页岩气开发地面工程-防止和处置燃烧事故

1.可燃物质燃烧

1）燃烧条件和燃烧中止

燃烧是可燃物在一定条件下产生的伴随有发热、发光、发声现象出现的强烈氧化反应。

可燃物、助燃剂、出现明火（或达到一定温度）是燃烧的充要条件。缺少其中一个条件燃烧就不会发生，燃烧中消除其中的任何一个因素都会使燃烧中止。避免三个条件同时具备，是防止燃烧产生和使燃烧事故中止的根本措施。

2）引燃温度和自然现象

在有助燃剂存在的情况下，引燃可燃物所必需的最低温度叫做该可燃物的引燃温度。不同可燃气体的引燃温度是在一定的试验条件下通过引燃试验实现的，表10—1列出了与页岩气有关的几种可燃气体在20℃和1 atm（绝对压力）下的引燃温度。

表10—1　与页岩气有关的几种可燃气体的引燃温度　单位：℃

页岩气的引燃温度与其组分和组分构成比例相关，可以通过引燃测定试验测定，在各组分构成比例和引燃温度都已知的情况下，可利用式（10—2）计算：

式中　t——引燃温度，K；

　　　ti——i组分的引燃温度，K；

　　　yi——i组分在页岩气中的分子百分数，%。

压力高低、可燃气体与空气的混合物比例、是否存在助燃剂、混合物中惰性气体的含量，是影响引燃温度的主要因素。其他条件相同的情况下，可燃气体的引燃温度随压力升高而降低，随压力下降而升高，当压力低到一定程度时，将无法用提高温度的方法引燃可燃气体。环境中有助燃剂存在时，可燃气体的引燃温度下降，下降程度与助燃剂种类相关。可燃气体与空气的混合比例越趋近于化学计量的燃烧所需的比例（燃烧反应中各种物质的物质的量的比例），引燃温度越低。可燃气体与空气混合物中存在惰性气体时，可燃气体在混合物中的分压值降低使引燃温度升高。惰性气体的含量越多，引燃温度上升幅度越大。

3）火焰传播速度

火焰传播速度大小等于单位时间内火焰前锋沿火焰传播方向扩展的距离。火焰传播速度受可燃物的种类、可燃物与空气的混合比例、混合物所处环境的压力和温度以及与外界热传递效率等因素影响。温度、压力越高，与空气的混合比例向化学当量燃烧要求的比例越趋近，燃烧中与外界环境的热量交换越低都会使火焰传播速度越高。反之，传播速度越低。如表10—2所示，试验测定了一些可燃气体的火焰传播速度。

表10—2　一些可燃气体的火焰传播速度

可燃气体着火燃烧的火焰传播速度既可以通过试验测定，也可以通过式（10—3）进行理论估算：

式中　v—火焰传播速度，m/s；

　　　vi—i组分的火焰传播速度，m/s；

　　　yi—i组分在页岩气中的分子百分数，%。

4）燃烧产物数量、组分构成和可能达到的最高温度

燃烧产物是对可燃气体燃烧时产生的高温气体混合物的总称。确定燃烧产物的量、组分和可能达到的最高温度是评估燃烧事故危害程度和制订灭火措施的条件。

页岩气事故性燃烧中的空气体积分数不确定，当空气量不足时燃烧产物中还会有未燃烧的烃类组分以及燃烧中间产物CO的存在。因此，为粗略估量事故燃烧中的燃烧产物数量、组分构成，只能假定事故燃烧时，页岩气与空气的混合比例与化学当量燃烧反应式中的比例相同。

正常空气中O2与N2比例为21∶79（即1∶3.7619），据此燃烧反应方程式如下：

式中，Qi为页岩气中i组分的发热量，kJ。

如果假设，化学反应中所释放的热量均用来升高温度，那么燃烧产物可能达到的理论最高温度值为：

式中　tmax——燃烧产物达到的最高理论温度，K；

　　　t0——页岩气燃烧前温度，K；

　　　Q——页岩气燃烧的发热值，kJ/kmol；

　　　mi——单位质量页岩气中i组分的物质的量，kmol；

　　　ci——燃烧产物中i组分的平均比热容，kJ/（kmol·K）（表10—3）。

表10—3　燃烧产物中各组分的平均比热容　单位：kJ/（kmol·K）

（续表）

理论计算中假设全部热量被燃烧产物吸收，忽略了燃烧反应中与外界环境的热量交换，因此理论计算值并不准确，而是较真实值略高。但是以较高的理论计算值估量高温危害和制订灭火措施更为保险可靠。

2.预防燃烧事故发生

1）降低页岩气泄漏量(www.xing528.com)

（1）提高管道和设备的密封性。气体泄漏点一般位于承压管道和设备上的任何可拆卸连接部位，矿场集输与处理中应尽可能用可靠的、无泄漏的焊接连接代替各种形式的机械连接。但是由于安装、维修、定时更换和某些生产操作的需要，可拆的机械连接不可能完全被焊接连接替代。采用合适的密封结构、使用密封性良好的密封材料、定期检查密封性和按规定更换密封构件，是降低页岩气泄漏风险的重要措施。

（2）及时发现和消除管道和设备上的局部穿透性损伤。常见的穿透性损伤的方式主要有：腐蚀不均匀导致的局部腐蚀性穿孔；承压构件高应力集中区出现的穿透性裂缝或孔洞；管道和设备在外力作用下受到的穿透性机械损伤。及时发现和消除这些损伤以阻止页岩气外泄，阻断可燃物源头是防止燃烧事故发生的重要手段。

（3）按规定检测和监视管道、设备泄漏情况。检测页岩气泄漏的常用方法为：连续监测集输和处理不同环节的物料是否平衡；随机检测管道或设备的可疑泄漏点处的泄漏量；检查和确定泄漏可疑部位是否泄漏；测量可疑泄漏点附近空气中和空间各处的可燃物浓度变化间接判断泄漏量。通过核对页岩气在生产过程中的物料平衡来发现泄漏点和泄漏量，是一种较全面、可靠的方法。目前，常把这种方法与监控系统以及数据采集系统（SCADA）对生产过程的自动控制结合起来。

2）隔绝火源

（1）设置禁火警示标志。在防火区的进出口和重要防火生产部位设置禁火标志，禁止一切人员携带发火器材进入防火区；禁止在防火区内使用明火；禁止穿底部有铁钉外露的鞋进入防火区；禁止在没有取得安全管理部门许可的情况下在防火区内进行金属电弧焊和金属的火焰切割工作；禁止在防火区内用金属工具直接敲击金属设施或使金属结构间产生撞击作用。

（2）防止产生电器火花。在防火区应使用防爆电器，防止电火花产生。

（3）防止静电火花。页岩气流动过程中与金属材料间的摩擦和邻近导体间的电感作用，都可能使集输管道和设备带上静电。当带静电导体的电场强度超过周围介电质的绝缘击穿强度时，介电质发生电离，产生静电并放出能量。这部分放出的能量如果大于页岩气的最低引燃能量时，就可能发生燃烧事故。因此，使金属管线和设备与大地相连，使电荷泄放，可以有效防止导体静电放电。此外，人体自身也可产生静电，在进入页岩气处理设施区域内前，应通过专门的静电导流桩，将静电导入大地。

3）保持安全防火距离

一定的安全防火距离对预防和及时扑灭燃烧事故、降低燃烧事故危害都有重要作用。安全防火距离使气田生产区域与周边其他生产设施和居民区隔离开来，避免燃烧事故对周边区域造成影响。同时，生产区域内的设施之间，尤其是使火灾危险性大的区域与关键性生产设施（控制室、变电站等）保持一定距离，使各设施在消防工具有效工作半径之内，这些措施对防火安全有重要意义。防火安全距离被写入了GB50183《原油和天然气工程设计防火规范》，它是在总结以往火灾事故经验，利用各种燃烧危害试验取得的数据，在对燃烧事故的扩展和高温辐射作用宏观评估基础上，结合工程实践和生产作业实践具体情况制订的，是工程建设中必须遵循的强制性要求。

3.设置必要的消防设施

必要的消防设施是及时扑灭火灾、控制火情、消除初生火情、保护火灾中尚未受到破坏的生产设施，最大限度降低页岩气燃烧事故损失的唯一途径。

1）消防设施种类和设置方式

消防设施分类方法较多，按安装方式不同可将消防设施分为固定式消防设施和移动式消防设施。固定式消防设施被固定安装在规定的位置，其有效工作范围受到安装位置的限制；移动式消防设施不固定安装在某一特定位置，能满足不同防火区域内的消防要求，有很强的地区公用性。按使用的灭火剂介质不同，消防设施又可分为水、泡沫、干粉、液态CO2等几种，它们有各自的特点和使用范围。

页岩气矿场集输与处理中的消防设施可以按集中或分散的方式设置，集中设置时择点设置若干具有一定消防能力的消防站，以车载式的移动消防设施为一定区域内的防火区提供消防服务；分散式设置根据各个消防区实际需要进行配置，一般不为其他消防区提供消防支持。

2）设置原则

首先，消防设施的设置应符合消防对象的特点和实际需要，满足消防可靠性和经济性两方面要求。集输及处理生产设施的分散性强，覆盖区域大，不同生产设施在工作特点、分布状况、生产规模、火灾危害程度上有区别。按照生产设施自身的实际情况和所在地区的交通等环境条件确定消防设施配置中的集中和分散程度，合理划分消防区域和设置消防设施。

其次，消防设施的设置应以自救为主，并争取建立和利用各种消防协作关系。生产区分散，各地的消防协作条件差异明显，页岩气燃烧事故又具有危害程度大、扩展速度快的特点，矿场具备自救能力对及时有效降低燃烧事故危害意义重大。

此外，消防设施的设置应与气体燃烧事故的消防特点、集输与处理过程中的特殊消防要求相适应。这类燃烧事故发生时紧急截断通向事故点的所有气源是最为重要的措施，消防设施的主要工作任务是扑灭初生的火灾并防止火势蔓延。由于生产内容和工作环境的不同，不同页岩气生产装置的灭火方式也不同，如有的装置发生燃烧事故不能使用干粉和水灭火器，在有液态烃存储的站场中有要求在火灾中用水冷却火灾区域周边的储罐。消防设施的配置应与上述消防工作特点的特殊要求相适应。

3）消防站的设置

如果总的消防责任区内各消防区域相对集中、彼此间交通条件良好，要对集中设置消防站和在各消防区域内设置消防设施两种方案进行比较。当前者的消防功能能满足消防要求而又投资低的情况下，应优先设置消防站，避免消防设施分散。当有大型页岩气净化厂或气井凝液处理厂存在的区域也应设置消防站，这样不仅可以满足工厂区域的消防要求，还能为邻近的其他集输及处理设施提供消防支持。

GB50183《石油天然气工程设计防火规范》按消防区内生产装置处理能力的大小对消防站工作能力进行了等级划分，并根据站的等级和扑救消防责任区的最大火灾来规定了各级消防站消防车辆的种类和最低数量。消防责任区内有两座以上的消防站存在且可能在同一火场协同工作，其中一座为消防指挥站，承担消防中的协调任务。

4）常用消防设施

（1）水消防系统。水的热容量最大、汽化热较高、可分散性好、价格低廉而且对环境友好，是消防中良好的灭火和冷却介质。水与火焰接触时被加热和汽化从燃烧区域吸收大量热量，所生产的水蒸气又会降低空气中的氧气压，使燃烧受到抑制。足够的水喷淋强度可使燃烧过程因燃烧区温度降低到引燃温度以下而终止。水喷淋还能使着火区附近尚未受到破坏的生产设施（尤其是可燃气体或液体的储罐）受到冷却保护，冷却消防人员的工作环境和保护人员安全。但是气体矿场集输与处理中主要依靠截断气源的方式使燃烧事故得到有效控制，水作为消防介质只被用来扑灭火灾中已被引燃的其他可燃物和冷却尚未受到破坏的设备。一般集输场站内除了页岩气，其他可燃性物质不多，不需要单独设置水消防设施。只有在生产工艺过程复杂的页岩气净化厂、凝液处理厂、凝液储存区域需要设置固定式的消防设施。

消防用水的供水量、供水压力和连续供水时间，是表征水消防系统消防能力和保证消防效果的3项重要指标。消防水供应量根据生产装置的生产规模、火灾危险类别、生产区内可燃液体的储存量、储罐布置方式以及其他固定消防设施的设置情况等条件，按照扑灭消防区一次最大火灾的需要通过计算综合确定，一般为20～45 L/s。消防供水压力主要由消防工具对水压的要求、灭火时需要达到的最高喷水高度来决定，与消防水管网的压力等级也有一定关系。采用单独的高压供水系统时，消火栓的出水压力为0.3～1.2 MPa。燃烧事故中消防水的连续供水时间按照生产装置的生产规模、燃烧特点、其他消防系统设置情况以及火灾扩展特点确定。一般情况下，按生产装置3 h、辅助生产装置2 h来考虑。当生产区存在大容量的可燃液体储罐时，储罐冷却用水的连续供水时间要求更长些。

合理配置消防水管网、消防水泵和消火栓，有助于提高消防系统的可靠性。消防水管网既可以独立设置，也可以与生产或生活用水管网合用，但不允许与循环水共用。供水量大、压力高的供水管网应最好单独设置，管内流速一般在5 m/s以内，即使管道出现故障，管网仍能保证100%的设计通过能力。当消防水与生活、生产用水合用一个管网时，该管网在火灾时应保证能通过100%的消防水设计量和90%的生产和生活水用量。消防区的面积大、长轴和短轴方向上的距离相差不多时，供水干线最好设置成环形并用截断阀将其分割为若干段、降低管道局部受阻对管网供水的影响。消防水泵都应配置双电源和备用泵，并使其能在接到指令后最短时间内投入运行和达到要求的供水量。条件具备时，消防泵最好采用自灌式的进水系统，当水源水位可能低于自灌要求的最低水位时，还应设置能保证自灌过程正常进行的辅助系统。消防泵一般应独立设置吸水管，当泵组共用组合式吸水管时，吸水管应设置两根以上，且每根吸水管都能满足泵组的总吸水量。用容积式泵做消防水泵时应设置防止泵出口压力超压的安全装置（如自动开启的泄压阀），以免当消防用水骤然较少或停用时因超压作用使供水管道或泵受到损坏。消火栓一般使用地上式结构，其数量和规格根据消防区内的消防对象的分布状况、所用的水消防设施的最大保护半径、各消防点用水量、消防冷却对象对冷却水提供的某些特殊要求、消防通道的分布状况等因素来决定。一般沿主要消防通道设置在离路边距离不大于5 m的路旁或离建筑物距离不小于5 m的地方。生产装置区的消火栓沿设备四周设置，间距一般不大于60 m，当装置区宽度超过120 m时，还应在装置区内通道上设置消火栓。低压消防管道上消火栓的出水能力取决于消火栓的公称直径，公称直径100 mm和150 mm消火栓其出水能力分别为15 L/s和30 L/s；高压消防管道上消火栓的出水能力依据管道的供水压力和消防工具的工作压力计算确定。

（2）干粉、液态CO2和泡沫灭火系统。与水消防系统不同，干粉、CO2和泡沫灭火系统在矿场集输中主要用于扑灭气体可燃物。干粉灭火器所使用的灭火剂是由某些盐和盐类混合物制成的固体粉末，它能有效抑制可燃物质的氧化反应，促使燃烧过程中止。目前应用较多的是以碳酸氢钠或碳酸氢钠与其他盐类的混合物为基料的干粉灭火剂，用它扑灭可燃气体初期火灾更为有效。为防止灭火中可燃物质易于复燃，常将其与氟蛋白泡沫灭火剂联合使用。大规模的干粉灭火设施大部分为车载移动式的，也可以在火灾发生概率较大的地方设置固定式干粉灭火装置。

CO2作为阻燃剂，不能燃烧也不支持燃烧。向燃烧环境中人为注入CO2可以大大降低燃烧环境中氧分压和燃烧产物的温度，对燃烧起抑制作用。CO2的密度是空气密度的1.52倍，易于液化（临界温度为31.06℃，临界压力为7.385 MPa），且便于罐存和在火灾时汽化使用。但液态CO2快速汽化过程中需要从外界吸收大量的热，只有外界环境供热量不小于汽化吸热量时，才能使液态CO2保持一定的汽化速度，保证形成的气态CO2的量和可扩散性。否则液体CO2汽化量达不到要求，甚至使液态CO2凝结成固态干冰，不能及时发挥消防作用。在密封空间内使用CO2灭火后空气中的CO2浓度会升高很多，需要及时通风以免对人体呼吸产生窒息作用。

消防实践表明，泡沫灭火方式是扑灭可燃物火灾最有效的方式，也可以用来扑灭固体可燃物的燃烧。在消防区内设置较多烃类储罐时，这种消防方式应用广泛。消防用泡沫是由水和发泡剂的混合物在泡沫发生器内与空气混合后形成的充满空气的可流动泡沫气泡群，其密度比可燃液态烃低而又有很强的黏滞性，能在高温和热辐射作用下保持自身性质的稳定且不易在风力和气流冲击下发生破裂。因此它能完整而致密地覆盖可燃液态烃类表面，隔绝空气进入，起到灭火和防火作用。消防泡沫还具有很好的冷却、绝热性能，可降低易燃物质的温度、避免燃烧发生和降低灭火难度。

（3）灭火器。灭火器按灭火介质的种类分为化学泡沫灭火器、空气泡沫灭火器、液态CO2灭火器、干粉灭火器、卤代烷灭火器等。按移动方式分为手提式、背负式和手推式。他们都具有轻便、机动性好和易于操作的优点，适合在分散设置的集输及处理场站中使用。但是，灭火器一般体积较小，可容纳的灭火介质有限，只适合不严重的初生火情。

集输与处理生产区一般设置干粉或泡沫灭火器；在防污染、防水要求高的场合（如仪表控制室、通信站、化验室等）宜采用卤代烷或CO2灭火器。灭火器的移动方式由每只灭火器的灭火介质填充量来决定，生产区的主要消防部位常采用手推式，其他地方可采用手提式或背负式。灭火器的数量由消防区的面积大小、单个灭火器的灭火介质填充量和有效保护半径来确定，为保证灭火消防工作及时可靠，每个配置点处的灭火器数量不能少于2个。灭火器应放置在临近消防对象、明显、便于取用且火灾中人能够接近的位置。放置处应有防冻、防晒、防水和防止外部腐蚀所需的防护措施，还需要定期校验灭火介质有效性和灭火器可靠性。

4.燃烧事故发生时的紧急处置

1）处置原则

及时消除初生火情，使火势受到控制为扑灭燃烧争取时间，将燃烧事故涉及范围和造成的损失降低到最低限度。

2）紧急处置的主要工作内容

（1）紧急抢救在燃烧事故中的伤员

现场对受伤严重的工作人员或居民进行紧急抢救，或为进一步向专业化医院送治争取时间和创造必要条件。

（2）紧急截断事故点的气源

气体燃烧事故多数是在管道、设备爆破或出现严重泄漏的情况下遇明火引起的，在燃烧事故扩展前截断通向事故点的气源即可使燃烧中止。周边可燃物已被引燃时，截断气源也有利于燃烧事故继续扩展和降低灭火难度。

（3）及时扑灭初生火灾或使火势受到一定程度的控制

燃烧初期热辐射区范围还比较小，温度也未达到最高值，向周围的热辐射作用和扩展能力相对较弱，利用这个最佳时间扑灭初生火灾，可以取得最佳灭火效果。若燃烧在初期难以及时扑灭时，要通过消防手段努力阻止火势继续蔓延，为后续采取各种灭火措施和等待更大力度消防支援争取时间。

（4）冷却和保护尚未被烧毁的设备，隔离燃烧区与周边可燃物质

处在燃烧影响区的金属设备和其他承压构件会受到高温燃烧产物的强烈热辐射作用，内部工作介质受热压力升高的同时，金属承压构件随温度升高强度降低，双重作用下使金属材料承压构件不能承受过高应力而受到破坏。此时，需要通过冷却措施保护金属承压构件。