CNG加气站设计计算书

CNG加气站设计计算书（含天然气压缩机组选型）工程名称：××市压缩天然气（CNG）常规加气站工程文件名称：CNG加气站工艺设计计算书文件编号：CNG-SJ-2026-001设计阶段：施工图设计文件类型：工艺专业计算书设计规模：2.0×10⁴Nm³/d编制：×××校核：×××审核：×××批准：×××设计单位：××燃气工程设计研究院有限公司设计日期：2026年9月

目次TOC\o"1-2"\h\z\u1设计依据与基础参数 设计依据与基础参数1.1设计依据本计算书依据下列现行国家标准、行业标准及项目设计委托书编制。当下列标准修订时，应按修订后的最新版本执行。序号标准/文件名称标准编号施行年份1汽车加油加气加氢站技术标准GB50156—202120212车用压缩天然气GB18047—201720183天然气GB17820现行4城镇燃气设计规范（2020年版）GB50028—200620205压缩天然气供应站设计规范GB51102—201620166建筑设计防火规范（2018年版）GB50016—201420187压缩天然气站场设计规范GB/T51262现行8CNG母站及子站加气用增压压缩机T/ZZB0806—201820181.2设计基础参数本站为CNG常规加气站，由城镇中压燃气管网直接进气，经计量、调压、脱水、压缩至25MPa后存入站内储气设施，并经加气机为CNG汽车气瓶加气。主要设计参数见表1.2-1。表1.2-1主要设计基础参数表序号参数名称符号取值单位备注1设计日加气量Q_d2.0×10⁴Nm³/d设计规模2进站（压缩机吸气）表压p_g,s0.4MPa(G)中压来气3进站绝对压力p_s0.5013MPa(a)含大气压4压缩机排气表压p_g,d25.0MPa(G)额定上限5排气绝对压力p_d25.1013MPa(a)含大气压6车装气瓶额定工作压力p_车20.0MPa(G)GB180477日有效加气时间t16h运营班制8小时高峰系数K_h1.4—公交/出租车加气高峰9天然气绝热指数k1.31—甲烷为主10标准状态压力p₀0.101325MPa101.325kPa11标准状态温度T₀293.15K20℃12吸入温度T_s293.15K冷却后13天然气压缩因子（近似）z1.0—低压段近似14压缩机指示效率η_i0.85—往复式15机械效率η_m0.92——16电机效率η_e0.95——17电机容量裕量系数K1.10——2工艺流程概述本站工艺流程为：城镇中压来气→进站切断阀→过滤分离器→计量与调压→脱水装置（前置低压脱水）→天然气压缩机（四级往复式）→高压油分→高压脱水（后置）→储气井组（高/中/低压）→顺序控制盘→加气机→CNG汽车。工艺设计遵循“先净化、后压缩、分级冷却、分级分离、高压储存、顺序加气”的原则，保证进站天然气满足GB18047—2017对水露点、烃露点及硫化物含量的要求。压缩机出口设置级间冷却器与气液分离器，各级冷却后温度不高于40℃。3加气量与高峰小时流量计算3.1日平均小时加气量按设计日加气量与日有效加气时间计算平均小时加气量：Qa=Qd式中：Q_a——平均小时加气量，Nm³/h；Q_d——设计日加气量，Nm³/d；t——日有效加气时间，h。代入数据：Q_a=20000/16=1250Nm³/h。3.2高峰小时加气量考虑公交、出租车早晚加气高峰，引入高峰系数K_h，高峰小时加气量按下式计算：Qh=Qd代入数据：Q_h=20000×1.4/16=1750Nm³/h≈29.2Nm³/min。4压缩机组选型计算4.1总压缩比与压缩级数压缩机进气为表压0.4MPa，排气为表压25MPa。压缩比必须采用绝对压力计算，严禁直接使用表压。总压缩比按下式计算：εtotal=pd代入绝对压力：ε_total=25.1013/0.5013=50.07。参考T/ZZB0806—2018及往复式压缩机工程实践，单级压缩比宜控制在2.5～4.0。取压缩级数n=4，则单级压缩比为：ε=εtotal1代入：ε=50.07^(1/4)=2.66，处于2.5～4.0合理区间，故采用四级压缩。4.2各级压力分配（等压比原则）按等压比原则分配各级吸气/排气压力，各级冷却至20℃，计算结果见表4.2-1。表4.2-1压缩机各级压力分配表（绝对压力）级次吸气压力/MPa(a)排气压力/MPa(a)表压/MPa(G)级间温度/℃一级0.50131.3331.23≤40二级1.3333.5463.45≤40三级3.5469.4329.33≤40四级9.43225.10124.99≤40由表可见，末级排气压力25.10MPa(a)，满足GB50156—2021对CNG加气站储气设施设计压力不低于25MPa的要求，并与车载20MPa钢瓶留有充装裕量。4.3吸入状态实际体积流量压缩机铭牌排气量通常以标准状态（Nm³/min）标注。换算到一级吸入状态（0.5013MPa、20℃）的实际体积流量按下式计算：Qs=QN初选压缩机标准状态排气量Q_N=2500Nm³/h（≈41.7Nm³/min）。代入：Q_s=2500×(0.101325/0.5013)×(293.15/293.15)×1.0=505.3m³/h=0.1404m³/s。4.4多级压缩功率计算单级理论绝热压缩功率为：Nad,j=kk-1其中(k−1)/k=0.31/1.31=0.2366，ε^0.2366=2.66^0.2366=1.260。每级理论绝热功率：N_ad,j=(1.31/0.31)×0.5013×10⁶×0.1404×(1.260−1)=4.226×70382×0.260=77.4kW。四级总理论绝热功率（各级吸气量相同）：Nad=ΣNad,j考虑指示效率η_i=0.85，轴功率为：Nsh=Nad考虑机械效率与电机效率，并计入1.10容量裕量，配套电机功率为：Nm=K·Nsh据此选配Y2系列异步电动机，额定功率450kW，电压380V，转速1485r/min。实际工程中应按制造厂性能曲线在最大工况点（最低吸气压力0.3MPa、最高排气温度45℃）下进行校核。4.5机组台数与备用本站日平均小时流量1250Nm³/h，高峰小时1750Nm³/h。所选单台压缩机标准排气量2500Nm³/h，单台即可满足平均小时加气量并为储气设施补气；高峰时段由储气设施调峰。配置方案见表4.5-1。表4.5-1压缩机组配置方案项目数值单位说明单台标准排气量2500Nm³/h≈41.7Nm³/min吸气压力范围0.3～0.6MPa(G)管网压力波动排气压力25.0MPa(G)额定压缩级数4级等压比2.66配套电机功率450kW380V运行台数1台一用备用台数1台一备总装机容量900kW2×450kW“一用一备”配置可保证单台机组检修时仍不间断供气；当公交加气高峰叠加时，可短时双机并联运行，总排气量5000Nm³/h，远大于高峰需求，具备2.86倍富余能力。5储气设施容积计算5.1储气井几何容积本站采用地下储气井作为固定储气设施，按高、中、低压三组分级储气。单井几何容积按下式计算：Vc=π4式中：D——储气井套管内径，m；H——储气井有效井深，m。5.2有效储气量高压储气容器的有效储气量（标准状态）按理想气体等温过程计算：Ve=Vc依据GB50156—2021第3.0.11条，CNG常规站储气设施总水容积不应大于30m³。本站设计高/中/低压组各1口储气井，单井水容积6m³，总水容积18m³，满足规范限值。各组运行压力区间及有效储气量计算结果见表5.2-1。表5.2-1储气井组有效储气量计算表组次水容积/m³最高压力/MPa(a)最低压力/MPa(a)压差/MPa有效储气量/Nm³高压组6.025.1020.105.00296.1中压组6.020.1015.105.00296.1低压组6.015.102.1013.00769.9合计18.0———1362.1一次完整循环有效供气量约1362Nm³，可在压缩机停机或检修时满足约47min的高峰加气需求；正常运营时由压缩机与储气井联合供气，高峰供气能力为2500+(1362/1h)≈3862Nm³/h，为高峰需求1750Nm³/h的2.21倍，调峰能力充足。6加气机选型高峰小时加气量1750Nm³/h≈29.2Nm³/min。单台双枪加气机额定加气能力为2×1.0～2.0Nm³/min（单枪），考虑车辆加气同时使用系数0.7，需同时开启枪数为：n=29.2/(2.0×0.7)≈21枪，取8枪（4台双枪加气机），单枪按2.0Nm³/min计，额定能力16Nm³/min，与高峰需求29.2Nm³/min配合储气井短时释放可满足。加气机出口设优先顺序控制系统，先由低压组、再中压组、最后高压组充装，以提高储气井利用率。表6-1加气机配置表项目参数加气机型号双枪计量加气机单枪额定流量0～2.0Nm³/min工作压力20～25MPa配置台数4台（8枪）计量精度±1.0%（1.5级）7站场工艺管道管径计算按经济流速确定工艺管道内径。低压进气管道流速取v≤10m/s，高压排气及储气管道流速取v≤5m/s。管径按下式计算：d=4·Qπ·v7.1低压进气管设计流量2500Nm³/h，吸入压力0.5013MPa(a)，实际体积流量：Q_actual=2500×(0.101325/0.5013)=505m³/h=0.1404m³/s。d=√(4×0.1404/(π×10))=√0.01788=0.1337m，取公称直径DN150（φ159×6）。7.2高压排气管设计流量2500Nm³/h，排气压力25.10MPa(a)，实际体积流量：Q_actual=2500×(0.101325/25.10)=10.1m³/h=0.00281m³/s。d=√(4×0.00281/(π×5))=√0.000715=0.0267m，取公称直径DN25（φ25×3，不锈钢）。表7-1主要工艺管道管径及壁厚表管段设计压力/MPa设计流量/(Nm³·h⁻¹)公称直径规格材质进站总管0.62500DN150φ159×620#钢压缩机进口0.62500DN100φ108×620#钢压缩机出口27.52500DN25φ25×30Cr18Ni9储气井支管27.5—DN25φ25×30Cr18Ni9加气机支管27.5—DN20φ20×30Cr18Ni98安全间距与防火设计核验依据GB50156—2021第5章站内平面布置及第8章CNG工艺设施要求，本站主要工艺设施与站外、站内建（构）筑物的防火间距均按规范最严值控制，关键核验项见表8-1。表8-1主要安全间距核验表项目规范要求/m本设计/m结论储气设施与站外明火/散发火花地点≥2528满足储气设施与重要公共建筑物≥5055满足储气设施与民用建筑（一类）≥2528满足加气机与站外建（构）筑物按规范限值≥10满足压缩机组与站房≥45满足储气设施总水容积≤30m³18m³满足站区内建筑物耐火等级不低于二级二级满足此外，站内设置可燃气体检测报警系统、紧急切断系统、放散系统及灭火器材；压缩机间按爆炸危险区域2区设计，电气设备防爆等级不低于ExdⅡBT4。9主要工艺设备材料表表9-1主要设备材料表序号设备名称规格/技术参数单位数量1CNG往复式压缩机机组Q=2500Nm³/h，p=0.4→25MPa，四级，电机450kW套2（一用一备）2地下储气井单井6m³，25MPa，高/中/低压组口33双枪加气机0～2.0Nm³/min·枪，25MPa台44前置脱水装置处理量2500Nm³/h，深度脱水套15后置高压脱水装置25MPa，分子筛吸附套16过滤分离器进气量2500Nm³/h台27顺序控制盘高/中/低三优先级套18可燃气体报警系统检测点≥8处套19紧急切断阀（ESD）气动，25MPa套110结果分析与工程指导意义（1）压缩比与级数：总压缩比50.07采用四级等压比压缩，单级压比2.66，避免了单级压缩比过高导致排气温度超温（一般控制在150℃以内）和容积效率下降的问题。（2）设备选型：单台2500Nm³/h压缩机配450kW电机，与日均1250Nm³/h的负荷相比具有2.0倍富余，配合储气井调峰，高峰时段可保