LNG加气站设计标准规范.doc

摘要：经过对GB 50028城镇燃气设计规范和GB 50156汽车加油加气站设计和施工规范()和LNG和LPG关键特征这两方面比较，确定进行LNG加气站设计时所依据规范。分析并确定了LNG加气站储存规模和等级划分探讨了LNG加气站总图、工艺、公用工程及消防设计。关键词：LNG加气站；规范选择；储存规模；等级划分；设计Code Selection and Design of LNG Filling StationZH0U ChunAbstract：Through the comparison of Code for Design of City Gas Engineering(GB 50028)and Code for Design and Construction of Automobile Gasoline and Gas Filling Station，()(GB 50156)as well as the key features between LNG and LPG，the code used in design of LNG filling station is determined.The storage size and grade level of LNG filling station are analyzed and determined.The design of general plan，process，public projects and fire control of LNG filling station is discussed.Key words：LNG filling station；code selection；storage size；grade level；designLNG汽车和LNG加气站在国外尤其是美国，已经得到了长足发展，而在中国发展时间还未超出20年，还处于发展早期。所以，中国还未颁布专门适适用于LNG加气站设计规范。在进行LNG加气站设计时，国外设计人员关键遵守NFPA5797汽车用液化天然气(LNG)供气系统标准，中国已建成并正在示范运行LNG加气站遵照设计标准也是NFPA5797。但因为多种原因，尤其是中国外行业发展水平、设备制造水平、管理水平差异，中国行业主管部门及消防部门对国外规范认可程度不高。依据以往成功经验，采取大家更为熟悉中国相近设计规范，更轻易得到主管部门认可。比如LNG气化站发展早期，GB 5002893城镇燃气设计规范中还未有相关LNG气化站要求，设计时均参考了该规范中LPG气化站要求。所以，笔者认为在进行LNG加气站没计时，首选中国已颁布实施和国外规范相近设计规范。1 LNG加气站设计规范选择通常认为，LNG加气站设计可参考GB 50028城镇燃气设计规范中LNG气化站相关要求和GB 50156汽车加油加气站设计和施工规范()中LPG加气站相关要求1。前者理论依据是LNG加气站和LNG气化站物料均为LNG，仅二者厂站形式及建站地点不一样。后者理论依据是LNG含有比LPG更安全特征参数，且LNG加气站和LPG加气站同为加气站，建设地点全部在城市建成区内。 规范比较GB 50028关键适适用于LNG总储存容积小于m3城镇LNG供给站工程设计。该规范对LNG气化站储罐及天然气放散总管和站内外建、构筑物防火间距、消防系统均作了明确要求。GB 50156()关键适适用于汽车加油站、LPG加气站、CNG加气站和汽车加油加气合建站工程设计和施工。该规范对LPG加气站规模，LPG储罐、卸车点、加气机、放散管管口和站外建、构筑物防火间距，LPG加气站内设施之间防火间距及消防系统均作了明确要求。GB 50028关键适适用于LNG气化站，而LNG气化站通常建于城市建成区之外。所以，该规范中LNG储罐及放散总管和站外建、构筑物防火间距比GB 50156()中LPG储罐及放散管和站外建、构筑物防火间距大。GB 50028对卸车点、加气机等和站外建、构筑物防火间距和加气站内设施(储罐和加气机、站房、放散管等)之间防火间距均没有包含，而GB 50156()对此有比较洋细要求。GB 50028和GB 50156()相同点：a.对储罐消防设施要求一致，均要求储罐单罐容积大于20m3或总容积大于50m3时，储罐应设置固定消防冷却系统。b.对移动式消防用水量要求基础相同。c.对公用工程设计基础一致，但在工艺设计方面，因为LNG加气站和LNG气化站物料均为LNG，所以GB 50028中相关LNG气化站部分更含有针对性。 LNG和LPG特征比较LNG是以甲烷为关键组分烃类混合物，LNG和LPG关键特征对比见表1。由表1可知：a.LNG比LPG更难点燃，且燃烧速度比LPG小。b.LNG燃点、爆炸极限均比LPG高，且爆炸极限范围更宽。c.当温度高于-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。所以，LNG在运输、储存和使用中火灾危险性及危害程度低于LPG，比LPG更安全2。从燃烧放出热量来看，相同体积LNG和LPG气化并燃烧后，LNG放出热量比LPG少，对周围热辐射也小。所以，在防火间距和消防设施方面，对LNG加气站要求能够比对LPG加气站要求低。考虑到LNG加气站在中国尚处于早期发展阶段，采取和LPG加气站基础相同防火间距和消防设施是适宜。表1 LNG和LPG关键特征对比项目LPGLNG燃点/493650点火能/mJ0.3050.330燃烧速度/(ms-1)0.420.38爆炸极限/%2.159.605.0015.00气体密度大于空气密度，少许泄漏后易积聚-112以上时小于空气密度，少许泄漏后即挥发 设计规范确实定LNG加气站和LPG加气站站内设施相同，均包含加气机、泵、储罐、站房等。所以，从厂站形式、建设地点、对站外环境防火要求及站内、外设施来看，LNG加气站设计规范更官选择GB 50156()。从LNG和LPG特征来看，LNG比LPG更安全，且二者皆是加气站。所以，LNG加气站设计规范也更宜选择GB 50156()。毕竟LNG加气站和LPG加气站物料不一样，工艺设计和公用工程设计等方面存在差异。所以，为了更正确地表现LNG特征，在工艺设计和公用工程设计等方面，对于GB 50156()未包含相关LNG特征要求设计.应采取GB 50028。 所以，笔者认为在进行LNG加气站设计(包含总图、工艺、公用工程、消防设计)时，应关键依据GB 50156()中LPG加气站相关要求。GB 50156()未包含部分应依据GB 50028中LNG气化站相关要求。2 LNG加气站储存规模及等级划分2.1 影响储存规模原因LNG加气站设计中，确定LNG加气站储存规模及单台储罐容积时，应关键考虑以下多个影响原因： 加气站加气规模及储存周期LNG加气站加气对象关键为公交车和客运大巴等易于集中加气、集中管理车辆，据了解，现在中国已建成并投入使用LNG加气站日加气100150车次。中国公交车车载LNG气瓶多为240L，充装系数按85%考虑，则日加气量为20.430.6m31。从需求方面来说，LNG加气站关键建在城市建成区内，而城市郊区通常建有LNG储配站，供气条件很好。所以，LNG加气站储存周期宜为12d，故LNG加气站所需储罐容积宜为20.461.2m3。 和站外建、构筑物防火间距从理论方面分析，只要采取了对应安全方法，LNG加气站规模能够和LNG气化站相同。但从需求方面来看，因为LNG加气站多建于城市建成区内，对站外建、构筑物和LNG加气站内储罐及工艺设施防火间距要求较高，不易找到满足较大防火间距要求建设用地。所以，LNG加气站储罐容积不宜过大。 设计规范对储存规模要求依据GB 50156()第3.0.4条要求，LPG加气站储罐总容积不应大于60m3，单罐容积不应大于30m3。依据该规范条文说明，此规模确实定既能满足加气需求，也能确保安全，降低风险，同时也是和相关规范及公安部消防局协调结果。所以，LNG加气站储罐容积规模也应考虑该规范要求。 站内用地及消防水系统要求依据GB 50156()第9.0.1、9.0.5条及GB 50028第9.5.1条要求，总容积超出50m3或单罐容积超出20m3LPG或LNG储罐应设置固定式消防冷却水系统。若LNG加气站储罐设置固定式消防冷却水系统，同时考虑20L/s消火栓消防用水量，则LNG加气站总消防用水量肯定超出25L/s。依据GB 50016建筑设计防火规范第8.6.1条要求，加气站应设置消防水池及消防泵房。所以，需要较大用地面积。而LNG加气站通常建于城市建成区内，极难找到符合要求用地。其次，据了解，中国已建成并投入运行LPG加气站通常采取23台单罐容积为20m3或30m3埋地式储罐，这能够避免设置储罐固定消防冷却水系统，和站外建、构筑物防火间距也能够合适减小。而LNG储罐为真空绝热储罐，通常为地上式储罐。地下式LNG储罐在中国还未有实施工程实例，国外工程实例也较少。所以，为了减小加气站消防用水量，减小占地面积，LNG加气站储罐总容积不宜大于50m3，单罐容积不宜大于20m3。 储罐规格国产LNG储罐容积通常为20m3、30m3、50m3、100m3和200m3等，LNG加气站储罐应尽可能采取常规规格产品，便于采购。2.2 储存规模确实定综合考虑LNG加气站加气规模，储存周期，和站外建、构筑物防火间距，设计规范对储存规模要求，站内消防水系统要求，储罐规格等原因，笔者认为在参考实施GB 50156()前提下，为减小LNG加气站用地面积，使加气站更轻易实施，LNG加气站单罐容积为20m3，总容积为20m3或40m3。2.3 加气站等级划分按GB 50156()第3.0.4条要求，LPG加气站等级划分见表2，设V为液化石油气罐总容积。表2 液化石油气加气站等级划分3等级液化石油气罐容积/m3总容积单罐容积一级45V6030二级30V4530三级V3030储罐总容积为40m3，单罐容积为20m3LNG加气站属于二级站；储罐总容积为20m3，单罐容积为20m3LNG加气站属于三级站。3 LNG加气站总图设计 功效分区依据LNG加气站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。储存区关键设备包含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。 总图部署a. 依据GB 50156()第5.0.1条要求，站区工艺设施一侧应设置高2.2m非燃烧实体围墙，面向进、出口道路一侧宜设置非实体围墙，或开敞。b. LNG储罐、LNG泵、卸车增压器、调饱和器等设备部署在高度为1.0m围堰内，卸车接头及其阀门可部署在围堰墙体上。c. 储存区、加气区、站房均独立部署，部署时应注意LNG泵和LNG加气机距离要尽可能短，不宜大于15m。原因是中国LNG汽车车辆供气系统未设置气瓶增压器，为了确保供气压力稳定性，使之能满足发动机用气压力要求，给车辆加注LNG必需为饱和液体。若LNG泵和LNG加气机距离过长，无车辆加气时，管道内剩下饱和LNG较多，轻易气化，会影响加气并排放大量气体，造成浪费。 d. LNG加气站工艺设施和站外建、构筑物之间防火距离按GB 50028中LNG气化站相关防火间距实施。工艺设施和站内建、构筑物之间防火距离按GB 50156()中LPG加气站相关防火间距实施。LNG加气站总图部署见图1。 4 LNG加气站工艺设计4.1 工艺步骤 卸车步骤将LNG由槽车转移至LNG储罐中，关键有卸车增压器卸车、LNG泵卸车及二者联合卸车等3种方法4。卸车增压器卸车优点是完全采取环境热量，不花费电能，工艺步骤相对简单；缺点是卸车速度比较慢，冬季室外温度较低时尤为显著。LNG泵卸车优点是卸车时间较短，工艺步骤相对简单；缺点是花费大量电能，开启前需要对泵进行预冷。卸车增压器和LNG泵联合卸车优点是卸车时间比单独采取卸车增压器卸车时间短，花费电能比单独采取LNG泵卸车少；缺点和单独采取LNG泵相同。笔者提议LNG加气站应含有卸车增压器、LNG泵单独卸车和同时卸车功效。夏季宜采取卸车增压器卸车，冬季宜采取卸车增压器和LNG泵联合卸车。 调饱和步骤中国LNG汽车车辆供气系统未设置气瓶增压器，为了确保供气压力稳定性，使之能满足发动机用气压力要求，车载瓶中LNG必需为饱和液体。所以，加气前需要使储罐中LNG升温、升压，处于饱和状态。调饱和有3种方法：调饱和器调饱和、LNG泵调饱和、调饱和器和LNG泵联合调饱和4。这3种方法优缺点和LNG卸车采取3种方法优缺点基础相同。笔者提议LNG加气站应采取调饱和器和LNG泵联合调饱和方法，能够大大缩短LNG调饱和时间，避免加气车辆长时间等候。 加气步骤LNG加气步骤是指LNG泵将储罐中LNG抽出，输送至LNG加气机，经过LNG加气机给汽车加气。 卸压步骤当储罐压力大于设定值时，打开安全阀，释放储罐中气体，降低压力，以确保储罐安全，放散气体经过集中放散管放空。4.2 关键设备 LNG储罐LNG加气站采取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0Cr18Ni9，外罐材质为16MnR。内外罐之间采取真空粉末绝热，真空隔热层厚度为250mm。储罐日蒸发率小于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自力式降压调整阀和安全阀等，以确保储罐安全。在储罐进、出口LNG管道上设有紧急切断阀，当有紧急情况发生时，可快速关闭阀门，以确保系统安全。现在，20m3真空粉末绝热低温储罐关键为立式和卧式2种形式。立式储罐优点是占地面积小，罐内液体和LNG泵静压头大，有利于LNG调饱和及汽车加注；缺点是立式储罐比较高，美观性差。卧式储罐优点是比较低，美观性好，轻易被周围人群接收；缺点是占地面积大，罐内液体和LNG泵静压头小。现在中国示范运行加气站均采取立式储罐，有成功经验。考虑到有利于汽车加注和LNG调饱和，笔者推荐采取立式储罐。 LNG泵输送LNG这类低温易燃介质，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安全性能要求很高。伴随对泵结构、材料等方面研究有了很大进展，一个安装在密封容器内潜液式电动泵在LNG系统中得到了广泛应用。其关键特点是将泵和电动机整体安装在一个密封金属容器内，不需要轴封，也不存在轴封泄漏问题5。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)和大型储罐罐内泵。LNG加气站中，LNG转运和加注采取是汽车燃料泵，其结构紧凑，立式安装，尤其适适用于汽车燃料加注和低温槽车转运LNG。LNG泵采取安全潜液电动机，电动机和泵全部浸没在流体中，不需要轴封。在吸入口增加了导流器，降低流体在吸入口阻力，预防泵气蚀。LNG加气站采取LNG泵通常为两级离心泵，由一台变频器控制，能适应不一样流量范围，电气元件安装在含有防爆功效接线盒及其罩壳内，流量为8340L/min，扬程为15250m。关键厂家包含美国ACD企业、日本Nikkiso企业、瑞士Cryomec企业等。 LNG加气机LNG加气机是依据直接测量流体介质质量原理，利用优异传感和微电脑测控技术，含有高精度、多功效新型LNG加液计量装置，关键用于计量充入LNG车载瓶液量。同时，加气机应用微测控技术对计量过程进行自动控制，显示器直接显示被测液体流量、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6。现在，LNG加气机多采取进口，其计量方法为单管计量，单枪加气，计量精度为0.1%，最大质量流量为80.0kg/min，含有温度赔偿功效，配带拉断阀。 调饱和器和卸车增压器LNG加气站采取调饱和器和卸车增压器均为空温式换热器，LNG经过吸收环境热量达成气化升温目标，能耗很低。为了提升气化速率和换热效率，调饱和器和卸车增压器主体通常采取耐低温铝合金纵向翅片管，且拥有很大换热面积。其影响原因关键为流量、工作压力、工作周期、大气温度、相对湿度、风力、日照等7。笔者提议调饱和器流量为200m3/h，立式安装；卸车增压器流量为300m3/h，卧式安装。5 LNG加气站公用工程设计LNG加气站公用工程设计关键包含土建设计、电气设计、自控设计和给排水设计，应根据GB 50156()第911章及GB 50028第9.4、9.5、9.6条要求进行设计。土建设计关键包含站房、设备基础、加气岛、加气罩棚柱、围堰、场地等内容设计；基础要求有站房耐火等级大于二级，门、窗向外开等。电气设计关键包含设备动力用电、站房及站区照明用电、站区防雷防静电设计等；基础要求有加气站供电负荷为三级，但有条件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。自控设计关键包含设备控制及状态显示、加气机收费系统、可燃气体检测报警系统及低温检测报警装置；基础要求有储罐进出液管应设置紧急切断阀，并和液位控制连锁，在可能发生LNG泄漏区域，设置可燃气体和低温泄漏报警装置等。给排水设计关键包含站区雨水、站房给水、排水没计；基础要求有围堰内排水利用管道排出站外时应设置水封井，预防LNG流入下水道等。6 LNG加气站消防设计 消防水系统 笔者确定LNG加气站储罐总容积为20m3或40m3，单罐容积为20m3。依据GB 50156()第9.0.1、9.0.5条要求，LNG加气站设置移动消防用水装置，消火栓消防用水量按20L/s考虑。依据GB 50016第8.6.1条要求，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，要求水流量大于20L/s，压力大于0.25MPa。 灭火器材LNG加气站应依据GB 50156()要求设置灭火器材，加气区每台加气机设置1只4kg手提式干粉灭火器；储存区设置35kg推车式干粉灭火器2台和8kg手提式干粉灭火器5台；站房灭火器材部署应符合GB 50140建筑灭火器配置设计规范要求。7 结语为了推进LNG加气市场发展，愈加好地利用LNG作为清洁汽车燃料优势，加紧LNG加气站网络化建设，国家相关部门应立即组织技术力量编制专门针对LNG加气站设计规范。参考文件：1 周春.LNG汽车加气站消防设计方案J.煤气和热力，30(1)：A39-A41.2 中国市政工程华北设计研究院.GB 50028城镇燃气设计规范S.北京：中国建筑工业出版社，：367-368.3 中国石化工程建设企业，中国市政工程华北设计研究院，四川石油管理局勘察没计研究院.GB 50156汽车加油加气站设计和施工规范S.北京：中国计划出版社，：5.4 吴佩英.LNG汽车加气站设计探讨J.煤气和热力，26(9)：7-9.5 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术M.北京：机械工业出版社，：171.6 张丽敏，陈福洋.LNG加气机技术现实状况J.煤气和热力，28(7)：B27-B29.7 贺红明，林文胜，顾安忠.L-CNG加气站技术浅析J.天然气工业，27(4)：126-128.(本文作者：周春 中机国际工程设计研究院江苏分院 江苏南京 210001)