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CNG加气站的安全放散系统
摘      要：本文通过对进口设备保安措施的剖析，介绍了橇装式CNG加气站的安全放散系统的设计计算、安全阀的选用以及系统的维护方法，这也是加气站安全运行的基本保证。可供CNG加气站设计和操作人员参考。
关  键  词：天然气   CNG加气站   安全   放散系统

天然气是一种可燃气体，在特定的条件下有发生爆炸的危险。在CNG加气站系统运行过程中，天然气又总是处于高压状态，压力高达25Mpa。这种苛刻的条件，要求在加气站的系统设计中，必须采取一系列完善的安全技术，以保证设备的运行安全。安全放散系统即是其中的一项重要措施。现以美国某公司的橇装式CNG加气站相关设备为例，对加气站的安全放散系统作以介绍。
一、      安全放散系统的设置部位
安全放散系统所放天然气气体应包括，压缩机停机后滞留在系统中的气体；各气动阀门的回位气体；安全阀释放的气体；压缩机润滑系统所泄漏的气体；各级凝聚式过滤器所排出的气体；售气机软管中的剩余气体以及脱水干燥器的再生气体等。为了保证这些气体除部分可回收利用以外，其余能安全地放散到高空中去，就必须在系统的相关部位设置安全放散系统。主要有以下几个环节。
⒈压缩机的排气管路
假定该压缩机是四级压缩，每一级压缩后的气体要经过冷却器（风冷）降温，再经凝聚式过滤器除油净化后，进入下一级气缸。为了避免每一级压缩后的管路系统超压，在冷却器前的管路中设置了一组安全阀，并和集中放空管相连。当冷却器和高压管由于某种原因压力升高超限时，安全阀自动打开，释放压力，保证系统的安全。
压缩机活塞杆密封填料函中的润滑油和泄漏气体的混合物，以及经活塞泄漏到腔体中的少量气体皆通过两根管子汇集到集油箱中。最后经集油箱上的排气管，排放到降噪箱体上的空气中去。
末级气缸排气管路在进入冷却器前和安全阀并列设置一个手动针阀，和集中放空管相连。主要用于故障排除时，降低系统压力，排空系统中的气体，确保维修人员在安全状态下从事维修工作。                                                                                                                                                                                                                                                                                                            
⒉气动控制系统
该橇装式压缩机站的控制系统，是由电磁先导阀和气动阀相结合的方式进行气路控制的。是将压缩机最终输出的压缩天然气，经分流降压后作为气源，驱动气动球阀。当两位三通电磁阀将驱动气源接通时，通过气动执行机构打开充气球阀等阀门。若要关闭充气球阀时，必须先通过控制系统转动电磁阀，将管路中的驱动气源与放散系统（如回收罐）接通后降压排掉，气动执行机构才能在弹簧力的作用下回位，将充气球阀关闭。这部分气体经回收罐可以回收利用。
⒊回收罐
回收罐在系统中起到两个作用，一是缓冲作用，可降低管路中的气流脉动，稳定系统压力；二是收集废液废气，如将除油过滤器分离出的废液废气，气动执行机构的回位气体，安全阀释放的气体等先收集起来，经过调压后再反馈到压缩机的一级入口处，既能起到稳压作用，又可重复利用，节约气源。
⒋储气瓶组
储气瓶组一般都设置一组或几组安全阀和放散系统。主要为了防止系统由于受热或者其它原因而使压力急剧升高时，可通过该系统释放压力保证安全。另一方面，是为了检修时的方便和安全。因为气瓶和管路压力高达25Mpa，必须经过该系统泄放到常压后方可拆卸检修。储气瓶组一般都分为高、中、低三组，所以最好用阀门（通常用针阀）将三组分别控制，最后都通到同一个放散管中排出。这样，维修某一组时，其它两组可不受影响，不必排空。
⒌干燥器
脱水干燥器的放散系统包括两部分，一个是系统中的安全阀，如果系统因故超压时可自动释放压力；另一个指干燥器再生时为了降低罐内压力而释放气体的阀门（如气液分离器下的排液阀等）。过去这部分气体都被排空而浪费掉了，现在许多生产厂商，都已设法将其回收到进站输气管道中加以利用。
⒍售气机
售气机的放散系统，除了管路中的安全阀，检修时用的放气阀（一般为针阀）外，主要是加气枪上的回气管。当给汽车加完气后，尽管汽车上的气瓶阀门和售气机的电磁阀已经关闭，但是管路中的20Mpa的高压气体作用在加气枪和气瓶受气嘴上，拔不下来，必须将这部分气体压力释放掉，所以设置了回气管。为了保证售气机附近的安全，一般都将回气管沿高压输气管引回到压缩机站附近放散。
二、      设置安全放散系统的原则
依据行业标准CJJ 84—2000 《汽车用燃气加气站技术规范》，并参考国外先进标准可知在CNG汽车加气站设置安全放散系统时，必须满足以下基本原则，才能确保放散系统的有效和可靠。
⒈若泄放流量较小，如安全阀超压泄放的气体和设备释压泄放的气体，可用管线排出至安全区或通过放空管排放；对泄放量大于2m3，泄放次数平均每小时2～3次以上的操作排放，应设置专用回收罐。
⒉ 压缩机的每一级都应装置泄压装置，限制每一级的最大许用工作压力，以保护每一级的气缸和连接管线。根据经验，泄压装置中的安全阀的开启压力，设定为系统最大许用工作压力的0.90~0.95倍较宜。也可取系统工作压力的1.10~1.15倍。
⒊ 从压缩机各级活塞杆填料函等处泄漏的天然气，由于排放量较小，可经汇总后引出室外放散；压缩机的卸载排气宜采用回收罐。回收的天然气可输入压缩机进气管，不得外排放空。
⒋ 售气机加气嘴的泄压排放，小型加气站可以放散，大型加气站可采用回收罐回收，减少浪费和污染。
⒌ 回收到缓冲罐或回收罐中的气体，经过减压后可引入进站天然气管道内或压缩机进气管内，重复利用。缓冲罐顶部应设有安全阀，安全阀的开启压力应为缓冲罐设计压力值的0.90～0.95倍。
⒍ 储气瓶组的放散管，当采用人工操作控制放散时，放散气可引至天然气进气站管内回收；非人工控制的放散天然气，不宜直接引入进站天然气管道。因为事故放散气量大，会使临近的天然气管道及燃具的压力急剧上升而引发事故。
储气瓶组的放散管在阀后宜扩大管径2级以上，防止产生笛音。
⒎ 安全放散系统的放散管口应该伸出屋顶，高出建筑物2.0m以上，且距地面不应小于5.0m，放散管管口应设有防雨罩；
⒏ 安全泄放装置应具有足够的泄放能力。压缩机各级管路中的安全阀的泄放能力，不应小于压缩机的安全泄放量；各种压力容器上的泄压装置的最小排放速率，必须满足泄压装置标准，即不能低于容器安全排放的需要。
三、安全放散系统的设计计算
安全放散系统的设计计算，主要包括系统管路的计算和各种阀门的选型。这里我们仅以储气瓶组的放空系统为例，简要介绍一下安全放散系统的设计计算方法。

储气瓶组放空系统示意图

⒈ 设计原则
⑴ 储气瓶组检修时需放空瓶组和管系中的天然气。
⑵ 当出现紧急情况时必须保证在半小时内排空储气瓶组中的全部天然气。
⒉ 依据标准：
⑴ 四川标准DB51/5013-1996《车用压缩天然气充装站建设技术规范》
⑵ 行业标准SY0092-1998《汽车用压缩天然气加气站设计规范》
⑶ 建设部标准CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》
⒊ 主要参数
⑴储气瓶组的储气量：       3000Nm3 （12.5 Nm3/支）
⑵储气瓶组的气瓶数量：     240支
气瓶配比：高压：中压：低压     40：80：120
⑶储气瓶组管汇尺寸（假定）：
主管道：Φ12×1.5  （内径Φ9）
支管道：Φ6×1     （内径Φ4）
⑷储气瓶组中气体的最大压力：25Mpa
⑸压缩机的排量：650 Nm3/h  (11 Nm3/min)
⒋ 管系的设计计算
⑴流量验算
依据有关资料和经验，流速取平均值：V=15m/s   平均压力：P=12.5Mpa
①支管道允许流量：
(πd2/4)×V=π42/4mm2×15000mm/s=188496mm3/s=0.68m3/h
换算成标准状态为：0.68×125=85（Nm3/h）      85/12.5=6.8（支/h）
∴半小时即可允许3个气瓶的气量放空。
②主管道允许流量：
(πd2/4)×V=π92/4mm2×15000mm/s=954261mm3/s=3.44m3/h
换算成标准状态为：3.44×125=430（Nm3/h）      430/12.5=34.4(支/h)
∴半小时仅可允许17个气瓶的气量放空。
⑵管道内径的确定
①气瓶支管内径的确定：
从上述的计算可知，直接和气瓶相连的Φ6支管可允许半小时将至少3个气瓶的气量放空，所以为了保证一个气瓶的天然气在半小时放空，采用Φ6支管是合适的。
②高压瓶组主管道的内径计算
高压瓶组的气瓶40支，储气500Nm3，要在半小时的时间里将这些天然气放空，所需主管道内径可由下式确定。
（500Nm3/125）÷（15m/s×π×dg2/4）=1800s
由此得 dg=0.0137m=13.7mm
考虑到压力取壁厚1.2，经园整后可取不锈钢无缝钢管Φ16×1.2。（由此可见，前面所假定的Φ12×1.5 ，内径Φ9的主管道在这里是不适用的。）
③中压瓶组主管道的内径计算
中压瓶组的气瓶80支，储气1000Nm3，要在半小时的时间里将这些天然气放空，所需主管道内径可由下式确定。
（1000Nm3/125）÷（15m/s×π×dz2/4）=1800s
由此得 dz=0.0194m=19.4mm
考虑到压力取壁厚1.5，经园整后可取不锈钢无缝钢管Φ22×1.5。
④低压瓶组主管道的内径计算
低压瓶组的气瓶120支，储气1500Nm3，要在半小时的时间里将这些天然气放空，所需主管道内径可由下式确定。
（1500Nm3/125）÷（15m/s×π×dd2/4）=1800s
由此得 dd=0.0238m=23.8mm
考虑到压力取壁厚1.5，经园整后可取不锈钢无缝钢管Φ26×1.5。
⑤放空总管的内径计算：
要在半小时的时间里将3000Nm3的天然气放空，所需放空总管的内径应由下式确定。
（3000Nm3/125）÷（15m/s×π×d2/4）=1800s
d2=20×4÷（1800×15×π）
由此得 d=0.0336m=33.6mm
园整后钢管至少应取Φ45×5。
⒌　安全阀的选型
⑴对安全阀的要求
①阀达到极限压力时，应及时且无阻碍的开启，阀的全开位置应稳定、无震荡现象；
②阀在规定压力下处于开启状态时，放出的工作介质量应等于压缩机的排气量；
③当压力略低于工作压力时，阀应当关闭；
④阀应当在关闭状态下保证密封。
⑵排出介质的方式，选为闭式安全阀，即通过管系将压缩天然气排空。
⑶控制元件，选为弹簧式。
⑷开启方式，为全启式，因为用于事故泄压排气量很大。
⑸开启压力，一般取系统工作压力的1.10～1.15倍。
⑹流量计算：
在计算安全阀时，应先确定工艺所需的泄放量。造成设备超压的原因：一是受热膨胀；二是火灾；三是运行故障；四是驱动机超速；五是进口天然气超压等。确定安全阀的泄放量时，应视工艺过程的具体情况确定，并按可能发生危险情况中的最大一种考虑，但不应机械地将各种不利情况考虑在同一时间发生。
对于储气瓶组来讲，仅可能有前三种情况。一是夏季太阳直射，温度急剧升高，使气体受热膨胀；二发生火灾；三，压缩机系统最高排气压力传感器和末级排气管道上的安全阀同时失灵，不能停机，这种几率很小。所以我们重点分析前两种情况。
1、  阳光直射的情况：
假定阳光直射后储气瓶组的气体温度上升到50℃，依据气态方程

P1V1/T1=P2V2/T2

式中  V1=V2为气瓶的水容积；
P1=P为常温（20℃）下的气瓶中的气体压力，也是气瓶的工作压力；
P2为阳光下（假定温度为50℃）的气瓶中气体的压力；
T1=273.15+20=293.15为常温时的气体绝对温度；
T2=273.15+50=323.15为阳光照射时的气体绝对温度。
从上式可得：
 P2/ P1= T2/ T1=323.15/293.15=1.10
由此可知，阳光直射时的气瓶中的气体压力仅为工作压力的1.10倍，还不到气瓶的设计压力（1.15P）和水压试验压力(1.50P)，应该是安全的。当然也可将安全阀的开启压力设定为1.10P。
2、  发生火灾时：
发生火灾时，气瓶周围环境温度急剧升高，瓶内气体也会受热膨胀，使压力迅速升高。因此依据标准必须在半小时内，将气瓶组内的压缩天然气全部排空。那么三组气瓶的安全阀的排量应分别是1000Nm3/h、2000 Nm3/h、3000 Nm3/h。显然按照这个排量去选安全阀是不正确的，因为这仅是每个气瓶组的最大排量，随着瓶内气量的减少排量会迅速减小。因此仍然取压缩机的排量作为气瓶组安全阀的最大安全泄放量比较合适。只是这时仅靠安全阀排空是不够的，还必须迅速打开和安全阀并联的手动针阀。
压缩机系统的安全阀通常是根据阀座最小通道面积，及系统中的气体压力和温度来选用。每一级安全阀的最小通道面积，均按接近临界流速时的流量等于压缩机的容积流量（排气量）进行计算。换句话说，在压缩机系统中，最大安全泄放量取压缩机的排气量。所选择的安全阀的排放能力至少应等于最大安全泄放量。
根据国家标准GB12243-89《弹簧载荷式安全阀》，可按下式计算得出安全阀的最小通道面积：
       L=10PC(M/ZT)0.5KgA

式中 L——安全阀额定排量，Kg/h，取466.05Kg/h (650 Nm3/h×0.717Kg/ Nm3)；
P——排放压力，Mpa,  P=1.1PK+0.1（PK为开启压力）；
C——等熵指数K的函数，C=3.948[K(2/(K+1))(K+1)/(K-1)]0.5,
天然气K=1.3,由此计算得C=2.63；
M——气体的分子量,g/mol,计算得M=16g/mol；
Z——气体在阀前状态下的压缩性系数，Z≈1；
T——阀前气体的绝对温度，K，取T=411K；
Kg——额定排量系数，对于微启式安全阀可取0.16
A——安全阀的最小通道面积，mm2,A=0.785do2(do为喉部直径，mm)；
当PK=28.5 Mpa时，计算得do=5，
应选安全阀型号为A21Y—320P DN15。

⒍　手动针阀的选型
系统正常工作时，放散系统长时间不起作用，所有阀件都要确保系统的密封性，因此选用气密性较高的手动针阀比球阀更合适。
根据标准要求，阀件的压力等级应选用比系统压力高一个等级。其通径应和其所连接的管道相同。
⒎　结论
⑴每个气瓶的支管采用Φ6的不锈钢管可以满足要求。
⑵每个气瓶组（高、中、低压）的管汇应逐级增大，每一个储气单元（40支气瓶，为8支×5层排列）中，每层8支气瓶的主管道采用Φ12的不锈钢管是合适的，5层气瓶汇合后的主管道至少应增大到Φ16，这也是高压瓶组的情况；中压瓶组是由两个储气单元组成的，两个单元汇合后的主管道应增大到Φ22；低压瓶组是由三个储气单元组成的，汇合后的主管道至少应取的钢管。如果为了工艺简单一些，三组气瓶也可采用统一规格的主管道，如Φ26的管汇系统。
⑶放空总管的管径应在计算值的基础上，根据其高度综合考虑钢管的刚度和稳定性，必要时还应再加大。
⑷每个气瓶组应设置一个针阀（和安全阀并联），针阀的位置应尽可能的接近储气单元，以保证设备正常运行时，储气单元以外的管汇和放空管中没有高压天然气，确保储气装置的安全。
⑸图中三个球阀主要用于高压加气管道系统和售气机维修时切断气源用，系统正常工作期间，处于常开状态。
四、安全放散系统的正确操作
⒈ 安全阀第一次安装前应经当地安检部门鉴定，以后为了避免阀件锈蚀而失效，至少每五年检测鉴定一次。
⒉ 系统正常运行过程中应经常注意泄压阀和安全阀的工作是否正常。
⒊ 安全阀上的鉴定铅封不得随意拆除，更不许私自调整开启压力。
⒋ 应经常检查维护并保持放散系统管路的通畅。
⒌ 泄压装置的通道或其他可能影响装置作用的部件，不应当被油漆或积聚的赃物堵塞；
⒍　只有取得资质的人员才能操作维修安全泄压装置；
⒎　检修泄压装置时只能使用原组件或原制造商的零件，除非替代的其它零件经过检验被证明是合格产品。
从上面可以看到，安全放散系统是CNG加气站上的一个重要环节，如果设置不好，或者操作维护不当，经常会产生故障，严重影响加气站的安全运行，必须引起高度重视。