●趙偉剛，趙東峰

(1.河南省消防總隊(duì)，鄭州 450000;2.周口市消防支隊(duì)，河南 周口 466000)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，壓縮天然氣汽車得到了廣泛應(yīng)用，城市中也相應(yīng)增加了越來越多的壓縮天然氣(CNG)加氣站。加氣站與民用建筑間的防火間距成了消防設(shè)計(jì)中必須重視的問題。在現(xiàn)行的《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中，對民用建筑附近的液體儲(chǔ)罐、可燃?xì)怏w儲(chǔ)罐和化學(xué)易燃物品庫房等的防火間距進(jìn)行了規(guī)定。但對儲(chǔ)氣井儲(chǔ)存方式的加氣站，無法用儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在針對加氣站的規(guī)范《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》中，對儲(chǔ)氣井與民用建筑的防火間距進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，但在該規(guī)范中對加氣站與附近民用建筑防火間距的要求需要根據(jù)民用建筑的類別進(jìn)行確定，但目前民用建筑的使用類型趨于多樣化，城市綜合體等形式越來越多，如何界定相鄰建筑的保護(hù)類別，成為影響防火間距設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因此，若能對加氣站與民用建筑之間的防火間距進(jìn)行量化分析，在此基礎(chǔ)上判定加氣站與民用建筑之間的消防安全性，是可以解決目前規(guī)范在對非儲(chǔ)罐類加氣站與民用建筑之間防火間距設(shè)計(jì)困難的問題。

1 某加氣站與民用建筑概況

某加氣站為CNG加氣站，其儲(chǔ)氣方式為地下儲(chǔ)氣井的方式，儲(chǔ)氣壓力≤25.0MPa。汽車加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模為1.5～2.0萬立方米/日，設(shè)有5個(gè)公共汽車標(biāo)準(zhǔn)車位。加氣站附近有一座綜合辦公樓，由樓1、樓2、樓3組成。樓1的1F為商業(yè)，2F～3F為辦公，建筑高度14.05m;樓2的1F為商業(yè)，2F～12F為辦公，建筑高度46.15m;樓3的1F為商業(yè)，2F～13F為辦公，建筑高度49.85m。加氣站工藝設(shè)備與建筑的距離如表1所示，加氣站與建筑之間的相對位置如圖1所示。

表1 工藝設(shè)備與建筑的距離/m

圖1 加氣站與建筑之間的相對位置

2 加氣站各工藝設(shè)備發(fā)生爆炸的可能性分析

加氣站各工藝設(shè)備發(fā)生爆炸的可能性:(1)儲(chǔ)氣井一般會(huì)在井口裝置發(fā)生天然氣的泄漏，但加氣站每個(gè)工藝設(shè)備之間均設(shè)有截?cái)嚅y在緊急狀況下切斷氣源，儲(chǔ)氣井不會(huì)產(chǎn)生大量天然氣泄漏而發(fā)生爆炸;(2)加氣機(jī)只儲(chǔ)存少量天然氣，僅會(huì)發(fā)生爆燃事故;(3)壓縮機(jī)位于封閉式壓縮機(jī)房，在封閉的壓縮機(jī)房內(nèi)，一旦天然氣的濃度達(dá)到其爆炸極限5% ～15%，容易引發(fā)爆炸。根據(jù)以上分析，壓縮機(jī)發(fā)生爆炸的可能性最大。但儲(chǔ)氣井作為天然氣大量儲(chǔ)存的部位，其發(fā)生火災(zāi)的危害性較大。加氣機(jī)距離民用建筑最近，其發(fā)生火災(zāi)對附近建筑的影響較大。因此，量化分析中，將討論儲(chǔ)氣井、加氣機(jī)天然氣點(diǎn)燃時(shí)發(fā)生噴射燃燒，在現(xiàn)有的防火間距條件下，根據(jù)加氣站各工藝設(shè)備對附近建筑不同位置處的熱輻射通量，分析是否對附近建筑的安全構(gòu)成威脅;同時(shí)討論壓縮機(jī)天然氣點(diǎn)燃時(shí)發(fā)生噴射擴(kuò)散，達(dá)到天然氣的爆炸極限，利用TNT當(dāng)量法計(jì)算爆炸的嚴(yán)重程度，通過天然氣的爆炸沖擊波超壓計(jì)算，分析壓縮機(jī)房發(fā)生爆炸產(chǎn)生的沖擊波對站外建筑物的影響。

3 量化分析判據(jù)

根據(jù)澳大利亞《消防安全工程指南》:(1)當(dāng)被引燃物是輕薄的窗簾或松散堆放的報(bào)紙等易燃物品時(shí)，臨界輻射強(qiáng)度為10kW·m－2;(2)當(dāng)被引燃物是帶軟墊的家具等一般物品時(shí)，臨界輻射強(qiáng)度為20kW·m－2;(3)當(dāng)被引燃物是超過5cm的木板等難燃物品時(shí)，臨界輻射強(qiáng)度為40kW·m－2。本文臨界熱輻射強(qiáng)度取值為10kW·m－2。

根據(jù)《安全評價(jià)方法應(yīng)用指南》中“傷害(破壞)范圍評價(jià)法”提出沖擊波超壓對建筑物的破壞作用判據(jù)如表2所示。

表2 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

4 儲(chǔ)氣井、加氣機(jī)起火對附近建筑的熱輻射通量

參考美國消防工程師協(xié)會(huì)《SFPE消防工程手冊》，假設(shè)火焰形狀為圓柱體，根據(jù)HASEGAWA與SATO提出的計(jì)算熱輻射強(qiáng)度的方法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算公式如下:

式中，qr為火焰產(chǎn)生的最大熱輻射強(qiáng)度，kW·m－2;mF為燃料氣的質(zhì)量，加氣站內(nèi)有2m3儲(chǔ)氣井6口，儲(chǔ)氣井的工作壓力為25MPa，計(jì)算得到參與燃燒爆炸的燃料氣質(zhì)量為279.52kg(1口井)及1 677.12kg(6口井);R為火焰中心距離目標(biāo)物的距離，m;VF為燃料氣的體積，m3;ρF為燃料氣密度，壓縮天然氣的主要成分為甲烷，甲烷氣體密度為0.60kg·m－3;Zp為火焰的最大高度，m;L為圓柱體火焰邊緣與目標(biāo)物邊緣的距離(見表1)，m。

根據(jù)上述公式，分別計(jì)算1口井燃燒及6口井同時(shí)燃燒時(shí)，距離建筑不同位置處的最大熱輻射強(qiáng)度值，見表3。與熱輻射量化判據(jù)進(jìn)行比較可知，在現(xiàn)有的防火間距下，加氣站儲(chǔ)氣井、加氣機(jī)起火(1口井燃燒或6口井同時(shí)燃燒)對附近已建綜合辦公樓的熱輻射強(qiáng)度均小于10kW·m－2，向附近建筑通過熱輻射進(jìn)行火災(zāi)蔓延的可能性較小。

表3 熱輻射強(qiáng)度值/kW·m－2

5 壓縮機(jī)房爆炸對附近建筑的沖擊波超壓

參考《SFPE消防工程手冊》中針對各類燃料點(diǎn)燃發(fā)生爆炸的預(yù)測計(jì)算方法，參考《安全評價(jià)方法應(yīng)用指南》中提到的“傷害(破壞)范圍評價(jià)法”，確定爆炸沖擊波破壞作用的計(jì)算步驟為:(1)根據(jù)燃料的類別，計(jì)算其發(fā)生爆炸的爆炸能量E;(2)利用TNT當(dāng)量法將該爆炸能量轉(zhuǎn)換為TNT當(dāng)量q;(3)計(jì)算爆炸的模擬比;(4)計(jì)算1000kgTNT爆炸試驗(yàn)中的相當(dāng)距離R0;(5)根據(jù)R0值找出距離為R0處的超壓，即為所求距離為R處的超壓;(6)根據(jù)超壓值在沖擊波超壓對建筑的破壞判據(jù)中找到對應(yīng)超壓下爆炸對建筑的破壞作用。計(jì)算公式如下:式中，E為爆炸能量，kJ;α為產(chǎn)率，默認(rèn)值為100%;Hc為燃燒熱，50 030kJ·kg－1;q 為 TNT 當(dāng)量，kg。

假定在燃燒過程中100%的燃料轉(zhuǎn)化成爆炸能量。壓縮機(jī)房的長、寬、高尺寸為:16.8m×8.1m×6.9m，壓縮機(jī)房的體積為938.952m3。天然氣的體積濃度達(dá)到5%～15%時(shí)發(fā)生爆炸，因此壓縮機(jī)房內(nèi)發(fā)生爆炸時(shí)，機(jī)房內(nèi)天然氣的質(zhì)量為:28.17～84.50kg。計(jì)算中取爆炸極限的上限值，假設(shè)84.50kg的天然氣參與爆炸。設(shè)周圍環(huán)境的溫度為25℃，大氣壓力為101.35kPa。根據(jù)R0值找到距離為R0處的沖擊波超壓，如表4。根據(jù)上述方法，得到距離建筑不同位置的沖擊波超壓值，與沖擊波超壓對建筑的破壞作用判據(jù)進(jìn)行比較，可以得到:(1)距建筑紅線處的爆炸沖擊波超壓最大，為0.027MPa，造成的破壞作用為墻裂縫;(2)距樓1的爆炸沖擊波超壓為0.018MPa，造成的破壞作用為窗框損壞;(3)距樓3、樓2外墻的相當(dāng)距離R0分別達(dá)到90m及99m，不會(huì)對其造成嚴(yán)重破壞。

表4 沖擊波超壓

6 附近建筑起火對加氣站的熱輻射計(jì)算

加氣站附近的建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，火焰的熱輻射是造成火焰跨越防火間距進(jìn)行蔓延的主要途徑。在火焰的熱輻射場，一般把火焰模擬成位于火焰中心的一個(gè)點(diǎn)火源，用點(diǎn)火源熱輻射模型進(jìn)行預(yù)測，其最大熱輻射強(qiáng)度 qr=QCr/(4pR2)=0.14kW·m－2。將計(jì)算得到的最大熱輻射強(qiáng)度與熱輻射量化判據(jù)比較，qr為0.14kW·m－2，遠(yuǎn)小于判據(jù)10kW·m－2，表明在現(xiàn)有的防火間距下，附近建筑起火向加氣站蔓延輻射的可能性較小。

7 結(jié)論

通過對CNG加氣站儲(chǔ)氣井、加氣機(jī)起火對站外建筑物的熱輻射、壓縮機(jī)房爆炸對站外建筑物的爆炸沖擊波危害、站外建筑物起火對加氣站的熱輻射危害等三方面進(jìn)行量化分析，可得到如下結(jié)論:(1)可以判定CNG加氣站與民用建筑防火間距是否達(dá)到消防安全要求，以解決儲(chǔ)氣井儲(chǔ)存方式的CNG加氣站無法按照《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》進(jìn)行防火間距設(shè)計(jì)的問題，也避免了由于無法對民用建筑的保護(hù)類別進(jìn)行判定，從而無法根據(jù)《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》進(jìn)行防火間距設(shè)計(jì)的問題。(2)根據(jù)量化分析結(jié)果，在現(xiàn)有防火間距下，還可得到加氣站附近的民用建筑外墻的防爆要求，要求防爆墻應(yīng)具有抗爆炸沖擊波的能力、能將爆炸的破壞作用限制在一定范圍內(nèi)，并提供了設(shè)計(jì)壓力。(3)量化分析方法同時(shí)可以為規(guī)范的制修訂提供參考，對CNG加氣站采用儲(chǔ)氣井儲(chǔ)存等其他方式進(jìn)行補(bǔ)充修訂，進(jìn)而指導(dǎo)CNG加氣站與民用建筑防火間距的設(shè)計(jì)。

［1］GB50045－95，高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范(2005年版)［S］.

［2］GB50016－2006，建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

［3］GB/T50156－2002，汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范［S］.

［4］SFPE Handbook of Fire Protection Engineering［S］.USA，3rd Edition，2002.

［5］DGJ08－88－2006，建筑防排煙技術(shù)規(guī)程［S］.

［6］劉鐵民，張興凱，等.安全評價(jià)方法應(yīng)用指南［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.