LNG加氣站火災爆炸分析及工藝管溝優化設計

中圖分類號：U473.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2025）23-0101-04

Abstract：ThisarticleintroducesthecurentmarketsituationofLNGrefuelingstationsandliststhephysicalandchemical propertiesofLNG.DescribetheprocessflowoftheLNGrefuelingstation，includingunloadingprocess，pressureregulation process，refuelingprocessBOGtreatmentprocess，，pressurerelief processandinstrumentairsystem.Analyzethehzardsoffire andexplosionandconductsimulationcalculationstoqualitativelyexpresstheinfluencerangeoffireandexplosionListthemain typesof processpipelines，elaborateandcomparetheformsof processpipetrenches，respectivelyintroduceopenpipetrenches andclosedpipetrenches，listtheiradvantagesanddisadvantages，andputforwardsugestionsforreference，whichcanbeused byrelevant practitioners to make choices in practice.

Keywords：LNG filing station; fire explosion;process pipeline；process trench;natural gas

LNG（LiquefiedNaturalGas），主要氣體成分為甲烷 CH₄ ，還有少量的乙烷 （C₂H₆） ）、丙烷 （C₃H₈），N₂ 及其他通常包含的物質，其中甲烷含量達到了 88%～99% 其具體的成分隨生產工藝和氣源組分而有所差異。常壓下LNG的溫度約為 -162% ，密度大約為 425kg/m³ ，由于LNG是一種液態的深冷輕烴，在產生泄漏或者溢出的地方，空氣中的水蒸氣會冷凝而產生白色蒸汽云。LNG無色無味，燃燒產物為一氧化碳和二氧化碳，不會產生硫化氫等嚴重污染大氣環境的有害物質。

基于上述原因，再加上LNG具有延長續航里程、加注時間短、經濟安全的特點，在車輛領域，LNG加氣車得到了飛速發展。伴隨著LNG加氣車保有量快速增長，LNG加氣站作為一種具有LNG儲存功能、使用LNG加氣機為LNG汽車儲氣瓶充裝車用LNG的場所，其數量飛速上漲。

1加氣站火災爆炸危害及模擬計算

1.1 熱輻射危害

LNG的主要成分甲烷在燃燒過程中，高溫火焰會催生出極為強烈的熱輻射。熱輻射的強度遵循斯特芬-玻爾茲曼定律：輻射強度與火焰溫度的四次方呈現出正比關系，溫度越高，熱輻射的威力便越發驚人。

以加氣站周邊停放的車輛為例，在熱輻射的肆虐之下，車漆會迅速起泡、剝落，車內的內飾也會被引燃，更為危險的是，油箱一旦受熱過度，極有可能發生爆炸，進一步擴大事故的波及范圍，讓原本可控的局面瞬間失控。

1.2 人體的傷害

人體在沖擊波的肆虐之下，同樣脆弱不堪。輕者，耳膜會在瞬間破裂，聽力遭受重創；重者，內臟器官仿佛被重錘擊中，破裂出血，骨骼也可能在強大的沖擊力下發生骨折。沖擊波在高速奔涌的過程中，會裹挾著大量的雜物，諸如石塊、金屬碎片等，這些“暗器\"會如同子彈對人體進行二次打擊，造成撞擊傷，多種傷害疊加，使得傷亡風險呈幾何倍數增長。

1.3 大氣污染

LNG加氣站火災爆炸過后，大量因不完全燃燒而產生的產物，諸如一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物等有毒有害氣體會肆意擴散。這些氣體侵蝕著人們的呼

吸器官，從而引發咳嗽、氣喘、中毒等一系列癥狀。

1.4蒸氣云爆炸傷害模型（VCE）

LNG發生泄漏后形成一定尺寸的蒸氣云，足夠量空氣進入蒸氣云后經過混合形成爆炸性混合物，遇點火源引燃后發生蒸氣云爆炸，其中爆炸產生的沖擊波對周圍人群及建筑設備的傷害程度極大。本文主要通過TNT當量模型計算爆炸時的死亡半徑 R₁ 、重傷半徑 R₂ 輕傷半徑 R₃

1.4.1 TNT當量計算

采用TNT當量法估計蒸氣云爆炸的嚴重度，即如果某次事故造成的破壞狀況與 x 千克TNT爆炸造成的破壞狀況相當，則稱此次爆炸的威力為 x 千克TNT當量。

用下式來估計爆炸的TNT當量為

W_TNI=1.8aW_fQ_f/Q_TNI，

式中： W_TNT 為蒸氣云的TNT當量， kg;1.8 為地面爆炸系數； α_a 為蒸氣云的TNT當量系數，取 a=4% 為蒸氣云中燃料的總質量， kg ，是未知量； Q_f 為燃料的燃燒熱， MJ/kg，Q_f=40MJ/kg;Q_TNT 為 TNT的爆熱，可取為Q_INI=4.52MJ/kg

1.4.2 死亡半徑 R₁

該區內的人員如缺少防護，則被認為將無例外地蒙受嚴重傷害或死亡，其內徑為零，外徑記為 R₁ ，其與爆炸量間的關系由下式確定

R₁=13.6（W_TNI/1000）^0.37， 式中： W_TNT 為爆源的 TNT當量， kg 。

1.4.3 重傷半徑 R₂

該區內的人員如缺少防護，則絕大多數人員將遭受嚴重傷害，極少數人可能死亡或受輕傷。內徑即為R₁ ，重傷半徑 R₂ 根據以下公式計算

R₂=Z'（E/P₀）^1/3

ΔPs=0.137Z^-3+0.119Z^-2+0.269Z^-1-0.019

ΔPs=44000/P₀ ，

式中： ΔPs 為沖擊波超壓， atm Z 為中間變量； R₂ 為重傷半徑， m;P₀ 為環境壓力， Pa ，一個大氣壓（ （atm）≈ 101300Pa;E 為爆炸總能量，J ，E=W_TNT×Q_TNT 。

1.4.4 輕傷半徑 R₃

輕傷區內的人員如缺少防護，則絕大多數人員將遭受輕微傷害，少數人將受重傷或平安無事，死亡的可能性極小。內徑即為 R₂ ，輕傷半徑 R₃ ，根據以下公式計算

R₃=Z'（E/P₀）^1/3

ΔPs=0.137Z^-3+0.119Z^-2+0.269Z^-1-0.019.

ΔPs=17000/P₀ ，

式中： ΔPs 為沖擊波超壓， atm;Z 為中間變量； R₃ 為輕傷半徑， m;P₀ 為環境壓力， Pa ，一個大氣壓 101300Pa;E 為爆炸總能量， I，E=W_TNT×Q_TNT

2加氣站工藝流程

LNG加氣站工藝成熟，技術穩定可靠，主要分為卸車流程、調壓流程、加注流程、BOG處理流程、泄壓流程和儀表風系統；工藝設備主要分為卸車撬、潛液泵、LNG儲罐、增壓氣化器和BOG回收撬。

2.1 卸車流程

卸車流程是把汽車槽車內的LNG轉移至LNG加氣站的儲罐內。本設計采用通過卸車增壓器和潛液泵聯合卸車：先將LNG槽車和LNG儲罐的氣相空間連通，然后斷開，在卸車的過程中通過卸車增壓器增大槽車的氣相壓力，用潛液泵將槽車內的LNG卸入儲罐，卸完車后需要給槽車降壓。環境溫度影響氣化量，卸車增壓氣化器，南方地區宜為 300Nm³/h ，北方地區宜為 500～800Nm³/h 。

2.2 調壓流程

給LNG汽車加氣前，需要通過儲罐調壓系統調整儲罐內LNG的飽和蒸氣壓，本設計采用潛液泵和卸車增壓器聯合調壓。LNG液體經LNG儲罐的出液口進入潛液泵，由潛液泵增壓以后進入卸車（儲罐）增壓器氣化，氣化后的氣體經LNG儲罐的氣相管返回LNG儲罐的氣相空間，為LNG儲罐調壓。依據環境溫度，為保證足夠的氣化加熱量，空溫式儲罐增壓氣化器宜為 500Nm³/h 。

2.3 加注流程

LNG儲罐中的飽和液體LNG通過潛液泵加壓，通過LNG加氣機直接向LNG燃料汽車進行加氣。

2.4 BOG處理流程

儲罐BOG及EAG出口間自帶有閥門，可以通過該閥門控制，罐內產生的BOG供壁掛爐使用，不使用時直接放散掉。

儲罐自然蒸發及運行中產生的BOG經空溫式氣化器氣化后進入BOG氣化撬，如冬季氣溫較低，需要經過電加熱水浴式加熱器對天然氣進行加熱，最終天然氣經過調壓、加臭后輸送至站內壁掛爐使用。

2.5 泄壓流程

天然氣為易燃易爆物質，在溫度低于 -107^°C 時，密度重于空氣，一旦泄漏將在地面聚集，不易揮發，常溫時天然氣密度遠小于空氣，易擴散。因此放散的天然氣需集中后經EAG加熱器加熱至不低于 -107°C 后通過放散管排放。

2.6 儀表風系統

工藝管道上設置的緊急切斷閥為氣動緊急切斷閥，儀表風系統為工藝管道上的氣動緊急切斷閥提供動力。儀表風系統由空氣壓縮機、干燥機、儲氣罐及配套管路組成。儀表風壓縮空氣管道工作壓力為 0.6～ 0.8MPa ，設計壓力為 1.0MPa 。

3加氣站管道類型、管溝種類

LNG加氣站的設備功能不同，其功能通過工藝管道組合在一起，實現了上述的各種工藝流程，很好地實現了加氣站安全平穩運行，實現了為汽車加注LNG。潛液泵撬、LNG低溫儲罐、LNG加氣機作為重要設備，組合實現了加注工藝功能，直接為汽車加注LNG。

加氣站的建設布局。整個站區應分功能布置，整體分為站房區、儲罐設備區、加氣罩棚區。其中潛液泵撬、LNG低溫儲罐設置在儲罐設備區，LNG加氣機設置在加氣罩棚區。

加氣罩棚區作為車輛加氣區域，必須具有一定的尺寸面積以滿足車輛停靠行駛，因此儲罐設備區與加氣罩棚區必須考慮行車動線。實際中必須預留足夠的空間供車輛行駛，這就導致加注工藝管道不可避免地要設置于行車道下。LNG加氣車基本以大型貨車為主，大車本身自重大，另外考慮到貨物重量，實際中

LNG貨車的重量基本都超過了 25T 。如果車輛直接碾壓管道，那么極易對管線造成破壞，出現管線破裂、斷裂、滲漏，繼而有可能引發LNG泄漏，造成火災爆炸。

加氣站為實現加注功能，工藝管道主要包括3條：潛液泵至加氣機的加注管道（介質為LNG），加氣機至LNG儲罐的回液管道（介質為BOG），加氣機至氣化器的放散管道（介質為EAG）。LNG加氣機同時內部設置了緊急氣動切斷閥，外部設置了吹掃槍。動力槍的動力源為壓縮空氣，壓縮空氣由空壓機提供，通過壓縮空氣管道與緊急切斷閥連接。加注管道、回液管道、放散管道采用不銹鋼06Cr19Ni10，壓縮空氣管道采用無縫 20^# 鋼管。

管道在設計過程中，應遵循管路集中布置的原則，這樣可以極大地減少現場管溝開挖，方便現場施工，降低工程成本，后期方便定位，便于管線的巡檢、維修和更新，降低維護成本，因此，上述工藝管道采用同溝敷設的方式。

工藝管道布置方式決定了管溝走向。在實際中，受加氣站整體布局的影響，加氣機、潛液泵的相對位置是變化的。結合目前加氣站的主要布置情況，加氣機布置主要分為“一\"型、“二\"型、“日\"型。管道布置如圖1所示。

圖1管道布置示意圖

根據管道布置圖，結合工藝管道的規格，即可計算出管道的LNG存儲量。采用上述的VCE模型，即可根據泄漏量計算出不同距離、不同爆炸超壓波對人體的損傷不同。由于公式有冪函數，手工計算極其復雜，可通過計算機計算未知量。

4工藝管溝設計

管道同溝敷設，根據GB50156—2021《汽車加油加氣加氫站技術標準》及相關標準規范，管溝應采取防正天然氣聚集泄漏的措施。管溝防止天然氣泄漏聚集，通常采取設置氣體報警器、開放式管溝及采用積液池裝置等方式。目前，實際中很多項目選擇開放式管溝的方式。

開放式管溝，即管溝內的工藝管道鋪設完成后，管溝不填中性沙，管溝采用通風蓋板進行覆壓。目的是通過自然通風，使管溝內部形成氣體流動空間，以防止可能泄漏的氣體聚集。管溝大部分位于室外，導致垃圾、雨水、塵土和有害易燃液體等都會進入管溝。日積月累，管溝已被密實，造成空氣無法流通，萬一天然氣泄漏就會聚集。同時管溝和管溝蓋板直接承受車輛載荷，非常容易受到破壞，使管道損壞。LNG在自然環境中極易氣化，若液化天然氣發生泄漏，天然氣在管溝中就會形成聚集。LNG閃點為 -188°C ，遇到明火，極易發生爆炸，后果不堪設想。同時由于管溝采用通透蓋板，雨水非常容易倒灌至管溝內部。在管溝建設中，要求在管溝最低點設置雨水收集井，該井體積大，造價高。LNG液體儲藏溫度一般為 -162^°C ，汽化潛熱122Kcal/kg ，如果LNG泄漏，雨水同時灌人管溝，LNG泄漏至大量的水中，水與LNG之間的熱傳遞速率非常高，LNG將劇烈地沸騰并伴隨巨大的爆炸聲、噴出水霧，最終形成冷爆炸，從而造成非常嚴重的后果。由于上述原因，有些單位在管溝中又同時設置了報警器，但是由于報警器安裝在地面以下，容易受到破壞，經常出現報警失效，不能起到報警作用。同時可燃氣體報警器需要布線，這不僅增加了施工量，也增加了冗雜度，不利于工程建設。

封閉管溝，即管溝內的工藝管道鋪設完成后，同時用中性沙子填實，實體混凝土蓋板封溝后，上層再澆筑混凝土路面，管溝示意圖如圖2所示。這種管溝設計方式，內部用中性沙填實，沒有空間縫隙，即使液化天然氣泄漏，也不會發生聚集。同時管溝頂部采用了鋼筋混凝土路面，具有不透水功能，可以防正雨水浸入管溝內，防止冷爆炸。蓋板上方設置的鋼筋混凝土路面，具有很強的承載作用，可以有效地分散車輛自重，防止管溝被破壞，從而避免工藝管道破損、液化天然氣泄漏。

根據上述對比，封閉管溝在防止火災爆炸方面具有明顯的優點，可以保證管道安全，防止管道受損。即使發生泄漏，也不會出現可燃氣體聚集、冷爆炸等不安全事故。LNG加氣站作為易燃易爆場所，安全生產是首位，因此從源頭降低安全風險是十分必要的。封閉管溝建議在行業中大力推廣，為加氣站安全運行保駕護航。

圖2封閉管溝示意圖

5 結束語

國家政策對環保的要求不斷嚴格，LNG加氣車的保有量必將不斷增長，LNG加氣站的數量也將日益增多。LNG加氣站作為危化場所，天然氣易聚集、易引燃，會引發火災，而火災爆炸是最嚴重的危險事故。加氣站工藝管道數量多，風險因素復雜，長期運行后，容易出現閥門損壞、管道腐蝕，最終導致天然氣泄漏。建議采用封閉管溝，可從根本上杜絕因天然氣泄漏造成的聚集，避免事故發生。同時又可減少燃氣報警器數量、降低人工頻繁巡檢頻率，降低加氣站投資運營成本。

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