LNG加氣站設(shè)計規(guī)范

摘要：通過對GB 500282006城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范與GB 501562002汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范(2006年版)以及LNG與LPG主要特性這兩方面的比較，確定進行LNG加氣站設(shè)計時所依據(jù)的規(guī)范。分析并確定了LNG加氣站的儲存規(guī)模和等級劃分探討了LNG加氣站的總圖、工藝、公用工程及消防設(shè)計。關(guān)鍵詞：LNG加氣站；規(guī)范選用；儲存規(guī)模；等級劃分；設(shè)計Code Selection and Design of LNG Filling StationZH0U ChunAbstract：Through the comparison of Code for Design of City Gas Engineering(GB 500282006)and Code for Design and Construction of Automobile Gasoline and Gas Filling Station，(2006)(GB 501562002)as well as the key features between LNG and LPG，the code used in design of LNG filling station is determined.The storage size and grade level of LNG filling station are analyzed and determined.The design of general plan，process，public projects and fire control of LNG filling station is discussed.Key words：LNG filling station；code selection；storage size；grade level；designLNG汽車和LNG加氣站在國外特別是美國，已經(jīng)得到了長足發(fā)展，而在我國的發(fā)展時間尚未超過20年，還處于發(fā)展初期。因此，我國尚未頒布專門適用于LNG加氣站的設(shè)計規(guī)范。在進行LNG加氣站設(shè)計時，國外設(shè)計人員主要遵守NFPA5797汽車用液化天然氣(LNG)供氣系統(tǒng)標準，國內(nèi)已建成并正在示范運行的LNG加氣站遵循的設(shè)計標準也是NFPA5797。但由于各種原因，特別是國內(nèi)外行業(yè)發(fā)展水平、設(shè)備制造水平、管理水平的差異，我國行業(yè)主管部門及消防部門對國外規(guī)范的認可程度不高。根據(jù)以往的成功經(jīng)驗，采用大家更為熟悉的國內(nèi)相近的設(shè)計規(guī)范，更容易得到主管部門的認可。比如LNG氣化站發(fā)展初期，GB 5002893城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范中尚未有關(guān)于LNG氣化站的要求，設(shè)計時均參照了該規(guī)范中LPG氣化站的要求。因此，筆者認為在進行LNG加氣站沒計時，首選國內(nèi)已頒布實施的與國外規(guī)范相近的設(shè)計規(guī)范。1 LNG加氣站設(shè)計規(guī)范的選用一般認為，LNG加氣站的設(shè)計可參照GB 500282006城鎮(zhèn)燃氣設(shè)計規(guī)范中LNG氣化站的相關(guān)要求和GB 501562002汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范(2006年版)中LPG加氣站的相關(guān)要求1。前者的理論依據(jù)是LNG加氣站與LNG氣化站的物料均為LNG，僅兩者的廠站形式及建站地點不同。后者的理論依據(jù)是LNG具有比LPG更安全的特性參數(shù)，且LNG加氣站與LPG加氣站同為加氣站，建設(shè)地點都位于城市建成區(qū)內(nèi)。 規(guī)范的比較GB 500282006主要適用于LNG總儲存容積不大于2000m3的城鎮(zhèn)LNG供應(yīng)站的工程設(shè)計。該規(guī)范對LNG氣化站的儲罐及天然氣放散總管與站內(nèi)外建、構(gòu)筑物的防火間距、消防系統(tǒng)均作了明確規(guī)定。GB 501562002(2006年版)主要適用于汽車加油站、LPG加氣站、CNG加氣站和汽車加油加氣合建站工程的設(shè)計和施工。該規(guī)范對LPG加氣站的規(guī)模，LPG儲罐、卸車點、加氣機、放散管管口與站外建、構(gòu)筑物的防火間距，LPG加氣站內(nèi)設(shè)施之間的防火間距及消防系統(tǒng)均作了明確規(guī)定。GB 500282006主要適用于LNG氣化站，而LNG氣化站通常建于城市建成區(qū)之外。因此，該規(guī)范中LNG儲罐及放散總管與站外建、構(gòu)筑物的防火間距比GB 501562002(2006年版)中LPG儲罐及放散管與站外建、構(gòu)筑物的防火間距大。GB 500282006對卸車點、加氣機等與站外建、構(gòu)筑物的防火間距以及加氣站內(nèi)設(shè)施(儲罐與加氣機、站房、放散管等)之間的防火間距均沒有涉及，而GB 501562002(2006年版)對此有比較洋細的規(guī)定。GB 500282006與GB 501562002(2006年版)的相同點：a.對儲罐的消防設(shè)施要求一致，均要求儲罐的單罐容積大于20m3或總?cè)莘e大于50m3時，儲罐應(yīng)設(shè)置固定消防冷卻系統(tǒng)。b.對移動式消防用水量的規(guī)定基本相同。c.對公用工程的設(shè)計基本一致，但在工藝設(shè)計方面，由于LNG加氣站與LNG氣化站的物料均為LNG，所以GB 500282006中關(guān)于LNG氣化站的部分更具有針對性。 LNG與LPG的特性比較LNG是以甲烷為主要組分的烴類混合物，LNG與LPG的主要特性對比見表1。由表1可知：a.LNG比LPG更難點燃，且燃燒速度比LPG小。b.LNG的燃點、爆炸極限均比LPG高，且爆炸極限的范圍更寬。c.當溫度高于-112時，LNG蒸氣比空氣輕，易于向高處擴散；而LPG蒸氣比空氣重，易于在低處積聚而引發(fā)事故。因此，LNG在運輸、儲存和使用中的火災危險性及危害程度低于LPG，比LPG更安全2。從燃燒放出的熱量來看，相同體積的LNG和LPG氣化并燃燒后，LNG放出的熱量比LPG少，對周圍的熱輻射也小。因此，在防火間距和消防設(shè)施方面，對LNG加氣站的要求可以比對LPG加氣站的要求低。考慮到LNG加氣站在我國尚處于初期發(fā)展階段，采用與LPG加氣站基本相同的防火間距和消防設(shè)施是適宜的。表1 LNG與LPG主要特性對比項目LPGLNG燃點/493650點火能/mJ0.3050.330燃燒速度/(ms-1)0.420.38爆炸極限/%2.159.605.0015.00氣體密度大于空氣密度，少量泄漏后易積聚-112以上時小于空氣密度，少量泄漏后即揮發(fā) 設(shè)計規(guī)范的確定LNG加氣站與LPG加氣站的站內(nèi)設(shè)施相似，均包含加氣機、泵、儲罐、站房等。因此，從廠站的形式、建設(shè)地點、對站外環(huán)境的防火要求及站內(nèi)、外設(shè)施來看，LNG加氣站的設(shè)計規(guī)范更官選擇GB 501562002(2006年版)。從LNG與LPG的特性來看，LNG比LPG更安全，且兩者皆是加氣站。因此，LNG加氣站的設(shè)計規(guī)范也更宜選擇GB 501562002(2006年版)。畢竟LNG加氣站與LPG加氣站的物料不同，工藝設(shè)計和公用工程設(shè)計等方面存在差異。因此，為了更準確地體現(xiàn)LNG的特性，在工藝設(shè)計和公用工程設(shè)計等方面，對于GB 501562002(2006年版)未涉及的關(guān)于LNG特性要求的設(shè)計.應(yīng)采用GB 500282006。 因此，筆者認為在進行LNG加氣站的設(shè)計(包含總圖、工藝、公用工程、消防設(shè)計)時，應(yīng)主要依據(jù)GB 501562002(2006年版)中LPG加氣站的相關(guān)規(guī)定。GB 501562002(2006年版)未涉及的部分應(yīng)依據(jù)GB 500282006中LNG氣化站的相關(guān)規(guī)定。2 LNG加氣站的儲存規(guī)模及等級劃分2.1 影響儲存規(guī)模的因素LNG加氣站的設(shè)計中，確定LNG加氣站的儲存規(guī)模及單臺儲罐的容積時，應(yīng)主要考慮以下幾個影響因素： 加氣站的加氣規(guī)模及儲存周期LNG加氣站的加氣對象主要為公交車和客運大巴等易于集中加氣、集中管理的車輛，據(jù)了解，目前國內(nèi)已建成并投入使用的LNG加氣站日加氣100150車次。國內(nèi)公交車車載LNG氣瓶多為240L，充裝系數(shù)按85%考慮，則日加氣量為20.430.6m31。從需求方面來說，LNG加氣站主要建在城市建成區(qū)內(nèi)，而城市郊區(qū)通常建有LNG儲配站，供氣條件較好。因此，LNG加氣站的儲存周期宜為12d，故LNG加氣站所需儲罐容積宜為20.461.2m3。 與站外建、構(gòu)筑物的防火間距從理論方面分析，只要采取了相應(yīng)的安全措施，LNG加氣站的規(guī)?？梢耘cLNG氣化站相同。但從需求方面來看，由于LNG加氣站多建于城市建成區(qū)內(nèi)，對站外建、構(gòu)筑物與LNG加氣站內(nèi)儲罐及工藝設(shè)施的防火間距要求較高，不易找到滿足較大防火間距要求的建設(shè)用地。因此，LNG加氣站儲罐容積不宜過大。 設(shè)計規(guī)范對儲存規(guī)模的要求根據(jù)GB 501562002(2006年版)第3.0.4條的規(guī)定，LPG加氣站的儲罐總?cè)莘e不應(yīng)大于60m3，單罐容積不應(yīng)大于30m3。根據(jù)該規(guī)范的條文說明，此規(guī)模的確定既能滿足加氣需求，也能保證安全，降低風險，同時也是與相關(guān)規(guī)范及公安部消防局協(xié)調(diào)的結(jié)果。因此，LNG加氣站儲罐的容積規(guī)模也應(yīng)考慮該規(guī)范的要求。 站內(nèi)用地及消防水系統(tǒng)的要求根據(jù)GB 501562002(2006年版)第9.0.1、9.0.5條及GB 500282006第9.5.1條的規(guī)定，總?cè)莘e超過50m3或單罐容積超過20m3的LPG或LNG儲罐應(yīng)設(shè)置固定式消防冷卻水系統(tǒng)。若LNG加氣站的儲罐設(shè)置固定式消防冷卻水系統(tǒng)，同時考慮20L/s的消火栓消防用水量，則LNG加氣站總消防用水量必然超過25L/s。根據(jù)GB 500162006建筑設(shè)計防火規(guī)范第8.6.1條的規(guī)定，加氣站應(yīng)設(shè)置消防水池及消防泵房。因此，需要較大的用地面積。而LNG加氣站通常建于城市建成區(qū)內(nèi)，很難找到符合要求的用地。另一方面，據(jù)了解，國內(nèi)已建成并投入運行的LPG加氣站通常采用23臺單罐容積為20m3或30m3的埋地式儲罐，這可以避免設(shè)置儲罐固定消防冷卻水系統(tǒng)，與站外建、構(gòu)筑物的防火間距也可以適當減小。而LNG儲罐為真空絕熱儲罐，通常為地上式儲罐。地下式LNG儲罐在國內(nèi)尚未有實施的工程實例，國外的工程實例也較少。因此，為了減小加氣站的消防用水量，減小占地面積，LNG加氣站儲罐的總?cè)莘e不宜大于50m3，單罐容積不宜大于20m3。 儲罐的規(guī)格國產(chǎn)LNG儲罐容積通常為20m3、30m3、50m3、100m3和200m3等，LNG加氣站儲罐應(yīng)盡可能采用常規(guī)規(guī)格的產(chǎn)品，便于采購。2.2 儲存規(guī)模的確定綜合考慮LNG加氣站的加氣規(guī)模，儲存周期，與站外建、構(gòu)筑物的防火間距，設(shè)計規(guī)范對儲存規(guī)模的要求，站內(nèi)消防水系統(tǒng)的要求，儲罐的規(guī)格等因素，筆者認為在參照執(zhí)行GB 501562002(2006年版)的前提下，為減小LNG加氣站的用地面積，使加氣站更容易實施，LNG加氣站的單罐容積為20m3，總?cè)莘e為20m3或40m3。2.3 加氣站的等級劃分按GB 501562002(2006年版)第3.0.4條的規(guī)定，LPG加氣站的等級劃分見表2，設(shè)V為液化石油氣罐總?cè)莘e。表2 液化石油氣加氣站的等級劃分3級別液化石油氣罐容積/m3總?cè)莘e單罐容積一級45V6030二級30V4530三級V3030儲罐總?cè)莘e為40m3，單罐容積為20m3的LNG加氣站屬于二級站；儲罐總?cè)莘e為20m3，單罐容積為20m3的LNG加氣站屬于三級站。3 LNG加氣站的總圖設(shè)計 功能分區(qū)根據(jù)LNG加氣站的實際情況和生產(chǎn)工藝需求，站區(qū)可分為儲存區(qū)、加氣區(qū)和站房。儲存區(qū)的主要設(shè)備包括LNG儲罐、LNG泵、卸車增壓器、調(diào)飽和器等。加氣區(qū)由加氣機和加氣罩棚組成。站房通常由值班室、綜合營業(yè)廳、儀表配電間、空壓機房、辦公室等組成。 總圖布置a. 根據(jù)GB 501562002(2006年版)第5.0.1條的規(guī)定，站區(qū)工藝設(shè)施一側(cè)應(yīng)設(shè)置高2.2m的非燃燒實體圍墻，面向進、出口道路的一側(cè)宜設(shè)置非實體圍墻，或開敞。b. LNG儲罐、LNG泵、卸車增壓器、調(diào)飽和器等設(shè)備布置在高度為1.0m的圍堰內(nèi)，卸車接頭及其閥門可布置在圍堰墻體上。c. 儲存區(qū)、加氣區(qū)、站房均獨立布置，布置時應(yīng)注意LNG泵與LNG加氣機的距離要盡可能短，不宜大于15m。原因是國內(nèi)LNG汽車的車輛供氣系統(tǒng)未設(shè)置氣瓶增壓器，為了保證供氣壓力的穩(wěn)定性，使之能滿足發(fā)動機的用氣壓力要求，給車輛加注的LNG必須為飽和液體。若LNG泵與LNG加氣機的距離過長，無車輛加氣時，管道內(nèi)剩余的飽和LNG較多，容易氣化，會影響加氣并排放大量的氣體，造成浪費。 d. LNG加氣站的工藝設(shè)施與站外建、構(gòu)筑物之間的防火距離按GB 500282006中LNG氣化站相關(guān)的防火間距執(zhí)行。工藝設(shè)施與站內(nèi)建、構(gòu)筑物之間的防火距離按GB 501562002(2006年版)中LPG加氣站相關(guān)的防火間距執(zhí)行。LNG加氣站的總圖布置見圖1。 4 LNG加氣站的工藝設(shè)計4.1 工藝流程 卸車流程將LNG由槽車轉(zhuǎn)移至LNG儲罐中，主要有卸車增壓器卸車、LNG泵卸車及兩者聯(lián)合卸車等3種方式4。卸車增壓器卸車的優(yōu)點是完全采用環(huán)境熱量，不耗費電能，工藝流程相對簡單；缺點是卸車速度比較慢，冬季室外溫度較低時尤為明顯。LNG泵卸車的優(yōu)點是卸車時間較短，工藝流程相對簡單；缺點是耗費大量電能，啟動前需要對泵進行預冷。卸車增壓器和LNG泵聯(lián)合卸車的優(yōu)點是卸車時間比單獨采用卸車增壓器卸車時間短，耗費的電能比單獨采用LNG泵卸車少；缺點與單獨采用LNG泵相同。筆者建議LNG加氣站應(yīng)具有卸車增壓器、LNG泵單獨卸車和同時卸車的功能。夏季宜采用卸車增壓器卸車，冬季宜采用卸車增壓器和LNG泵聯(lián)合卸車。 調(diào)飽和流程我國LNG汽車的車輛供氣系統(tǒng)未設(shè)置氣瓶增壓器，為了保證供氣壓力的穩(wěn)定性，使之能滿足發(fā)動機的用氣壓力要求，車載瓶中的LNG必須為飽和液體。因此，加氣前需要使儲罐中的LNG升溫、升壓，處于飽和狀態(tài)。調(diào)飽和有3種方式：調(diào)飽和器調(diào)飽和、LNG泵調(diào)飽和、調(diào)飽和器與LNG泵聯(lián)合調(diào)飽和4。這3種方式的優(yōu)缺點與LNG卸車采用的3種方式的優(yōu)缺點基本相同。筆者建議LNG加氣站應(yīng)采取調(diào)飽和器和LNG泵聯(lián)合調(diào)飽和的方式，可以大大縮短LNG的調(diào)飽和時間，避免加氣車輛的長時間等待。 加氣流程LNG的加氣流程是指LNG泵將儲罐中的LNG抽出，輸送至LNG加氣機，通過LNG加氣機給汽車加氣。 卸壓流程當儲罐壓力大于設(shè)定值時，打開安全閥，釋放儲罐中的氣體，降低壓力，以保證儲罐安全，放散的氣體通過集中放散管放空。4.2 主要設(shè)備 LNG儲罐LNG加氣站采用的低溫壓力儲罐為真空粉末絕熱儲罐。儲罐分為內(nèi)罐和外罐兩層，內(nèi)罐材質(zhì)為0Cr18Ni9，外罐材質(zhì)為16MnR。內(nèi)外罐之間采用真空粉末絕熱，真空隔熱層厚度為250mm。儲罐的日蒸發(fā)率小于0.25%，充裝系數(shù)為0.9。儲罐上裝有高、低液位報警設(shè)施，內(nèi)罐壓力高報警設(shè)施，超壓自動排放罐頂氣體的自力式降壓調(diào)節(jié)閥以及安全閥等，以保證儲罐的安全。在儲罐進、出口的LNG管道上設(shè)有緊急切斷閥，當有緊急情況發(fā)生時，可迅速關(guān)閉閥門，以保證系統(tǒng)安全。目前，20m3真空粉末絕熱低溫儲罐主要為立式和臥式2種形式。立式儲罐的優(yōu)點是占地面積小，罐內(nèi)液體與LNG泵的靜壓頭大，有利于LNG的調(diào)飽和及汽車加注；缺點是立式儲罐比較高，美觀性差。臥式儲罐的優(yōu)點是比較低，美觀性好，容易被周圍人群接受；缺點是占地面積大，罐內(nèi)液體與LNG泵的靜壓頭小。目前國內(nèi)示范運行的加氣站均采用立式儲罐，有成功的經(jīng)驗?？紤]到有利于汽車加注和LNG的調(diào)飽和，筆者推薦采用立式儲罐。 LNG泵輸送LNG這類低溫的易燃介質(zhì)，不僅要求輸送泵能承受低溫，而且對其氣密性能和電氣方面的安全性能要求很高。隨著對泵結(jié)構(gòu)、材料等方面的研究有了很大的進展，一種安裝在密封容器內(nèi)的潛液式電動泵在LNG系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。其主要特點是將泵與電動機整體安裝在一個密封的金屬容器內(nèi)，不需要軸封，也不存在軸封的泄漏問題5。通常潛液式電動泵可分為船用泵、汽車燃料泵、LNG高壓泵(罐外泵)和大型儲罐的罐內(nèi)泵。LNG加氣站中，LNG的轉(zhuǎn)運和加注采用的是汽車燃料泵，其結(jié)構(gòu)緊湊，立式安裝，特別適用于汽車燃料加注和低溫槽車轉(zhuǎn)運LNG。LNG泵采用安全的潛液電動機，電動機和泵都浸沒在流體中，不需要軸封。在吸入口增加了導流器，減少流體在吸入口的阻力，防止泵氣蝕。LNG加氣站采用的LNG泵通常為兩級離心泵，由一臺變頻器控制，能適應(yīng)不同的流量范圍，電氣元件安裝在具有防爆功能的接線盒及其罩殼內(nèi)，流量為8340L/min，揚程為15250m。主要廠家包括美國的ACD公司、日本的Nikkiso公司、瑞士的Cryomec公司等。 LNG加氣機LNG加氣機是依據(jù)直接測量流體介質(zhì)質(zhì)量的原理，利用先進的傳感和微電腦測控技術(shù)，具有高精度、多功能的新型LNG加液計量裝置，主要用于計量充入LNG車載瓶的液量。同時，加氣機應(yīng)用微測控技術(shù)對計量過程進行自動控制，顯示屏直接顯示被測液體的流量、單價、金額及加液量累計值，可遠程通信，實現(xiàn)計算機中央管理6。目前，LNG加氣機多采用進口，其計量方式為單管計量，單槍加氣，計量精度為0.1%，最大質(zhì)量流量為80.0kg/min，具有溫度補償功能，配帶拉斷閥。 調(diào)飽和器和卸車增壓器LNG加氣站采用的調(diào)飽和器和卸車增壓器均為空溫式換熱器，LNG通過吸收環(huán)境熱量達到氣化升溫的目的，能耗很低。為了提高氣化速率和換熱效率，調(diào)飽和器和卸車增壓器的主體通常采用耐低溫的鋁合金縱向翅片管，且擁有很大的換熱面積。其影響因素主要為流量、工作壓力、工作周期、大氣溫度、相對濕度、風力、日照等7。筆者建議調(diào)飽和器的流量為200m3/h，立式安裝；卸車增壓器的流量為300m3/h，臥式安裝。5 LNG加氣站的公用工程設(shè)計LNG加氣站的公用工程設(shè)計主要包括土建設(shè)計、電氣設(shè)計、自控設(shè)計和給排水設(shè)計，應(yīng)按照GB 501562002(2006年版)第911章及GB 500282006第9.4、9.5、9.6條的規(guī)定進行設(shè)計。土建設(shè)計主要包括站房、設(shè)備基礎(chǔ)、加氣島、加氣罩棚柱、圍堰、場地等內(nèi)容的設(shè)計；基本要求有站房耐火等級不小于二級，門、窗向外開等。電氣設(shè)計主要包括設(shè)備的動力用電、站房及站區(qū)的照明用電、站區(qū)的防雷防靜電設(shè)計等；基本要求有加氣站的供電負荷為三級，但有條件的情況下可設(shè)計為二級，罩棚、營業(yè)室、配電間等應(yīng)設(shè)置事故照明等。自控設(shè)計主要包括設(shè)備的控制及狀態(tài)顯示、加氣機的收費系統(tǒng)、可燃氣體檢測報警系統(tǒng)及低溫檢測報警裝置；基本要求有儲罐進出液管應(yīng)設(shè)置緊急切斷閥，并與液位控制連鎖，在可能發(fā)生LNG泄漏的區(qū)域，設(shè)置可燃氣體和低溫泄漏報警裝置等。給排水設(shè)計主要包括站區(qū)的雨水、站房的給水、排水沒計；基本要求有圍堰內(nèi)的排水利用管道排出站外時應(yīng)設(shè)置水封井，防止LNG流入下水道等。6 LNG加氣站的消防設(shè)計 消防水系統(tǒng) 筆者確定的LNG加氣站儲罐的總?cè)?