摘要：由于CNG具有易燃、易爆和易泄漏等危險性，其運行設備又處于高壓狀態，一旦發生事故，將對加氣站場周邊居民和環境造成巨大的風險和破壞，因而研究CNG加氣母站運行風險及模擬事故后果嚴重程度，對CNG加氣母站的安全管理和規劃布局具有重要意義。為此，闡述了CNG加氣母站工藝流程，詳細分析了CNG加氣母站運行過程中的安全隱患，并在此基礎上應用挪威DNV公司開發的SAFETI軟件，結合數學模型對某CNG加氣母站進行事故后果模擬。通過構建針對性強的事故模型，對CNG加氣母站發生的主要事故類型和風險程度進行了模擬計算，得出了較真實的事故影響范圍曲線圖。分析結果表明：該模擬方法可以為CNG加氣母站的安全管理和事故預防工作提供一定的技術支撐。
關鍵詞：CNG加氣母站；風險分析；事故；模擬；SAFETI軟件
為了降低汽車廢氣排放，改善大氣環境，壓縮天然氣(CNG)成為替代汽油、柴油的首選清潔燃料。該燃料能降低汽車運行費用、提高經濟效益，延長汽車設備使用壽命，降低維修費用[1]。由于該燃料所具有的強大市場發展潛力，近年來，全國各地CNG加氣母站的興建數量逐年增加。然而，由于CNG具有易燃、易爆和易泄漏等危險性，同時運行設備又處于高壓狀態，一旦發生事故(遇火源易發生火災爆炸)，將對站場周邊居民和環境造成巨大的風險和破壞。因此研究CNG加氣母站運行風險及模擬事故后果嚴重程度，對CNG加氣母站的安全管理和規劃布局具有重要意義[2]。
1 CNG加氣母站工藝流程
所謂加氣母站，是指與輸氣管道末端相連，以管道氣為處理氣源而修建的工藝站場。目前國內加氣母站普遍采用技術比較成熟的工藝流程，即對進站氣源進行除塵、脫水、脫硫和壓縮等主要處理，然后將天然氣增壓至25MPa，隨后經加氣機給專用運輸車輛(CNG槽車或長管拖車)充裝，運送至市區各加氣站。CNG加氣母站一般由5個操作系統組成，即計量調壓系統、凈化脫水系統、氣體壓縮系統、輸氣系統和輸送系統[3]，其工藝流程如圖1所示。
2 CNG加氣母站的運行風險分析
CNG加氣母站的整個工藝過程都充滿高壓可燃性氣體，且屬于高壓操作系統，因而CNG加氣母站的運行特征決定其具有一定危險性。所以，分析、探討CNG加氣母站運行風險，對于搞好站場安全管理，減少安全隱患具有重要意義。
2.1 氣源風險分析
2.1.1易燃易爆性
CNG加氣母站處理氣源(天然氣)的主要成分為甲烷，甲烷是一種易燃易爆氣體，在空氣中的爆炸極限為5.3%～14%，最小點火能為0.28mJ，火災危險性屬甲類。因此，一旦發生火災，撲救難度相當大。
2.1.2腐蝕性
輸氣管道中的天然氣除甲烷外，還含有少量的硫化氫、可溶性硫化物、水分及二氧化碳等組分[4]。若CNG加氣站沒有脫水和脫硫設備，硫化氫在潮濕的環境下會對管壁及設備造成應力腐蝕[5]，隨著時間的推移可能造成事故隱患。
2.1.3靜電荷聚集性
天然氣本身是絕緣的，當其在較高流速下流經管路進入容器的過程中或壓縮氣體從管口或破損處高速噴出時，由于強烈的摩擦作用，有產生靜電的特性，靜電聚積到一定電位時就會產生靜電放電[6]。如果靜電放電產生的電火花能量達到或大于可燃物的最小點火能，就會立即引起燃燒或爆炸。
2.1.4膨脹和壓縮性
CNG加氣母站要求將進站天然氣經脫水(硫)、壓縮等工藝，最終增壓至25MPa。由于天然氣具有壓縮性，使得壓力容器和管道的天然氣儲存了大量的壓縮能，導致系統處于高壓運行狀態，容易發生超壓[7]，若系統壓力超過了其能夠承受的許用壓力，壓力容器和管道會出現裂紋，最終超過設備及配件的強度極限而發生爆炸事故。
2.2 工藝設備風險分析
2.2.1壓力管道(容器)超高壓泄漏
CNG加氣母站運行過程始終處于高壓狀態，系統高壓運行容易發生超壓現象，很容易造成管道、壓力容器泄漏；當壓力超過設備和組件所能承受的最大壓力時，有可能發生爆炸或局部破裂，造成天然氣的大量泄漏[8]。
2.2.2管道腐蝕泄漏
在高壓狀態下，H2S水溶液對輸氣管道的腐蝕作用進行得很快，即使溶液中H2S的質量分數很低，容器及管道的硫化物也能在很短的時間內引起應力腐蝕破壞，造成管道腐蝕，發生天然氣泄漏。
2.2.3壓縮機爆炸
天然氣經壓縮后溫度會迅速升高，如果壓縮機內循環冷卻水水質差，冷卻系統不能有效運行，會使設備內溫度過高；高溫就會導致壓縮機內部的潤滑油黏度降低，失去潤滑作用，使設備的運行部件摩擦加劇，造成設備內溫度超高，容易引起火災爆炸[9]。另外，如果壓縮機氣缸潤滑油選擇不當、加油量過多、油質不佳或過濾器污垢嚴重，吸入氣體含塵量大均易形成積碳。積碳燃燒后產生大量的一氧化碳，當壓縮機系統中一氧化碳的含量達到15%～75%時就會發生爆炸，并引起壓縮機爆炸事故。
3 事故后果模擬
3.1 事故后果模擬方法簡介
事故后果模擬是在事故模型分析的基礎上選擇數學模型(常見的數學模型有氣體泄漏模型、擴散模型、爆炸模型和熱輻射模型等)，并根據事故現場的情況(包括氣象條件、裝置設備的尺寸大小和儲存條件等)和有關危險物質的物性參數，利用計算機模擬并輸出模擬結果的過程[10]。
借鑒挪威DNV開發的SAFETI 6.5.1(Software for Assessment of Flammable，Explosive and Toxic Impacts，SAFETI是一種多功能定量風險評估和危險性評價的計算軟件，可對任何一種石油化工裝置可能發生的火災和爆炸事故的影響范圍及程度進行計算，并生成相應的圖形文件，進而得出事故影響區)軟件，將數學模型(SAFETI軟件中采用的數學模型有氣體
釋放模型、氣云擴散模型、噴射火模型和蒸氣云爆炸模型等)應用于某CNG加氣母站進行事故后果模擬分析。
3.2 事故后果模擬
南京某CNG加氣母站設計規模為20×104m3/d，進站壓力為4.2～5.88MPa，溫度為17.2～22.5℃。該加氣母站分為生產區(壓縮機4臺，3用1備)、加氣區(6臺加氣柱)、站場值班室和停車區4個部分，如圖2所示。
3.2.1計算模型說明
3.2.1.1 氣體釋放模型
采用PHAST的LEAK模型計算站內工藝設備或管道腐蝕穿孔后的天然氣的釋放，如圖3所示。
3.2.1.2 氣云擴散模型UDM
采用UDM擴散模型進行擴散模擬。對氣云擴散分為5個階段進行分段模擬。UDM模型考慮了氣象條件、介質密度、表面粗糙度和湍流擴散等多種因素的影響。圖4演示了天然氣泄漏后氣云擴散的過程。
3.2.1.3 噴射火模型
噴射火焰采用Shell噴射火焰模型。Shell模型將火焰模擬為一傾斜的平截頭圓錐體，如圖5所示。
3.2.1.4 熱輻射傷害閾值
火災熱輻射對人/建筑物的損害情況見表1。
3.2.1.5 爆炸沖擊波超壓閾值
爆炸超壓的破壞影響見表2。
3.2.2計算假設和場景
3.2.2.1 天然氣主要可燃物性參數
天然氣主要可燃物性參數見表3。
3.2.2.2 計算天氣條件
采用QRA計算中常使用的2種大氣穩定度D、F，對3種天氣條件進行分別計算。主要的天氣條件如表4。
3.2.2.3 計算假設
1) 假設釋放方向為水平方向，不考慮線路截斷閥門關閉的影響以及沿線高程的影響。
2) 延遲蒸氣云爆炸的中心位于氣云中心處。
3.2.2.4 計算假設場景
假設場景1：CNG壓縮機3臺同時運行，此時排:氣量約為2.60kg/s，加氣柱被槽車撞到，發生嚴重破裂事故，管道完全斷裂。
假設場景2：加氣母站氣源入口處發生小孔泄漏。
計算假設場景參數見表5。
3.2.3計算結果
各場景泄漏、擴散、火災和蒸氣云延遲爆炸的計算結果見表6～8。
3.2.4結果分析
場景1以加氣柱管道被槽車碰撞后斷裂口為25mm假設場景進行了后果定量模擬計算，結果表明熱輻射(12.5kW/m2)影響距離為23m，蒸氣云爆炸產生0.014MPa沖擊波的影響距離約為49m。
場景2以加氣母站氣源入口處發生20mm小孔泄漏為假設場景進行了后果定量模擬計算，結果表明熱輻射(12.5kW/m2)影響距離為23m，蒸氣云爆炸產生0.014MPa沖擊波的影響距離約為48m。
從該加氣母站的總圖布置以及場景1、場景2的熱輻射和氣云爆炸模擬來看，天然氣泄漏擴散遇到點火源都可能會對加氣母站或輸氣末站造成十分嚴重的后果，因此，站場應嚴格控制站區內的點火源，做好以下安全防護措施，以防止火災爆炸事故的發生。
1) 站場內應嚴格按照相關規范要求設置緊急逃生線路和風向標。
2) 在天然氣易泄漏處嚴格按SY 6503—2008《石油天然氣工程可燃氣體檢測報警系統安全技術規范》的要求設置可燃氣體檢測報警器，同時，每周應對報警器白檢系統試驗1次，檢查指示系統運行狀況。已投入使用的可燃氣體檢測報警器的檢定周期不應超過1a。
3) 在槽車充裝作業過程中，應制訂嚴格的充裝作業(工作人員應穿防靜電工作服)程序；在裝卸現場不允許有點火源；充裝開始前，接地設施必須已經連接至槽車并經過測試確認；充裝后，在充裝連接管置換合格后，才能脫開連接。
4) 加氣機附近應設置防撞柱(欄)，以免槽車碰撞；加氣軟管應耐天然氣腐蝕，防止因腐蝕而造成天然氣泄漏。
5) 定期檢測站內的安全閥、自力式調節閥和ESD系統等安全保護設施，設定參數測試，對安全閥、放空閥等應按相應運行和維護規程進行操作和維護。
6) 管理單位應制訂加氣母站事故應急預案，包括工藝管線斷裂、火災爆炸和通信中斷等緊急情況，且應急預案應與地方政府和社區聯動。
4 結論
1) 結合CNG加氣母站的工藝流程，對加氣母站運行過程中常見的風險因素進行了詳細分析，為預防、控制加氣母站火災爆炸事故提供技術參考。
2) CNG加氣母站事故發生具有不確定性，因此，運用SAFETI6.5.1軟件對各種常見事故模型進行定量模擬計算，模擬結果對CNG加氣母站的安全運行和事故預防具有一定的指導意義。
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(本文作者：王濤1，2 劉曉龍1，2 史少帥1，2 1.中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院；2.化學品安全控制國家重點實驗室)
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