安康市压缩天然气加气站工艺设计说明书.doc

本科毕业设计说明书 题 目：安康市压缩天然气加气站 工艺设计 院 （部）： 热能工程学院 专 业： 能源工程及自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 2011031310 指导教师： 完成日期： 2015.06 目 录 摘 要 .IV ABSTRACT.V 1 前 言 .1 2 绪 论 .2 2.1 天然气利用方针.2 2.2 设计依据.2 2.3 设计原则.2 2.4 设计遵循的主要标准及规范.2 2.5 CNG 工程建设的意义.3 3 项目建设概况.5 3.1 城市概况.5 3.2 自然条件.5 3.3 设计基本参数.5 3.3.1 天然气基本参数计算.5 3.3.2 CNG 汽车发展状况.6 3.4 城市燃气基本性质.6 3.5 CNG 汽车用气量计算.11 4 气源确定.13 4.1 CNG 汽车市场发展前景.13 4.1.1 国内外 CNG 汽车发展状况.13 4.1.2 中国 CNG 汽车发展前景.13 4.1.3 CNG 汽车优缺点.14 4.2 汽车用 CNG 与 LPG 及汽油的经济技术比较.15 5 城市天然气门站、CNG 加气站的站址选择.17 5.1 城市门站的站址选择.17 5.2 加气站数量及规模.17 6 场站平面布置和工艺流程设计.20 6.1 平面布置原则.20 6.2 加气站工艺流程设计.21 7 加气站主要设备选型和管线选择计算 .24 7.1 母站设备的选择.24 7.2 子站设备选型.33 7.3 管径计算.37 7.4 管道、管件及防腐.38 8 场站公用工程及其它专业设计.41 8.1 自动控制.41 8.2 供（配）电.41 8.2.1 用电负荷等级.41 8.2.2 电气.42 8.3 土建.42 8.3.1 设计原则.42 8.3.2 土建部分主要工作量.43 8.4 给排水.44 8.4.1 供水设计.44 8.4.2 排水设计.44 8.5 暖通设计.44 9 组织机构及人员编制设计 .45 10 消防设计专篇.47 10.1 消防设计依据及采用标准.47 10.2 火灾危险性分析.47 10.3 安全防火防爆设计.47 10.4 安全防火防爆措施.48 10.5 各场站消防设施的设置.48 11 环境保护设计专篇 .50 11.1 设计依据及主要标准.50 11.2 主要污染源和主要污染物.50 11.3 采取的控制措施.50 12 劳动保护和职业卫生设计专篇 .52 12.1 设计依据及主要标准.52 12.2 主要危害因素.52 12.3 采取的防范措施.52 13 节能设计专篇.54 13.1 工程能耗分析.54 13.2 能耗计算.54 13.3 节能措施.54 14 专题研究.56 14.1 问题提出.56 14.2 目前现状.56 14.3 解决方案.56 15 结论.58 谢 辞.59 参考文献.60 附录 .61 摘 要 压缩天然气（CNG）和液化天然气（LNG）是当前公认的较为理想的代用燃料。 这是由于资源丰富，价格较便宜，容易储存，而且燃烧后对环境污染很小。预计未来的 2030 年将是我国天然气储量快速增长时期。所以，研究与应用压缩天然气是改善大气 质量、充分利用区域性资源的一条切实有效的途径。 天然气属于利用率较高的清洁能源，它的使用可以提供足够的能量，以满足需求； 同时，天然气也会为经济的发展提供动力支撑，以保证低碳经济的稳定发展；最后，在 低碳经济发展的目标方面，天然气的广泛使用可以降低对环境的污染，减少对大自然的 伤害，同时缓减能源危机，实现经济的可持续发展。 汽车的发展历史已有百年之多，许多国家也将汽车工业作为支柱产业，它对人类的 生活和社会的发展已经起到了巨大的推动作用，但是，它也对人类的生存环境造成了严 重的污染。由于汽车数量的激增，导致其排放的废气中的有害成分对环境造成的污染越 来越严重。 天然气在汽车行业中所发挥的作用非常明显，以天然气为燃料的综合排放污染比以 石油和柴油为燃料平均每车每年能够减少二氧化碳 21.1 吨，比汽油车的成本降低 25%40%，比柴油车降低 15%30%。并且以天然气为原料的汽车不会向空气中排放苯、 铅、硫等有毒有害气体。同时，天然气的成本相对较低，一定程度上，还可以节省汽车 运行的成本。 CNG 汽车行业在我国具有广阔的发展市场，伴随着经济的发展、人民生活水平的 提高，对汽车的需求量也逐渐增多，人们环境意识也逐渐提高，更倾向于选购低消耗、 低排放量的汽车，再加上国家对相关产业的扶持，我国的天然气汽车行业的发展，不管 是在技术上，还是产业结构上，都会产生全新的改变。 随着汽车用天然气需求量不断增加，这就需要在城市里面建设天然气加气站。 CNG 供气系统主要由气源管线、压缩天然气加气母站、压缩天然气运输工具、压缩天 然气加气子站组成。 本工程的主要内容是 CNG 加气站站址选择、规模确定、工艺流程设计、站场平面 布置、设备选型计算以及公用工程和校方的设计等。 关键词：压缩天然气；天然气汽车；加气站；站址 Process Design of Compressed Natural Gas Filling Stations in YangQuanCity ABSTRACT Compressed natural gas (CNG) and liquefied natural gas (LNG) is currently recognized as an ideal alternative fuel. This is due to its character: abundant and cheap, easy to store, but little environmental pollution after combustion. The next 2030 years will see the rapid growth of Chinas natural gas reserves in the period. Therefore, the research and application of compressed natural gas is to improve the air quality of a full use of regional resources in an effective way. Belong to the natural gas utilization and high clean energy. It can provide sufficient energy, to meet the demand; at the same time, natural gas will for the economic development of powered support, to ensure the stable development of low carbon economy. Finally, in the goal of development of low carbon economy, the widespread use of natural gas can reduce the pollution to the environment, reduce the harm to the nature, and to alleviate the energy crisis, to realize the economic sustainable development The history of the development of the car has been one hundred years, many countries set auto industry as a pillar industry, it really played a very important role to human life and social development, but also caused serious pollution to the environment for human survival. As the number become more and more serious. Role played by natural gas in the car industry is very obvious, with natural gas for fuel emission pollution than to oil and diesel fuel per vehicle per year to reduce carbon dioxide 21.1 tons, than the cost of gasoline vehicles reduce 25% 40%, than the diesel reduce 15% 30%. And natural gas as the raw material of the car will not exhaust benzene, lead, sulfur and other toxic gases in the air. At the same time, the cost of natural gas is relatively low, and it can save the running cost of the car to some extent. CNG vehicle industry in China has broad market for the development, along with the development of economy, peoples living standards improve, the demand for cars is gradually increasing, peoples environmental consciousness also increase gradually, were more likely to purchase low consumption, low emission cars, coupled with the state support of related industries, the development of Chinas natural gas vehicle industry, whether in technical or industrial structure, will produce new change. This project primary coverages are the CNG gas filling station site choice, the scale determination, the technical process design, the station yard plane arrangement, equipment shaping computation as well as public project and fire design and so on. Key Words: compression natural gas; fuel gas automobile; gas filling station; station sit 1 前 言 随着国民经济持续高速发展，城市汽车拥有量也随之大幅度提高，城市汽车尾气的 排放量也在不断增加，汽车尾气带给城市大气的污染也越来越严重。使用清洁燃料是减 少环境污染的良好对策之一。 天然气作为一项清洁能源，不仅可以提高燃烧效率，减轻城市污染，促进节能减排； 还能提高人民的生活水平，提高工业产品的生产质量，产生较大的社会效益、环境效益 和经济效益，无疑应该得到重点发展。为了促进宁海市经济的“又好又快”发展，加强 清洁生产、清洁能源的推行和利用便成为我市发展和建设的一项重要工作。 通过世界科学家不懈的研究和实践，发现能取代石油成为世界主要能源消费的是天 然气。天然气作为一种优质、清洁的内燃机燃料，它与柴油相比价格低、甲烷值高、燃 烧性能好、发热量大、不结焦、烟尘少，燃烧后 NOx 排放量低、CO、碳氢化合物等大都 在规定排放量以下。 据近 20 年统计数据表明，世界天然气的消耗大致以每年 2%3%的速度递增，在当 今世界能源消费结构中达到 24%，是继煤和石油之后的第三大能源。随着国家不断推广 燃气汽车，城市 CNG 加气站的数量不断攀升。所谓的 CNG 加气站就是经压缩机将天然气 加压至 25.0MPa，通过优先/顺序控制盘为储气井组充装天然气，或直接输送至加气机 或者加气柱为 CNG 燃料汽车加气；或是将压缩好的 CNG 用拖车拉进站后，经卸气柱进入 天然气增压机，经增压机等压缩后的高压天然气经加气机直接向汽车加气。CNG 加气站 做为 CNG 汽车的配套设施，如建设速度过慢将会影响当地 CNG 汽车产业的发展。 实施车用压缩天然气（CNG）工程是改善居民居住环境，减轻大气环境污染及其 必要的措施之一。因此，推广发展天然气汽车可有效地改善城区大气质量，同样也为经 济的发展和人民生活质量的提高创造有力的条件。 2 绪 论 2.1 天然气利用方针 天然气利用政策已经由国家发展和改革委员会主任办公会议审议通过，自 2012 年 12 月 1 日施行。天然气利用政策是为了鼓励、引导和规范天然气下游利用领域。 在我国境内所有从事天然气利用的活动均应遵循本政策。该政策主要包括基本原则和政 策目标、天然气利用领域和顺序、保障措施、政策适用有关规定及其它内容。本政策统 筹兼顾，整体考虑全国天然气利用的方向和领域，优化配置国内外资源；坚持区别对待， 明确天然气利用顺序，保民生、保重点、保发展，并考虑不同地区的差异化政策；坚持 量入为出。根据资源落实情况，有序发展天然气市场，合理利用天然气，优化能源消费 结构，改善大气环境，提高人民生活质量，对实观节能减排目标、建设环境友好型社会， 具有重要意义。 2.2 设计依据 （1）山东建筑大学毕业设计关于宁海市压缩天然气加气站工艺设计说明书； （2）山东建筑大学毕业设计关于宁海市压缩天然气加气站工艺设计任务书； （3）其他相关依据。 2.3 设计原则 （1）以宁海市城市规划资料为依据，充分考虑宁海市天然气的需求特点和发展趋 势，统一布置，协调发展。 （2）严格执行国家及行业颁发制定的有关标准、规范和规定，确保加气站的长期、 稳定、安全运行。 （3）采用国内外先进的工艺、成熟的技术、新设备和新材料，力求经济合理、安 全可靠。 （4）坚持安全、卫生、消防、环保和节能设计的理念。 2.4 设计遵循的主要标准及规范 （1） 城镇燃气设计规范GB50156-2012 （2） 汽车加油加气站设计与施工规范GB50156-2002（2006 版） （3） 建筑设计防火规范GB50016-2006 （4） 压力容器安全技术监察规程质技监局锅发1999154 号 （5） 建筑灭火器配置设计规范GB50140-2005 （6） 火灾自动报警系统设计规范GB50116-98 （7） 爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范GB50058-92 （8） 工业企业噪声控制设计规范GBJ87-85 （9） 建筑物防雷设计规范GB50057-94 （10） 供配电系统设计规范GB50052-95 （11） 工业企业照明设计规范GB50034-92 （12） 低压配电设计规范GB50054-95 （13） 通用用电设备配电设计规范GB50055-93 （14） 电力工程电缆设计规范GB50217-94 （15） 10KV 及以下变电所设计规范GB50053-94 （16） 化工企业静电接地设计规范HGT-20675 （17） 建筑地基基础设计规范GB5007-2002 （18） 混凝土结构设计规范GB50010-2002 （19） 建筑结构荷载规范GB50009-2001 （20） 砌体结构设计规范GB50003-2001 （21） 建筑抗震设计规范GB5001-2001 （22） 建筑给水排水设计规范GB50015-2003 （23） 室外给水设计规范GB50013-2006 （24） 室外排水设计规范GB50014-2006 （25） 建设项目环境保护设计规范GB50483-2009 （26） 燃气工程制图标准CJJ/T130-2009 （27） 建筑物抗震设计规范GB50011-2001（2008 版） （28） 建筑照明设计标准GB50034-2004 （29） 石油化工企业可燃气体和有毒气体检测报警设计规范SH3063-1999 （30） 公共建筑节能设计标准 GB50189-2005 2.5 CNG 工程建设的意义 CNG 工程建设的意义，解决了宁海市 CNG 供需矛盾的现状，间接的提高了宁海市 居民的生活水平。有利于改善生态环境，减少城市大气污染，有利于促进 CNG 汽车工 业的发展，有利于加速“油改气”车的改装步伐，有利于提高城市服务功能 因此，项目的建设是完全必要的。 天然气作为汽车燃料的特点 （1）环境负效应小。改善环境，限制移动污染。 （2）安全性能好。天然气的特点密度最小，极易散逸；自燃点高，达 700 摄氏度， 是所有燃料中最高的；其爆炸极限也很高，在自然条件下，不易形成爆炸混合物。 （3）对发动机的工作有力。虽然天然气的热值低于汽油，发动机公升功率会有所 降低，但由于燃气不会产生爆燃和燃点高，因此发动机压缩机可提高，由此提高了燃气 效率。 （4）资源丰富。地球上蕴藏着极其丰富的天然气资源。 此外，人们发现海底蕴藏着大量甲烷水合物，如果其开发技术能够解决，能够使车 用燃气得到更充足的供应。 总之，在人类未能解决以廉价的方法大规模获得氢气或可高效利用太阳能之前，以 甲烷为主的可燃气体，应该是最清洁的燃料。CNG 汽车技术的推广应用具有十分显著 的综合效益。 3 项目建设概况 3.1 城市概况 安康，位于陕西省东南部，北依秦岭，南靠巴山，汉水横贯东西，河谷盆地居中， 幅员在北纬 31423349、东经 1080111001之间。下辖汉滨区、旬阳 县、白河县、石泉县、平利县、 紫阳县、岚皋县、宁陕县、镇坪县、汉阴县 1 区 9 县。 安康市面积 23391 平方千米，耕地 28.9 万公顷，2012 年安康市总人口 310 万。该 地区为中国北亚热带动植物典型代表区，有羚牛、朱鹮、大熊猫、云豹、大鲵等珍稀动 物。是陕西省及西北地区最主要的茶叶、蚕茧、油桐、生漆主产区。因境内土壤含硒元 素丰富，又被誉为“中国硒谷” 。 安康是中国十大宜居小城、中国十大节庆城市、全国发展改革试点城市、国家主体 功能区建设试点示范市。安康是南水北调中线工程的核心水源区，承担着“一江清水供 北京”的使命和责任。 3.2 自然条件 (1) 气温 历年极端最低气温：-19.1 历年极端最高气温：40.2 室外计算气温：-8 (2) 年主导风向及频率 全年主导风向为东风和东北风， 夏季东风最盛，历年最大风速 18m/s 78 月，常有强台风影响 (3)最大冻土深度 7cm 3.3 设计基本参数 3.3.1 天然气基本参数计算 宁海市压缩天然气加气母站的气源是来自从城市门站。从门站出来的高压管网中取 气，再通过 CNG 槽车运输到其他各个压缩天然气加气子站，供应给全市的 CNG 汽车。 天然气进门站的压力为 2.0Mpa。 高压管网中的天然气组成成分如下（表 3.1）： 表 3.1 天然气组成成分 燃气成分CH4C2H6C3H8C4H10COCO2N2 百分比92.4%3.8%1.6%1.5%0.0%0.7%0.0% 3.3.2 CNG 汽车发展状况 城市汽车拥有量： （1）家庭车（小型车）：80 辆/1000 人，共 40000 辆 （2）出租车（小型车）： 2.4 辆/1000 人，共 1200 辆 （3）公交车： 1.8 辆/1000 人，共 900 辆 汽车使用天然气燃料普及率（用气车辆占总汽车拥有量的百分数） （1）家庭车（小型车）： 40 % （2）出租车（小型车）： 100 % （3）公交车：45 % 3.4 城市燃气基本性质 宁海市燃气成分（天然气）：CH4:92.4; C2H6:3.8；C3H8:1.6 ;C4H10:1.5 ; CO: 0.0；CO2:0.7; ；N2: 0.0。 燃气成分及基本性质详见（表 3.2）： 表 3.2 燃气成分及基本性质 燃气成分CH4C2H6C3H8C4H10COCO2N2 百分比（%）92.43.81.61.50.00.70.0 分子量 M16.04330.0744.09758.12428.010444.009828.0134 摩尔容积 VM（Nm3/kmol） 22.36222.18721.93621.50322.398422.26022.403 密度（ kg/Nm3）0.71741.35532.01022.7031.25061.97711.254 高发热值 Hs(MJ/Nm3) 39.84270.351101.266133.886 低发热值 Ht(MJ/Nm3) 35.90264.39793.24123.649 爆炸极限下限 Ls(体积%) 52.92.11.5 爆炸极限上限 Lt(体积%) 15139.58.5 动力粘度10.3938.67.5026.83516.57314.02316.671 106（Pas） 运动粘度 106（Pas） 14.56.413.812.5313.307.0913.3 基本性质主要有平均分子量、密度、相对密度、粘度、热值、爆炸极限和水露点等。 （一）平均分子量 平均分子量可由下式算得： (3.1) 式中 M混合气体平均分子量； y i各单一气体容积成分（%） ； M i 各单一气体分子量。 由式子(3.1) M= 0.0192.416.04303830.0701.644.09701.558.12400.744.0098 =17.8519kg/kmol （二）平均密度和相对密度 混合气体的平均密度由下式算得： (3.2) 式中 混合气体平均密度； y i各单一气体容积成分（%） ； i各单一气体密度（kg/Nm3） 。 由式(3.2)得 = 0.01（92.40.7174+3.81.3553+1.62.0102+1.52.7039+0.71.9771) =0.8009kg/Nm3 相对密度由下式算得： S = (3.3) 1.293 式中 S混合气体相对密度； 1.293标准状态下空气的密度。 则由式 (3.3)得 ii y 100 1 ii y 100 1 S =0.6194kg/Nm3 1.293 （三）动力粘度和运动粘度 混合气体的动力粘度 (3.4) 式中： -混合气体在 0时的动力粘度（Pa S） ； gi-各组分的质量成分； -相应各个组分在 0时的动力粘度； 6 10 30.14 73 . 1 97 . 6 88 . 4 65 . 7 95 . 3 77 . 8 40 . 6 60.10 04.83 100 =10.10 6 10 混合气体的运动粘度为： (3.5) 式中：(m2/s) -相应的动力粘度； -混合气体的密度。 6 1061.12 8009 . 0 10.10 （四）混合气体的爆炸极限 当混合气体中含有惰性气体时，可将某一惰性气体成分与某一可燃气体组合起来 是为混合气体中的一种成分，其容积成分为二者之和。 天然气的爆炸极限由下式算得 L= (3.6) i 100 y i ii y LL 式中 未与惰性气体组合的可燃气体成分在混合气体中的容积成分(%) i y Li未与惰性气体组合可燃气体成分的爆炸极限（体积%） 某可燃成分与某一惰性气体混合气体在混合组分中的容积成分(%) i y 某可燃成分与某一惰性气体混合气体在混合组分中的爆炸极限（体积%） i L 此外还可用下式估算含惰性气体的燃气的爆炸极限： (3.7) )1/(100 100)1/(1 BBL BB LL C C 式中 不含惰性气体气体的爆炸极限，% c L B惰性气体容积分数 第 1 步，调整可燃组分含量，计算不含惰性气体的燃气爆炸极限。可燃组分的总含量为 100%0.5%=99.5%，调整后各可燃组分含量为： %52 . 1 3 . 99 5 . 1 %61 . 1 3 . 99 6 . 1 %82 . 3 3 . 99 8 . 3 %05.93 3 . 99 4 . 92 84 83 62 4 HC HC HC CH r r r r 不含惰性气体的燃气爆炸极限： %61.14 5 . 8 52 . 1 5 . 9 61 . 1 13 82 . 3 15 05.93 100 %61 . 4 5 . 1 52 . 1 1 . 2 61 . 1 9 . 2 82 . 3 5 05.93 100 H L L L 第 2 步，计算含有惰性气体时的燃气爆炸极限，用式（3.7）： %64 . 4 ) 007 . 0 1 007 . 0 (77 . 4 100 100) 007 . 0 1 007 . 0 1 ( 77 . 4 , Li L %70.14 ) 007 . 0 1 007 . 0 (79.14100 100) 007 . 0 1 007 . 0 1 ( 79.14 , Hi L （五）混合气体的热值 高发热值可由下式算得： HS= (3.7) 100 i siH y 由式(3.7)得 HS=0.0192.439.8423.870.3511.6101.2661.5133.886 =43.12MJ/Nm3 低发热值可由下式计算得： Ht= (3.8) ii y 100 tH 由式(3.8)得低发热值 Ht =0.0192.435.9023.864.39793.2401.61.5123.649 =38.97 MJ/Nm3 （六）天然气含水量计算 天然气中含水量按下式计算： (3.9) )328 . 1( 6017 . 1 t ABW (3.10) 1 4 1 ) 600 350145. 0 ( i i i P aA (3.11) 式中 天然气中含水量，mg/m3；W 系统温度，；t 与压力有关的系数；BA, 系统压力，KPa；P 系数； ii ba , 详见（表 3.3）： 表 3.3 计算系数 温度范围（）温度范围（） 系数 37.78t37.3882.22t 系数 37.78t37.3882.22t 1 a4.3432210.38157 1 b1.037761.02674 1 4 1 ) 600 350145 . 0 ( i i i P bB 2 a1.35912-3.41588 2 b-0.02865-0.01235 3 a-6.82391-7.93877 3 b0.041980.02313 4 a3.954075.8495 4 b-0.01945-0.01155 燃气参数汇总如下（表 3.4）： 表 3.4 燃气参数汇总 名 称CH4C2H6C3H8C4H10COCO2N2合计 V%9243.81.61.50.00.70.0100 低热值 38.97 MJ/Nm3 热 值 高热值 43.123 MJ/Nm3 平均密度0.8009 kg/Nm3 相对密度0.6194 kg/Nm3 华白数 49.52 MJ/Nm3 S H W L 动力粘度9.9010-6 SPa 运动粘度12.3610-6 SPa 水露点-55 上限14.72%爆炸极限 V%下限4.68% 3.5 CNG 汽车用气量计算 安康市人口密度为 230 人/公顷，城市建成区面积为 2174 公顷。则城市人口为 50 万人。宁海市目前 CNG 汽车为家庭车、出租车和公交车。 用气量计算汇总详见（表 3.5）： 表 3.5 汽车用气量计算 百公里耗气量日平均行程汽车拥有量CNG 汽车普及率年用气量名 称Nm3Km辆%N