1、CNG储气装置及CH4介质的燃爆特性
1.1加气站储气装置与技术。
在各种CNG加气站里，通过压缩机加压压缩，强行将天然气储存在固定场所设置的特制容器内，专供汽车加气的备用装置或系统，称为储气装置或储气技术。该装置因具有25-30MPa的高压以及介质易燃易爆的危险性质，所以储气装置在CNG加气站当属特别重要的核心部位，尤其是对储气设施设备布置方式的选择、安全可靠性评价、工艺制造以及材质等方面的安全技术考虑，都有许多特殊要求。
我国的CNG加气站，经历了较长时间的开发研究，迄今储气瓶、储气罐和储气井技术工艺，目前正在逐步趋于成熟与完善，有的已初具规模。现将三类不同装置的加气站简介如下：
①瓶储加气站。是将若干储气瓶按不同压力分级布置的加气站，单瓶水容积通常为60L或80L居多，材质采用无缝优质钢或具有防火功能的树脂纤维缠绕技术制造。储气瓶的优点是经济，灵活，建设成本较低。缺点是供气系统阻力大，管阀连接处泄漏点多，增加了不安全因素。此外，每年支付的维护费用多，增加了后期供气成本。
②罐储加气站。是将压缩天然气储存在球型或园柱型储气罐中的加气站，其储罐水容积主要有2m3、3m3、4m3或6m3的几种规格，一般每站设置3～6罐为宜。这种储气罐是90年代后期较为广泛使用的CH4高压储存容器，其优点主要是：气体集中储存，管阀连接点较少，泄漏因素降低，恰好弥补了储气瓶的不足，具有较好的安全性。缺点是：爆炸事故发生时，地面冲击波的辐射范围大、强度大等。是较受欢迎的储气装置。
③井储加气站。顾名思义，是将压缩天然气储存在地下储气井的加气站，储气井是四川石油管理局自80年代中期开始在不断实践探索的基础上，研究开发的新型储气技术。这种储气装置是在加气站一定位置开钻3～6口地下井，每口井的深度约100m，上小下大口径不等，单井水容积为2m3左右，采用进口材质的套管和钢筋混凝土固井技术，具有安全牢固、节约维护费用、节约土地资源以及减少地面冲击波放射范围和强度等许多优点，是很受欢迎、安全可靠的高压CH4储气装置。以上三种储气装置的基本情况现列表如下：
表--1CNG加气站储气设施布置概览
序号项目储气瓶储气罐储气井
1单个容量规格50L或80L/瓶2000-4000L2000L/井
2单组布置数量80-230瓶3-6罐3-8井
3容器水容积(m3)6-126-126-12
4标准储气量（Nm3）1500-30001500-30001500-3000
5占地面积（m3）306010
6建设投资概算(万元/站)66.094.096.5
7检验维护费(万元/年)1.250.75——
8四川省2001年12月31日截止分类统计数(站)196836
1.2CH4介质的理化质及燃爆参数
我国车用压缩天然气主要分为"干气"和"湿气"两大类，气质状况视CH4产地不同而有区别，四川、重庆、海南、陕西、新疆等地的气田气通常为干气，CH4含量一般在95%以上；而河北、吉林、辽宁、甘肃、湖北、山东等地的油田伴生气通常为湿气，CH4含量一般在80%左右。实际应用结果证明，"干气"不仅有利于安全，而且更有益于作为CNG汽车的燃料介质使用。处于高压状态下的CH4，无论管理人员或操作人员，都要对其性质、技术参数和特殊要求作全面了解和掌握。
现将对CH4研究测试及查验的主要理化性质及燃爆参数列于表-2：
表--2CH4主要理化性质及燃爆参数
序号参数名称单位数据序号参数名称单位数据
1爆炸浓度下限％5.013分子量——16.04
2爆炸浓度上限％15.014凝固点℃-183.2
3化学计量浓度％9.4615熔点℃-182.5
4最大爆压浓度％9.816沸点℃-161.5
5最大爆炸压力MPa0.71717闪点℃-190
6最小引爆能量Mj0.2818自燃点℃540
7最小报警浓度
(LEL下限1/3)％≤1.719气体密度（空气）G/10.55
8燃烧热值Kcal/m3950020液体密度（水）-164℃0.42
9燃烧温度℃183021临界温度℃-82.6
10燃烧空气量m3/m39.5222临界压力MPa4.58
11燃烧热Kj/mol889.523CH4中的H2S允许浓度（民用）
mg/m3≯20
12气化热Kj/mol122.024CH4中的H2S允许浓度（汽车用）
mg/m3≯15
除以上重要参数外，按照国家有关技术规范的规定，CH4生产储存场所的火灾危险性确定为甲类，一级易燃气体；火灾爆炸危险度为：
H=(R-L)/L=(15-5)/5=2；危险货物统一名称编号煤矿：21007。
2、高压容器的爆炸冲击波及其危害
2.1爆炸冲击波及特性。
CNG加气站储气装置由于高压和介质可燃爆两大事故因素，无论发生何种事故，都可能引发泄漏、火灾、化学爆炸和物理爆炸。如果事故得不到有效控制，还可相互作用，相互影响，促使事故扩大蔓延及至产生巨大的冲击波危害，其主要特征是：①化学爆炸冲击波。在输送CH4的管阀连接处、运行过程的误操作以及高压容器破损等事故因素发生时，可导致其介质泄漏于空气中，当浓度达到5.15%，或量超过15%但
很快又降至上限与下限之间，尤其是处于9.5-9.8%的浓度范围时，只需0.28ml以上点火能量的作用，便可产生气体混合物爆炸(亦称为化学爆炸)。这种化学爆炸所产生的冲击波能量，可直接对建、构筑物和人体造成不同程度的危害，其强度主要与CH4气体混合物的空间体积(即参与反应的CH4总量)有关，可采用以下公式进行计算：
Lh=V•H•427
式中：
Lh-CH4冲击波或爆炸力(Kgf.m)；
V-参与应的CH4气体总量(Nm3)；
H-CH4的高燃烧热值(Kcal/m3)；
427-转换常数，1Kcal相当于427Kgf.m之功。
②物理爆炸冲击波。压力容器破裂时，容器内的高压气体解除了外壳的约束，迅速膨胀并以很高的速度释放出内在能量，造成压力装置瞬间破坏并产生巨大声响的现象。即为通常所说的物理爆炸。CNG装置因属于高压容器，由此引发的爆炸事故更具典型的物理爆炸特征。可以认为此类膨胀爆炸是在绝热状态下进行的，而爆炸的冲击波能量则是在绝热膨胀时所作的功。根据气体热力学原理，理想气体在绝热膨胀状态下所作之功可表示为：
Ug=PV/K-1•[1-(1/P)K-1/K]•104
式中：
Ug--气体膨胀所作的功(Kgf.m)；
P--容器内气体绝对压力(MPa)；
V--容器水容积(m3)；
K--气体的绝对指数
由于CH4及常见气体多为双原子分子，其绝对指数K=1.4，则绝热膨胀所作之功即为：
Ug=PV/K-1•[1-(1/P)K-1/K]
=PV/1.4-1•[1-(1/P•104)1.4-1/1.4]•104
=2.5PV•[1-(1/P)0.2857]•104
=2.5PV•[1-(1/P)0.2857]•104
令Cg==2.5P•[1-(P)-0.2857]•104
简化后用如下公式表示：
Ug=CgV
式中：
Ug--气体膨胀所作的功或CH4的的爆炸能量(Kgf.m)；
V--CH4压缩容器体积(Nm3)；
Cg--CH4爆炸能量系数(Kgf.m/m3)
注：当CH4处于15～32MPa时，爆炸能量系数为2.88～6.48×106。
2.2冲击波超压(△P)产生的危害。
由于压力容器爆炸的气体压力变动范围较大，系统试验数据又比较缺乏，加之冲击波超压△P与爆炸能释放的时间等因素有关，使测定和计算爆炸产生的△P较为困难，目前一般采用与等当量TNT比较的方法或模拟比的方法，将其相应结果代入Ug=CgV公式后，再计算确定压力容器的冲击波超压(△P)值。
储气瓶和储气罐两类装置无论发生化学爆炸或物理爆炸，都将产生立体冲击波，这种冲击波阵面上的不同超压△P，对建筑物、构筑物和人体可造成不同程度的危害和伤害。表-3是不同超压力作用在建筑物或人体时所产生的破坏与危害特征。
表--3不同冲击波超压对人体或建(构)筑物的损害情况
序号超压(△P，kpa)建筑物破坏情况人体伤害情况
15.0-6.0门窗玻璃部分破碎无伤害（安全）
26.0-10受压面的门窗玻璃大部分破碎
315-20窗框损坏
420-30墙裂缝轻微损伤
540-50墙大裂缝，屋瓦掉下损伤听觉或骨折
660-70木建筑厂房柱折断，房梁松动内脏器官严重损伤或死亡
770-100砖墙倒塌
8100-200防震钢筋混凝土破坏，小房屋倒塌大多数人员死亡
9200-300大型钢筋结构破坏死亡
1995年，川东某CNG加气站，因钢瓶质量和H2S处理不净引发的爆炸事故，将一钢瓶炸飞50m以远，并引起钢瓶库的15支钢瓶发生喷射燃烧，焰柱高达20余米。这起典型的加气站火爆事故，集中反映了火灾、化学及物理爆炸所产生的冲击波超压的严重危害性。