CNG加气站工艺设计计算书

CNG加气站工艺设计计算书——储气瓶组与加气系统专项计算工程名称：XX市CNG加气站建设项目文件编号：CNG-GY-2026-001设计阶段：初步设计文件类型：工艺设计计算书编制单位：XX燃气工程设计研究院编制日期：2026年10月编制审核批准签字：________签字：________签字：________

目录第1章概述 第1章概述1.1设计依据本CNG加气站工艺设计计算书依据国家现行相关标准规范、项目可行性研究报告及业主提供的设计基础资料编制，主要设计依据如下：[1]《汽车加油加气加氢站技术标准》GB50156—2021；[2]《压缩天然气供应站设计规范》GB51102—2016；[3]《输气管道工程设计规范》GB50251—2015；[4]《压力容器》GB150.1～150.4—2011；[5]《气瓶安全技术规程》TSG23—2021；[6]《压缩天然气车站用高压储气瓶组》GB/T38503—2020；[7]《爆炸危险环境电力装置设计规范》GB50058—2014；[8]《建筑设计防火规范》GB50016—2014（2018年版）；[9]《工业金属管道设计规范》GB50316—2000（2008年版）；[10]《天然气》GB17820—2018。1.2设计规模与建设内容本工程为CNG常规加气站，主要功能为接收城市中压管网来气，经调压、脱水、压缩后储存于站内储气瓶组，并通过加气机向CNG天然气汽车充装天然气。设计规模：日加气量2.0×10⁴Nm³/d，高峰小时加气量为日加气量的12%，即2400Nm³/h。建设内容包括：进气调压计量系统、天然气脱水装置、CNG压缩机组、储气瓶组（高/中/低压三级）、加气机及加气岛、放散系统、消防与安全设施等。1.3主要设计参数表1-1主要设计参数表序号参数名称单位数值备注1进站天然气压力（表压）MPa0.4～0.8中压管网来气2进站天然气温度℃5～353天然气相对密度—0.55～0.65甲烷为主4压缩机组排气压力MPa25.0表压5储气瓶组最高工作压力MPa25.0表压6加气机额定充装压力MPa20.0表压7加气机单枪流量m³/min≤0.25工作状态8站场地震设防烈度度79环境温度范围℃-15～4010大气压力kPa86.4～101.3

第2章天然气物性参数计算2.1天然气组成本工程进站天然气来自城市中压燃气管网，主要成分为甲烷，含少量乙烷、丙烷、氮气及二氧化碳。设计计算采用的天然气摩尔组成见表2-1。表2-1天然气摩尔组成表组分CH₄C₂H₆C₃H₈i-C₄H₁₀n-C₄H₁₀N₂CO₂摩尔分数yᵢ（%）94.502.800.600.180.121.500.302.2天然气密度计算标准状态下（0℃，101.325kPa）天然气的密度按下式计算：ρ0=1V式中：ρ₀——标准状态下天然气密度，kg/m³；Vₘ——标准摩尔体积，取22.414L/mol；yᵢ——i组分摩尔分数；Mᵢ——i组分摩尔质量，g/mol。查各组分摩尔质量：CH₄为16.043，C₂H₆为30.070，C₃H₈为44.097，i-C₄H₁₀为58.123，n-C₄H₁₀为58.123，N₂为28.013，CO₂为44.010。代入计算得：Σ(yᵢ·Mᵢ)=94.50%×16.043+2.80%×30.070+0.60%×44.097+0.18%×58.123+0.12%×58.123+1.50%×28.013+0.30%×44.010≈17.78g/mol。ρ₀=17.78/22.414≈0.793kg/m³。2.3天然气相对密度天然气相对密度（空气=1）按下式计算：Sg=ρ0式中：Sg——天然气相对密度；ρ_air——标准状态下空气密度，取1.293kg/m³。代入计算得：Sg=0.793/1.293≈0.613。2.4压缩因子Z高压状态下天然气的压缩因子采用Peng-Robinson状态方程计算。对于本工程压力范围（0.4～25.0MPa）、温度范围（5～40℃）内的压缩因子计算结果见表2-2。表2-2不同压力下天然气压缩因子Z值表（20℃）压力（MPa，表压）0.51.05.010.015.020.025.0压缩因子Z0.9850.9720.8850.7820.7250.7180.732在后续储气瓶组容积计算与加气能力计算中，25MPa下压缩因子取Z=0.732，20MPa下取Z=0.718。

第3章储气瓶组工艺计算3.1储气瓶组储气容量确定CNG加气站储气瓶组的作用是储存高压天然气，用于在加气高峰时向车辆快速充气，弥补压缩机排气能力的不足。储气瓶组储气容量应根据加气站规模、加气机数量、高峰加气强度及压缩机配置综合确定。储气瓶组总储气容积（水容积）按下式计算：Vs=Qh式中：V_s——储气瓶组总水容积，m³；Q_h——高峰小时加气量，Nm³/h；η_s——储气利用率，取0.75；P_max——储气瓶组最高压力（绝压），取25.1MPa；P_min——储气瓶组最低工作压力（绝压），取2.0MPa；P_0——标准大气压，0.1013MPa；Z_max——最高压力下压缩因子，取0.732；Z_min——最低压力下压缩因子，取0.96。代入计算：P_max·Z_min/(P_0·Z_max)=25.1×0.96/(0.1013×0.732)≈327.5P_min·Z_max/(P_0·Z_min)=2.1×0.732/(0.1013×0.96)≈15.8两者差值=327.5-15.8=311.7V_s=(2400×0.75)/311.7≈5.77m³。考虑15%的余量及分级储配要求，设计储气瓶组总水容积取6.0m³。3.2三级储配瓶组分配计算为提高储气利用率和加气速度，储气瓶组采用高、中、低三级储配工艺。三级瓶组的容积比例一般按高压:中压:低压=1:2:1分配，即高压瓶组占25%，中压瓶组占50%，低压瓶组占25%。表3-1三级储气瓶组容积分配表项目高压瓶组中压瓶组低压瓶组合计容积比例（%）255025100水容积（m³）1.503.001.506.00最高工作压力（MPa，表压）25.025.025.0—充气切换压力（MPa）20.015.0——进气顺序最后中间最先—加气顺序最后中间最先—3.3储气瓶数量计算选用标准CNG储气瓶，单瓶水容积为80L（φ279mm×L=6200mm，设计压力27.5MPa）。储气瓶数量按下式计算：n=VsVb式中：n——储气瓶数量，只；V_b——单瓶水容积，m³，取0.08m³。代入计算：n=6.0/0.08=75只。按三级分配：高压瓶组19只（1.52m³），中压瓶组37只（2.96m³），低压瓶组19只（1.52m³），合计75只，总水容积6.0m³。3.4储气瓶组储气能力核算储气瓶组在最高工作压力下的标准储气容量按下式核算：Qstorage=Pmax代入计算：Q_storage=(25.1×6.0)/(0.1013×0.732)≈2032Nm³。可有效释放的天然气量（储气利用率75%）：Q_effective=2032×0.75≈1524Nm³，可满足高峰时段约38分钟的加气需求（按2400Nm³/h计）。

第4章加气机配置与加气能力计算4.1加气机数量计算CNG加气机的数量应根据日加气量、高峰小时加气强度、单车加气时间及加气机额定流量确定。单台加气机一般配置双枪，双枪同时工作时总流量为单枪的2倍。加气机数量按下式计算：Nd=Qh式中：N_d——加气机数量，台；Q_h——高峰小时加气量，Nm³/h，取2400；q_d——单枪额定流量，m³/min（工作状态），取0.25；n_gun——单台加气机枪数，取2；η_d——加气机综合效率，取0.85；t_d——日有效加气时间，h，取8。注意：加气机流量单位为工作状态下的m³/min，需换算为标准状态下的流量。20MPa、20℃条件下，工作状态流量换算为标准状态流量的换算系数约为200/0.718≈278.6。单枪标准状态流量=0.25×278.6≈69.7Nm³/min。代入计算：N_d=2400/(69.7×2×0.85×60)≈2400/7109.4≈0.34台。以上计算为纯时间利用率计算，实际工程中需考虑车辆到港不均匀性和排队等待，按高峰时段需同时加气车辆数确定。高峰小时加气量2400Nm³/h，按每车平均加气量40Nm³计算，高峰小时需加气60车次，平均每小时每台加气机可服务车次为：60min/(5min/车×2枪)=24车次/台·h。所需加气机台数=60/24=2.5台，取整为3台（6枪）。4.2加气机能力核算3台双枪加气机总加气能力核算：Qtotal=Nd式中：K_conv——工作状态流量换算为标准状态流量的系数，取278.6。代入计算：Q_total=3×2×0.25×278.6×60≈25074Nm³/h。考虑加气机实际运行效率85%，实际最大加气能力为25074×0.85≈21313Nm³/h，远大于高峰小时加气量2400Nm³/h，满足设计要求。表4-1加气机配置参数表项目参数单位备注加气机数量3台双枪机单枪额定流量0.25m³/min工作状态加气枪总数6把额定工作压力20.0MPa表压计量精度±1.0%1.0级单价流量换算系数278.6—20MPa/20℃实际最大加气能力21313Nm³/h85%效率高峰小时加气需求2400Nm³/h能力富余率788%

第5章压缩机选型计算5.1压缩机排气量计算CNG压缩机的排气量应满足日加气量要求，并考虑储气瓶组充气损失和站内自耗气。压缩机按每日运行16小时设计，即设备利用率按67%考虑。压缩机所需排气量按下式计算：Qc=Qdaily式中：Q_c——压缩机设计排气量，Nm³/h；Q_daily——日加气量，Nm³/d，取20000；α_loss——储气及工艺损失系数，取8%；t_run——日运行时间，h，取16；η_c——压缩机效率系数，取0.90。代入计算：Q_c=20000×(1+0.08)/(16×0.90)≈1500Nm³/h。5.2压缩机台数与选型考虑设备检修备用和运行调度，压缩机配置为2台，一开一备。单台压缩机额定排气量不小于1500Nm³/h。选用二级压缩、水冷、柱塞式CNG压缩机组，主要技术参数见表5-1。表5-1CNG压缩机组技术参数表序号项目参数单位1机组型式二级压缩、水冷、柱塞式—2数量2（一开一备）台3吸气压力（表压）0.4～0.8MPa4排气压力（表压）25.0MPa5额定排气量（吸入状态）1.5Nm³/min6额定排气量（小时）90Nm³/h7轴功率约75kW8配套电机功率90kW9冷却方式水冷—10控制方式全自动PLC控制—11防爆等级ExdⅡBT4—12噪声（距机1m）≤85dB(A)5.3压缩比计算二级压缩的各级压缩比按等压缩比原则分配。总压缩比为：ε=PdischargePsuction式中：ε——总压缩比；P_discharge——排气绝压，MPa，取25.1；P_suction——吸气绝压，MPa，取0.5（按最低吸入压力0.4MPa表压计）。代入计算：ε=25.1/0.5=50.2。二级压缩等压缩比分配：ε₁=ε₂=√50.2≈7.09。各级压缩比均小于10，符合柱塞式压缩机的合理压缩比范围，选型合理。

第6章工艺管道水力计算6.1管道流量与管径计算天然气工艺管道管径按经济流速确定。低压天然气管道流速一般控制在10～20m/s，高压CNG管道流速一般控制在5～15m/s。管径按下式计算：d=4×Qvπ×式中：d——管道内径，m；Q_v——工作状态下体积流量，m³/s；u_g——管道内天然气流速，m/s。6.2各段管道管径选用根据各工艺段流量和推荐流速，计算并选用管道规格见表6-1。表6-1工艺管道管径选用表管道段设计压力（MPa）设计流量（Nm³/h）推荐流速（m/s）计算管径（mm）选用规格材质进站调压前0.8150015DN50φ60×420#钢脱水装置进出口0.8150012DN65φ76×520#钢压缩机进出口0.8/25.0150010/8DN50/DN25φ60×4/φ32×420#钢储气瓶组总管25.020008DN32φ42×520#钢加气机支管25.05006DN25φ32×420#钢放散管0.1—10DN50φ60×420#钢6.3管道压降验算高压天然气管道压降采用Weymouth公式计算：ΔP2=1.326×10-10式中：ΔP——管道始末两端压力平方差，MPa²；Q_0——标准状态流量，Nm³/d；Sg——天然气相对密度；T_0——标准温度，293K；L——管道计算长度，km；d——管道内径，cm。经计算，站内最长高压管道（储气瓶组至加气机总管约80m）的压降约为0.05MPa，远小于允许压降（0.5MPa），满足工艺要求。

第7章安全设施设置与安全核验7.1设计压力与安全阀整定根据《汽车加油加气加氢站技术标准》GB50156—2021及《压力容器》GB150的要求，CNG系统各设备的设计压力与安全阀整定压力见表7-1。表7-1设备设计压力与安全阀整定压力表设备名称最高工作压力（MPa）设计压力（MPa）安全阀整定压力（MPa）依据储气瓶组25.027.526.5GB150压缩机排气管25.027.526.5GB50156加气机进气管25.027.526.5GB50156脱水装置0.81.00.9GB50156进站管道0.81.00.9GB501567.2防爆区域划分核验根据GB50156—2021附录C的规定，CNG加气站爆炸危险区域划分如下：（1）CNG加气机、加气柱的内部空间应划分为1区；（2）距CNG加气机、加气柱外壁四周4.5m，自地面高度5.5m的范围内空间应划分为2区；（3）储气瓶组间内部空间及外壁4.5m范围内划分为2区；（4）压缩机间内部空间划分为1区。本工程电气设备选型均满足对应区域的防爆等级要求：1区内选用ExdⅡBT4及以上防爆等级，2区内选用ExdⅡT4及以上防爆等级。7.3安全间距核验根据GB50156—2021的规定，CNG加气站站内设施之间及与站外建构筑物的安全间距核验见表7-2。表7-2主要安全间距核验表设施名称规范要求间距（m）本工程实际间距（m）是否满足储气瓶组与站外民用建筑≥2535.0满足储气瓶组与站外重要公共建筑≥5065.0满足加气机与站外民用建筑≥612.0满足压缩机间与站外民用建筑≥1218.0满足储气瓶组与加气机≥68.5满足储气瓶组与压缩机间≥67.0满足放散管与站内外建筑≥1215.0满足经核验，本工程总平面布置的安全间距均满足GB50156—2021的规范要求。7.4消防设施配置根据规范要求，本站配置以下消防设施：（1）设置2具35kg推车式干粉灭火器和8具8kg手提式干粉灭火器；（2）储气瓶组区设置消防沙箱（2m³）及消防锹、消防桶；（3）站房内设置火灾自动报警系统；（4）设置可燃气体检测报警仪，加气岛和储瓶间各设2台，报警浓度设定为爆炸下限的25%；（5）加气机软管上设置安全拉断阀，分离拉力为400～600N；（6）储气瓶组设置超压泄压联锁保护系统。

第8章计算结果分析与工程指导意义8.1主要计算结果汇总表8-1主要计算结果汇总表序号计算项目计算结果设计取值单位1储气瓶组总水容积5.776.00m³2储气瓶数量7575只3高压瓶组容积1.501.52m³4中压瓶组容积3.002.96m³5低压瓶组容积1.501.52m³6储气瓶组储气能力20322032Nm³7有效释放气量15241524Nm³8加气机数量2.5→33台9加气机总加气能力2131321313Nm³/h10压缩机排气量15001500Nm³/h11压缩机配置一开一备2台12总压缩比50.250.2—13单级压缩比7.097.09—8.2结果分析（1）储气瓶组配置合理性：本设计储气瓶组总水容积6.0m³，有效储气1524Nm³，可满足约38分钟的高峰加气需求。三级储配工艺的储气利用率达到75%，较单级储气提高约20%，显著提升了储气效率。（2）加气机配置富余度：3台双枪加气机的总加气能力约21313Nm³/h，相对于高峰小时需求2400Nm³/h，富余率约788%。该富余度考虑了车辆到港不均匀性、车辆排队等待及未来加气量增长的需求，配置合理且具有前瞻性。（3）压缩机选型：单台压缩机排气量1500Nm³/h，按每日运行16小时计算，日供气能力达21600Nm³/d，满足20000Nm³/d的设计规模。一开一备的配置保证了设备检修时站场仍可正常运行。（4）安全可靠性：经安全间距核验、防爆区域划分和消防设施配置，本工程满足GB50156—2021的全部安全要求，本质安全水平较高。8.3工