CNG常规加气站设计计算书

CNG常规加气站设计计算书（含压缩与脱水系统工艺计算）工程编号：CNG-SJ-2026-001设计阶段：初步设计文件类型：工艺设计计算书站场类型：CNG常规加气站编制：_______________校核：_______________审核：_______________批准：_______________设计单位：_______________编制日期：2026年10月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1设计概述 设计概述1.1设计任务本计算书为某CNG常规加气站工艺设计计算文件，主要完成压缩系统与脱水系统的工艺设计计算，包括压缩机选型计算、压比与级数确定、排气量与功率核算、脱水装置选型、吸附剂用量与再生气量计算等内容，并对储气系统、加气机配置及安全设施进行核验。本站为城市燃气管道直供式CNG常规加气站，气源来自城市中压燃气管网，经调压、计量、过滤、脱水、压缩后储存于站内储气瓶组，再经加气机为天然气汽车加注。1.2设计依据本设计严格遵循国家现行标准规范，主要引用标准如下表所示。表1-1主要设计标准规范一览表序号标准编号标准名称实施日期1GB50156-2021汽车加油加气加氢站技术标准2021.10.012GB51102-2016压缩天然气供应站设计规范2017.05.013GB18047-2017车用压缩天然气2018.05.014GB17820-2018天然气2019.05.015GB50028-2006城镇燃气设计规范（2020年版）2020.03.016GB150.1～150.4-2011压力容器2012.03.017GB/T34019-2017超高压气体管道及管路附件2018.04.018GB50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范2014.10.012设计基础参数2.1设计规模根据站场服务区域车辆保有量预测及日均加气需求，确定本站设计规模如下：表2-1站场设计规模参数表序号参数名称符号数值单位备注1设计日加气量Qd20000m³/d标准状态：101.325kPa，20℃2高峰小时加气量Qh2500m³/h取日加气量的12.5%3日有效加气时间t16h每日运行16小时4单台车加气量Vcar40m³/车出租车/网约车平均5单台加气枪加气速率v1.2m³/min常规加气机6加气枪数量n4把双枪加气机2台2.2气质参数进站天然气来自城市中压管网，气质符合《天然气》GB17820-2018二类气要求，主要气质参数如下：表2-2进站天然气气质参数表序号参数名称符号数值单位1天然气相对密度d0.65—2进站压力（表压）P10.4～0.6MPa3进站温度T15～35℃4高位发热量Hs36.0MJ/m³5甲烷含量—≥95%（摩尔分数）6硫化氢含量H₂S≤6mg/m³7二氧化碳含量CO₂≤3.0%（摩尔分数）8进站水露点—≤-10℃（常压下）2.3设计环境参数表2-3站场设计环境参数表序号参数名称数值单位1年平均气温10.7℃2极端最高气温39.7℃3极端最低气温-25.4℃4多年平均大气压90.7kPa5设计地震烈度7度6全年主导风向西北风—3压缩系统工艺计算3.1压缩机选型原则根据GB50156-2021《汽车加油加气加氢站技术标准》第8.1.6条规定，压缩机排气压力不应大于25.0MPa（表压）。压缩机型式宜选用往复活塞式，进气压力宜根据进站管网压力合理确定。压缩机台数应根据加气站规模确定，宜设备用机组。当多台压缩机并列运行时，应选用同一型号、同一容量的机组，以便互换和维护。3.2压缩级数与压比计算CNG压缩机通常采用多级压缩，以降低排气温度、提高容积效率。每级压比一般控制在3～4之间，各级排气温度不超过150℃。本站进站压力P₁=0.6MPa（绝对压力取0.7MPa），排气压力P₂=25MPa（表压），绝对压力P₂_abs=26.0MPa。总压比计算：ε若采用三级压缩，每级平均压比为：ε=式中：z为压缩级数，取z=3。每级压比3.34，在3～4的合理范围内，故选用三级压缩。3.3各级排气温度计算按绝热压缩过程计算各级排气温度，绝热指数k取1.31（天然气）：T₂=T₁×式中：T₁为吸气温度，K；ε为该级压比；k为绝热指数，取1.31。取进气温度T₁=293K（20℃），各级压比按3.34计算：T₂=293×各级排气温度均约为138℃，低于150℃的限值，满足规范要求。级间设置冷却器，将气体冷却至40℃后进入下一级压缩。3.4压缩机排气量计算根据设计规模，压缩机需满足高峰小时加气量及储气系统补气要求。考虑储气设施的储存与卸放功能，压缩机排气量按以下公式计算：Q式中：Q_comp为压缩机额定排气量，m³/h（标准状态）；Qh为高峰小时加气量，m³/h；K₁为设备备用系数，取1.15；K₂为泄漏与输送损失系数，取1.05。Q选用2台压缩机（一用一备），单台排气量不小于1500m³/h。考虑到储气系统的补气需求及运行经济性，选用单台排气量为1.8Nm³/min（即1080m³/h）的往复式压缩机，2用1备配置：Q运行台数为2台时总排气量2160m³/h，可满足高峰加气需求。当一台检修时，另一台可维持基本加气能力。3.5压缩机功率计算压缩机轴功率按等温压缩功率计算，考虑多级压缩中间冷却，轴功率公式为：P式中：P_sh为轴功率，kW；P₁为吸气压力，Pa（绝压）；Q₁为吸气状态下的体积流量，m³/h；η为压缩机总效率，取0.85；z为压缩级数。代入单台压缩机参数：P₁=0.7×10⁶Pa，Q₁=1080m³/h（标准状态换算到吸气状态约为1260m³/h），z=3，k=1.31，ε=37.1：P考虑电机效率（η_m=0.92）及传动效率（η_c=0.98），配套电机功率为：P选用Y2系列三相异步电动机，额定功率90kW，电压380V，防爆等级ExdⅡBT4。表3-1压缩机主要技术参数表序号项目单位参数备注1型式—往复活塞式三级压缩—2额定排气量Nm³/min1.8标准状态3进气压力MPa（G）0.4～0.6—4排气压力MPa（G）25.0—5压缩级数级3中间冷却6轴功率kW≈75—7配套电机功率kW90ExdⅡBT48机组数量台3（2用1备）同型号9冷却方式—水冷+风冷级间冷却4脱水系统工艺计算4.1脱水要求根据GB18047-2017《车用压缩天然气》规定，车用压缩天然气水露点应满足：在汽车驾驶的特定地理区域内，在压力不大于25MPa和环境温度条件下，水露点应比最低环境温度低5℃。本站所在地区极端最低气温为-25.4℃，故脱水后天然气水露点应不高于-30℃（在25MPa压力下）。根据GB50156-2021第8.1.4条规定，进站天然气含水量不符合GB18047要求时，应在站内进行脱水处理。脱水系统宜设置备用脱水设备，脱水设备宜采用固体吸附剂。4.2脱水工艺选择本设计采用前置脱水工艺，即在天然气进入压缩机之前进行脱水处理。前置脱水的优点是：（1）可避免压缩过程中因压力升高导致水蒸气凝结，保护压缩机；（2）低压下脱水能耗低，吸附剂再生耗气量少；（3）脱水深度易保证，露点稳定。脱水剂选用4A分子筛，吸附工艺为双塔切换式：一台吸附干燥，另一台再生冷却，循环切换运行。4.3脱水装置处理气量计算脱水装置处理气量按压缩机总吸气量确定。考虑2台压缩机同时运行，脱水装置额定处理气量为：Q考虑15%的余量，选用处理气量为2500m³/h的前置脱水装置一套（双塔）。4.4吸附剂用量计算分子筛吸附剂装填量按吸附周期内的总吸水量计算。进站天然气含水量：常压下水含量约为饱和水蒸气含量，按进站温度35℃、压力0.6MPa（G）计算：W式中：W_in为进站气体含水量，g/m³；φ为相对湿度，取1.0（饱和）；P_s为35℃时水的饱和蒸气压，5.628kPa；P为绝对压力，约161.3kPa；18/22.4为水蒸气摩尔质量与摩尔体积换算系数。W脱水后要求水含量：按出口水露点-40℃（常压下）对应的饱和水含量约为0.1g/m³。单位气体脱水量：ΔW=单塔吸附周期取8小时，单塔处理气量按总气量的一半计：Q一个周期内总脱水量：W分子筛平衡吸附容量取12%（质量分数），设计吸附容量取平衡吸附容量的70%，即8.4%：m考虑一定裕量，每塔装填分子筛约3.0吨，双塔共装填6.0吨4A分子筛。4.5再生气量与能耗计算再生气采用本站脱水后的干气，经加热后进入再生塔逆向脱附分子筛中的水分。再生气量一般为处理气量的5%～8%。Q式中：β为再生气比例系数，取6%。再生加热温度取250℃，再生气加热所需功率：P式中：ρ为天然气密度，0.7174kg/m³；Cp为定压比热，约2.2kJ/(kg·K)；ΔT为温升，250-40=210K。P考虑加热效率0.9，选用电加热器功率15kW。再生气冷却采用风冷器，功率约2.2kW。表4-1脱水装置主要技术参数表序号项目单位参数备注1型式—双塔切换式固定床吸附前置脱水2处理气量m³/h2500标准状态3进气压力MPa（G）0.4～0.6—4进气温度℃≤40—5出口水露点℃≤-40常压下6吸附剂类型—4A分子筛—7单塔装填量t3.0双塔共6.0t8吸附周期h8双塔切换9再生气量m³/h≈130处理气量的6%10再生温度℃250电加热11加热器功率kW15—5储气系统工艺计算5.1储气方式选择根据GB50156-2021第8.1.14条规定，CNG加气站内固定储气设施应选用瓶式容器或储气井。本设计采用储气瓶组（瓶式容器），分为高压、中压、低压三组，采用顺序控制加气工艺。5.2储气容积计算储气设施的作用是：（1）在加气高峰时补充压缩机供气不足；（2）减少压缩机频繁启停，延长设备寿命；（3）平衡加气与压缩的气量差。储气总容积按高峰小时加气量的1.0～1.5倍计算：V式中：V_store为储气几何容积，m³；Qh为高峰小时加气量，m³/h；t_store为高峰储气时间，取0.5h；P为最高工作压力绝对压力，25+0.1=25.1MPa；Z为压缩因子，取0.8。V考虑一定裕量，储气总几何容积取9.0m³。5.3储气容积利用率计算三级储气（高、中、低压组）的容积利用率按以下公式计算：η=式中：P_max为最高储气压力，25MPa（G）；P_min为最低余压，取2.0MPa（G）；Z为压缩因子。三级瓶组容积分配比例一般为高压组:中压组:低压组=1:2:1，总有效储气容积：VV换算为标准状态下有效储气量：V有效储气量约260m³（标准状态），可满足约6～7辆出租车同时加气需求。5.4储气瓶组配置选用标准CNG储气瓶，单瓶水容积约为80L（0.08m³），设计压力27.5MPa。N=按三级分组：高压组28瓶、中压组56瓶、低压组28瓶，共112瓶，总几何容积8.96m³。表5-1储气瓶组配置表组别瓶数（瓶）单瓶容积（L）几何容积（m³）工作压力（MPaG）用途高压组28802.2425.0优先加气中压组56804.4820.0顺序加气低压组28802.2415.0最后补气合计112—8.96——6加气机选型计算6.1加气机数量计算加气机数量按高峰小时加气量和单台加气机加气能力计算：N式中：N_disp为加气机台数；q为单枪加气速率，m³/min；η_disp为加气机利用率，取0.7。N选用双枪加气机2台（共4枪），可满足高峰加气需求。6.2加气机技术参数表6-1加气机主要技术参数表序号项目单位参数1型式—计量式双枪加气机2加气枪数把2/台3单枪加气速率m³/min0.8～1.2（可调）4最大工作压力MPa25.05计量精度%±1.06防爆等级—ExdⅡBT47数量台27安全核验7.1防火间距核验根据GB50156-2021第4.0.4条及第4.0.5条强制性条文规定，CNG加气站的工艺设备与站外建（构）筑物之间的防火间距不应小于规范规定值。本站为三级站（储气总容积≤30m³），主要防火间距核验如下：表7-1主要防火间距核验表序号站外对象规范要求（m）设计取值（m）核验结果1重要公共建筑物≥5055满足2明火或散发火花地点≥3035满足3民用建筑物（一类保护物）≥2530满足4民用建筑物（二类保护物）≥2025满足5架空通信线（国家干线）≥1倍杆高1.5倍杆高满足6架空电力线（≥380V）≥1.5倍杆高2.0倍杆高满足7铁路（国家线）≥4050满足8道路（高速公路）≥1012满足7.2工艺管道安全（1）压缩天然气管道设计压力不应小于25MPa，管材选用不锈钢无缝管，符合GB/T34019要求。（2）压缩机出口、储气瓶组进出口、加气机进口等关键部位设置安全阀，安全阀开启压力为设备设计压力的1.05～1.10倍。（3）所有高压管道均进行强度试验和气密性试验，试验压力分别为设计压力的1.5倍和1.0倍。（4）管道系统设置紧急切断阀，在事故工况下可快速切断气源。7.3防爆与电气安全（1）根据GB50058-2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》，站内爆炸危险区域划分如下：—压缩机间、储瓶组区为2区爆炸危险区域；—加气机岛为2区爆炸危险区域。（2）爆炸危险区域内的电气设备均选用ExdⅡBT4及以上防爆等级。（3）站内设可燃气体检测报警系统，报警浓度取爆炸下限的20%（体积分数）。（4）全站设置防雷防静电接地装置，接地电阻不大于4Ω。7.4消防设施根据GB50156-2021规定，CNG加气站应配置相应消防设施：（1）每2台加气机配置不少于2具4kg手提式干粉灭火器；（2）压缩机间设置消防栓及干粉灭火系统；（3）储瓶组区设置消防沙箱及灭火毯。8结果分析与工程指导意义8.1计算结果汇总表8-1主要设计计算结果汇总表序号计算项目计算结果选用值单位1压缩机排气量（单台）—1080m³/h2压缩机台数—3（2用1备）台3压缩机轴功率≈7590（电机）kW4压缩级数33级5各级排气温度≈138≤150℃6脱水装置处理气量—2500m³/h7分子筛装填量（单塔）≈28813000kg8再生气量≈130150m³/h9储气总几何容积≈6.29.0m³10有效储气量（标态）≈260—m³11储气瓶数量≈113112瓶12加气机数量≈52台（4枪）台8.2结果分析（1）压缩系统：选用三级往复式压缩机，每级压比约3.34，排气温度约138℃，低于150℃的安全限值，运行可靠。2用1备的配置可保证连续供气，单台检修时仍可维持基本加气能力。（2）脱水系统：前置脱水工艺有效保护压缩机，双塔切换保证连续运行。分子筛装填量留有约4%裕量，可适应进站气质波动。再生气量