CNG工艺计算书.doc

东平**能源有限公司
CNG加气子站工程
工艺计算书

审 定

复 核

设 计

设计公司
二O一四年二月

一、工程简介
本项目为**有限公司CNG加气子站工程，位于**省道南侧预留建筑用地，总4464m²（约 6.7 亩），设计供气能力为1.0万Nm³/d。
加气站总建筑占地面积为602.56m²，总建筑面积为602.56m²，其中站房为154.8m²，辅助用房为86.4 m²，加气罩棚为240.0m²。站内主要配置额定排量为1000Nm³/h 的压缩机2台（一开一备）、4000Nm³/h 的卸气柱1台、储气井三口（2m³*3个）、1m³的污水罐1台，2～40Nm³/min的加气机2台。设计定员12人。
二、设备选型
1．压缩机
加气站设计规模1.0万Nm3/日。按正常情况考虑，本站有效加气时间为10～12小时/天，则要求压缩机小时总排量为840～1000 Nm3/时。
本项目设置2台CNG压缩机（一开一备）。其设计参数如见下表：
压缩机设备参数 表 2-
序号
项目
技术参数
备注
1
数量
2台
一开一备
2
机组名称
CNG 橇装压缩机

3
压缩级数
二级

4
控制方式
自动

5
工作介质
天然气

6
吸气压力
3.0MPa～20MPa（表压）

7
排气压力
25MPa

8
额定功率
75kw

9
平均排气量
1000Nm3/h

10
传动方式
弹性连轴器直接驱动

11
进气温度
≤30℃

12
排气温度
不高于环境 15℃

13
润滑方式
无油润滑结构，强制少油润滑

14
冷却方式
风冷

15
安装方式
整体橇装

2．加气机
根据本站设计规模及加气区布置，设置2台加气机即可满足本站工艺设计要求。
本项目选用加气机两台，其主要技术参数见下表。
加气机参数表 表2-2
序号
项目
技术参数
备注
1
台数
2

2
额定工作压力
20MPa

3
最大工作压力
25MPa

4
设计压力
27.5MPa

5
耐压强度
37.5MPa

6
最大流量
40Nm3/min

7
计量精度
±0.5%

8
环境温度
-45℃～+50℃

9
单次计量范围
0～9999.99 m3 或元

10
累计计量范围
0～9999.99 m3 或元

11
单价预制范围
0.01～99.99 元/m3

12
密度预制范围
0.0001～0.9999

13
读数最小分度值
0.01 m3；0.01 元

14
电源
220V±15%50HZ±1Hz

15
功率
<200W

16
管线
Φ14X2

17
计量方式
自动计量带夜光显示

18
防爆等级
ExdemibⅡAT4

19
质量流量计
进口产品并带有温度传感器进行补偿

3．卸气柱
根据本站设计规模及站区布置，设置1台卸气柱即可满足本站工艺设计要求。
本项目选用卸气柱一台，其主要技术参数见下表。
卸气柱参数表 表2-3
序号
项目
技术参数
备注
1
台数
1

2
额定工作压力
20MPa

3
最大工作压力
25MPa

4
设计压力
27.5MPa

5
耐压强度
37.5MPa

6
最大流量
40Nm3/min

7
计量精度
±0.5%

8
环境温度
-45℃～+50℃

9
单次计量范围
0～9999.99 m3 或元

10
累计计量范围
0～9999.99 m3 或元

11
单价预制范围
0.01～99.99 元/m3

12
密度预制范围
0.0001～0.9999

13
读数最小分度值
0.01 m3；0.01 元

14
电源
220V±15%50HZ±1Hz

15
功率
<200W

16
管线
Φ14X2

17
计量方式
自动计量带夜光显示

18
防爆等级
ExdemibⅡAT4

19
质量流量计
进口产品并带有温度传感器进行补偿

4.污水罐
本工程设置污水罐一台，水容积V=1m³，最高运行压力0.4MPa。
由于CNG罐车运来的压缩天然气比较干净，压缩机长时间使用时会产生少量污水及废油，因此1m³污水罐能够满足正常生产运行要求。其主要技术参数如下：
污水罐主要技术参数表 表 2-4
序号
项目
技术参数
1
介质
天然气
2
设计压力
0.1MPa
3
工作压力
常压
4
容积
1m³

5）储气井
本项目储气系统用于储存高压压缩天然气，以便节省给汽车充气的时间，储气方式为储气井，设置水容积为2m3的高压储气井1组、2m3的中压储气井2组，合计6m3，可储存压缩天然气1500Nm3。储气井主要技术参数见下表：
储气井主要技术参数表 表2-5
储

气

井
项目
数据
公称工作压力 MPa
25
环境温度 ℃
-40~60
充装介质
CNG
公称容积 m3
2.0
水压试验压力 MPa
41.7
气密试验压力 MPa
25

三、工艺计算
1.基本参数
1）设计压力：
CNG工艺系统设计压力：27.50 MPa。放空管道为2.5MPa，排污管道0.1MPa（常压）。
2）设计温度：
最高设计温度： 50.00℃
最低设计温度： -10.00℃
3）充装温度： ≤35.00℃
4）工艺管道设计流速
工艺管道设计流速：5.00米/秒。
5）压缩有效运转时间
本加气站4小时用完一车气（每小时供气量约1000m³）；
CNG罐车的平均往返运输距离： 40公里（单程20公里）；
往返运输时间为：1小时（运载车速40公里/小时）；
加气站停靠时间、加气站就位时间按20分钟计；
CNG罐车在加气母站的平均充气时间为：3小时（加气母站平均充气能力1000m³/小时）。
2、管径计算
根据规范及经济流速的比较，CNG管道的气体流速小于或等于5 m/s。
管径采用公式：
d—计算管道内径（mm）
Q—管道标况流量（Nm3/h）
P0—标况压力（0.1MPa）
P1—工况压力（绝压：MPa）
—气体流速（m/s）
Z—压缩因子（压力小于1.2 MPa时，Z取1）
1)CNG管道管径：P1=20 MPa，流量为1000Nm3/h：
＝17.3mm
本工程卸气柱至压缩机CNG管道选用管径D32的不锈钢管道，本工程卸气柱至压缩机CNG管道选用管径D32的管道，压缩机至加气机管道选用管径D25的管道，储气井进口管道选用管径D22的管道。
2) 压缩机放散管道（排污管道）管径：P1=2.5 MPa，流量为100Nm3/h：
根据天然气的成分计算出天然气的临界压力为Pc=4.584MPa，临界温度Tc=193.25K。在压力为20MPa,温度为20℃时：
Pr=P/Pc=(2.5+0.1013)/4.584=0.58，Tr=T/Tc=(273.15+20)/193.25=1.52
查得压缩系数为：Z=0.94
＝15.6mm
设计选用D57的管道。
3、管道壁厚计算：
站内压缩机后设计压力为27.5MPa（管材选用O6Cr19Ni10无缝钢管）和2.5MPa（管材选用20#无缝钢管），下面分别按照《钢制压力容器》（GB150）及《工业金属管道设计规范》（GB50316）进行计算。
方法一：计算公式为《工业金属管道设计规范》（GB50316）第6.2.1条规定：
当ts＜D0/6时，
管道的设计厚度（δ2）=计算厚度（δ或ts）+腐蚀裕量（不锈钢：0）
管道的名义厚度（δ3）=设计厚度（δ2）/（1-壁厚负偏差12.5％）
ts—直管计算厚度（mm）
Ej—焊接接头系数
P—设计压力（MPa）
[σ]t—在设计温度下材料的许用应力（MPa，不锈钢为137 MPa）
D0—管道外径（mm）
Y—系数（不锈钢：0.4）

方法二：计算公式为《钢制压力容器》（GB150）第5.2条规定：
当p≤0.4[σ]tφ时：δ＝
管道的设计厚度（δ2）=计算厚度（δ或ts）+腐蚀裕量（不锈钢：0）
管道的名义厚度（δ3）=设计厚度（δ2）/（1-壁厚负偏差12.5％）-腐蚀裕量（不锈钢：0）
管道的有效厚度（δ4）
管道应力计算：σ1＝＜[σ]t
强度试验校核：σ2＝＜0.9σsφ
P—设计压力（MPa）
[σ]t—在设计温度下材料的许用应力（MPa，不锈钢为137 MPa）
Di—管道内径（mm）
φ—焊接接头系数（管道为1）
Pc—应力试验压力（1.0P：MPa）
PT—强度试验压力（1.5Pc：MPa）
σS—材料在试验温度下的屈服点（MPa，不锈钢为205MPa）

A、D32的不锈钢管道(O6Cr18Ni10)，设计压力为27.5 MPa，设计选取壁厚为6mm，下面进行校核计算：
方法1：
计算壁厚：D/6=32/6=6.3＞δ
ts＝＝=3.54 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝3.54＋0＝3.54 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝3.54 /（1-0.125）＝4.05 mm。
方法2：[σ]t＝137 MPa
Pc≤0.4[σ]tφ
计算压力Pc＝27.5 MPa＜0.4[σ]tφ＝0.4×137×1＝54.8 MPa
计算厚度：δ＝＝=2.91 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝2.91＋0＝2.91 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝2.91/（1-0.125）＝3.33 mm。
设计最终选取D32管道的壁厚为6mm，
有效厚度为:δ4＝6×（1-0.125）-0＝5.25mm
管道应力计算：σ1＝＝
=82.16 MPa＜137 MPa
强度试验校核：σ2＝＝
＝123.2 MPa＜0.9σsφ＝0.9×205=184.5Mp
经过管道应力计算和强度试验校校核，D32选取6mm的壁厚满足设计要求。

B、D57的无缝碳钢管道(20#)，设计压力为2.5MPa，设计选取壁厚为3.5mm，下面进行校核计算：
方法1：
计算壁厚：D/6=57/6=9.5＞δ
ts＝=0.73 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝0.73＋0＝0.73 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝0.73 /（1-0.125）＝0.83 mm。
方法2：[σ]t＝137 MPa
Pc≤0.4[σ]tφ
计算压力Pc＝2.5MPa＜0.4[σ]tφ＝0.4×137×1＝54.8 MPa
计算厚度：δ＝=0.63 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝0.63＋0＝0.63mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝0.63/（1-0.125）＝0.72mm。
设计最终选取D57管道的壁厚为3.5mm，
有效厚度为:δ4＝3.5×（1-0.125）-0＝3.06mm
管道应力计算：σ1＝＝
=30.16 MPa＜137 MPa
强度试验校核：σ2＝＝
＝45.2 MPa＜0.9σsφ＝0.9×205=184.5Mp
经过管道应力计算和强度试验校校核，D57选取3.5mm的壁厚满足设计要求。
C、D25的不锈钢管道(O6Cr18Ni10)，设计压力为27.5MPa，设计选取壁厚为3.5mm，下面进行校核计算：
方法1：
计算壁厚：D/6=25/6=4.2＞δ
ts＝=2.37 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝2.37＋0＝2.37 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝2.37 /（1-0.125）＝2.71 mm。
方法2：[σ]t＝137 MPa
Pc≤0.4[σ]tφ
计算压力Pc＝27.5 MPa＜0.4[σ]tφ＝0.4×137×1＝54.8 MPa
计算厚度：δ＝=2.16 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝2.16＋0＝2.16 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝2.16/（1-0.125）＝2.47 mm。
设计最终选取D25管道的壁厚为3.5mm，
有效厚度为:δ4＝3.5×（1-0.125）-0＝2.67mm
管道应力计算：σ1＝=113.6 MPa＜137 MPa
强度试验校核：σ2＝=170.4 MPa＜0.9σsφ＝0.9×205=184.5Mp
经过管道应力计算和强度试验校校核，D25选取3.5mm的壁厚满足设计要求。
D、D22的不锈钢管道(O6Cr18Ni10)，设计压力为27.5MPa，设计选取壁厚为3.0mm，下面进行校核计算：
方法1：
计算壁厚：D/6=22/6=3.7＞δ
ts＝=2.09 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝2.09＋0＝2.09 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝2.09 /（1-0.125）＝2.39 mm。
方法2：[σ]t＝137 MPa
Pc≤0.4[σ]tφ
计算压力Pc＝27.5 MPa＜0.4[σ]tφ＝0.4×137×1＝54.8 MPa
计算厚度：δ＝=1.90 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝1.90＋0＝1.90 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝1.90/（1-0.125）＝2.17 mm。
设计最终选取D22管道的壁厚为3.0mm，
有效厚度为:δ4＝3.0×（1-0.125）-0＝2.63mm
管道应力计算：σ1＝=104.6 MPa＜137 MPa
强度试验校核：σ2＝=153.2 MPa＜0.9σsφ＝0.9×205=184.5Mp
经过管道应力计算和强度试验校校核，D25选取3.5mm的壁厚满足设计要求。
E、D12的不锈钢管道(O6Cr18Ni10)，设计压力为27.5MPa，设计选取壁厚为3mm，下面进行校核计算：
方法1：
计算壁厚：D/6=12/6=2＞δ
ts＝=1.18 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝1.18＋0＝1.18 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝1.18 /（1-0.125）＝1.35 mm。
方法2：[σ]t＝137 MPa
Pc≤0.4[σ]tφ
计算压力Pc＝27.5 MPa＜0.4[σ]tφ＝0.4×137×1＝54.8 MPa
计算厚度：δ＝=0.95 mm
设计厚度（腐蚀裕量取0mm）：δ2＝0.95＋0＝0.95 mm
名义厚度（壁厚负偏差为－12.5%）：δ3＝0.95/（1-0.125）＝1.09 mm。
设计最终选取D12.管道的壁厚为3mm，
有效厚度为:δ4＝3×（1-0.125）-0＝2.63mm
管道应力计算：σ1＝＝77.6 MPa＜137 MPa
强度试验校核：σ2＝＝116.3 MPa＜0.9σsφ＝0.9×205=184.5Mp
经过管道应力计算和强度试验校校核，D12.7选取3mm的壁厚满足设计要求。
4．CNG气瓶罐车及牵引车头数量计算
根据本CNG站CNG罐车有效运转时间确定本CNG加气站需配备2组CNG气瓶罐车撬及一部罐车牵引车头能满足站内正常供气运行要求。