天然气调压站安全评价与管理_安全运行

摘要

分析了导致天然气调压站泄漏造成火灾、爆炸的危险因素，遵循安全评价中事故最大化原则，以蒸气云爆炸为模型，对天然气泄漏火灾、爆炸的灾害后果进行了定量分析。在泄漏面积为1mm2的情况下，即使泄漏持续5min，四级损伤半径会达到6.62m。在工程的设计、施工及运行管理阶段要制定有针对性的安全措施并严格执行。

摘要：分析了导致天然气调压站泄漏造成火灾、爆炸的危险因素，遵循安全评价中事故最大化原则，以蒸气云爆炸为模型，对天然气泄漏火灾、爆炸的灾害后果进行了定量分析。在泄漏面积为1mm²的情况下，即使泄漏持续5min，四级损伤半径会达到6.62m。在工程的设计、施工及运行管理阶段要制定有针对性的安全措施并严格执行。

关键词：调压站；泄漏；火灾；爆炸；安全评价

Safety Evaluation and Management of Natural Gas Regulator Station

WEI Fan，QU Ying

Abstract：The risk factors causing leakage at natural gas regulator station，resulting in fire and explosion，are analyzed. The consequences of fire and explosion from leakage of natural gas are quantitatively analyzed by vapor cloud explosion model according to the accident maximization principle in safety evaluation. Under the condition of leakage area of 1mm²，the four-stage damage radius will reach 6.62m even if the leakage lasts for 5 rain. The safety measures must be established and strictly implemented in the project design，construction and operation management.

Key words：regulator station；leakage；fire；explosion；safety measure

调压站是天然气输配系统的重要组成部分，其安全运营是天然气稳定供应的重要保证。由于调压站内设备繁杂，且天然气运行压力较高，一旦燃气发生泄漏，易造成火灾、爆炸或中毒等事故^[1、2]。本文对天然气调压站存在的安全问题进行分析，提出有效的防范措施，消除安全隐患，从而确保城市燃气安全、平稳供应。

1 主要危险因素分析

1.1 介质本身的危险性

天然气是易燃易爆的物质，属于甲类火灾危险性物质^[3]。天然气泄漏后，极易扩散到空气中，形成蒸气云，遇火源或高温热源极易发生爆炸。此外，天然气为烃类混合物，虽然毒性较低，但长期接触也可出现神经衰弱综合症，危害人体健康。

1.2 工艺过程危险性

调压器是调压站的主要设备，其功能是根据燃气的需要情况将燃气调至不同压力，实现稳定输送^[4]。由于设备及管道材质的问题、施工不当、运行管理不到位等原因，均会造成燃气泄漏，引起火灾、爆炸等安全事故^[5～7]。

① 设备及管道材质问题

调压器的工作压力较高，要求设备和管道的材质满足强度要求。在设计及选型过程中，如果对设备和管道规格、材质要求不合理，必将对后继过程产生严重影响，造成安全隐患。

② 施工质量问题

施工质量不仅与系统的使用寿命、经济效益紧密相关，而且关系到系统的运行安全。施工质量的影响因素主要有施工现场管道焊接质量不合格、设备安装存在缺陷。

③ 运行管理问题

a. 设备超压

为保证调压器稳定运行，必须时刻监测调压设备进出口燃气压力，一旦出现超压情况，不仅会损害调压器，甚至会危及站区和管网的运行安全。调压设备超压受以下几个方面影响：上游来气压力升高，进口压力表出现故障而未能及时显示；调压器运行过程中安全阀失效，致使超压燃气无法放散；运行过程中人员操作失误等。超压爆炸虽然属于物理爆炸，但爆炸后引起的燃气泄漏极易引发后继的火灾、爆炸。

b. 天然气泄漏与爆炸

设备、管道被腐蚀，密封件失效，仪器、仪表故障，人为误操作，外界干扰等均是造成燃气泄漏的因素。泄漏燃气遇到站区内火源如施工动火、雷电、静电火花等，易被引燃，发生爆炸。

2 天然气泄漏爆炸事故灾害后果分析

通过对危险有害源辨识可知，由天然气泄漏导致的火灾、爆炸事故是影响面最广、发展最迅速、后果最严重的燃气事故之一。

天然气爆炸事故大多是由天然气泄漏后遇到点火源而形成。事故引起损失的大小与天然气的泄漏量和泄漏点附近的人员、财物分布有关。

燃气泄漏后造成的最不利后果是形成蒸气云爆炸。本文遵循事故最大化原则，对天然气爆炸事故进行模拟并对后果进行评价。

2.1 蒸气云爆炸事故机理

蒸气云爆炸(Vapor Cloud Explosion，VCE)是由于气体或易于挥发的液体燃料的大量快速泄漏，与周围空气混合形成覆盖范围很大的“预混云”，在某一有限空间遇点火源而导致的爆炸。导致蒸气云爆炸必须具备可燃气体泄漏并与周围空气预混、延迟点火、有限空间等条件。

2.2 天然气泄漏量计算

造成天然气泄漏的原因有多种，如阀门、法兰密封件失效，管道、储罐腐蚀及疲劳失效，燃气超压外溢等。考虑燃气泄漏的最不利条件，进行天然气泄漏量计算，先作以下几点假设：泄漏面积为1.0mm²圆形孔洞；泄漏时管道内绝对压力为1.7MPa；大气绝对压力为101.325kPa；温度为25℃；从开始泄漏到发生爆炸的时间分别为5min、10min、30min、1h、6h、12h。

① 天然气泄漏时流动状态判断

满足式(1)时，流动属于音速流。

式中p₀——大气绝对压力，Pa

p——管道内天然气绝对压力，Pa

κ——天然气等熵指数，取1.316

满足式(2)时，流动属于亚音速流。

经济算得：

根据式(1)，气体泄漏属于音速流。

② 天然气泄漏量计算

音速流的泄漏量可采用下式计算^[8]：

式中q_m——天然气泄漏质量流量，kg/s

C_dg——气体泄漏系数，圆形裂口取1

A——裂口面积，mm²

M——天然气摩尔质量，kg/mol，取0.016kg/mol

R——摩尔气体常数，J/(mol·K)，取8.314J/(mol·K)

T——天然气温度，K，取298K

m=q_mt (4)

式中m——t时间内天然气泄漏量，kg

f——天然气泄漏持续时间，s

根据式(3)、(4)计算不同泄漏持续时间的天然气泄漏量，见表1。

表1 天然气泄漏量

泄漏持续时间/min	5	10	30
m/kg	0.82	1.64	4.91
泄漏持续时间/h	1	6	12
m/kg	9.81	58.86	117.71

2.3 天然气蒸气云爆炸伤害评估

根据荷兰应用科学研究院(Netherlands Organization for Applied Science Research)建议，蒸气云爆炸的冲击波损伤半径可按下式预测^[9]：

式中R——损伤半径，m

C_a——经验常数，m·kJ^-1/3，取值见表2

N——效率因子，一般取10%

E——爆炸能量，kJ

Q_h——天然气的高热值，kJ/kg，取55683kJ/kg

表2 C_s取值

损伤等级	C_s	设备损坏情况	人员伤亡情况
一级损伤	0.03	重创建筑物内的加工设备	一级损伤区域内人员中1%死于肺部伤害，50%耳膜破坏，50%被碎片击伤
二级损伤	0.06	破坏建筑物外表，可修复性破坏	二级损伤区域内人员中1%耳膜破坏，%被碎片击伤
三级损伤	0.15	玻璃破碎	三级损伤区域内人员被碎玻璃击伤
四级损伤	0.40	10%玻璃破碎	—

联合式(3)～(6)，计算出不同泄漏持续时间下的损伤半径，见表3。

表3 损伤半径

泄漏持续时间/min		5	10	30
损伤半径/m	一级损伤	0.49	0.62	0.91
	二级损伤	0.99	1.25	1.81
	三级损伤	2.49	3.13	4.52
	四级损伤	6.62	8.35	12.05
泄漏持续时间/h		1	6	12
损伤半径/m	一级损伤	1.14	2.07	2.61
	二级损伤	2.28	4.14	5.21
	三级损伤	5.69	10.34	13.03
	四级损伤	15.18	27.58	34.75

由此可见，泄漏后遇明火点燃的天然气爆炸事故的危害程度及影响范围均与泄漏时间有关，泄漏时间越长，泄漏量越大，损伤半径越大。

3 防止燃气泄漏火灾、爆炸事故的措施

燃气泄漏导致爆炸的危害重大，为了避免燃气灾害事故的发生，在工程的每一个阶段均要制定一系列安全措施，并严格执行，确保安全运营。

① 设计方面

天然气调压站设计时需充分考虑运行的安全可靠性，严格遵循相关规范及规定，采用国内外成熟先进的技术和设备。

设置事故监测和应急装置，以避免事故的发生或将事故造成的危害及损失降到最低程度。

调压区内的电气设备必须选用防爆型，并要保证系统连接完成后，整体防爆性能满足要求。

② 施工方面

施工企业在进行施工组织设计时，应制定完善的安全技术措施。施工安全技术措施内容必须符合现行安全生产法律、法规和安全技术规范标准。要加强施工现场的安全管理，配备专职安全管理人员。

③ 安全管理方面

天然气调压站应按照《压力管道安全管理与监察规定》(劳动部[1996]140号)进行管理；建立特种设备技术档案，内容包括设备的设计文件、制造单位、产品质量合格证、使用维护说明等文件；应对设备和管道进行日常维护与保养，并有检测和维修记录。

4 结论

① 泄漏是引起火灾、爆炸的主要因素，设计不合理、施工和管理阶段的不合理操作均会引起燃气泄漏的发生。

② 蒸气云模型分析结果表明，1mm²的泄漏面积，即使泄漏持续5min，四级损伤半径会达到6.62m。火灾、爆炸是调压区应重点防范的事故。

③ 为了防止天然气泄漏发生火灾、爆炸事故，在工程的设计、施工及运行管理阶段都要制定安全措施并严格执行。

参考文献：

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[4] 段常贵.燃气输配(第3版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.

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[7] 贾雁群，李连星，叶茂.燃气管网泄漏事故原因分析与预防措施[J].煤气与热力，2005，25(7)：50-61.

[8] 彭世尼.燃气安全技术[M].重庆：重庆大学出版社，2005.

[9] 张瑞华，陈国华，张晖.TNO多能法在蒸气云爆炸模拟评价中的工程应用[J].华南理工大学学报(自然科学报)，2006，34(5)：48-50.

(本文作者：魏璠¹ 渠颖² 1.天津城市建设学院能源与机械工程系天津 300384；2.中国市政工程华北设计研究总院天津 300074)