張 瑋

(洛陽石化工程設(shè)計(jì)有限公司)

LNG/L-CNG加氣站的設(shè)計(jì)①

張 瑋

(洛陽石化工程設(shè)計(jì)有限公司)

介紹了LNG/L-CNG汽車加氣站的主要工藝設(shè)備：LNG儲罐、LNG潛液泵、卸車增壓器、EAG加熱器、LNG高壓柱塞泵、高壓氣化器、CNG儲氣瓶、加氣機(jī)和順序控制盤等；同時(shí)還介紹了設(shè)計(jì)過程中以上工藝設(shè)備選用的計(jì)算方法以及管道設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題，包括管路的應(yīng)力補(bǔ)償、管子及管件的選材、管道絕熱結(jié)構(gòu)及材料的選用等。

LNG L-CNG 加氣站 設(shè)備選用 管道設(shè)計(jì)

據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，城市大氣環(huán)境污染60%以上來自機(jī)動車輛的尾氣排放。公路網(wǎng)的大氣環(huán)境污染100%來自機(jī)動車輛。由機(jī)動車輛尾氣導(dǎo)致的大氣環(huán)境污染已嚴(yán)重影響居民健康，并制約著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速的發(fā)展。

建設(shè)天然氣汽車加氣站、發(fā)展天然氣汽車是治理機(jī)動車輛排放污染、改善大氣環(huán)境質(zhì)量的有效舉措；是落實(shí)我國政府建立資源節(jié)約型、環(huán)境友好型城市的重要措施[1-3]。本文就汽車加氣站設(shè)計(jì)過程中的主要設(shè)備選型及注意問題做了簡要介紹。

1 主要工藝設(shè)備的選用及計(jì)算方法[4-6]

LNG/L-CNG加氣站的設(shè)備包括：LNG儲罐、LNG潛液泵、卸車增壓器、EAG加熱器、LNG高壓柱塞泵、高壓氣化器、CNG儲氣瓶、加氣機(jī)和順序控制盤等。

一般根據(jù)服務(wù)區(qū)域的車流量來確定加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模，進(jìn)一步對工藝設(shè)備選型。本文以海南省海口市濱江路為例，該路段車輛情況見表1。

由表1可見，可確定在本路段建設(shè)加氣站的加氣規(guī)模設(shè)計(jì)值為2.0×104m3/d，其中日供LNG1.0×104m3，CNG 1.0×104m3。

表1 海口濱江路段車輛情況Table1 VehiclessituationofHaikouBinjiangroad名稱數(shù)量/輛單車日均里程/km日均總行程/104km百公里耗氣量/m3日耗氣量/104m3LNG公交車803002.4400.96CNG出租車4003001280.96合計(jì)1.92

由加氣規(guī)模來對主要工藝設(shè)備進(jìn)行選型，計(jì)算如下：

(1) LNG儲罐容積按下式計(jì)算：

(1)

式中，V為總儲存容積，m3；n為儲存天數(shù)，d；Gr為平均日用氣量，kg/d(1 t=1 400 m3)；ρY為最高工作溫度下的液化天然氣密度，423 kg/m3；θb為最高工作溫度下的儲罐允許充裝率，θb=95%。

根據(jù)氣源的情況，按最大設(shè)計(jì)規(guī)模考慮，確定儲存天數(shù)為1.5天。經(jīng)計(jì)算，本站LNG總儲存容積為V=(1.5×1.92×104×0.714)/(423×0.95)=51.2 m3，剩余容積按不少于10%計(jì)算，確定本站的儲存規(guī)模為60 m3，因此需設(shè)置1臺全容積為60 m3的LNG儲罐。

(2) LNG潛液泵

LNG潛液泵的流量根據(jù)加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模及加氣機(jī)的流量選定，本站LNG潛液泵的設(shè)計(jì)流量為0～220 L/min。

(3) 高壓柱塞泵

依據(jù)質(zhì)量守恒，1 m3LNG(液)在標(biāo)態(tài)下氣化可得到NG 590 m3,結(jié)合本站CNG加氣規(guī)模1.0×104m3及車輛情況，選用流量為1 500 L/h的2臺高壓柱塞泵(1臺備用)，即單泵日工作10 h左右即可滿足需要。

(4) 卸車增壓器

根據(jù)公式

Q=(h1-h2)ρV

(2)

式中，Q為升壓所需熱量，kJ；h2為升壓前LNG的比焓，kJ/kg；h1為升壓后LNG的比焓，kJ/kg；ρ為介質(zhì)的密度，423 kg/m3；V為儲存介質(zhì)的體積，m3/h。

通過上式計(jì)算，本設(shè)計(jì)選用處理量為200 m3/h的增壓器1臺。

(5) EAG加熱器

根據(jù)公式

Q=(h1-h2)ρV

(3)

式中，Q為加熱所需熱量，kJ；h2為加熱前LNG的比焓，kJ/kg；h1為加熱后LNG的比焓，kJ/kg；ρ為介質(zhì)的密度，423 kg/m3；V為放空氣體的體積，m3/h。

通過上式計(jì)算，本設(shè)計(jì)選用處理量為120 m3/h的加熱器1臺。

(6) 高壓空溫式氣化器

根據(jù)公式

Q=(h2-h1)ρV

(4)

式中，Q為升溫所需熱量，kJ；h1為升溫前LNG的比焓，kJ/kg；h2為升溫后LNG的比焓，kJ/kg；ρ為介質(zhì)的密度，423 kg/m3；V為儲存介質(zhì)的體積，m3/h。

通過上式計(jì)算，本設(shè)計(jì)選用處理量為1 500 m3/h的高壓氣化器2臺(交替使用)。

2 管道設(shè)計(jì)注意的問題

2.1 管子及管件

低溫管道的設(shè)計(jì)主要考慮兩個(gè)問題：第一是“低溫脆性”，這就要求設(shè)計(jì)人員合理選擇“沖擊韌性”高的鋼材，同時(shí)從管道設(shè)計(jì)和管系制作上防止脆裂和脆斷；第二是保冷設(shè)計(jì)和由于保冷需求而產(chǎn)生的一系列設(shè)計(jì)要求，也是非常重要的，它直接關(guān)系到能耗和設(shè)備管道的使用、施工和檢修等。

2.1.1 材質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)選用

(1) 低溫LNG及中高壓NG部分

管道：采用熱軋不銹鋼管，材質(zhì)0Cr18Ni9(GB/T 14976-2012《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》)；

管件：對焊無縫管件，材質(zhì)0Cr18Ni9(GB/T 12459-2005《鋼制對焊無縫管件》)；

法蘭：帶頸對焊法蘭，根據(jù)系統(tǒng)壓力情況，選擇突面或凹凸面或榫槽面等，材質(zhì)0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》)；

墊片：金屬纏繞墊，材質(zhì)0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》)；

緊固件：專用級雙頭螺栓，材質(zhì)0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009《鋼制管法蘭、墊片、緊固件》)。

(2) 低壓NG部分(如EAG加熱器后的放散管)

管道：可采用無縫鋼管，材質(zhì)20#(GB/T 8163-2008《輸送流體用無縫鋼管》);

管件：對焊無縫管件，材質(zhì)20#(GB/T 12459-2005);

法蘭：帶頸對焊法蘭，突面，材質(zhì)20#(HG/T 20592～20635-2009)；

墊片：金屬纏繞墊，材質(zhì)0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009)；

緊固件：專用級雙頭螺栓，材質(zhì)35CrMoA/30CrMoA(HG/T 20592～20635-2009)。

2.1.2 管道的應(yīng)力補(bǔ)償

LNG管路多是在常溫下安裝、低溫下運(yùn)行，兩者溫差較大，由此產(chǎn)生的膨脹與收縮應(yīng)力較大。LNG低溫不銹鋼管道收縮率約為3‰。常規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)，每隔30～35 m左右安裝一個(gè)膨脹節(jié)，但由于膨脹節(jié)的安全系數(shù)較差，故一般在自然補(bǔ)償能滿足要求的情況下不建議采用。

(1) 采用自然補(bǔ)償時(shí)注意：當(dāng)彎管轉(zhuǎn)角小于150°時(shí)，能用于自然補(bǔ)償，反之不可。自然補(bǔ)償?shù)墓艿辣坶L不應(yīng)超過20～25 m，彎曲應(yīng)力不應(yīng)超過[σbw]=80 MPa。

(2) 自然補(bǔ)償?shù)男ｒ?yàn)方法

工程上對輸送非有毒介質(zhì)的管道系統(tǒng)，通常采用ANSI判斷法[7]，若滿足下式則認(rèn)為管道柔性足夠，可不再進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。這種判斷結(jié)果是偏安全的。

D△/(L-U)2≤2.083 △=Let

(5)

式中，D為管道公稱直徑；△為管線的熱脹總位移量；L為管系在兩固定端間的展開長度；U為兩固定點(diǎn)間的直線距離；et為單位線膨脹量。

應(yīng)用ANSI判別式的管系必須滿足下列假定：①管系兩端為固定點(diǎn)；②管系內(nèi)的管徑、壁厚、材質(zhì)均一致；③管系無分支和支吊架；④管系使用壽命期間冷熱循環(huán)次數(shù)少于7 000次。

(3) 自然補(bǔ)償?shù)挠?jì)算

動力管道設(shè)計(jì)中，自然補(bǔ)償常用的為L形、Z形等。

平面自然補(bǔ)償管系短臂長度計(jì)算：

①L形管系(見圖1)

(6)

式中，D為管道外徑,m。

②Z形管系(見圖2)

(7)

式中，D為管道外徑,m；E為管道材料的彈性模量,MPa；K=L1/L2；[σbw]為彎曲應(yīng)力,MPa。

2.1.3 環(huán)境影響

(1) 對于制冷管道，必須考慮環(huán)境溫度對管系的影響。

(2) 必須考慮被阻塞于兩閉合閥門之間管系的膨脹效應(yīng)，采取防止超壓的措施。

2.2 LNG管道的保冷

常用的有真空絕熱管道及保溫材料包覆型兩種。

(1) 真空絕熱管道包括帶法蘭接頭的真空管道和直接焊接的真空管道兩種(分別如圖3和圖4所示)。

真空絕熱管道適用于加氣站儲罐進(jìn)出液、泵進(jìn)出液、泵回氣等管路。此結(jié)構(gòu)管道絕熱性能好，但投資較大，前期制作較復(fù)雜?，F(xiàn)場安裝時(shí)，由于圖紙定位尺寸偏差等原因，容易造成工廠返工，且投入使用后，在加氣站防爆區(qū)域內(nèi)在線維修性差。

(2) 保溫材料包覆型(見圖5)。

一般采用改性聚氨酯泡沫塑料包覆結(jié)構(gòu)絕熱。該種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，既能在工廠預(yù)制成型，也可以現(xiàn)場施工。絕熱性能較好，投資少，且投入使用后，在加氣站防爆區(qū)域內(nèi)在線維修性好。

因此，從制作復(fù)雜性和投資成本來看，3 km以上的管道一般采用改性聚氨酯發(fā)泡材料絕熱，3 km以下的管道可視情況采用真空管或改性聚氨酯發(fā)泡管道。

[1] 陳曦,厲彥忠.液化天然氣汽車的應(yīng)用優(yōu)勢及存在的問題[J].石油與天然氣化工,2002,(6):289-291，300.

[2] 邢云，劉淼兒. 中國液化天然氣產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀及前景分析[J].天然氣工業(yè),2009，29(1)：120-123.

[3] 蘇欣，楊君，袁宗明,等. 我國液化天然氣汽車研究現(xiàn)狀[J].天然氣工業(yè),2006，26(8)：145-148.

[4] 顧安忠. 液化天然氣技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.10.

[5] 楊尚賓.液化天然氣汽車(LNGV)技術(shù)及系統(tǒng)維護(hù)[J].石油與天然氣化工,2012,38(5):390-392.

[6] 張奕,艾紹平.液化天然氣氣化站中BOG壓縮機(jī)運(yùn)行的動態(tài)模擬與優(yōu)化[J].石油與天然氣化工,2012,41(1):53-57.

[7] 張德姜. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊[M].第一篇. 北京: 中國石化出版社,2009.

Design of LNG/L-CNG filling station

Zhang Wei

(LuoyangPetrochemicalEngineeringDesignCo.,Ltd,YangpuEconomicDevelopmentZone,Haikou578101，Hainan,China)

The major equipments about LNG/L-CNG filling stations were introduced, including LNG storage tanks, LNG submersible pump, unloading supercharger, EAG heater, LNG high-pressure piston pump, high-pressure gasifier, CNG gas cylinders, dispensers, sequence control panel and so on. The calculation method of above equipments selection in the process of designing was also introduced. Problems like piping stress compensation，selection of pipe and fittings materials, selection of heat insulation structure and materials should be noticed in the design.

LNG, L-CNG, filling station, selection of equipment, pipeline design

張瑋(1983-)，女，漢族，山東煙臺人，助理工程師，學(xué)士，主要從事石油化工及市政公用工程管道設(shè)計(jì)。地址：(578101)海南省洋浦經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)海岸華庭F-1105。電話：0898-28820937。E-mail：zhangwei830309@163.com

TE973.1

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.02.010

2013-09-18；

2014-01-03；編輯：康 莉