危险及可操作分析在CNG加气母站的应用

0 前言

近年来，压缩天然气(CNG)汽车加气业务得到快速发展，CNG加气母站具有操作压力高、易燃易爆、动设备多、加气车辆及人员进出频繁、工艺条件操作苛刻等特性，安全管理问题尤为重要。特别是处于城市边缘的CNG加气母站，其周边环境复杂，一旦发生事故，将造成严重的社会危害和巨大的经济损失。

没有完善、可靠的安全防范措施，将严重威胁CNG加气母站的安全运行。为此，需要采用危险辨识技术对CNG加气母站系统中潜在的危险进行系统分析，针对存在的危险，找出有效地解决办法，防止事故发生。

对CNG加气母站进行系统的危害辨识可采取多种方法，如安全检查表(Checklist)、危险及可操作性分析(HAZOP)、故障类型和影响分析法(FEMA)、故障树分析(FTA)等。

HAZOP技术以其分析全面、系统、细致等突出优点成为目前危险性分析领域主要分析方法之一，并逐渐成为许多安全规范中推荐应用的危险辨识方法。

在我国，HAZOP分析方法也在大力推广使用，许多学者对HAZOP在不同领域的运用进行了探讨。下面将HAZOP分析方法在CNG加气母站中的应用进行探讨、分析和总结。

1 CNG加气母站HAZOP分析

1.1 HAZOP分析节点划分

HAZOP分析可用于连续生产过程，同时也可用于间歇生产过程。连续生产过程的主要分析对象是管道及设备。对于间歇生产过程，由于操作的复杂性，对其进行HAZOP分析的大部分对象是生产过程。对于CNG加气母站，站内生产过程主要为工艺计量调压、缓冲、脱水干燥、压缩机压缩、储气井储气、加气柱(机)加气和仪表风系统等生产过程，属于典型的间歇生产过程。主要设备有过滤器、调压器、流量计、缓冲罐、脱水干燥装置、压缩机、回收罐、循环冷却水系统、加气柱(机)、储气井和仪表风系统等设施及设备。因此，在对CNG加气母站进行HAZOP分析时，不仅要按照关键词来确定不同过程中工艺状态及参数可能产生的偏差，还要考虑操作顺序等因素可能出现的偏差。这样才能对CNG加气母站间歇生产过程进行全面、系统的危险辨识。

针对CNG加气母站的间歇生产特点，将CNG加气母站HAZOP分析对象划分为8大部分，即计量调压过程、缓冲及回收过程、脱水干燥过程、压缩机压缩过程、储气过程、加气过程、废液回收过程和仪表风系统，并对每一部分按照其工艺流程和主要设备进行进一步节点划分。

CNG加气母站系统中8个生产过程中共存在34个HAZOP分析节点。

1.1.1计量调压过程

计量调压过程中共有4个分析节点，具体是：节点1进站紧急切断阀(DN200)、节点2过滤器及进气管路、阀门、节点3轴流调压阀、节点4旋进旋涡流量计。

1.1.2缓冲及回收过程

缓冲及回收过程中共有3个分析节点，具体是：节点5进气管路及缓冲罐、节点6回收气管路及回收罐、节点7废液回收管路及凝液管。

1.1.3脱水干燥过程

脱水干燥过程共分为脱水及再生2个过程。

脱水过程中存在4个分析节点，具体是：节点8进气管路及粗过滤器、节点9吸附塔、电磁阀及气动薄膜阀、节点10精过滤器及排气管路、节点11水露点分析仪；

再生过程中存在3个分析节点，具体是：节点12再生塔、泄压电磁阀及罗茨风机、节点13电加热器、风冷却器及气液分离器、节点14再生气补气管线。

1.1.4压缩机压缩过程

压缩机压缩过程共有5个分析节点，具体是：节点15压缩机进气管线及进气缓冲罐、节点16压缩机主机及级间油气分离器、节点17各级油气分离器及高压排气管线、节点18压缩机循环冷却水系统、节点19压缩机主副油泵及气缸注油系统。

1.1.5储气过程

储气过程共有3个分析节点，具体是：节点20压缩机出口高压管线至储气井、节点21储气井及井口设施、节点22储气井至加气机管线。

1.1.6加气过程

加气过程共有3个分析节点，具体是：节点23脱水装置出口管线至加气柱直充管线、节点24压缩机出口高压管线至加气柱、气瓶车、节点25储气井、加气机、加气软管及气瓶车车头储罐。

1.1.7废液回收过程

废液回收过程共有4个节点，具体是：节点26储气井排污管线至回收罐、节点27压缩机各级排污至回收罐、节点28回收罐排污管线至凝液管、节点29脱水干燥装置气液分离器至凝液管。

1.1.8仪表风系统

仪表风系统共有5个节点，具体是：节点30空压机及附属设施、节点31空压机至加气柱(机)、节点32空压机至脱水干燥装置气动阀、节点33空压机至压缩机气动阀、节点34空压机至加气气瓶车。

1.2 HAZOP分析结果

根据上述不同生产过程和节点的特点，找出影响加气母站安全生产的128个潜在危险偏差，并对每一个偏差分析它们的可能原因、后果和已采取的安全保护等，同时提出建议措施。

以加气过程节点24“压缩机出口至加气柱、气瓶车及放空过程”为例进行HAZOP分析，该节点功能为压缩机出口的CNG输送至加气柱，经加气柱给气瓶车加气，加气软管内的高压气体经加气柱放空管线及站内放空管进行放空，分析结果如下。

1.2.1加气柱压降大

产生原因：(1)加气柱电磁阀前的过滤器堵塞；(2)电磁阀故障关闭或堵塞；(3)加气软管上的拉断阀压差大；(4)电磁阀、拉断阀、加气嘴等设备发生冰堵；(5)加气管路中各种阀门，如加气柱入口球阀、单向阀、枪阀等误关闭或开度不够。

产生后果：导致压缩机背压增加，排量降低，气瓶车充装压力达不到要求。

保护措施：(1)定期清洗加气柱过滤器；(2)严格控制水露点和注油量；(3)定期清洗或更换油气分离器滤芯。

建议措施：(1)将电磁阀换成流量大的气动阀；(2)尽量选择压降小的拉断阀。1.2.2加气流量低或无流量

产生原因：(1)加气柱加气管路不通畅，压降过大；(2)压缩机来气流量低；(3)加气柱主板故障或零位漂移；

产生后果：影响加气速度和加气量；保护措施：(1)定期清洗加气柱过滤器；(2)严格控制水露点和注油量；(3)定期检测加气柱主板，确保主板完好；

建议措施：(1)严格对脱水后的气体水露点进行检测与管理；(2)选择拉断阀时，除密封、拉断力等因素外，还应考虑拉断阀的节流效应，最好能有高压下气体流动的曲线；

1.2.3气体逆流

产生原因：(1)加气时，压缩机停机；(2)加气软管脱落或加气枪脱落；

产生后果：槽车内的天然气倒流回压缩机，影响压缩机和计量精度；

保护措施：(1)车加气嘴设置有止回阀；(2)设有三道单向阀。

1.2.4气体温度低

产生原因：(1)环境温度低；(2)加气初始过程(储气井加气过程中存在压降，导致节流降温)在加气嘴处引起温降；

产生后果：如果气质不合格，将生产水合物，堵塞电磁阀、加气嘴、拉断阀等设备；

保护措施：(1)低压脱水装置后设露点测试仪；(2)槽车钢瓶具有良好的低温冲击性能，选材符合《站用压缩天然气钢瓶》(GB19158—2003)；(3)建议加气时注意枪口低温伤害；

建议措施：对于具有储气井的加气站，更需严格控制水露点，防止腐蚀、水合物生成。

1.2.5加气管道压力高

产生原因：(1)当槽车压力达到20MPa时，压缩机没有自动停机；(2)加气管路不通畅，如加气柱过滤器堵塞、电磁阀故障关和水合物堵塞等；

产生后果：造成供气管道和压缩机超压，引起设备损坏；

保护措施：(1)压缩机在排气端与截止阀之间设置安全阀；(2)加气柱内部设安全阀，且定压合理。

1.2.6槽车压力过高

产生原因：(1)安全限压装置限压设定值偏高(正常值为20MPa)；(2)安全限压装置发生危险失效，未及时关闭供气管路的电磁阀、停压缩机或电磁阀处于故障开模式；(3)外部环境温度高(如火灾、太阳热辐射引起槽车内部气体温度升高)；

产生后果：造成槽车气瓶超压破坏；

保护措施：(1)加气机设安全阀，保持铅封开；(2)设置安全限压装置，通过压力传感器检测气瓶压力，当质量流量压力达到20MPa时，电磁阀关闭停压缩机；(3)槽车操作瓶口端塞上安装有带爆破片的安全装置、压力表和温度计；

建议措施：(1)CNG车气瓶组爆破片放散管端头宜设置防尘、防水的可取放的端盖；(2)槽车的超压放空安全。

1.2.7加气柱流量计异常

产生原因：(1)计量装置未定期校验；(2)气体组分发生差异；(3)环境温度变化较大，温度补偿故障；

产生后果：(1)造成计量不准，经济损失；(2)影响信誉；

保护措施：(1)流量计半年定期校验；(2)加气设压力、温度补偿。

1.2.8天然气泄漏

产生原因：(1)高压管道发生机械失效；(2)压缩机出口的高压卡套脱落；(3)软管腐蚀开裂或加气软管被拉断；(4)汽车撞击加气柱，引发天然气泄漏；(5)加气嘴自密封阀失效；(6)加气柱安全阀起跳；(7)各接头部位、卡套或其它连接装置应力失效；(8)加气枪O型密封圈老化变形，损坏或冲开；(9)加气枪和气瓶加气口磨损严重，密封不严；(10)燃气车气瓶等部件泄漏或火灾爆炸；

产生后果：(1)潜在的火灾爆炸；(2)加气软管造成机械损伤；保护措施：(1)严格执行加气作业安全规程；(2)加气柱设防撞柱；(3)软管选用具有抗腐蚀性能的材料，耐磨保护；(4)加气柱附近设可燃气体检测报警；(5)加气柱按规范做法静电接地；(6)加气前检查车辆气瓶合格证；(7)将加气软管卸载气引入主放空系统；

建议措施：(1)加气软管设拉断阀；(2)建议在进加气棚处设置紧急停车按钮，紧急情况下停压缩机，关闭站紧急切断阀；(3)对压缩机到加气柱的高压管道进行检测。

2 CNG加气母站存在的主要问题

通过对CNG加气母站的8个不同过程及主要设备进行HAZOP分析，发现了目前CNG加气母站存在问题，具体如下：

2.1 计量调压过程

存在有计量调压管路冻堵问题，调压阀失效、造成下游设备压力超高问题，进站气体粉尘含量高，长期运行可能造成过滤器堵塞问题，进站紧急切断电动球阀故障关闭问题。

2.2 缓冲及回收过程

存在有缓冲罐、回收罐合理的设计压力问题，回收罐集液防冻及安全排放问题，压缩机故障停机造成回收罐压力超高问题。

2.3 脱水干燥过程

分为脱水过程和再生过程，其中脱水过程中存在有加气量超过单台脱水装置处理能力问题，脱水效果达不到压缩气质要求，分子筛粉碎造成粉尘超标问题，粗、精过滤器堵塞问题；再生过程中存在有泄压电磁阀故障、无法泄压问题，罗茨风机故障、无再生气或再生气流量低问题，加热器损坏、无法再生加热问题，气液分离器防冻堵问题，气液分离器液位高进入罗茨风机、损坏罗茨风机问题。

2.4 压缩机压缩过程

存在有压缩机排量低问题，压缩机级间及排气温度超高问题，压缩机气缸润滑效果不佳问题，压缩机主机润滑油系统故障问题，压缩机进气压力低或超高问题，压缩机循环冷却水系统故障问题，压缩机级间油气分离器故障，造成气质不达标问题，压缩机泄漏问题。

2.5 储气过程

存在有储气井井管腐蚀问题，储气井冒井或下沉问题，储气井排污管线震动大问题，储气井泄漏问题。

2.6 加气过程

存在有加气柱加气过程压差过大问题，加气柱泄漏紧急切断问题，加气过程气瓶车压力超高紧急阶段问题，加气软管拉断阀紧急切断问题，加气柱防撞栏设置合理性问题，加气软管内高压气体放空问题，气瓶车加气过程静电接地问题。

2.7 废液回收过程

存在回收罐废液排污过快造成凝液管压力超高问题，凝液管废液外排、进站车辆接地问题，凝噎管液位超高、造成脱水装置无法排污问题。

2.8 仪表风系统

存在有仪表风系统故障，造成站内设备无法开关问题。

2.9其它

存在着站内员工噪声劳动保护问题和站内紧急切断系统的安全联锁问题。

3 CNG加气母站风险评估结果

在对CNG加气母站进行HAZOP分析过程，采用风险矩阵对HAZOP分析出的危险进行了风险评估，风险评估涉及了事故造成人员伤害、财产损失、环境影响及信誉影响四个方面，对于每一种危害事件均考虑这四个方面后果，风险取四方面风险最大值。CNG加气母站风险评估结果：低风险占65%、中风险占25%、高风险10%。其中高风险集中在压缩机压缩气体单元和加气柱给气瓶车加气单元，这与近年来CNG加气母站发生的事故统计相似。