CNG危险性分析及安全阀设计

PAGEword文档可自由复制编辑CNG加气站危险性分析与安全附件设计学生：学号：专业：班级：指导老师：PAGE13word文档可自由复制编辑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word文档可自由复制编辑AnalysisRiskandDesignSafetyAccessoriesofCNGFillingStationAbstractInrecentyears,alongwiththenationalenergystrategy,usingnaturalgasas

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safetyvalveword文档可自由复制编辑目录第一章绪论 11.1课题提出的意义 11.2国内外研究现状 21.2.1国外研究现状 21.2.2国内研究现状 31.3本文的研究内容 3第二章CNG加气站系统构成及危险有害因素 52.1CNG加气站系统 52.2系统危险因素识别分析 72.2.1物料本身的危险性 72.2.2CNG压缩系统危险因素 92.2.1高压管道危险因素 102.2.2高压存储容器危险因素 102.2.3售气系统危险因素 112.2.4控制系统危险因素 122.2.5电器装置危险因素 122.2.6设备仪表、消防设施的危险因素 13第三章CNG加气站安全评价 143.1事故树分析法 143.2系统危险因素 153.3CNG加气站事故树 163.4定性分析 19第四章安全阀设计与加气站布局规划 214.1安全泄压阀 214.1.1安全阀种类及材料的选择 214.1.2定压 224.1.3安全阀的集聚压力 224.1.4安全阀的泄放压力 234.1.5容器暴露的表面积 234.1.6安全阀泄放量 234.1.7安全阀喷嘴面积计算 244.1.8安全阀选型 254.2加气站布局规划 264.2.1加气站站内布局规划 264.2.2CNG加气站与站外构筑物布局规划 27第五章结论 29参考文献 30致谢 31word文档可自由复制编辑四川理工学院毕业设计绪论PAGE5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。word文档可自由复制编辑第二章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：压缩机2过滤压缩机2过滤调压脱水缓冲罐储气设施压缩机1加气机2加气机3回收系统加气机1 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：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，这些都会使得储气罐承压能力减弱引发爆炸事故。爆炸事故发生时，地面冲击波的辐射范围大、强度大。储气瓶式将若干储气瓶按不同压力分级布置，单瓶容积多为60L至80L，材质多为无缝优质钢或具有防火功能的缠绕树脂纤维，缺点是供气阻力大、管阀漏点多，增加了不安全因素。2.2.3售气系统危险因素售气系统中最主要的设备为加气枪，同时加气枪也是CNG加气站事故易发部位。加气机的安全问题主要是气体流量的计量准确与否。在对加气机使用故障进行统计分析后,得到加气枪的失效模式、失效原因和可能造成的后果，如表2.4所示：表2.4加气机失效模式和效应分析部件失效模式失效原因可能后果联接装置；充气头联接不紧，导致漏气；充气头各接头部分、卡套或其他联接装置自然失效过应力失效;O型密封圈老化变形、损坏或冲开不断聚集气体，形成可燃浓度，可能导致加气站爆炸燃烧两位三通阀、电磁阀及其O型圈、单向阀阀件损坏，不能正常使用阀件机械性能不好；操作不当造成压力和电源不稳气机无法使用，相应的安全隐患加气机限压设置装置限压设定值偏高操作人员违规或失误储气瓶超压，生破裂或爆炸过滤器堵塞，滤网破坏过滤器过滤面积过小加气机不能正常速度加气加气机管道或阀件部位冰堵气温过低；充气速度过低或过大；杂质发生安全事故2.2.4控制系统危险因素设备控制系统主要是对加气站内各种设备实施自动控制或手动控制。因此，加气站内存在潜在的点火源，各生产环节防静电措施不到位或各种电器设备、电气线路不防爆、接头封堵不良，在天然气稍有泄漏的情况下就易发生火灾爆炸事故。2.2.5电器装置危险因素防雷装置站内建筑物及设施、堆料未采取防雷的防护措施，遇雷击易使建筑物垮塌，造成站内财产损失及人员伤亡。防雷装置承受雷击时，其接闪器、引下线和接地装置呈现很高的冲击电压，可击穿与邻近的导体之间的绝缘，造成二次放电，二次放电可引起火灾和爆炸，也可造成电击。雷击低压线路时，雷电侵入波将沿低压线传入户内，特别是采用木杆或木横担的低压线路，由于其对地冲击绝缘水平很高，会使很高的电压进入户内酿成大面积雷害事故，对于建筑物，雷电波侵入可引起火灾或爆炸，也可能伤及人身。电气线路设备老化或线路裸露，易引起漏电、短路，产生火花；电源开关闭合瞬间接触易引起强烈电弧产生火花，为泄漏的可燃气体燃烧提供条件。电源线路凌乱或破裂，容易使人遭电击。防雷装置缺少，遇雷击站内产生强烈火花，平时操作产生的静电不能及时导走，易形成火花，引发火灾爆炸事故。电气设备不应在国家颁布的淘汰产品行列内，应具有国家指定机构的认证标志。在粉尘、潮湿或腐蚀环境中工作，防爆电器应达到相应的防爆等级。电气设备应设置触电保护、漏电保护、短路保护、过载保护、屏护装置。线路应有良好的绝缘效果。根据作业环境和条件选择安全电压，安全电压值和电气设备。防静防雷击等电气联结措施必须可靠。应保证在事故状态下有可靠的照明、消防、疏散用电及应急措施用电。 3、防静电装置 生产设备和管道如未采用静电接地装置，气体在管道中流动会产生静电，易使静电积聚形成火花，引发火灾爆炸事故。生产现场使用的静电导体制作的操作工具未接地,因静电积聚产生火花引发火灾爆炸事故。工作人员作业时穿戴化纤、丝绸衣物，因摩擦产生静电火花，从而导致火灾爆炸事故。对因经常发生接触、摩擦、分离而起电的物料和生产设备，生产设备宜采用合理的物质组合，使分别产生的正、负电荷相互抵消，最终达到起电最小的目的。选用导电性能较好的材料，限制静电的产生和积聚。生产设备和管道内外表面应光滑平整、无棱角，容器内避免有静电放电条件的细长导电性突出物，同时应设置静电接地线，保证产生的静电能得到有效的传导[16]。2.2.6设备仪表、消防设施的危险因素 CNG加气站中的主要的设备仪表有：压力、温度、流量、组分等检测仪表。紧急处理设施：安全泄压阀、紧急切断阀等阀门部件；消防设施有：水喷淋、沙土掩埋、泡沫灭火器、消防泵等。这些设备仪表和消防设施本身并不具有危险，但是它们却对防止事故发生或者减轻事故后果有着很重要的作用。word文档可自由复制编辑第三章CNG加气站安全评价随着CNG技术的发展，世界上CNG加气站的数量也在不断地增加，然而CNG加气站由于其物质的危险性和设备管道的高压特性，所以CNG加气站被归纳为危险区。因此对CNG加气站做安全评价是非常必要的，以便能够分析出其危险性，针对分析出的危险性进行必要的安全设计与安全管理规定，提高CNG加气站安全指数。某一CNG加气站位于城郊结合部，总建筑面积616m2，加气站划分为三个区域，加气区，设备区和办公区。办公区与加气区，设备区分开，加气区位于整个加气站的中心位置，设备区和办公区分布在加气区的两边。加气区的主要功能能是给汽车加气；设备区主要功能是将市政中压管道来气进行调压、压缩和储存；设备区与外界采用围墙相隔，减少两者互相干扰。加气区共设有四个加气点供天然气公交车和出租车加气。该CNG加气站从天然气管线直接取气，通过脱硫、脱水等工艺，进入压缩机进行压缩，然后进入储气装置储存最后通过加气机给车辆加气，加气量在600—1000m3/h。周围有一公交车站，主要生产设备有双枪加气机（数量4台，型号：JQDS-30A）、加气柱（数量2台，型号：JQF-90）、天然气压缩机（数量2台，型号及规格D-20/3-250，Q=1200

m3/h，N=250kw）、高压脱水装置（数量2套，型号及规格：CNG1500/25，Q=1500

m3/h，N=9.0kw）等。CNG加气站呈矩形分布，长58m，宽29.4m，CNG储存方式为地下储气井式，共4口井，型号为CQJ－04－25，每口井的水容积为4m3额定储存量为1000方，井深150m，设计压力32MPa，额定压力25MPa。3.1事故树分析法一般的评价方法有：安全检查表、道化学火灾、ICI蒙德法；模糊数学综合评价法；预先危险性分析等。本次选用事故树分析法。故障树分析(FaultTreeAnalysis，FTA)技术是美国贝尔电报公司的电话实验室于1962年开发的，它采用逻辑的方法，形象地进行危险的分析工作，特点是直观、明了，思路清晰，逻辑性强，可以做定性分析，体现了以系统工程方法研究安全问题的系统性、准确性和预测性，它是安全系统工程的主要分析方法之一。事故树分析方法基本程序如图3.1所示。首先详细了解系统状态及各种参数，会出工艺流程图或平面布置图。其次，收集事故案例（国内外同行业、同装置曾经发生过的），从中找出后果严重且交易发生的事故作为顶事件。根据经验教训和事故案例，经统计分析后，求解事故发生的概率（频率），确定要控制的目标事故值。然后从顶事件起按其逻辑关系构建事故树。最后作定性分析（目前，我国事故树分析法一般都进行到定性分析为止）。图3－1为事故树分析方法一般程序：明确系统明确系统熟悉系统确定顶事件构建事故树进行事故树定性分析得出评价结果分析系统故障及异常收集资料图3－1事故树分析法基本流程事故树评价法优点：它能识别导致事件的基本事件（基本的设备故障）与人为失误的组合，可为人们提供设法避免或减少导致事故发生的基本事件，从而降低事故发生的可能性。能对导致灾害事故的各种原因及逻辑关系作出全面、简介而形象的描述。便于查明系统内固有的或潜在的各种危险因素，为设计、施工和管理提供科学依据。3.2系统危险因素根据第二章中的系统危险性分析，再结合部分参考文献[17-19]得到CNG加气站中危险因素表3.2：表3.2系统危险因素符号危险因素/事故所处部位导致后果TCNG加气站不安全CNG加气站不安全A1火灾爆炸事故CNG加气站CNG加气站不安全A2物理性爆咋事故高压部位CNG加气站不安全A3中毒窒息CNG加气站CNG加气站不安全B1可燃气体浓度到达爆炸极限CNG加气站如遇点火源则会发生火灾爆炸事故B2点火源CNG加气站为火灾爆炸提供能量B3泄漏设备、管件连接处气体暴露在外B4过应力设备、管道设备、管道破裂B5设备承压差高压设备高压条件下易爆B6中毒窒息浓度CNG加气站中毒窒息B7个人防护措施CNG加气站容易伤及人身B8温度超标压缩系统压力上升B9压力超标承压设备过应力X1可燃气体检测装置失效安全附件可燃气体浓度超标X2通风机故障压缩系统气体集聚X3静电CNG加气站引爆物质X4明火CNG加气站引爆物质X5雷击不定引爆物质X6管道泄漏管道气体暴露在外X7压缩机泄漏压缩系统气体暴露在外X8储气井泄漏储气系统气体暴露在外X9加气枪泄漏加气系统气体暴露在外X10冷却故障压缩系统温度超标X11安全泄压阀失效安全附件气体压力超标X12安全阀故障承压设备压力过高X13腐蚀各设备承压水平下降X14材料不符合承压设备材料质量问题X15未佩戴防护用品个人人体暴露于危险中X16停留时间长个人暴露于危险时间长3.3CNG加气站事故树根据表3.2系统危险因素表中关系可以绘制出火灾爆炸事故树（图3.2）、物理性爆炸事故树（图3.3）、中毒窒息事故树（图3.4）、系统危险事故树（图3.5），如下：图3.2火灾爆炸事故树BB3.·..+.X6X9X8X7X2X1X5A1.·.B1B2X4X3.+.图3.3物理性爆炸事故树XX14X13X10.＋B5B8X11A2.·.B6.+.·图3.4中毒窒息事故树BB3.·..+.X6X9X8X7X2X1B7.·.X15X16A3.·.B6 图3.5系统危险事故树 TT+A2A3A1图3.2、图3.3、图3.4、图3.5中符号及定义说明如表3.3：表3.3符号说明符号名词术语定义基本事件在特定的故障树分析中无需特殊探明其发生原因的底事件结果事件中间事件故障树分析中由其他事件或事件组合所导致的事件.＋.＋或门只要有一个输入事件发生，输出事件就发生..·与门仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生TA1~A3B1~B9X1~X14如表3.23.4定性分析事故树的定性分析仅按照事故树的结构和事故的因果关系进行。分析过程中不考虑各事件的发生概率，或认为个事件的发生概率相等。内容包括求基本事件的最小割集及其结构重要度。求取方法有质数代入法、矩阵法、行列法、布尔代数法。本次定性分析就使用布尔代数法。布尔代数法在事故树分析中常用逻辑运算符号“·”、“+”将T、A、B、X等各事件联系起来，这些连接式称为布尔代数表达式。在求最小割集时要用布尔代数运算法则化简代数式。这些法则有：（1）交换律： A+B=B+A A·B=B·A（2）结合律： A+(B+C)=(A+B)+CA·(B·C)=(A·B)·C（3）分配率： A·(B+C)=A·B+A·CA+(B·C)=(A+B)·(A+C)（4）吸收率： A·(A+B)=AA+A·B=A（5）幂等率： A+A=AA·A=A求最小割集火灾爆炸事故树最小割集A1=B1·B2=X1B3X2·(X3+X4+X5)=X1X2·(X6+X7+X8+X9)·(X3+X4+X5)=(X1X2X6+X1X2X7+X1X2X8+X1X2X9)·(X3+X4+X5)=X1X2X3X6+X1X2X4X6+X1X2X5X6+X1X2X3X7+X1X2X4X7+X1X2X5X7+X1X2X3X8+X1X2X4X8+X1X2X5X8+X1X2X3X9+X1X2X4X9+X1X2X5X9（2）物理性爆炸事故树最小割集A2=B6·X11=(B5+B8)·X11=[(X12+X13)+X10]·X11=X10X11+X11X12+X11X13（3）中毒窒息事故树最小割集A3=B6·B7=(X1B3X2)·(X15X16)=[X1·(X6+X7+X8+X9)·X2]·(X15X16)=X1X2X6X15X16+X1X2X7X15X16+X1X2X8X15X16+X1X2X9X15X16CNG加气站不安全事故树最小割集T=A1+A2+A3=X1X2X3X6+X1X2X4X6+X1X2X5X6+X1X2X3X7+X1X2X4X7+X1X2X5X7+X1X2X3X8+X1X2X4X8+X1X2X5X8+X1X2X3X9+X1X2X4X9+X1X2X5X9+X10X11+X11X12+X11X13+X1X2X6X15X16+X1X2X7X15X16+X1X2X8X15X16+X1X2X9X15X16由以上布尔代数表达式可以看出，CNG加气站不安全事故是由3个两阶最小割集、12个四阶最小割集和4个五阶最小割集，共19个最小割集组成。由最小割集理论可知，如要保证CNG加气站安全则需最小割集中的基本事件不同时发生。根据对CNG加气站不安全事故树最小割集中的基本事件进行统计，可燃气体检测装置失效出现16次，通风机故障出现16次，静电事故4次，雷击事故4次，管道泄漏、储气井泄漏、加气枪泄漏、压缩机泄漏、各4次，未佩戴个人防护用品、停留时间长各4次，安全泄压阀故障3次。由上可知在CNG加气站中，导致事故发生的最主要原因是为保护主体设备所设的安全附件失效，所以在CNG加气站日常安全管理工作中应该注重对安全附件的检查和维护。word文档可自由复制编辑第四章安全阀设计与加气站布局规划CNG加气站最常见事故有泄漏，爆炸，中毒等。为了抑制事故发生或者较小事故发生后对我们带来的损失，就必须要采取适当的控制措施。本章是对储气井的安全泄压阀进行选型，以及CNG站内外布局规划。储气井型号为CQJ－04－25工作压力为25MPa，水压试验测得强度为37.5MPa，井深103m，水容积4m3储气量1000Nm3，管径为244.5mm，井管壁厚11.05mm，井口离地高度500mm。从控制事故的角度出发，对CNG加气站中必要的安全附件进行计算选型，对CNG加气站与周围的构建物进行布局分析。4.1安全泄压阀根据系统的工作压力能自动启闭，一般安装于封闭系统的设备或管路上保护系统安全。当设备或管道内压力超过泄压阀设定压力时，即自动开启泄压，保证设备和管道内介质压力在设定压力之下，保护设备和管道，防止发生意外。安全泄压阀选型过程中需要的必备参数：安全阀种类、安全阀材料、公称通径和公称压力。4.1.1安全阀种类及材料的选择安全阀的种类以及选择条件如表4.1所示：表4.1安全阀的种类以及选择条件条件安全阀种类排放介质为气体全启式安全阀排放介质为液体微启式安全阀a)

安全阀的背压力大于其整定压力的10%，而小于30

%时；b)

当介质具有腐蚀性、易结垢、易结焦，会影响安全阀弹簧的正常工作时。平衡波纹管式安全阀安全阀的背压力大于其整定压力的30%以上时；b)

对要求安全阀的密封性能特别好的场合；c)

对于介质有毒、有害时，应选用不流动式导阀（即导阀打开时，它不向外排放介质）。先导式安全阀为检查阀瓣的灵活程度或作紧急泄压用时；带扳手的安全阀因为CNG为气体介质所以根据表4－1选择全启式安全阀。CNG气体中含有硫化物等具有腐蚀性的气体，所以在选择安全阀材料的时候应该选择不锈钢的安全阀。4.1.2定压安全阀入口处的静压达到该值时，安全阀将动作。安全阀的定压必须等于或稍小于设备和管道的设计压力，一般可根据设备或管道的最高操作压力来确定其安全阀的定压，

计算公式如下（4.1到4.4）：当P≤1.8MPa（G） Ps=P+0.18 （4.1）当1.8MPa（G）＜P≤4MPa（G） Ps=1.1P （4.2）当4MPa（G）＜P≤8MPa（G） Ps=P+0.4 （4.3）当P＞8MPa（G） Ps=1.05P （4.4）式中：P——最高工作压力，MPa（G）； Ps——设定压力MPa（G）。因为CNG储气井的最高工作压力为25MPa（G）所以选取公式4.4计算，则：定压：Ps=0.15P=1.05×25MPa（G） =26.25MPa（G）4.1.3安全阀的集聚压力安全阀泄压时，阀前压力超过设备或管道设计压力的值称为积聚压力，一般以设计压力的百分数表示，安全阀超压的最大值可等于积聚压力。Pa=ΔP0×Ps （4.5）式中：Pa——安全阀的集聚压力，MPa（G）； ΔP0——超压百分数； Ps——设定压力MPa（G）。非火灾工况的积聚压力：容器允许的最大积聚压等于10%的设定压力；火灾工况的积聚压力：压力容器允许的最大积聚压等于21%的设定压力。管道允许的最大积聚压力：管道允许的最大积聚压等于33%的设计压力。但因介质是天然气，极具危险性，所以在选取超压百分数时为了使安全阀更加保险，所以选择超压百分数为10%，则：集聚压力 Pa=ΔP0×Ps =26.25MPa（G）×10% =2.625MPa（G）4.1.4安全阀的泄放压力安全阀的阀芯升到最大高度后阀门入口处的压力。泄放压力等于设定压力加集聚压力。Pd=Ps+Pa （4.6）=（26.25+2.625)MPa(G)=28.875MPa(G)4.1.5容器暴露的表面积若知道容器的总长，椭圆形封头卧式容器的受热面积计算公式：A=πD×（L+0.3D）（4.7）式中：A——容器的受热面积，m2； D——容器的外径，m； L——容器总长度，m。A=πD×（L+0.3D）=3.14×（0.244+0.011×2）×（103+0.3×（0.244+2×0.011））=83.6m24.1.6安全阀泄放量按火灾情况下气体膨胀容器安全阀泄放量计算公式：W=8.765×（Pd×M）0.5[A×（Tw-T1）1.25/（T11.1506）］ (4.8)T1=（Pd/Pn）Tn式中：W——安全阀所需的排量，kg/h； Tw——容器的壁温，K；（碳钢材料的壁温为593

℃，Tw=593+273=866

K，如果对于不锈钢材料的壁温不清楚时，在计算中也假设为593

℃）； T1——安全阀入口介质泄放温度，K；

Tn——气体正常操作的温度，K；

Pn——气体正常操作的压力，MPa.（A）；

Pd——上游泄放压力，MPa（A）；

M——气体或蒸汽的分子量；

A——容器暴露的表面积，m2。Tn=20+273K=293K；Pn=25+0.101=25.101MPa（A）Pd=4.125+0.101=4.226MPa（A）T1=（Pd/Pn）Tn=28.875÷25.101×293=337.05KM=16.063所以：W=8.765×（Pd×M）0.5[A×（Tw-T1）1.25/（T11.1506）］=8.765×（4.226×16.063）0.5[83.6×（866－337.05）1.25/（337.051.1506）] =18912.09 kg/h4.1.7安全阀喷嘴面积计算根据《安全阀的选用和计算规定》（BA2-3-8-95），在计算安全阀的喷嘴面积前要通过公式（4.9）进行流动状态的确定流动状态确定，若判定为临界流动状态则可用公式（4.10）计算喷嘴面积，如若判定为亚临界流动状态则需进行其他计算。流动状态判定气体通过安全阀喷嘴时，其速度和比容随下游压力的减少而增大，增大到极限速度为止，此极限速度即为该气体的声速，相当于极限速度的相应流率，称为临界流率。流动状态可以通过背压力P2（气体放散口的压力，G）与临界流动压力之间大小关系做出判断。当P2<Pcf时为临界流动状态，P2>Pcf时为亚临界流动状态。声速下的喷嘴喉管压力Pcf与入口压力（即最高泄放压力）Pd之比称为临界压力比，Pcf称为临界流动压力。气体的临界压力比可用理想气体关系的公式计算： （4.9）式中：Pcf——声速下的喷嘴喉管压力，MPa（G）； Pd——最高泄放压力，MPa（G）； K——气体的绝热指数K；因为K>0，Pd>0，所以Pcf>0。气体放散口处压力等于大气压力，用表压力表时为“0”。所以P2<Pcf，流动状态为临界流动状态。则可用公式4－9计算。 （4.10）式中：A0——喷嘴面积，cm2；W——气体最大泄放量，kg/h；Pd——最高泄放压力，MPa（A）；T1——泄放温度，K；M——气体分子量；Z——在Pm压力下气体的压缩系数；KF——流量系数；Kb———背压校正系数，对普通型安全阀，随着P2值增大，安 全阀的理论泄放量将随之减少。但当P2<Pcf时，对泄放量的影 响较小，而普通型安全阀的P2值要求小于0.1Ps，在此条件 下，Kb值可取为1。C——气体特性系数，仅与气体的绝热指数K有关，可用下式计算 （4.11）计算W：18912.09kg/h Pd：4.226MPa（A）T1：337.5K M：16.063Z：天然气在25MP，20℃条件下的压缩系数为1.20KF：国产全启式安全阀的流量系数一般为0.75K：1.314（参照甲烷的绝热指数）C：根据公式4－7据算得：348.29将以上数据代入公式4－10得：=11.183cm24.1.8安全阀选型公称压力在26.25MPa左右只有PN16和PN40，为了安全所以选择PN40，然后再根据公称压力和喷嘴面积选择公称通径，表4.2为PN40的喷嘴面积与公称通径对照表。表4.2PN40的喷嘴面积与公称通径对照表公称通径DN32405080100150200喷嘴面积cm23.144.918.0419.633.1878.54123所以选择材料为不锈钢，类型为全启式，公称通径为DN80，公称压力为PN40,设定(开启)压力为27MPa的安全阀。推荐选择型号的SA42sY-100安全阀。4.2加气站布局规划加气站的布局对加气站的安全性也起到了很大的影响，加气站站内布局是否合理，直接关系到加气站事故大小；加气站与周边建筑物的距离直接关系到事故发生后的后果严重程度。4.2.1加气站站内布局规划根据《汽车加油加气站设计与施工规范GB50156-2012》规定的CNG加气站站内设施的最小防火间距，再对最小防火间距取1.2倍安全系数，最后取整得到本次设计的防火间距，如表4.3所示：表4.3CNG加气站站内主要设施防火间距设施名称压缩机房脱水脱硫装置加气机站房配电室围墙储气井储气井4686842压缩机房-65683-调压房-68683-脱硫脱硫装置--6684-加气机--268--根据表4－3中的安全距离进行规划，将压缩机房、脱硫脱水装置、储气井建在一条线上，安全距离取其中最大值，如图4.1所示：入口入口出口围墙加气机站房配电房脱水脱硫装置储气井 压缩机房 4m 4m 6m 4m 2m 6m 6m 2m 2m图4.1