LNG加氣站設計規(guī)范

摘要：通過對GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》與GB50156—2002《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)以及LNG與LPG主要特性這兩方面的比較，確定進行LNG加氣站設計時所依據(jù)的規(guī)范。分析并確定了LNG加氣站的儲存規(guī)模和等級劃分探討了LNG加氣站的總圖、工藝、公用工程及消防設計。關鍵詞：LNG加氣站；規(guī)范選用；儲存規(guī)模；等級劃分；設計CodeSelectionandDesignofLNGFillingStationZH0UChunAbstract：ThroughthecomparisonofCodeforDesignofCityGasEngineering(GB50028—2006)andCodeforDesignandConstructionofAutomobileGasolineandGasFillingStation，(2006)(GB50156—2002)aswellasthekeyfeaturesbetweenLNGandLPG，thecodeusedindesignofLNGfillingstationisdetermined.ThestoragesizeandgradelevelofLNGfillingstationareanalyzedanddetermined.Thedesignofgeneralplan，process，publicprojectsandfirecontrolofLNGfillingstationisdiscussed.Keywords：LNGfillingstation；codeselection；storagesize；gradelevel；designLNG汽車和LNG加氣站在國外特別是美國，已經(jīng)得到了長足發(fā)展，而在我國的發(fā)展時間尚未超過20年，還處于發(fā)展初期。因此，我國尚未頒布專門適用于LNG加氣站的設計規(guī)范。在進行LNG加氣站設計時，國外設計人員主要遵守NFPA57—97《汽車用液化天然氣(LNG)供氣系統(tǒng)標準》，國內(nèi)已建成并正在示范運行的LNG加氣站遵循的設計標準也是NFPA57—97。但由于各種原因，特別是國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展水平、設備制造水平、管理水平的差異，我國行業(yè)主管部門及消防部門對國外規(guī)范的認可程度不高。根據(jù)以往的成功經(jīng)驗，采用大家更為熟悉的國內(nèi)相近的設計規(guī)范，更容易得到主管部門的認可。比如LNG氣化站發(fā)展初期，GB50028—93《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中尚未有關于LNG氣化站的要求，設計時均參照了該規(guī)范中LPG氣化站的要求。因此，筆者認為在進行LNG加氣站沒計時，首選國內(nèi)已頒布實施的與國外規(guī)范相近的設計規(guī)范。1LNG加氣站設計規(guī)范的選用一般認為，LNG加氣站的設計可參照GB50028—2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(guī)范》中LNG氣化站的相關要求和GB50156—2002《汽車加油加氣站設計與施工規(guī)范》(2006年版)中LPG加氣站的相關要求[1]。前者的理論依據(jù)是LNG加氣站與LNG氣化站的物料均為LNG，僅兩者的廠站形式及建站地點不同。后者的理論依據(jù)是LNG具有比LPG更安全的特性參數(shù)，且LNG加氣站與LPG加氣站同為加氣站，建設地點都位于城市建成區(qū)內(nèi)。①規(guī)范的比較GB50028—2006主要適用于LNG總儲存容積不大于2000m3的城鎮(zhèn)LNG供應站的工程設計。該規(guī)范對LNG氣化站的儲罐及天然氣放散總管與站內(nèi)外建、構筑物的防火間距、消防系統(tǒng)均作了明確規(guī)定。GB50156—2002(2006年版)主要適用于汽車加油站、LPG加氣站、CNG加氣站和汽車加油加氣合建站工程的設計和施工。該規(guī)范對LPG加氣站的規(guī)模，LPG儲罐、卸車點、加氣機、放散管管口與站外建、構筑物的防火間距，LPG加氣站內(nèi)設施之間的防火間距及消防系統(tǒng)均作了明確規(guī)定。GB50028—2006主要適用于LNG氣化站，而LNG氣化站通常建于城市建成區(qū)之外。因此，該規(guī)范中LNG儲罐及放散總管與站外建、構筑物的防火間距比GB50156—2002(2006年版)中LPG儲罐及放散管與站外建、構筑物的防火間距大。GB50028—2006對卸車點、加氣機等與站外建、構筑物的防火間距以及加氣站內(nèi)設施(儲罐與加氣機、站房、放散管等)之間的防火間距均沒有涉及，而GB50156—2002(2006年版)對此有比較洋細的規(guī)定。GB50028—2006與GB50156—2002(2006年版)的相同點：a.對儲罐的消防設施要求一致，均要求儲罐的單罐容積大于20m3或總容積大于50m3時，儲罐應設置固定消防冷卻系統(tǒng)。b.對移動式消防用水量的規(guī)定基本相同。c.對公用工程的設計基本一致，但在工藝設計方面，由于LNG加氣站與LNG氣化站的物料均為LNG，所以GB50028—2006中關于LNG氣化站的部分更具有針對性。②LNG與LPG的特性比較LNG是以甲烷為主要組分的烴類混合物，LNG與LPG的主要特性對比見表1。由表1可知：a.LNG比LPG更難點燃，且燃燒速度比LPG小。b.LNG的燃點、爆炸極限均比LPG高，且爆炸極限的范圍更寬。c.當溫度高于-112℃時，LNG蒸氣比空氣輕，易于向高處擴散；而LPG蒸氣比空氣重，易于在低處積聚而引發(fā)事故。因此，LNG在運輸、儲存和使用中的火災危險性及危害程度低于LPG，比LPG更安全[2]。從燃燒放出的熱量來看，相同體積的LNG和LPG氣化并燃燒后，LNG放出的熱量比LPG少，對周圍的熱輻射也小。因此，在防火間距和消防設施方面，對LNG加氣站的要求可以比對LPG加氣站的要求低?？紤]到LNG加氣站在我國尚處于初期發(fā)展階段，采用與LPG加氣站基本相同的防火間距和消防設施是適宜的。表1LNG與LPG主要特性對比項目LPGLNG燃點/℃493650點火能/mJ0.3050.330燃燒速度/(m·s-1)0.420.38爆炸極限/%2.15～9.605.00～15.00氣體密度大于空氣密度，少量泄漏后易積聚-112℃以上時小于空氣密度，少量泄漏后即揮發(fā)③設計規(guī)范的確定LNG加氣站與LPG加氣站的站內(nèi)設施相似，均包含加氣機、泵、儲罐、站房等。因此，從廠站的形式、建設地點、對站外環(huán)境的防火要求及站內(nèi)、外設施來看，LNG加氣站的設計若LNG泵與LNG加氣機的距離過長，無車輛加氣時，管道內(nèi)剩余的飽和LNG較多，容易氣化，會影響加氣并排放大量的氣體，造成浪費。d.LNG加氣站的工藝設施與站外建、構筑物之間的防火距離按GB50028—2006中LNG氣化站相關的防火間距執(zhí)行。工藝設施與站內(nèi)建、構筑物之間的防火距離按GB50156—2002(2006年版)中LPG加氣站相關的防火間距執(zhí)行。LNG加氣站的總圖布置見圖1。4LNG加氣站的工藝設計4.1工藝流程①卸車流程將LNG由槽車轉移至LNG儲罐中，主要有卸車增壓器卸車、LNG泵卸車及兩者聯(lián)合卸車等3種方式[4]。卸車增壓器卸車的優(yōu)點是完全采用環(huán)境熱量，不耗費電能，工藝流程相對簡單；缺點是卸車速度比較慢，冬季室外溫度較低時尤為明顯。LNG泵卸車的優(yōu)點是卸車時間較短，工藝流程相對簡單；缺點是耗費大量電能，啟動前需要對泵進行預冷。卸車增壓器和LNG泵聯(lián)合卸車的優(yōu)點是卸車時間比單獨采用卸車增壓器卸車時間短，耗費的電能比單獨采用LNG泵卸車少；缺點與單獨采用LNG泵相同。筆者建議LNG加氣站應具有卸車增壓器、LNG泵單獨卸車和同時卸車的功能。夏季宜采用卸車增壓器卸車，冬季宜采用卸車增壓器和LNG泵聯(lián)合卸車。②調(diào)飽和流程我國LNG汽車的車輛供氣系統(tǒng)未設置氣瓶增壓器，為了保證供氣壓力的穩(wěn)定性，使之能滿足發(fā)動機的用氣壓力要求，車載瓶中的LNG必須為飽和液體。因此，加氣前需要使儲罐中的LNG升溫、升壓，處于飽和狀態(tài)。調(diào)飽和有3種方式：調(diào)飽和器調(diào)飽和、LNG泵調(diào)飽和、調(diào)飽和器與LNG泵聯(lián)合調(diào)飽和[4]。這3種方式的優(yōu)缺點與LNG卸車采用的3種方式的優(yōu)缺點基本相同。筆者建議LNG加氣站應采取調(diào)飽和器和LNG泵聯(lián)合調(diào)飽和的方式，可以大大縮短LNG的調(diào)飽和時間，避免加氣車輛的長時間等待。③加氣流程LNG的加氣流程是指LNG泵將儲罐中的LNG抽出，輸送至LNG加氣機，通過LNG加氣機給汽車加氣。④卸壓流程當儲罐壓力大于設定值時，打開安全閥，釋放儲罐中的氣體，降低壓力，以保證儲罐安全，放散的氣體通過集中放散管放空。4.2主要設備①LNG儲罐LNG加氣站采用的低溫壓力儲罐為真空粉末絕熱儲罐。儲罐分為內(nèi)罐和外罐兩層，內(nèi)罐材質為0Cr18Ni9，外罐材質為16MnR。內(nèi)外罐之間采用真空粉末絕熱，真空隔熱層厚度為250mm。儲罐的日蒸發(fā)率小于0.25%，充裝系數(shù)為0.9。儲罐上裝有高、低液位報警設施，內(nèi)罐壓力高報警設施，超壓自動排放罐頂氣體的自力式降壓調(diào)節(jié)閥以及安全閥等，以保證儲罐的安全。在儲罐進、出口的LNG管道上設有緊急切斷閥，當有緊急情況發(fā)生時，可迅速關閉閥門，以保證系統(tǒng)安全。目前，20m3真空粉末絕熱低溫儲罐主要為立式和臥式2種形式。立式儲罐的優(yōu)點是占地面積小，罐內(nèi)液體與LNG泵的靜壓頭大，有利于LNG的調(diào)飽和及汽車加注；缺點是立式儲罐比較高，美觀性差。臥式儲罐的優(yōu)點是比較低，美觀性好，容易被周圍人群接受；缺點是占地面積大，罐內(nèi)液體與LNG泵的靜壓頭小。目前國內(nèi)示范運行的加氣站均采用立式儲罐，有成功的經(jīng)驗。考慮到有利于汽車加注和LNG的調(diào)飽和，筆者推薦采用立式儲罐。②LNG泵輸送LNG這類低溫的易燃介質，不僅要求輸送泵能承受低溫，而且對其氣密性能和電氣方面的安全性能要求很高。隨著對泵結構、材料等方面的研究有了很大的進展，一種安裝在密封容器內(nèi)的潛液式電動泵在LNG系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。其主要特點是將泵與電動機整體安裝在一個密封的金屬容器內(nèi)，不需要軸封，也不存在軸封的泄漏問題[5]。通常潛液式電動泵可分為船用泵、汽車燃料泵、LNG高壓泵(罐外泵)和大型儲罐的罐內(nèi)泵。LNG加氣站中，LNG的轉運和加注采用的是汽車燃料泵，其結構緊湊，立式安裝，特別適用于汽車燃料加注和低溫槽車轉運LNG。LNG泵采用安全的潛液電動機，電動機和泵都浸沒在流體中，不需要軸封。在吸入口增加了導流器，減少流體在吸入口的阻力，防止泵氣蝕。LNG加氣站采用的LNG泵通常為兩級離心泵，由一臺變頻器控制，能適應不同的流量范圍，電氣元件安裝在具有防爆功能的接線盒及其罩殼內(nèi)，流量為8～340L/min，揚程為15～250m。主要廠家包括美國的ACD公司、日本的Nikkiso公司、瑞士的Cryomec公司等。③LNG加氣機LNG加氣機是依據(jù)直接測量流體介質質量的原理，利用先進的傳感和微電腦測控技術，具有高精度、多功能的新型LNG加液計量裝置，主要用于計量充入LNG車載瓶的液量。同時，加氣機應用微測控技術對計量過程進行自動控制，顯示屏直接顯示被測液體的流量、單價、金額及加液量累計值，可遠程通信，實現(xiàn)計算機中央管理[6]。目前，LNG加氣機多采用進口，其計量方式為單管計量，單槍加氣，計量精度為±0.1%，最大質量流量為80.0kg/min，具有溫度補償功能，配帶拉斷閥。④調(diào)飽和器和卸車增壓器LNG加氣站采用的調(diào)飽和器和卸車增壓器均為空溫式換熱器，LNG通過吸收環(huán)境熱量達到氣化升溫的目的，能耗很低。為了提高氣化速率和換熱效率，調(diào)飽和器和卸車增壓器的主體通常采用耐低溫的鋁合金縱向翅片管，且擁有很大的換熱面積。其影響因素主要為流量、工作壓力、工作周期、大氣溫度、相對濕度、風力、日照等[7]。筆者建議調(diào)飽和器的流量為200m3/h，立式安裝；卸車增壓器的流量為300m3/h，臥式安裝。5LNG加氣站的公用工程設計LNG加氣站的公用工程設計主要包括土建設計、電氣設計、自控設計和給排水設計，應按照GB50156—2002(2006年版)第9～11章及GB50028—2006第9.4、9.5、9.6條的規(guī)定進行設計。土建設計主要包括站房、設備基礎、加氣島、加氣罩棚柱、圍堰、場地等內(nèi)容的設計；基本要求有站房耐火等級不小于二級，門、窗向外開等。電氣設計主要包括設備的動力用電、站房及站區(qū)的照明用電、站區(qū)的防雷防靜電設計等；基本要求有加氣站的供電負荷為三級，但有條件的情況下可設計為二級，罩棚、營業(yè)室、配電間等應設置事故照明等。自控設計主要包括設備的控制及狀態(tài)顯示、加氣機的收費系統(tǒng)、可燃氣體檢測報警系統(tǒng)及低溫檢測報警裝置；基本要求有儲罐進出液管應設置緊急切斷閥，并與液位控制連鎖，在可能發(fā)生LNG泄漏的區(qū)域，設置可燃氣體和低溫泄漏報警裝置等。給排水設計主要包括站區(qū)的雨水、站房的給水、排水沒計；基本要求有圍堰內(nèi)的排水利用管道排出站外時應設置水封井，防止LNG流入下水道等。6LNG加氣站的消防設計①消防水系統(tǒng)筆者確定的LNG加氣站儲罐的總容積為20m3或40m3，單罐容積為20m3。根據(jù)GB50156—2002(2006年版)第9.0.1、9.0.5條的規(guī)定，LNG加氣站設置移動消防用水裝置，消火栓消防用水量按20L/s考慮。根據(jù)GB50016—2006第8.6.1條規(guī)定，加氣站無需設置消防水池，利用市政消防設施即可。消防水管網(wǎng)可從市政消防管網(wǎng)接入，要求水流量不小于20L/s，壓力不小于0.25MPa。②滅火器材LNG加氣站應根據(jù)GB50156—2002(2006年版)的要求設置滅火器材，加氣區(qū)每臺加氣機設置1只4kg手提式干粉滅火器；儲存