CNG加气站与民用建筑防火间距的量化分析

●赵伟刚，赵东峰

(1.河南省消防总队，郑州 450000;2.周口市消防支队，河南 周口 466000)

随着汽车工业的不断发展，压缩天然气汽车得到了广泛应用，城市中也相应增加了越来越多的压缩天然气(CNG)加气站。加气站与民用建筑间的防火间距成了消防设计中必须重视的问题。在现行的《高层民用建筑设计防火规范》、《建筑设计防火规范》中，对民用建筑附近的液体储罐、可燃气体储罐和化学易燃物品库房等的防火间距进行了规定。但对储气井储存方式的加气站，无法用储罐的设计标准进行设计。在针对加气站的规范《汽车加油加气站设计与施工规范》中，对储气井与民用建筑的防火间距进行了详细规定，但在该规范中对加气站与附近民用建筑防火间距的要求需要根据民用建筑的类别进行确定，但目前民用建筑的使用类型趋于多样化，城市综合体等形式越来越多，如何界定相邻建筑的保护类别，成为影响防火间距设计的重点。因此，若能对加气站与民用建筑之间的防火间距进行量化分析，在此基础上判定加气站与民用建筑之间的消防安全性，是可以解决目前规范在对非储罐类加气站与民用建筑之间防火间距设计困难的问题。

1 某加气站与民用建筑概况

某加气站为CNG加气站，其储气方式为地下储气井的方式，储气压力≤25.0MPa。汽车加气站的设计规模为1.5～2.0万立方米/日，设有5个公共汽车标准车位。加气站附近有一座综合办公楼，由楼1、楼2、楼3组成。楼1的1F为商业，2F～3F为办公，建筑高度14.05m;楼2的1F为商业，2F～12F为办公，建筑高度46.15m;楼3的1F为商业，2F～13F为办公，建筑高度49.85m。加气站工艺设备与建筑的距离如表1所示，加气站与建筑之间的相对位置如图1所示。

表1 工艺设备与建筑的距离/m

图1 加气站与建筑之间的相对位置

2 加气站各工艺设备发生爆炸的可能性分析

加气站各工艺设备发生爆炸的可能性:(1)储气井一般会在井口装置发生天然气的泄漏，但加气站每个工艺设备之间均设有截断阀在紧急状况下切断气源，储气井不会产生大量天然气泄漏而发生爆炸;(2)加气机只储存少量天然气，仅会发生爆燃事故;(3)压缩机位于封闭式压缩机房，在封闭的压缩机房内，一旦天然气的浓度达到其爆炸极限5% ～15%，容易引发爆炸。根据以上分析，压缩机发生爆炸的可能性最大。但储气井作为天然气大量储存的部位，其发生火灾的危害性较大。加气机距离民用建筑最近，其发生火灾对附近建筑的影响较大。因此，量化分析中，将讨论储气井、加气机天然气点燃时发生喷射燃烧，在现有的防火间距条件下，根据加气站各工艺设备对附近建筑不同位置处的热辐射通量，分析是否对附近建筑的安全构成威胁;同时讨论压缩机天然气点燃时发生喷射扩散，达到天然气的爆炸极限，利用TNT当量法计算爆炸的严重程度，通过天然气的爆炸冲击波超压计算，分析压缩机房发生爆炸产生的冲击波对站外建筑物的影响。

3 量化分析判据

根据澳大利亚《消防安全工程指南》:(1)当被引燃物是轻薄的窗帘或松散堆放的报纸等易燃物品时，临界辐射强度为10kW·m－2;(2)当被引燃物是带软垫的家具等一般物品时，临界辐射强度为20kW·m－2;(3)当被引燃物是超过5cm的木板等难燃物品时，临界辐射强度为40kW·m－2。本文临界热辐射强度取值为10kW·m－2。

根据《安全评价方法应用指南》中“伤害(破坏)范围评价法”提出冲击波超压对建筑物的破坏作用判据如表2所示。

表2 冲击波超压对建筑物的破坏作用

4 储气井、加气机起火对附近建筑的热辐射通量

参考美国消防工程师协会《SFPE消防工程手册》，假设火焰形状为圆柱体，根据HASEGAWA与SATO提出的计算热辐射强度的方法进行计算。计算公式如下:

式中，qr为火焰产生的最大热辐射强度，kW·m－2;mF为燃料气的质量，加气站内有2m3储气井6口，储气井的工作压力为25MPa，计算得到参与燃烧爆炸的燃料气质量为279.52kg(1口井)及1 677.12kg(6口井);R为火焰中心距离目标物的距离，m;VF为燃料气的体积，m3;ρF为燃料气密度，压缩天然气的主要成分为甲烷，甲烷气体密度为0.60kg·m－3;Zp为火焰的最大高度，m;L为圆柱体火焰边缘与目标物边缘的距离(见表1)，m。

根据上述公式，分别计算1口井燃烧及6口井同时燃烧时，距离建筑不同位置处的最大热辐射强度值，见表3。与热辐射量化判据进行比较可知，在现有的防火间距下，加气站储气井、加气机起火(1口井燃烧或6口井同时燃烧)对附近已建综合办公楼的热辐射强度均小于10kW·m－2，向附近建筑通过热辐射进行火灾蔓延的可能性较小。

表3 热辐射强度值/kW·m－2

5 压缩机房爆炸对附近建筑的冲击波超压

参考《SFPE消防工程手册》中针对各类燃料点燃发生爆炸的预测计算方法，参考《安全评价方法应用指南》中提到的“伤害(破坏)范围评价法”，确定爆炸冲击波破坏作用的计算步骤为:(1)根据燃料的类别，计算其发生爆炸的爆炸能量E;(2)利用TNT当量法将该爆炸能量转换为TNT当量q;(3)计算爆炸的模拟比;(4)计算1000kgTNT爆炸试验中的相当距离R0;(5)根据R0值找出距离为R0处的超压，即为所求距离为R处的超压;(6)根据超压值在冲击波超压对建筑的破坏判据中找到对应超压下爆炸对建筑的破坏作用。计算公式如下:式中，E为爆炸能量，kJ;α为产率，默认值为100%;Hc为燃烧热，50 030kJ·kg－1;q 为 TNT 当量，kg。

假定在燃烧过程中100%的燃料转化成爆炸能量。压缩机房的长、宽、高尺寸为:16.8m×8.1m×6.9m，压缩机房的体积为938.952m3。天然气的体积浓度达到5%～15%时发生爆炸，因此压缩机房内发生爆炸时，机房内天然气的质量为:28.17～84.50kg。计算中取爆炸极限的上限值，假设84.50kg的天然气参与爆炸。设周围环境的温度为25℃，大气压力为101.35kPa。根据R0值找到距离为R0处的冲击波超压，如表4。根据上述方法，得到距离建筑不同位置的冲击波超压值，与冲击波超压对建筑的破坏作用判据进行比较，可以得到:(1)距建筑红线处的爆炸冲击波超压最大，为0.027MPa，造成的破坏作用为墙裂缝;(2)距楼1的爆炸冲击波超压为0.018MPa，造成的破坏作用为窗框损坏;(3)距楼3、楼2外墙的相当距离R0分别达到90m及99m，不会对其造成严重破坏。

表4 冲击波超压

6 附近建筑起火对加气站的热辐射计算

加气站附近的建筑发生火灾时，火焰的热辐射是造成火焰跨越防火间距进行蔓延的主要途径。在火焰的热辐射场，一般把火焰模拟成位于火焰中心的一个点火源，用点火源热辐射模型进行预测，其最大热辐射强度 qr=QCr/(4pR2)=0.14kW·m－2。将计算得到的最大热辐射强度与热辐射量化判据比较，qr为0.14kW·m－2，远小于判据10kW·m－2，表明在现有的防火间距下，附近建筑起火向加气站蔓延辐射的可能性较小。

7 结论

通过对CNG加气站储气井、加气机起火对站外建筑物的热辐射、压缩机房爆炸对站外建筑物的爆炸冲击波危害、站外建筑物起火对加气站的热辐射危害等三方面进行量化分析，可得到如下结论:(1)可以判定CNG加气站与民用建筑防火间距是否达到消防安全要求，以解决储气井储存方式的CNG加气站无法按照《建筑设计防火规范》、《高层民用建筑设计防火规范》进行防火间距设计的问题，也避免了由于无法对民用建筑的保护类别进行判定，从而无法根据《汽车加油加气站设计与施工规范》进行防火间距设计的问题。(2)根据量化分析结果，在现有防火间距下，还可得到加气站附近的民用建筑外墙的防爆要求，要求防爆墙应具有抗爆炸冲击波的能力、能将爆炸的破坏作用限制在一定范围内，并提供了设计压力。(3)量化分析方法同时可以为规范的制修订提供参考，对CNG加气站采用储气井储存等其他方式进行补充修订，进而指导CNG加气站与民用建筑防火间距的设计。

［1］GB50045－95，高层民用建筑设计防火规范(2005年版)［S］.

［2］GB50016－2006，建筑设计防火规范［S］.

［3］GB/T50156－2002，汽车加油加气站设计与施工规范［S］.

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

［5］DGJ08－88－2006，建筑防排烟技术规程［S］.

［6］刘铁民，张兴凯，等.安全评价方法应用指南［M］.北京:化学工业出版社，2005.