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LNG加气站的规范选用及设计

更新时间:2011/6/20  来源:中国燃气设备网  [收藏此信息]

    LNG汽车和LNG加气站在国外特别是美国,已经得到了长足发展,而在我国的发展时间尚未超过20年。还处于发展初期。因此,我国尚未颁布专门适用于LNc加气站的设计规范。在进行LNG加气站设计时,国外设计人员主要遵守NFPA57-一97《謦车用液化天然气(LNG)供气系统标准》,国内已建成并正在示范运行的LNG加气站遵循的设计标擘巾是NFPA57卅7。但由于各种原因,特别是国内外行业发展水平、设备制造水平、管理水平的差异,装国行业主管部门及消防部门对国外规范的认可跫 l度不高。根据以往的成功经验,采用大家更为銎霉 I的国内相近的设计规范,更容易得到主管部门紫坠 I可。比如LNG气化站发展初期,GB 50028—3《警 l矗燃气设计规范》中尚未有关于LNG气化站望} l求,设计时均参照了该规范中LPG气化站的要求。
因此,笔者认为在进行LNG加气站设计时,****国内已颁布实施的与国外规范相近的设计规范。
1 LNG加气站设计规范的选用
    一般认为,LNG加气站的设计可参照GB50028—2006《城镇燃气设计规范》中LNG气化站的相关要求和GB 50156.一2002《汽车加油加气站设奠与施工规范》(2006年版)中LPG加气站的相差孝求。前者的理论依据是LNG加气站与LNG气化站的物料均为LNG,仅两者的厂站形式及建冀±也喜耒同。后者的理论依据是LNG具有比LPG更安全的特性参数,且LNG加气站与LPG加气站同为加气站,建设地点都位于城市建成区内。
    规范的比较
    占GB 50028__2006主要适用于LNG总储存容积不大于2 000 m3的城镇LNG供应站的工程设计。该规范对LNG气化站的储罐及天然气放散总管与站内外建、构筑物的防火间距、消防系统均作了明确规定。
    GB 50156--2002(2006年版)主要适用于汽车加油站、LPG加气站、CNG加气站和汽车加油加气合建站工程的设计和施工。该规范对LPG加气站的规模,LPG储罐、卸车点、加气机、放散管管口与站外建、构筑物的防火间距,LPG加气站内设施之间的防火间距及消防系统均作了明确规定。
    GB 50028--2006主要适用于LNG气化站,而 LNG气化站通常建于城市建成区之外。因此,该规范中LNG储罐及放散总管与站外建、构筑物的防火间距比GB 50156--2002(2006年版)中LPG储罐及放散管与站外建、构筑物的防火间距大。GB 50028--2006对卸车点、加气机等与站外建、构筑物的防火间距以及加气站内设施(储罐与加气机、站房、放散管等)之间的防火间距均没有涉及,而GB 50156--2002(2006年版)对此有比较详细的规定。
    GB 50028--2006与GB 50156--2002(2006年版)的相同点:a.对储罐的消防设施要求一致,均要求储罐的单罐容积大于20 m3或总容积大于50 m3时,储罐应设置固定消防冷却系统。b.对移动式消防用水量的规定基本相同。c.对公用工程的设计基本一致,但在工艺设计方面,由于LNG加气站与 LNG气化站的物料均为LNG,所以GB 50028--2006中关于LNG气化站的部分更具有针对性。
    ②LNG与LPG的特性比较
    LNG是以甲烷为主要组分的烃类混合物,LNG与LPG的主要特性对比见表l。由表1可知:a. LNG比LPG更难点燃,且燃烧速度比LPG小。b. LNG的燃点、爆炸极限均比LPG高,且爆炸极限的范围更宽。c.当温度高于一112℃时,LNG蒸气比空气轻,易于向高处扩散;而LPG蒸气比空气重,易于在低处积聚而引发事故。因此,LNG在运输、储存和使用中的火灾危险性及危害程度低于LPG,比 LPG更安全。
    从燃烧放出的热量来看,相同体积的LNG和 LPG气化并燃烧后,LNG放出的热量比LPG少,对周围的热辐射也小。
    因此,在防火间距和消防设施方面,对LNG加气站的要求可以比对LPG加气站的要求低。考虑到LNG加气站在我国尚处于初期发展阶段,采用与LNG加气站基本相同的防火间距和消防设施是适宜的。
   
项目
LPG
LNG
燃点/0C
493
650
点火能/MJ
0.305
0.330
燃烧速度/
0.42
0.38
爆炸极限/%
2.15-9.60
5.00-15.00
气体密度
大于空气密度,少量泄漏后易积聚
-112以上时小于空气密度,少量泄漏后即挥发
⑧设计规范的确定
    LNG加气站与LPG加气站的站内设施相似,均包含加气机、泵、储罐、站房等。因此,从厂站的形式、建设地点、对站外环境的防火要求及站内、外设施来看,LNG加气站的设计规范更宜选择GB 50156--2002(2006年版)。
    从LNG与LPG的特性来看,LNG比LPG更安全,且两者皆是加气站。因此,LNG加气站的设计规范也更宜选择GB 50156--2002(2006年版)。
    毕竟LNG加气站与LPG加气站的物料不同,工艺设计和公用工程设计等方面存在差异。因此,为了更准确地体现LNG的特性,在工艺设计和公用工程设计等方面,对于GB 50156--2002(2006年版)未涉及的关于LNG特性要求的设计,应采用GB 50028--2006。
因此,笔者认为在进行LNG加气站的设计(包含总图、工艺、公用工程、消防设计)时,应主要依据 GB 50156--2002(2006年版)中LPG加气站的相关规定。GB 50156--2002(2006年版)未涉及的部分应依据GB 50028--2006中LNG气化站的相关规定。
2 LNG加气站的储存规模及等级划分
2.1  影响储存规模的因素
    LNG加气站的设计中,确定LNG加气站的储存规模及单台储罐的容积时,应主要考虑以下几个影响因素:
    ①加气站的加气规模及储存周期
    LNG加气站的加气对象主要为公交车和客运大巴等易于集中加气、集中管理的车辆。据了解,目前国内已建成并投入使用的LNG加气站日加气100~150车次。国内公交车车载LNG气瓶多为240 L,充装系数按85%考虑,则日加气量为20.4~30.6 m3。从需求方面来说,LNG加气站主要建在城市建成区内,而城市郊区通常建有LNG储配站,供气条件较好。因此,LNG加气站的储存周期宜为1~2d,故LNG加气站所需储罐容积宜为20.4~61.2 M3
    ②与站外建、构筑物的防火间距
    从理论方面分析,只要采取了相应的安全措施, LNG加气站的规模可以与LNG气化站相同。但从需求方面来看,由于LNG加气站多建于城市建成区内,对站外建、构筑物与LNG加气站内储罐及工艺设施的防火间距要求较高,不易找到满足较大防火间距要求的建设用地。因此,LNG加气站储罐容积不宜过大。
    设计规范对储存规模的要求
    根据GB 50156--2002(2006年版)第3.0.4条的规定,LPG加气站的储罐总容积不应大于60 m3,单罐容积不应大于30 m3。根据该规范的条文说明,此规模的确定既能满足加气需求,也能保证安全,降低风险,同时也是与相关规范及公安部消防局协调的结果。因此,LNG加气站储罐的容积规模也应考虑该规范的要求。
    站内用地及消防水系统的要求
    根据GB 50156--2002(2006年版)第9.0.1、9.0.5条及GB 50028--2006第9.5.1条的规定,总容积超过50 m3或单罐容积超过20 m3的LPG或LNG储罐应设置固定式消防冷却水系统。若LNG加气站的储罐设置固定式消防冷却水系统,同时考虑20 L/s的消火栓消防用水量,则LNG加气站总消防用水量必然超过25 L/s。根据GB 50016--2006《建筑设计防火规范》第8.6.1条的规定,加气站应设置消防水池及消防泵房。因此,需要较大的用地面积。而LNG加气站通常建于城市建成区内,很难找到符合要求的用地。另一方面,据了解,国内已建成并投入运行的LPG加气站通常采用2—3台单罐容积为20 m3或30 m3的埋地式储罐,这可以避免设置储罐固定消防冷却水系统,与站外建、构筑物的防火间距也可以适当减小。而LNG储罐为真空绝热储罐,通常为地上式储罐。地下式LNG储罐在国内尚未有实施的工程实例,国外的工程实例也较少。因此,为了减小加气站的消防用水量,减小占地面积,LNG加气站储罐的总容积不宜大于50 m3,单罐容积不宜大于20 m3
    ⑤储罐的规格
国产LNG储罐容积通常为20 m3、30 m3、50 m3、100 m3和200 m3等,LNG加气站储罐应尽可能采用常规规格的产品,便于采购。
2.2储存规模的确定
综合考虑LNG加气站的加气规模,储存周期,与站外建、构筑物的防火间距,设计规范对储存规模的要求,站内消防水系统的要求,储罐的规格等因素,笔者认为在参照执行GB 50156—2002(2006年版)的前提下,为减小LNG加气站的用地面积,使加气站更容易实施,LNG加气站的单罐容积为20 m3,总容积为20 m3或40 m3
2.3加气站的等级划分
    按GB 50156--2002(2006年版)第3.0.4条的规定,LPG加气站的等级划分见表2,设为液化石油气罐总容积。
    表2  液化石油气加气站的等级划分
  
级别
液化石油气罐容积/ M3
一级
总容积
单罐容积
二级
45<V60
<30
三级
30<V30<45
<30
 
V30
<30
 储罐总容积为40 m3,单罐容积为20 m3的LNG加气站属于二级站;储罐总容积为20 m3,单罐容积为20 m3的LNG加气站属于三级站。
3 LNG加气站的总图
  ①功能分区
  根据LNG加气站的实际情况和生产工艺需求,站区可分为储存区、加气区和站房。储存区的主要设备包括LNG储罐、LNG泵、卸车增压器、调饱和器等。加气区由加气机和加气罩棚组成。站房通常由值班室、综合营业厅、仪表配电间、空压机房、办公室等组成。
  总图布置
  a.根据GB 50156--2002(2006年版)第5.O.1条的规定,站区工艺设施一侧应设置高2.2 m的非燃烧实体围墙,面向进、出[=『道路的一侧宜设置非实体围墙,或开敞。
    b.LNG储罐、LNG泵、卸车增压器、调饱和器等设备布置在高度为1.O m的围堰内,卸车接头及其阀门可布置在围堰墙体上。
    c.储存区、加气区、站房均独立布置,布置时应注意LNG泵与LNG加气机的距离要尽可能短,不宜大于15 m。原因是国内LNG汽车的车辆供气系统未设置气瓶增压器,为了保证供气压力的稳定性,使之能满足发动机的用气压力要求,给车辆加注的 LNG必须为饱和液体。若LNG泵与LNG加气机的距离过长,无车辆加气时,管道内剩余的饱和LNG较多,容易气化,会影响加气并排放大量的气体,造成浪费。
    d.LNG加气站的工艺设施与站外建、构筑物之间的防火距离按GB 50028--2006中LNG气化站相关的防火间距执行。工艺设施与站内建、构筑物之间的防火距离按GB 50156--2002(2006年版)中 LPG加气站相关的防火间距执行。
    LNG加气站的总图布置见图1。
4 LNG加气站的工艺设计
4.1  工艺流程
    ①卸车流程
    将LNG由槽车转移至LNG储罐中,主要有卸车增压器卸车、LNG泵卸车及两者联合卸车等3种方式H J。卸车增压器卸车的优点是完全采用环境热量,不耗费电能,工艺流程相对简单;缺点是卸车速度比较慢,冬季室外温度较低时尤为明显。LNG泵卸车的优点是卸车时间较短,工艺流程相对简单;缺点是耗费大量电能,启动前需要对泵进行预冷。卸车增压器和LNG泵联合卸车的优点是卸车时间比单独采用卸车增压器卸车时间短,耗费的电能比单独采用LNG泵卸车少;缺点与单独采用LNG泵相同。
    笔者建议LNG加气站应具有卸车增压器、LNG泵单独卸车和同时卸车的功能。夏季宜采用卸车增压器卸车,冬季宜采用卸车增压器和LNG泵联合卸车。
    ②调饱和流程
    我国LNG汽车的车辆供气系统未设置气瓶增压器,为了保证供气压力的稳定性,使之能满足发动机的用气压力要求,车载瓶中的LNG必须为饱和液体。因此,加气前需要使储罐中的LNG升温、升压,处于饱和状态。调饱和有3种方式:调饱和器调饱和、LNG泵调饱和、调饱和器与LNG泵联合调饱和M J。这3种方式的优缺点与LNG卸车采用的3种方式的优缺点基本相同。
    笔者建议LNG加气站应采取调饱和器和LNG泵联合调饱和的方式,可以大大缩短LNG的调饱和时间,避免加气车辆的长时间等待。
    加气流程
    LNG的加气流程是指LNG泵将储罐中的LNG抽出,输送至LNG加气机,通过LNG加气机给汽车加气。
    ④卸压流程
当储罐压力大于设定值时,打开安全阀,释放储罐中的气体,降低压力,以保证储罐安全,放散的气体通过集中放散管放空。
4.2  主要设备
    ①LNG储罐
    LNG加气站采用的低温压力储罐为真空粉末绝热储罐。储罐分为内罐和外罐两层,内罐材质为0Crl8Ni9,外罐材质为16MnR。内外罐之问采用真空粉末绝热,真空隔热层厚度为250 mm。储罐的日蒸发率小于0.25%,充装系数为0.9。储罐上装有高、低液位报警设施,内罐压力高报警设施,超压自动排放罐顶气体的自力式降压调节阀以及安全阀等,以保证储罐的安全。在储罐进、出口的LNG管道上设有紧急切断阀,当有紧急情况发生时,可迅速关闭阀门,以保证系统安全。
    目前,20 m3真空粉末绝热低温储罐主要为立式和卧式2种形式。立式储罐的优点是占地面积小,罐内液体与LNG泵的静压头大,有利于LNG的调饱和及汽车加注;缺点是立式储罐比较高,美观性差。卧式储罐的优点是比较低,美观性好,容易被周围人群接受;缺点是占地面积大,罐内液体与LNG泵的静压头小。目前国内示范运行的加气站均采用立式储罐,有成功的经验。考虑到有利于汽车加注和LNG的调饱和,笔者推荐采用立式储罐。
    ②LNG
    输送LNG这类低温的易燃介质,不仅要求输送泵能承受低温,而且对其气密性能和电气方面的安全性能要求很高。随着对泵结构、材料等方面的研究有了很大的进展,一种安装在密封容器内的潜液式电动泵在LNG系统中得到了广泛的应用。其主要特点是将泵与电动机整体安装在一个密封的金属容器内,不需要轴封,也不存在轴封的泄漏问题口]。
    通常潜液式电动泵可分为船用泵、汽车燃料泵、 LNG高压泵(罐外泵)和大型储罐的罐内泵。LNG加气站中,LNG的转运和加注采用的是汽车燃料泵,其结构紧凑,立式安装,特别适用于汽车燃料加注和低温槽车转运LNG。LNG泵采用安全的潜液电动机,电动机和泵都浸没在流体中,不需要轴封。
  在吸入口增加了导流器,减少流体在吸入口的阻力,防止泵气蚀。LNG加气站采用的LNG泵通常为两级离心泵,由一台变频器控制,能适应不同的流量范围,电气元件安装在具有防爆功能的接线盒及其罩壳内,流量为8—340 Ifmin,扬程为15~250 m。主要厂家包括美国的ACD公司、日本的Nikkiso公司、瑞士的Cryomec公司等。
    ③LNG加气机
    LNG加气机是依据直接测量流体介质质量的原理,利用先进的传感和微电脑测控技术,具有高精度、多功能的新型LNG加液计量装置,主要用于计量充人LNG车载瓶的液量。同时,加气机应用微测控技术对计量过程进行自动控制,显示屏直接显示被测液体的流量、单价、金额及加液量累计值,可远程通信,实现计算机中央管理№]。
    目前,LNG加气机多采用进口,其计量方式为单管计量,单枪加气,计量精度为±0.1%,****质量流量为80.0 kg/rain,具有温度补偿功能,配带拉断阀。
    ④调饱和器和卸车增压器
    LNG加气站采用的调饱和器和卸车增压器均为空温式换热器,LNG通过吸收环境热量达到气化升温的目的,能耗很低。为了提高气化速率和换热效率,调饱和器和卸车增压器的主体通常采用耐低温的铝合金纵向翅片管,且拥有很大的换热面积。其影响因素主要为流量、工作压力、工作周期、大气温度、相对湿度、风力、日照等"]。
    笔者建议调饱和器的流量为200 m3/h,立式安装;卸车增压器的流量为300 m3/h,卧式安装。
  5 LNG加气站的公用工程设计
    LNG加气站的公用工程设计主要包括土建设计、电气设计、自控设计和给排水设计,应按照GB50156--2002(2006年版)第9—11章及GB 50028—2006第9.4、9.5、9.6条的规定进行设计。
    土建设计主要包括站房、设备基础、加气岛、加气罩棚柱、围堰、场地等内容的设计;基本要求有站房耐火等级不小于二级,门、窗向外开等。电气设计主要包括设备的动力用电、站房及站区的照明用电、站区的防雷防静电设计等;基本要求有加气站的供电负荷为三级,但有条件的情况下可设计为二级,罩棚、营业室、配电间等应设置事故照明等。自控设计主要包括设备的控制及状态显示、加气机的收费系统、可燃气体检测报警系统及低温检测报警装置;基本要求有储罐进出液管应设置紧急切断阀,并与液位控制连锁,在可能发生LNG泄漏的区域,设置可燃气体和低温泄漏报警装置等。给排水设计主要包括站区的雨水、站房的给水、排水设计;基本要求有围堰内的排水利用管道排出站外时应设置水封井,防止LNG流入下水道等。
  6 LNG加气站的消防设计
    消防水系统
    笔者确定的LNG加气站储罐的总容积为20 m3或40 m3,单罐容积为20 m3。根据GB 50156--2002(2006年版)第9.0.1、9.0.5条的规定,LNG加气站设置移动消防用水装置,消火栓消防用水量按20 L/s考虑。根据GB 50016--2006第8.6.1条规定,加气站无需设置消防水池,利用市政消防设施即可。消防水管网可从市政消防管网接入,要求水流量不小于20 L/s,压力不小于0.25 MPa。
    ②灭火器材
LNG加气站应根据GB 50156--2002(2006年版)的要求设置灭火器材,加气区每台加气机设置1只4 kg手提式干粉灭火器;储存区设置35 k推车式干粉灭火器2台和8 kg手提式干粉灭火器5台;站房的灭火器材布置应符合℃B 50140--2005《建筑灭火器配置设计规范》的规定。
7结语
    为了推动LNG加气市场的发展,更好地利用LNG作为清洁汽车燃料的优势,加快LNG加气站网络化的建设,国家相关部门应尽快组织技术力量编制专门针对LNG加气站的设计规范。
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