CNG加氣站與民用建筑防火間距的量化分析

●趙偉剛，趙東峰

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

隨著汽車工業的不斷發展，壓縮天然氣汽車得到了廣泛應用，城市中也相應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計中必須重視的問題。在現行的《高層民用建筑設計防火規范》、《建筑設計防火規范》中，對民用建筑附近的液體儲罐、可燃氣體儲罐和化學易燃物品庫房等的防火間距進行了規定。但對儲氣井儲存方式的加氣站，無法用儲罐的設計標準進行設計。在針對加氣站的規范《汽車加油加氣站設計與施工規范》中，對儲氣井與民用建筑的防火間距進行了詳細規定，但在該規范中對加氣站與附近民用建筑防火間距的要求需要根據民用建筑的類別進行確定，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類別，成為影響防火間距設計的重點。因此，若能對加氣站與民用建筑之間的防火間距進行量化分析，在此基礎上判定加氣站與民用建筑之間的消防安全性，是可以解決目前規范在對非儲罐類加氣站與民用建筑之間防火間距設計困難的問題。

1 某加氣站與民用建筑概況

某加氣站為CNG加氣站，其儲氣方式為地下儲氣井的方式，儲氣壓力≤25.0MPa。汽車加氣站的設計規模為1.5～2.0萬立方米/日，設有5個公共汽車標準車位。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，2F～3F為辦公，建筑高度14.05m;樓2的1F為商業，2F～12F為辦公，建筑高度46.15m;樓3的1F為商業，2F～13F為辦公，建筑高度49.85m。加氣站工藝設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 加氣站各工藝設備發生爆炸的可能性分析

加氣站各工藝設備發生爆炸的可能性:(1)儲氣井一般會在井口裝置發生天然氣的泄漏，但加氣站每個工藝設備之間均設有截斷閥在緊急狀況下切斷氣源，儲氣井不會產生大量天然氣泄漏而發生爆炸;(2)加氣機只儲存少量天然氣，僅會發生爆燃事故;(3)壓縮機位于封閉式壓縮機房，在封閉的壓縮機房內，一旦天然氣的濃度達到其爆炸極限5% ～15%，容易引發爆炸。根據以上分析，壓縮機發生爆炸的可能性最大。但儲氣井作為天然氣大量儲存的部位，其發生火災的危害性較大。加氣機距離民用建筑最近，其發生火災對附近建筑的影響較大。因此，量化分析中，將討論儲氣井、加氣機天然氣點燃時發生噴射燃燒，在現有的防火間距條件下，根據加氣站各工藝設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成威脅;同時討論壓縮機天然氣點燃時發生噴射擴散，達到天然氣的爆炸極限，利用TNT當量法計算爆炸的嚴重程度，通過天然氣的爆炸沖擊波超壓計算，分析壓縮機房發生爆炸產生的沖擊波對站外建筑物的影響。

3 量化分析判據

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

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

表2 沖擊波超壓對建筑物的破壞作用

4 儲氣井、加氣機起火對附近建筑的熱輻射通量

參考美國消防工程師協會《SFPE消防工程手冊》，假設火焰形狀為圓柱體，根據HASEGAWA與SATO提出的計算熱輻射強度的方法進行計算。計算公式如下:

式中，qr為火焰產生的最大熱輻射強度，kW·m－2;mF為燃料氣的質量，加氣站內有2m3儲氣井6口，儲氣井的工作壓力為25MPa，計算得到參與燃燒爆炸的燃料氣質量為279.52kg(1口井)及1 677.12kg(6口井);R為火焰中心距離目標物的距離，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物邊緣的距離(見表1)，m。

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

表3 熱輻射強度值/kW·m－2

5 壓縮機房爆炸對附近建筑的沖擊波超壓

參考《SFPE消防工程手冊》中針對各類燃料點燃發生爆炸的預測計算方法，參考《安全評價方法應用指南》中提到的“傷害(破壞)范圍評價法”，確定爆炸沖擊波破壞作用的計算步驟為:(1)根據燃料的類別，計算其發生爆炸的爆炸能量E;(2)利用TNT當量法將該爆炸能量轉換為TNT當量q;(3)計算爆炸的模擬比;(4)計算1000kgTNT爆炸試驗中的相當距離R0;(5)根據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)根據超壓值在沖擊波超壓對建筑的破壞判據中找到對應超壓下爆炸對建筑的破壞作用。計算公式如下:式中，E為爆炸能量，kJ;α為產率，默認值為100%;Hc為燃燒熱，50 030kJ·kg－1;q 為 TNT 當量，kg。

假定在燃燒過程中100%的燃料轉化成爆炸能量。壓縮機房的長、寬、高尺寸為:16.8m×8.1m×6.9m，壓縮機房的體積為938.952m3。天然氣的體積濃度達到5%～15%時發生爆炸，因此壓縮機房內發生爆炸時，機房內天然氣的質量為:28.17～84.50kg。計算中取爆炸極限的上限值，假設84.50kg的天然氣參與爆炸。設周圍環境的溫度為25℃，大氣壓力為101.35kPa。根據R0值找到距離為R0處的沖擊波超壓，如表4。根據上述方法，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進行比較，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外墻的相當距離R0分別達到90m及99m，不會對其造成嚴重破壞。

表4 沖擊波超壓

6 附近建筑起火對加氣站的熱輻射計算

加氣站附近的建筑發生火災時，火焰的熱輻射是造成火焰跨越防火間距進行蔓延的主要途徑。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點火源，用點火源熱輻射模型進行預測，其最大熱輻射強度 qr=QCr/(4pR2)=0.14kW·m－2。將計算得到的最大熱輻射強度與熱輻射量化判據比較，qr為0.14kW·m－2，遠小于判據10kW·m－2，表明在現有的防火間距下，附近建筑起火向加氣站蔓延輻射的可能性較小。

7 結論

通過對CNG加氣站儲氣井、加氣機起火對站外建筑物的熱輻射、壓縮機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行量化分析，可得到如下結論:(1)可以判定CNG加氣站與民用建筑防火間距是否達到消防安全要求，以解決儲氣井儲存方式的CNG加氣站無法按照《建筑設計防火規范》、《高層民用建筑設計防火規范》進行防火間距設計的問題，也避免了由于無法對民用建筑的保護類別進行判定，從而無法根據《汽車加油加氣站設計與施工規范》進行防火間距設計的問題。(2)根據量化分析結果，在現有防火間距下，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，并提供了設計壓力。(3)量化分析方法同時可以為規范的制修訂提供參考，對CNG加氣站采用儲氣井儲存等其他方式進行補充修訂，進而指導CNG加氣站與民用建筑防火間距的設計。

［1］GB50045－95，高層民用建筑設計防火規范(2005年版)［S］.

［2］GB50016－2006，建筑設計防火規范［S］.

［3］GB/T50156－2002，汽車加油加氣站設計與施工規范［S］.

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

［5］DGJ08－88－2006，建筑防排煙技術規程［S］.

［6］劉鐵民，張興凱，等.安全評價方法應用指南［M］.北京:化學工業出版社，2005.