LNG加气站设计规范

摘要：通过对GB50028—2006《城镇燃气设计规范》与GB50156—2002《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)以及LNG与LPG主要特性这两方面的比较，确定进行LNG加气站设计时所依据的规范。分析并确定了LNG加气站的储存规模和等级划分探讨了LNG加气站的总图、工艺、公用工程及消防设计。关键词：LNG加气站；规范选用；储存规模；等级划分；设计CodeSelectionandDesignofLNGFillingStationZH0UChunAbstract：ThroughthecomparisonofCodeforDesignofCityGasEngineering(GB50028—2006)andCodeforDesignandConstructionofAutomobileGasolineandGasFillingStation，(2006)(GB50156—2002)aswellasthekeyfeaturesbetweenLNGandLPG，thecodeusedindesignofLNGfillingstationisdetermined.ThestoragesizeandgradelevelofLNGfillingstationareanalyzedanddetermined.Thedesignofgeneralplan，process，publicprojectsandfirecontrolofLNGfillingstationisdiscussed.Keywords：LNGfillingstation；codeselection；storagesize；gradelevel；designLNG汽车和LNG加气站在国外特别是美国，已经得到了长足发展，而在我国的发展时间尚未超过20年，还处于发展初期。因此，我国尚未颁布专门适用于LNG加气站的设计规范。在进行LNG加气站设计时，国外设计人员主要遵守NFPA57—97《汽车用液化天然气(LNG)供气系统标准》，国内已建成并正在示范运行的LNG加气站遵循的设计标准也是NFPA57—97。但由于各种原因，特别是国内外行业发展水平、设备制造水平、管理水平的差异，我国行业主管部门及消防部门对国外规范的认可程度不高。根据以往的成功经验，采用大家更为熟悉的国内相近的设计规范，更容易得到主管部门的认可。比如LNG气化站发展初期，GB50028—93《城镇燃气设计规范》中尚未有关于LNG气化站的要求，设计时均参照了该规范中LPG气化站的要求。因此，笔者认为在进行LNG加气站没计时，首选国内已颁布实施的与国外规范相近的设计规范。1LNG加气站设计规范的选用一般认为，LNG加气站的设计可参照GB50028—2006《城镇燃气设计规范》中LNG气化站的相关要求和GB50156—2002《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006年版)中LPG加气站的相关要求[1]。前者的理论依据是LNG加气站与LNG气化站的物料均为LNG，仅两者的厂站形式及建站地点不同。后者的理论依据是LNG具有比LPG更安全的特性参数，且LNG加气站与LPG加气站同为加气站，建设地点都位于城市建成区内。①规范的比较GB50028—2006主要适用于LNG总储存容积不大于2000m3的城镇LNG供应站的工程设计。该规范对LNG气化站的储罐及天然气放散总管与站内外建、构筑物的防火间距、消防系统均作了明确规定。GB50156—2002(2006年版)主要适用于汽车加油站、LPG加气站、CNG加气站和汽车加油加气合建站工程的设计和施工。该规范对LPG加气站的规模，LPG储罐、卸车点、加气机、放散管管口与站外建、构筑物的防火间距，LPG加气站内设施之间的防火间距及消防系统均作了明确规定。GB50028—2006主要适用于LNG气化站，而LNG气化站通常建于城市建成区之外。因此，该规范中LNG储罐及放散总管与站外建、构筑物的防火间距比GB50156—2002(2006年版)中LPG储罐及放散管与站外建、构筑物的防火间距大。GB50028—2006对卸车点、加气机等与站外建、构筑物的防火间距以及加气站内设施(储罐与加气机、站房、放散管等)之间的防火间距均没有涉及，而GB50156—2002(2006年版)对此有比较洋细的规定。GB50028—2006与GB50156—2002(2006年版)的相同点：a.对储罐的消防设施要求一致，均要求储罐的单罐容积大于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的规定基本相同。c.对公用工程的设计基本一致，但在工艺设计方面，由于LNG加气站与LNG气化站的物料均为LNG，所以GB50028—2006中关于LNG气化站的部分更具有针对性。②LNG与LPG的特性比较LNG是以甲烷为主要组分的烃类混合物，LNG与LPG的主要特性对比见表1。由表1可知：a.LNG比LPG更难点燃，且燃烧速度比LPG小。b.LNG的燃点、爆炸极限均比LPG高，且爆炸极限的范围更宽。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。因此，LNG在运输、储存和使用中的火灾危险性及危害程度低于LPG，比LPG更安全[2]。从燃烧放出的热量来看，相同体积的LNG和LPG气化并燃烧后，LNG放出的热量比LPG少，对周围的热辐射也小。因此，在防火间距和消防设施方面，对LNG加气站的要求可以比对LPG加气站的要求低。考虑到LNG加气站在我国尚处于初期发展阶段，采用与LPG加气站基本相同的防火间距和消防设施是适宜的。表1LNG与LPG主要特性对比项目LPGLNG燃点/℃493650点火能/mJ0.3050.330燃烧速度/(m·s-1)0.420.38爆炸极限/%2.15～9.605.00～15.00气体密度大于空气密度，少量泄漏后易积聚-112℃以上时小于空气密度，少量泄漏后即挥发③设计规范的确定LNG加气站与LPG加气站的站内设施相似，均包含加气机、泵、储罐、站房等。因此，从厂站的形式、建设地点、对站外环境的防火要求及站内、外设施来看，LNG加气站的设计若LNG泵与LNG加气机的距离过长，无车辆加气时，管道内剩余的饱和LNG较多，容易气化，会影响加气并排放大量的气体，造成浪费。d.LNG加气站的工艺设施与站外建、构筑物之间的防火距离按GB50028—2006中LNG气化站相关的防火间距执行。工艺设施与站内建、构筑物之间的防火距离按GB50156—2002(2006年版)中LPG加气站相关的防火间距执行。LNG加气站的总图布置见图1。4LNG加气站的工艺设计4.1工艺流程①卸车流程将LNG由槽车转移至LNG储罐中，主要有卸车增压器卸车、LNG泵卸车及两者联合卸车等3种方式[4]。卸车增压器卸车的优点是完全采用环境热量，不耗费电能，工艺流程相对简单；缺点是卸车速度比较慢，冬季室外温度较低时尤为明显。LNG泵卸车的优点是卸车时间较短，工艺流程相对简单；缺点是耗费大量电能，启动前需要对泵进行预冷。卸车增压器和LNG泵联合卸车的优点是卸车时间比单独采用卸车增压器卸车时间短，耗费的电能比单独采用LNG泵卸车少；缺点与单独采用LNG泵相同。笔者建议LNG加气站应具有卸车增压器、LNG泵单独卸车和同时卸车的功能。夏季宜采用卸车增压器卸车，冬季宜采用卸车增压器和LNG泵联合卸车。②调饱和流程我国LNG汽车的车辆供气系统未设置气瓶增压器，为了保证供气压力的稳定性，使之能满足发动机的用气压力要求，车载瓶中的LNG必须为饱和液体。因此，加气前需要使储罐中的LNG升温、升压，处于饱和状态。调饱和有3种方式：调饱和器调饱和、LNG泵调饱和、调饱和器与LNG泵联合调饱和[4]。这3种方式的优缺点与LNG卸车采用的3种方式的优缺点基本相同。笔者建议LNG加气站应采取调饱和器和LNG泵联合调饱和的方式，可以大大缩短LNG的调饱和时间，避免加气车辆的长时间等待。③加气流程LNG的加气流程是指LNG泵将储罐中的LNG抽出，输送至LNG加气机，通过LNG加气机给汽车加气。④卸压流程当储罐压力大于设定值时，打开安全阀，释放储罐中的气体，降低压力，以保证储罐安全，放散的气体通过集中放散管放空。4.2主要设备①LNG储罐LNG加气站采用的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。内外罐之间采用真空粉末绝热，真空隔热层厚度为250mm。储罐的日蒸发率小于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的自力式降压调节阀以及安全阀等，以保证储罐的安全。在储罐进、出口的LNG管道上设有紧急切断阀，当有紧急情况发生时，可迅速关闭阀门，以保证系统安全。目前，20m3真空粉末绝热低温储罐主要为立式和卧式2种形式。立式储罐的优点是占地面积小，罐内液体与LNG泵的静压头大，有利于LNG的调饱和及汽车加注；缺点是立式储罐比较高，美观性差。卧式储罐的优点是比较低，美观性好，容易被周围人群接受；缺点是占地面积大，罐内液体与LNG泵的静压头小。目前国内示范运行的加气站均采用立式储罐，有成功的经验。考虑到有利于汽车加注和LNG的调饱和，笔者推荐采用立式储罐。②LNG泵输送LNG这类低温的易燃介质，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的安全性能要求很高。随着对泵结构、材料等方面的研究有了很大的进展，一种安装在密封容器内的潜液式电动泵在LNG系统中得到了广泛的应用。其主要特点是将泵与电动机整体安装在一个密封的金属容器内，不需要轴封，也不存在轴封的泄漏问题[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)和大型储罐的罐内泵。LNG加气站中，LNG的转运和加注采用的是汽车燃料泵，其结构紧凑，立式安装，特别适用于汽车燃料加注和低温槽车转运LNG。LNG泵采用安全的潜液电动机，电动机和泵都浸没在流体中，不需要轴封。在吸入口增加了导流器，减少流体在吸入口的阻力，防止泵气蚀。LNG加气站采用的LNG泵通常为两级离心泵，由一台变频器控制，能适应不同的流量范围，电气元件安装在具有防爆功能的接线盒及其罩壳内，流量为8～340L/min，扬程为15～250m。主要厂家包括美国的ACD公司、日本的Nikkiso公司、瑞士的Cryomec公司等。③LNG加气机LNG加气机是依据直接测量流体介质质量的原理，利用先进的传感和微电脑测控技术，具有高精度、多功能的新型LNG加液计量装置，主要用于计量充入LNG车载瓶的液量。同时，加气机应用微测控技术对计量过程进行自动控制，显示屏直接显示被测液体的流量、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]。目前，LNG加气机多采用进口，其计量方式为单管计量，单枪加气，计量精度为±0.1%，最大质量流量为80.0kg/min，具有温度补偿功能，配带拉断阀。④调饱和器和卸车增压器LNG加气站采用的调饱和器和卸车增压器均为空温式换热器，LNG通过吸收环境热量达到气化升温的目的，能耗很低。为了提高气化速率和换热效率，调饱和器和卸车增压器的主体通常采用耐低温的铝合金纵向翅片管，且拥有很大的换热面积。其影响因素主要为流量、工作压力、工作周期、大气温度、相对湿度、风力、日照等[7]。笔者建议调饱和器的流量为200m3/h，立式安装；卸车增压器的流量为300m3/h，卧式安装。5LNG加气站的公用工程设计LNG加气站的公用工程设计主要包括土建设计、电气设计、自控设计和给排水设计，应按照GB50156—2002(2006年版)第9～11章及GB50028—2006第9.4、9.5、9.6条的规定进行设计。土建设计主要包括站房、设备基础、加气岛、加气罩棚柱、围堰、场地等内容的设计；基本要求有站房耐火等级不小于二级，门、窗向外开等。电气设计主要包括设备的动力用电、站房及站区的照明用电、站区的防雷防静电设计等；基本要求有加气站的供电负荷为三级，但有条件的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。自控设计主要包括设备的控制及状态显示、加气机的收费系统、可燃气体检测报警系统及低温检测报警装置；基本要求有储罐进出液管应设置紧急切断阀，并与液位控制连锁，在可能发生LNG泄漏的区域，设置可燃气体和低温泄漏报警装置等。给排水设计主要包括站区的雨水、站房的给水、排水没计；基本要求有围堰内的排水利用管道排出站外时应设置水封井，防止LNG流入下水道等。6LNG加气站的消防设计①消防水系统笔者确定的LNG加气站储罐的总容积为20m3或40m3，单罐容积为20m3。根据GB50156—2002(2006年版)第9.0.1、9.0.5条的规定，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。根据GB50016—2006第8.6.1条规定，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，要求水流量不小于20L/s，压力不小于0.25MPa。②灭火器材LNG加气站应根据GB50156—2002(2006年版)的要求设置灭火器材，加气区每台加气机设置1只4kg手提式干粉灭火器；储存