漏，并可以随风四处扩散，容易和空气形成爆炸性混合物，遇火源即可发生火灾或者爆炸。

（3）水合物：

天然气的水合物是炭氢化合物与水形成的疏松结晶化合物。

水合物一旦形成后，会与金属结合得很牢固，会减少管道的流通面积，产生节流，加速水合物的进一步形成，进而造成管道、阀门和一些设备的堵塞，影响管道的安全运行；

（4）膨胀性与压缩性：

天然气的体积会随着温度的升高而发生膨胀，如果储存容器被暴晒或者是遇见高温热源容器内物质会受热，对容器内壁造成的压力会升高，如到极限则会破裂。

（5）易燃易爆性：

CNG在高压条件下进行储存，如若容器发生腐蚀，氢脆等，很容易引起爆炸。

并且因为甲烷在空气中的爆炸极限5.0%~15.4%，上下限范围较大，所以遇见点火源极易发生火灾爆炸等危险事故。

（6）静电荷聚集性：

天然气本身属于绝缘物质，但当其在较高的流速下流经管道，进入容器过程中或压缩气体从管口或者破损处高速喷出时，因为强烈的摩擦作用，会有产生静电的特性，当静电聚积到一定电位时就会产生静电放电现象[14]。

2.2.2CNG压缩系统危险因素

压缩机属于加气站的增压设备，是加气站的核心设备。

由于车用天然气的使用条件决定了必将其从初压（一般为0.3MPa左右），通过四级压缩增压到25MPa左右，故压缩机的结构和原理要求必须具备润滑系统和冷却系统。

对于润滑系统，主要分为有油润滑和无油润滑（主要是针对气缸和活塞间的润滑，因为只有这部分润滑油可能被带入压缩介质）；而冷却系统，按冷却方式可分为风冷和水冷。

压缩机的这种复杂结构决定了在生产和使用天然气时，存在安全隐患问题。

对压缩机的主要安全隐患因素，触发事件，危险条件，潜在事故进行分析，如表2.3：

表2.3CNG加气站压缩机危险性分析

危险因素

触发事件

发生条件

潜在事故

温度超高

冷却器产生水垢；通风或水淋换热效果差

进排温超规；通风散热设备功率不够；无油润滑使压缩机的摩檫热解决不好；冷却水量不足

活塞环、填料早期损坏；缸套磨损，频繁自动停机

压力超高

排气阀被异物卡住

安全阀和其他泄放装置泄放量不够或工作不良；节流现象

压缩机不能正常工作，在薄弱点产生漏气甚至爆裂

静电

高速气流静电放电

放散阀开度过大,放散气流速度大于7~9m/s

引爆可燃浓度的天然气

操作人员

违反电器设备操作规定、机械设备操作规定、天然气加气站危险场所安全操作规定

业务素质、安全意识差，工作疲劳

电器事故;机械事故;加速压缩机的失效

漏气

漏水

填料、阀门漏气；法兰或卡套漏气；气阀漏气漏水

密封件失效；节流现象；法兰密封不严；机械振动损坏

不断聚集可燃天然气，以至达到可引燃/爆浓度

油/水

/硫化氢

原料气含水含硫太重

净化装置或油气分离器失效

导致压缩机早期损坏；污染、腐蚀加气站其他设备

2.2.1高压管道危险因素

天然气在进入CNG加气站之前压力为1.6MPa～2.5MPa，但是在经过CNG加气站内压缩系统过后压力升为22MPa～25MPa，所以从站内天然气压缩机一直到售气系统中的加气枪之前管道内压力都是出于高压状态。

由于天然气的易燃、易爆、易扩散性，泄漏时，高压气流将以高速喷射出并迅速扩散，可能对人员造成窒息和中毒，如果天然气浓度达到爆炸极限，遇火源会造成火灾、爆炸，可能造成人员伤亡和财产损失。

所以管道事故发生的主要原因依次为：

外力损伤、腐蚀材料设备缺陷、施工质量及其他[15]。

2.2.2高压存储容器危险因素

储气系统因其内部所储存的25MPa的CNG而成为安全技术考虑的重中之重。

在储气设备的布置方式、安全可靠性评价、工艺制造以及材质方面都有着特殊要求。

储气井常见事故为火灾、爆炸（物理爆炸和化学爆炸）、泄露等。

如2.1.4已经阐述，CNG加气站储气系统可以分为三种：

地下储气井式、储气罐式、储气瓶组式。

除其共有危险因素：

设计缺陷、管理缺陷外还有：

（1）地下储气井式

国家针对地下储气井的检测也在加紧作技术攻关，但仍未成就一套可行的方案。

耐压试验无法检验强度和密封性、制造缺陷不能及时发现、排污不彻底容易对套管造成应力腐蚀。

（2）储气罐式

储气罐水容积一般为2m3～6m3，储气罐是暴露在空气中的储气容器，长时会受到太阳照射，降雨时会遭受腐蚀，这些都会使得储气