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)實現(xiàn)更大范圍的村村通、戶戶通面臨諸多難題。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)，具有廣闊的市場空間和重要的現(xiàn)實意義。天然氣加氣站在汽車燃料氣領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，但該類型氣站屬于永久氣站，具有建設(shè)周期長和固定資產(chǎn)投資較高的特點，受用戶量制約，因此借鑒傳統(tǒng)汽車加氣站發(fā)展民用罐裝天然氣不是理想選擇。開發(fā)搬運靈活、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)的簡稱(下文簡稱“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供形式進(jìn)入千家萬戶，為用戶提供清潔環(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)計借鑒較為成熟的撬裝式LNG加氣站設(shè)計思路，將儲存設(shè)備、加氣機(jī)、控制系統(tǒng)等安裝在一個撬塊上，具體由撬體、CNG儲氣瓶、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、安全報警系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、儀表風(fēng)等多個系統(tǒng)組成。裝置具有不依賴天然氣管網(wǎng)、占地少、投資小、建站周期短、易操作、易于搬遷,機(jī)動靈活等優(yōu)勢，可以在較短的時間內(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

2.1 加氣工藝

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

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

2.2 儲氣瓶組

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

儲氣瓶兩端瓶口均加工內(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。后端設(shè)有進(jìn)出油管路、測壓儀表、快裝接頭以及爆破片裝置等構(gòu)成操作倉，在操作倉每個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)出的氣動球閥、手動球閥及管路，各管路匯總至循環(huán)管路，循環(huán)管路通過PLC控制后與各氣瓶連接，同時在匯總管路設(shè)置壓力表；在操作倉內(nèi)設(shè)氣路的進(jìn)氣塊體并連接快裝接頭，是外來運輸車卸氣時的專用接口，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、制造、安裝和試壓等嚴(yán)格現(xiàn)行國家標(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，通過觸摸屏進(jìn)行操作方式完成全過程。電氣系統(tǒng)全部采用防爆型設(shè)計，現(xiàn)場一次儀表采用隔爆型(ExdⅡBT4)，集中設(shè)置1個隔爆型控制柜，用于控制啟動防爆電機(jī)、系統(tǒng)液壓泵壓力、氣動閥門行器動作、點式燃?xì)馓筋^報警器對設(shè)備泄露的檢測報警、防爆空壓機(jī)為控制系統(tǒng)提供氣動動力。控制系統(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)計嚴(yán)格執(zhí)行《爆炸危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》(GB50058-2014)相關(guān)要求，控制儀表選型符合《石油化工自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》(SH/T3005-2016)或《自動化儀表選型設(shè)計規(guī)范》(HG/T20507-2014)的有關(guān)規(guī)定。

3 裝置安全性分析

3.1 危險度評價[5]

針對危險性較大的撬裝民用加氣裝置進(jìn)行危險度評價，由物質(zhì)、容量、溫度、壓力和操作5個項目共同確定各評價子單元的危險度，最后評價其危險等級，危險度分級見表1，評價過程見表2，結(jié)果為裝置危險度為高度危險，危險等級為Ⅰ。

表1 危險度分級

表2 危險度評價過程

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，孔口為臨界流泄漏，忽略風(fēng)況條件影響，氣體泄漏率的計算公式如下[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TNT的爆炸熱，MJ/kg。

泄露時間按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，將泄漏爆炸點周圍環(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、泄漏點周圍大氣條件等多因素影響，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)用問題。針對裝置結(jié)構(gòu)特點，從加氣工藝、儲氣瓶組、電儀系統(tǒng)三個方面進(jìn)行了裝置安全設(shè)計；在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步做了裝置安全性分析，裝置屬于Ⅰ級高度危險，爆炸燃燒事故危害預(yù)測分析可以看出，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，為此僅對裝置本質(zhì)安全性進(jìn)行了分析評估，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)、在線檢測及報警系統(tǒng)，確保裝置本質(zhì)安全是事故風(fēng)險的關(guān)鍵控制點。