CNG子站设计计算书（含压缩与储气）

CNG加气子站工程设计计算书——压缩与储气系统专项计算工程编号：CNG-ZS-2026-001设计阶段：施工图设计阶段设计类型：工艺专业计算书站场类别：CNG加气子站建设单位：××燃气有限公司设计单位：××市政工程设计研究院编制审核批准二〇二六年十月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1项目概况本工程为CNG加气子站工程，采用长管拖车（CNG管束车）将压缩天然气由母站运送至本站，经子站调压、压缩及储气系统后为天然气汽车加注压缩天然气。本站主要服务于城市公交、出租车及社会营运车辆的CNG加气需求，设计日均加气规模为5000Nm³/d。本站属于CNG加气子站，站内设置固定储气设施（储气井），同时停放1辆CNG长管拖车作为移动气源。根据《汽车加油加气加氢站技术标准》GB50156-2021的规定，子站固定储气设施采用储气井时总几何容积不应超过24m³。1.2设计依据（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）《钢制压力容器第1部分：通用要求》GB150.1-2011；（5）《天然气》GB17820-2018；（6）《车用压缩天然气》GB18047-2017；（7）《建筑设计防火规范》GB50016-2014（2018年版）；（8）《套管柱结构与强度设计》SY/T5724；（9）《深度冷冻法生产氧气》相关管道设计规范及压力管道规范。1.3设计范围本计算书涵盖CNG加气子站工艺系统中的压缩系统与储气系统专项设计计算，主要包括：压缩机选型计算、压缩比与压缩终温计算、缓冲罐容积计算、储气井储气量计算、储气压力分级计算、长管拖车供气能力校核、管道壁厚强度校核、安全阀泄放量计算及防火间距核验等内容。2设计基础参数2.1气源条件本站气源由CNG长管拖车输送，长管拖车管束工作压力为20MPa（表压），拖车几何容积为18m³。天然气组分以甲烷为主，摩尔分数约95%，相对密度S=0.65（空气=1），进气温度T₁=20℃。2.2用户需求设计日均加气量Q_d=5000Nm³/d，有效加气时间t=12h/d。根据城市公交及出租车加气高峰规律，高峰小时系数取k=1.5。2.3环境条件本站位于延安地区，极端最高气温39.7℃，极端最低气温-23.0℃，年平均气温9.2℃。土壤腐蚀性中等，地震基本烈度为6度。2.4主要设计参数表表2-1主要设计参数一览表序号参数名称数值1日均加气量Q_d5000Nm³/d2有效加气时间t12h/d3高峰小时系数k1.54长管拖车工作压力20MPa（表压）5长管拖车几何容积18m³6储气井设计压力25MPa（表压）7天然气相对密度S0.658进气温度T₁20℃9进气条件下压缩因子Z₁0.99810排气条件下压缩因子Z₂0.8511天然气绝热指数κ1.313压缩系统工艺计算3.1压缩机设计排量计算子站压缩机的作用是将长管拖车减压后的天然气（通常从高压降至中压区间）再次压缩至25MPa，充入站内固定储气井。压缩机设计排量应满足高峰小时加气需求并留有适当裕量。（1）平均小时加气量：QQpj=Q式中：Q_pj——平均小时加气量，Nm³/h；Q_d——日均加气量，Nm³/d；t——日有效加气时间，h。（2）最大小时加气量（高峰小时）：QQmax=k·QQ式中：k——高峰小时系数，取1.5。（3）压缩机设计排量：考虑到子站压缩机在拖车拖压力降低时需连续补气，同时需在拖车更换间隙维持储气井压力，取排量裕量系数β=1.3。压缩机额定排气量为：QQcomp=β·QQ根据上述计算结果，选用2台并列式CNG子站压缩机（一开一备），单台公称排气量为1.5Nm³/min（标准状态），额定排气压力25MPa，进气压力范围3~10MPa。单台机组在标准状态下的小时排气量为：1.5×60=90Nm³/h，两台运行（一开一备工况下实际仅一台工作）可满足812.5Nm³/h的设计需求并留有充足裕量。3.2压缩比与压缩终温计算CNG子站压缩机为多级往复式压缩机。考虑到长管拖车来气压力随瓶组内气体消耗逐渐降低，压缩机进气压力在3.0~10.0MPa范围内变化，排气压力恒定为25MPa。按三级压缩方案进行计算。当进气压力为最低工况p₁=3.0MPa（绝压，取3.1MPa）时，总压缩比为：ε=pp2p三级压缩时，各级平均压缩比为：εεi=ε各级压缩比均小于2.5，满足往复式压缩机单级压缩比不超过3.5的工程惯例要求，级间采用水冷器冷却至40℃。按可逆绝热过程（等熵压缩）计算压缩终温：TT2s=TT式中：T₁——进气温度，K（20℃=293.15K）；κ——天然气绝热指数，取1.31；ε_i——单级压缩比。考虑实际压缩过程为多变过程，取多变效率η_p=0.85，则实际压缩终温为：TT2=TT经级间冷却器冷却至40℃（313.15K）后进入下一级，最终排气温度不高于环境温度+15℃。本工程采用风冷机组，最高环境温度39.7℃时排气温度不高于54.7℃，满足GB50156-2021对排气温度不超过压缩机允许限值的要求。3.3压缩机轴功率计算往复式压缩机多级压缩轴功率按等熵功率计算，参考《输气管道工程设计规范》GB50251-2015附录G公式：N=κκ-1·pp式中：N——压缩机轴功率，kW；p₁——进气压力，MPa（绝压）；q_v——进气状态下体积流量，m³/min；Z₁、Z₂——进、排气压缩因子；η——压缩机等熵效率，取0.80。以最低进气压力工况（p₁=3.1MPa绝压，q_v按标准状态1.5Nm³/min换算至进气状态）代入：进气状态体积流量：qqv=qq单级轴功率（三级压缩中任一级）：NNi=1.31三级压缩总轴功率：NNtotal=3×NN考虑机械效率η_m=0.95，电机功率裕量系数1.1，配套电机功率为：NNmotor=1.1×N选用Y2系列三相异步电动机，额定功率55kW，电压380V，满足本工况要求。3.4缓冲罐容积计算根据GB50156-2021第8.1.7条，压缩机组进口前应设分离缓冲罐，出口后宜设排气缓冲罐。缓冲罐容积按压缩机进、出口脉动衰减要求确定。进口分离缓冲罐容积按经验公式取压缩机单级吸入排量的8~12倍：VVin=10×qq选用V_in=2.0m³立式分离缓冲罐，设计压力25MPa，材质为16Mn锻制。出口排气缓冲罐容积按进口缓冲罐的1/2选取，取V_out=1.0m³，设计压力27.5MPa（1.1倍最高工作压力）。3.5压缩机组配置方案表3-1压缩机组主要技术参数表序号项目技术参数1机组型式橇装式往复压缩机（三级压缩）2数量2台（一开一备）3公称排气量1.5Nm³/min4进气压力范围3.0~10.0MPa（表压）5额定排气压力25MPa（表压）6排气温度≤环境温度+15℃7配套电机功率55kW，380V8冷却方式风冷9控制方式PLC全自动控制，加气机联动10进口分离缓冲罐V=2.0m³，PN254储气系统工艺计算4.1储气规模确定CNG子站储气系统的功能是在压缩机停机或低负荷时段储存高压天然气，在加气高峰时向加气机快速供气。储气规模应满足高峰时段连续加气需求。根据高峰小时加气量Q_max=625Nm³/h，取高峰持续时间τ=0.5h（即30分钟高峰时段全部由储气井供气、压缩机不补气的最不利工况），则所需有效储气量为：VVeff=QQ4.2储气井几何容积计算储气井在最高工作压力p_max=25MPa（表压，绝压25.1MPa）与最低工作压力p_min=4.0MPa（表压，绝压4.1MPa）之间运行。储气井的有效放气量按气体状态方程计算：VVgas=VV式中：V_gas——有效标准储气量，Nm³；V_geo——储气井几何容积，m³；p_max——最高工作绝压，25.1MPa；p_min——最低工作绝压，4.1MPa；p₀——标准大气压，0.1013MPa；T₀——标准状态温度，273.15K；T——储气井内气体温度，取293.15K；Z——天然气在平均压力下的压缩因子，取0.88。所需储气井几何容积为：VVgeo=V考虑到GB50156-2021规定子站储气井总几何容积不应超过24m³，同时考虑到长管拖车可作为移动气源补充，本工程设置4口储气井，单井几何容积6.0m³，总几何容积V_total=24.0m³，满足规范限值要求。校核实际有效储气量：VVreal=24.0×(25.1-4.1)实际有效储气量约5734Nm³，远大于高峰时段所需的312.5Nm³，储气能力满足要求。4.3储气压力分级为提高储气井的气体利用率，储气系统采用高、中、低三级压力运行，加气机按“低压→中压→高压”顺序依次充气。各级压力设定如下：表4-1储气井三级压力分级表级别压力范围（表压）井数单井几何容积高压组（HP）20.0~25.0MPa2口6.0m³/口中压组（MP）10.0~20.0MPa1口6.0m³低压组（LP）4.0~10.0MPa1口6.0m³三级储气方式可使车用气瓶充气效率由单级储气的约65%提高至85%以上，显著减少压缩机频繁启停。4.4长管拖车供气能力校核本站停放1辆CNG长管拖车作为移动气源，拖车几何容积18m³，工作压力20MPa（表压），最低可利用压力3MPa（表压，即拖车余气压力）。拖车可供气量为：VVtube=18×(20.1-3.1)一辆长管拖车可供气量约3130Nm³，按日均加气量5000Nm³/d计，每日需运送拖车约1.6车次，即每日约2车次（含1辆在站补气、1辆在站停车或刚到），与GB50156-2021规定“子站设固定储气时站内长管拖车不应多于1辆”的要求一致。5安全与强度校核5.1工艺管道壁厚计算CNG站内高压天然气管道采用无缝钢管，材质为20号钢或16Mn。按GB50251-2015输气管道强度计算公式：δ=p·D2·[σ]·φ·F+p（式中：δ——管道计算壁厚，mm；p——设计压力，取27.5MPa（25MPa工作压力×1.1）；D——管道外径，取φ60.3mm；[σ]——管材许用应力，20号钢在常温下取130MPa；φ——焊缝系数，无缝钢管取1.0；F——设计系数，站内高压管道取0.72。代入计算：δ=27.5×60.32×130×1.0×0.72+27.5=1658.25考虑壁厚附加量C=0.3mm（腐蚀裕量+负偏差），选用管道规格为φ60.3×8.0mm无缝钢管（材质20号钢），实际壁厚8.0mm>计算壁厚7.72+0.3=8.02mm，满足强度要求。5.2安全阀泄放量计算储气井及缓冲罐顶部应设置全启式安全阀，安全阀开启压力为1.05倍最高工作压力，即p_set=26.25MPa。按气体安全阀泄放量公式：Q=230×A·p·MZ·T式中：Q——安全阀泄放量，Nm³/h；A——安全阀排放面积，mm²；p——安全阀入口压力，MPa（绝压）；M——天然气摩尔质量，取16.04g/mol；Z——压缩因子，取0.85；T——气体温度，取313.15K。对单口储气井（V=6m³），选用弹簧全启式安全阀，阀径DN20，排放面积A=280mm²。代入计算：Q=230×280×26.25×16.040.85×313.15=4842Nm³/h该泄放量远大于储气井在火灾工况下的最大热膨胀气体量，安全阀选型满足要求。安全阀放空管应引至站外安全处，放空管口应高于周围8m范围内建（构）筑物顶2m以上。5.3防火间距核验根据GB50156-2021第5.0.13条及GB51102-2016第5.2节，本站储气井与站内建（构）筑物及站外重要设施的防火间距核验如下：表5-1站内主要设施防火间距核验表相邻设施规范要求间距(m)实际间距(m)判定储气井与压缩机房≥6.08.5满足储气井与加气机≥6.010.0满足储气井与站房（值班室）≥6.012.0满足储气井与站内道路（路边）≥5.07.0满足长管拖车车位与站外民用建筑≥25.030.0满足5.4爆炸危险区域划分根据GB50156-2021附录C，本站爆炸危险区域划分如下：（1）压缩机间内部空间划分为1区；（2）压缩机间有孔、洞或开式外墙外R=3.0m范围内并延至地面的空间划分为2区；（3）储气井井口阀门、法兰周围4.5m范围内划分为2区；（4）加气机枪口周围4.5m范围内划分为2区。所有1区、2区内的电气设备均应选用相应防爆等级（ExdⅡBT4及以上）的产品，接地电阻不大于4Ω。6结果分析与工程指导意义6.1计算结果汇总表6-1主要计算结果汇总表序号计算项目计算结果1压缩机设计排量812.5Nm³/h（选用2×1.5Nm³/min）2压缩机总轴功率43.5kW（配55kW电机）3压缩终温（单级）100.1℃（经级间冷却至40℃）4储气井总几何容积24.0m³（4口×6.0m³）5储气井有效储气量约5734Nm³6长管单车供气量约3130Nm³7高压管道壁厚φ60.3×8.0mm无缝钢管8安全阀泄放量4842Nm³/h（DN20全启式）6.2结果分析（1）压缩系统：本工程选用2台1.5Nm³/min三级往复式压缩机，一开一备，可在进气压力3~10MPa范围内稳定运行，排气压力25MPa。计算表明，在最不利工况（进气压力3MPa）下单级压缩比2.01，压缩终温经级间冷却后可控，轴功率43.5kW，配套55kW电机留有15%裕量，运行安全可靠。（2）储气系统：4口储气井总几何容积24m³，刚好达到GB50156-2021规定的子站储气井上限。有效储气量约5734Nm³，相当于1.15天的平均用气量，可完全覆盖30分钟高峰时段的加气需求而无需压缩机补气机。三级压力分级方式使气体利用率提升至85%以上。（3）安全校核：高压管道选用φ60.3×8.0mm无缝钢管，计算壁厚7.72mm，实际壁厚8.0mm，强度裕量约3.6%，满足GB50251-2015要求。安全阀泄放量4842Nm³/h，远大于火灾工况热释放量。各设施防火间距均满足规范要求。6.3工程指导意义（1）本计算书所确