张 玮

(洛阳石化工程设计有限公司)

LNG/L-CNG加气站的设计①

张 玮

(洛阳石化工程设计有限公司)

介绍了LNG/L-CNG汽车加气站的主要工艺设备：LNG储罐、LNG潜液泵、卸车增压器、EAG加热器、LNG高压柱塞泵、高压气化器、CNG储气瓶、加气机和顺序控制盘等；同时还介绍了设计过程中以上工艺设备选用的计算方法以及管道设计应注意的问题，包括管路的应力补偿、管子及管件的选材、管道绝热结构及材料的选用等。

LNG L-CNG 加气站 设备选用 管道设计

据有关资料统计，城市大气环境污染60%以上来自机动车辆的尾气排放。公路网的大气环境污染100%来自机动车辆。由机动车辆尾气导致的大气环境污染已严重影响居民健康，并制约着经济持续快速的发展。

建设天然气汽车加气站、发展天然气汽车是治理机动车辆排放污染、改善大气环境质量的有效举措；是落实我国政府建立资源节约型、环境友好型城市的重要措施[1-3]。本文就汽车加气站设计过程中的主要设备选型及注意问题做了简要介绍。

1 主要工艺设备的选用及计算方法[4-6]

LNG/L-CNG加气站的设备包括：LNG储罐、LNG潜液泵、卸车增压器、EAG加热器、LNG高压柱塞泵、高压气化器、CNG储气瓶、加气机和顺序控制盘等。

一般根据服务区域的车流量来确定加气站的设计规模，进一步对工艺设备选型。本文以海南省海口市滨江路为例，该路段车辆情况见表1。

由表1可见，可确定在本路段建设加气站的加气规模设计值为2.0×104m3/d，其中日供LNG1.0×104m3，CNG 1.0×104m3。

表1 海口滨江路段车辆情况Table1 VehiclessituationofHaikouBinjiangroad名称数量/辆单车日均里程/km日均总行程/104km百公里耗气量/m3日耗气量/104m3LNG公交车803002.4400.96CNG出租车4003001280.96合计1.92

由加气规模来对主要工艺设备进行选型，计算如下：

(1) LNG储罐容积按下式计算：

(1)

式中，V为总储存容积，m3；n为储存天数，d；Gr为平均日用气量，kg/d(1 t=1 400 m3)；ρY为最高工作温度下的液化天然气密度，423 kg/m3；θb为最高工作温度下的储罐允许充装率，θb=95%。

根据气源的情况，按最大设计规模考虑，确定储存天数为1.5天。经计算，本站LNG总储存容积为V=(1.5×1.92×104×0.714)/(423×0.95)=51.2 m3，剩余容积按不少于10%计算，确定本站的储存规模为60 m3，因此需设置1台全容积为60 m3的LNG储罐。

(2) LNG潜液泵

LNG潜液泵的流量根据加气站的设计规模及加气机的流量选定，本站LNG潜液泵的设计流量为0～220 L/min。

(3) 高压柱塞泵

依据质量守恒，1 m3LNG(液)在标态下气化可得到NG 590 m3,结合本站CNG加气规模1.0×104m3及车辆情况，选用流量为1 500 L/h的2台高压柱塞泵(1台备用)，即单泵日工作10 h左右即可满足需要。

(4) 卸车增压器

根据公式

Q=(h1-h2)ρV

(2)

式中，Q为升压所需热量，kJ；h2为升压前LNG的比焓，kJ/kg；h1为升压后LNG的比焓，kJ/kg；ρ为介质的密度，423 kg/m3；V为储存介质的体积，m3/h。

通过上式计算，本设计选用处理量为200 m3/h的增压器1台。

(5) EAG加热器

根据公式

Q=(h1-h2)ρV

(3)

式中，Q为加热所需热量，kJ；h2为加热前LNG的比焓，kJ/kg；h1为加热后LNG的比焓，kJ/kg；ρ为介质的密度，423 kg/m3；V为放空气体的体积，m3/h。

通过上式计算，本设计选用处理量为120 m3/h的加热器1台。

(6) 高压空温式气化器

根据公式

Q=(h2-h1)ρV

(4)

式中，Q为升温所需热量，kJ；h1为升温前LNG的比焓，kJ/kg；h2为升温后LNG的比焓，kJ/kg；ρ为介质的密度，423 kg/m3；V为储存介质的体积，m3/h。

通过上式计算，本设计选用处理量为1 500 m3/h的高压气化器2台(交替使用)。

2 管道设计注意的问题

2.1 管子及管件

低温管道的设计主要考虑两个问题：第一是“低温脆性”，这就要求设计人员合理选择“冲击韧性”高的钢材，同时从管道设计和管系制作上防止脆裂和脆断；第二是保冷设计和由于保冷需求而产生的一系列设计要求，也是非常重要的，它直接关系到能耗和设备管道的使用、施工和检修等。

2.1.1 材质及标准选用

(1) 低温LNG及中高压NG部分

管道：采用热轧不锈钢管，材质0Cr18Ni9(GB/T 14976-2012《流体输送用不锈钢无缝钢管》)；

管件：对焊无缝管件，材质0Cr18Ni9(GB/T 12459-2005《钢制对焊无缝管件》)；

法兰：带颈对焊法兰，根据系统压力情况，选择突面或凹凸面或榫槽面等，材质0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》)；

垫片：金属缠绕垫，材质0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》)；

紧固件：专用级双头螺栓，材质0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》)。

(2) 低压NG部分(如EAG加热器后的放散管)

管道：可采用无缝钢管，材质20#(GB/T 8163-2008《输送流体用无缝钢管》);

管件：对焊无缝管件，材质20#(GB/T 12459-2005);

法兰：带颈对焊法兰，突面，材质20#(HG/T 20592～20635-2009)；

垫片：金属缠绕垫，材质0Cr18Ni9(HG/T 20592～20635-2009)；

紧固件：专用级双头螺栓，材质35CrMoA/30CrMoA(HG/T 20592～20635-2009)。

2.1.2 管道的应力补偿

LNG管路多是在常温下安装、低温下运行，两者温差较大，由此产生的膨胀与收缩应力较大。LNG低温不锈钢管道收缩率约为3‰。常规设计时，每隔30～35 m左右安装一个膨胀节，但由于膨胀节的安全系数较差，故一般在自然补偿能满足要求的情况下不建议采用。

(1) 采用自然补偿时注意：当弯管转角小于150°时，能用于自然补偿，反之不可。自然补偿的管道臂长不应超过20～25 m，弯曲应力不应超过[σbw]=80 MPa。

(2) 自然补偿的校验方法

工程上对输送非有毒介质的管道系统，通常采用ANSI判断法[7]，若满足下式则认为管道柔性足够，可不再进行详细计算。这种判断结果是偏安全的。

D△/(L-U)2≤2.083 △=Let

(5)

式中，D为管道公称直径；△为管线的热胀总位移量；L为管系在两固定端间的展开长度；U为两固定点间的直线距离；et为单位线膨胀量。

应用ANSI判别式的管系必须满足下列假定：①管系两端为固定点；②管系内的管径、壁厚、材质均一致；③管系无分支和支吊架；④管系使用寿命期间冷热循环次数少于7 000次。

(3) 自然补偿的计算

动力管道设计中，自然补偿常用的为L形、Z形等。

平面自然补偿管系短臂长度计算：

①L形管系(见图1)

(6)

式中，D为管道外径,m。

②Z形管系(见图2)

(7)

式中，D为管道外径,m；E为管道材料的弹性模量,MPa；K=L1/L2；[σbw]为弯曲应力,MPa。

2.1.3 环境影响

(1) 对于制冷管道，必须考虑环境温度对管系的影响。

(2) 必须考虑被阻塞于两闭合阀门之间管系的膨胀效应，采取防止超压的措施。

2.2 LNG管道的保冷

常用的有真空绝热管道及保温材料包覆型两种。

(1) 真空绝热管道包括带法兰接头的真空管道和直接焊接的真空管道两种(分别如图3和图4所示)。

真空绝热管道适用于加气站储罐进出液、泵进出液、泵回气等管路。此结构管道绝热性能好，但投资较大，前期制作较复杂。现场安装时，由于图纸定位尺寸偏差等原因，容易造成工厂返工，且投入使用后，在加气站防爆区域内在线维修性差。

(2) 保温材料包覆型(见图5)。

一般采用改性聚氨酯泡沫塑料包覆结构绝热。该种结构稳定性较好，既能在工厂预制成型，也可以现场施工。绝热性能较好，投资少，且投入使用后，在加气站防爆区域内在线维修性好。

因此，从制作复杂性和投资成本来看，3 km以上的管道一般采用改性聚氨酯发泡材料绝热，3 km以下的管道可视情况采用真空管或改性聚氨酯发泡管道。

[1] 陈曦,厉彦忠.液化天然气汽车的应用优势及存在的问题[J].石油与天然气化工,2002,(6):289-291，300.

[2] 邢云，刘淼儿. 中国液化天然气产业现状及前景分析[J].天然气工业,2009，29(1)：120-123.

[3] 苏欣，杨君，袁宗明,等. 我国液化天然气汽车研究现状[J].天然气工业,2006，26(8)：145-148.

[4] 顾安忠. 液化天然气技术[M]. 北京:机械工业出版社,2003.10.

[5] 杨尚宾.液化天然气汽车(LNGV)技术及系统维护[J].石油与天然气化工,2012,38(5):390-392.

[6] 张奕,艾绍平.液化天然气气化站中BOG压缩机运行的动态模拟与优化[J].石油与天然气化工,2012,41(1):53-57.

[7] 张德姜. 石油化工装置工艺管道安装设计手册[M].第一篇. 北京: 中国石化出版社,2009.

Design of LNG/L-CNG filling station

Zhang Wei

(LuoyangPetrochemicalEngineeringDesignCo.,Ltd,YangpuEconomicDevelopmentZone,Haikou578101，Hainan,China)

The major equipments about LNG/L-CNG filling stations were introduced, including LNG storage tanks, LNG submersible pump, unloading supercharger, EAG heater, LNG high-pressure piston pump, high-pressure gasifier, CNG gas cylinders, dispensers, sequence control panel and so on. The calculation method of above equipments selection in the process of designing was also introduced. Problems like piping stress compensation，selection of pipe and fittings materials, selection of heat insulation structure and materials should be noticed in the design.

LNG, L-CNG, filling station, selection of equipment, pipeline design

张玮(1983-)，女，汉族，山东烟台人，助理工程师，学士，主要从事石油化工及市政公用工程管道设计。地址：(578101)海南省洋浦经济开发区海岸华庭F-1105。电话：0898-28820937。E-mail：zhangwei830309@163.com

TE973.1

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.02.010

2013-09-18；

2014-01-03；编辑：康 莉