L/CNG加氣站設(shè)計優(yōu)化建議及安全運行管理

摘 要：根據(jù)實際建站經(jīng)驗，分別對液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG）工藝進行了對比、優(yōu)化，并緊抓“四個重點”環(huán)節(jié)，從而降低投資成本，確保加氣站的安全運行。

關(guān)鍵詞：加氣站；安全管理；天然氣；汽車

中圖分類號：U473.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.16.042

液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG）作為汽車燃料，具有安全、環(huán)保和經(jīng)濟等優(yōu)越性。與煤炭、汽柴油等常規(guī)能源相比，其能產(chǎn)生相同的熱值，但燃燒產(chǎn)生的CO2比煤低約60%、比汽柴油低約35%；產(chǎn)生的CO比汽柴油低90%；產(chǎn)生NOX約為煤的65%、汽柴油的40%；產(chǎn)生SOX約為0.大力發(fā)展天然氣汽車是城市環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的需要，天然氣加氣站的普及可優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，解決能源供應(yīng)安全、生態(tài)環(huán)境保護問題，為實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要的作用。近年來，液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG）加氣站在全國各個城市得到大力建設(shè)，特別是在擁有煤層氣（非常規(guī)天然氣）資源巨大儲量的山西有著廣闊的市場前景。山西省的能源變革從2010-07正式提出“氣化山西”戰(zhàn)略開始，天然氣加氣站也像雨后春筍般迅速發(fā)展，但因起步較晚，當前投運的LNG和CNG加氣站在設(shè)計和管理方面尚未成熟，有必要對其進行優(yōu)化設(shè)計、進一步加強安全管理，以更好地保障LNG和CNG加氣站的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行。

我公司建有1座液化天然氣（LNG）與壓縮天然氣（CNG）的合建站，LNG加氣站為三級站設(shè)計，CNG加氣站為子站設(shè)計，共占地6 500 m2。

1 加氣站的設(shè)計和優(yōu)化

1.1 CNG加氣站

1.1.1 現(xiàn)狀

可從以下7方面了解CNG加氣站的現(xiàn)狀：①工藝流程概況。CNG槽車→1臺卸氣柱→2座壓縮機組（一開一備）→高低壓儲氣井（6 m3）→4臺加氣機（雙槍）→加氣汽車。②CNG運輸槽車。自購兩頭三掛，平均運距為50 km，可完全滿足每日約10 000 m3銷售量的需求。③卸氣柱。1臺，流量為3～80 kg/min，無備機，可滿足生產(chǎn)需要。④液壓壓縮機組。2座（一開一備），一撬雙缸，規(guī)格為2×37 kW，采用立式安裝，雙缸二級壓縮（兩缸串聯(lián)工藝），空氣冷卻，平均排氣量為1 500 m3/h。⑤儲氣井。共6 m3（水容積），其中，高壓2 m3，中壓4 m3。⑥三線加氣機。4臺雙槍，單臺加氣機充裝量為1～20 kg/min，具備同時加氣功能。⑦在實際運行中，加氣量受市場影響在8 000～15 000 m3/d之間波動，當前穩(wěn)定在8 000～9 000 m3/d。

1.1.2 優(yōu)化建議

該加氣站經(jīng)過1年投運，整體運行平穩(wěn)，但根據(jù)運行相關(guān)數(shù)據(jù)和兄弟單位設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)、運行的相關(guān)經(jīng)驗對比分析認為，采取如下設(shè)計方案，可使CNG加氣站的投資、建設(shè)、運行更加經(jīng)濟、快捷、安全和穩(wěn)定。具體設(shè)計方案分為以下5方面：①工藝流程。CNG槽車→1臺卸氣柱→1座壓縮機組→地上儲氣瓶組（6 m3）→4臺加氣機（雙槍）→加氣汽車。②卸氣柱。增加整機配件全套備存，避免因單機而造成系統(tǒng)停車事故，從而確保不間斷卸氣運行。③液壓壓縮機組。建議采用1座機組，一撬雙機，規(guī)格為2×37 kW，采取立式安裝，單缸二級壓縮，兩缸并聯(lián)工藝，即利用1座機組可達到一開一備的目的。選用該類壓縮機組可減少備用機組的投資，從而降低建站成本。④儲氣設(shè)施。地下儲氣井投資大，且維檢修不方便，建議采用地面儲氣瓶組工藝。該工藝不僅能降低建設(shè)成本，且易于日常檢查、監(jiān)測和維修。⑤調(diào)試運轉(zhuǎn)。在CNG加氣站調(diào)試的運轉(zhuǎn)中必須嚴格工藝要求，避免造成設(shè)定程序與工藝要求不符等軟故障。三線加氣機加氣程序應(yīng)為“先槽車、后中壓儲氣井，最后高壓儲氣井”，該程序曾經(jīng)發(fā)生過次序顛倒，變?yōu)椤跋炔圮?、后高壓儲氣井，最后中壓儲氣井”，此變化會造成壓縮機頻繁啟動、電能消耗大。此類軟故障不易發(fā)現(xiàn)，必須經(jīng)過認真排查才能發(fā)現(xiàn)、解決。工藝糾正后，在CNG加氣的過程中的耗電量可降低0.02 kW·h/m3。

CNG加氣站采用上述優(yōu)化和運行校正策略改進后，加氣站CNG部分的投資將減少92萬元，CNG運行費用可節(jié)約51 100元/年，這將大大提高加氣站市場經(jīng)營的核心競爭力。

1.2 LNG加氣站

1.2.1 現(xiàn)狀

可從以下8方面了解LNG加氣站的現(xiàn)狀：①工藝流程概況。LNG槽車→60 m3儲罐→2級泵撬→2臺加液機（單槍）→加氣汽車。②采用液化天然氣（LNG）外購。③組合增壓器600 m2（汽化器），分別為增壓器300 m2+調(diào)飽和加熱器150 m2+放散汽化器150 m2。④EAG加熱器200 m3/h；BOG加熱器200 m3/h；BOG電加熱200 m3/h、0.7 m2。⑤60 m3低溫液體儲罐1座，采用立式安裝和真空粉末絕熱。⑥潛液泵2臺，單臺11 kW，每臺流量為340 L/min。⑦加液機2臺，每臺流量為3～80 kg/min。⑧加氣站的實際運行能力為25～40 t/d。

1.2.2 優(yōu)化建議

具體的優(yōu)化建議有以下6點：①管道設(shè)計。應(yīng)對液相管道進行3‰的坡度設(shè)計，以減少潛液泵的集氣概率；管路安裝力求簡化，減少管件（閥門、彎頭）的數(shù)量，以降低阻力、縮短流通時間。②調(diào)飽和工藝。該工藝是解決汽車發(fā)動機點火問題的有效途徑之一。目前，加氣汽車已經(jīng)全部采用新的點火系統(tǒng)，該工藝從未使用，建議淘汰。③真空閥箱。雖然該設(shè)備外形美觀，但現(xiàn)場操作管線工藝不直觀，不僅增加了操作難度、易造成誤操作，且造價成本較高。④汽化器。應(yīng)高位安裝增壓汽化器，以提高通風效果，并通過提高通風效果來提高液化天然氣（LNG）的汽化效率，安裝高度以高于圍堰為宜。⑤卸液位置。應(yīng)充分考慮LNG的卸車位置，卸車液相管應(yīng)低于槽車卸液口、卸液管線應(yīng)盡量短；距離儲罐越近越好；卸液車停車位置不可與加液汽車停車位置沖突，否則易造成交叉作業(yè)影響，降低加氣站的運行能力。⑥加液軟管。建議采用非真空軟管，通過減少自重方便操作、降低加液槍密封墊圈的破損概率。

LNG加氣站采用上述優(yōu)化和運行校正策略改進后，加氣站LNG部分的投資將降低2.5萬元。同時，通過管路優(yōu)化實現(xiàn)自增壓的方式卸車，減少了潛液泵開啟次數(shù)、設(shè)備磨損和加液槍的維修次數(shù)，節(jié)約了電能，提高了汽化器的換熱效率和生產(chǎn)效率，LNG運行費用預(yù)計可節(jié)約30 500元/年。

2 加氣站的安全運行管理

針對LNG/CNG加氣站易燃、易爆、高壓和低溫等危險特性，在設(shè)計建設(shè)運行期間，按照《安全生產(chǎn)標準化規(guī)范》對站場進行了嚴格管理，特別是重點加強了對以下4項內(nèi)容的管控。

2.1 靜止設(shè)備的安全管理

2.1.1 防爆區(qū)的劃分

加氣站生產(chǎn)區(qū)為罐區(qū)、卸車區(qū)、壓縮區(qū)，加氣區(qū)屬于氣體Ⅱ區(qū)爆炸危險場所，其余環(huán)境為正常環(huán)境。爆炸危險環(huán)境場中的用電設(shè)備和照明燈具均采用隔爆型電氣設(shè)備，規(guī)格為dⅡBT4。此外，還配備有滅火器材、自建消防水系統(tǒng)，連續(xù)供水時間不短于3 h；區(qū)域應(yīng)制作隔離欄進行有效的隔離防護。

2.1.2 防雷區(qū)的劃分

罐區(qū)、加氣罩棚屬于第二類防雷建筑物。應(yīng)有效預(yù)防直擊雷，根據(jù)《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》和《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》，儲罐等設(shè)備壁厚應(yīng)>4 mm，可利用設(shè)備本體兼作接閃器，不專設(shè)避雷針，但應(yīng)保證設(shè)備本體有良好的電氣性能和工藝裝置區(qū)有接地網(wǎng)連接；應(yīng)有效預(yù)防雷電波侵入，低壓電纜采用埋地敷設(shè)的方式，電纜金屬外皮均接到接地裝置上，所有管道在進、出建筑物時應(yīng)與接地裝置相連，管道每隔25 m接地1次；應(yīng)有效預(yù)防雷擊電池脈沖，其主要侵害對象為計算機信息系統(tǒng)，站房的控制室等建筑物屋面應(yīng)裝設(shè)避雷針網(wǎng)格，其規(guī)格應(yīng)≤10 m×10 m，供配電系統(tǒng)線路首、末端均應(yīng)裝設(shè)電涌保護器。

2.1.3 防靜電措施

在生產(chǎn)中，液體和氣體在設(shè)備管道中高速流動時會產(chǎn)生靜電，電荷可能高達數(shù)千伏，有可能因產(chǎn)生靜電放電火花而引燃泄漏氣體。因此，防止靜電火花最根本的方法是在設(shè)備管道中做好接地，每臺設(shè)備應(yīng)有2處接地；管道每隔25 m接地1次；在法蘭、閥門之間做好電氣跨接；在加氣汽車裝卸作業(yè)中，應(yīng)將接地夾與裝卸設(shè)備等電位連接。

2.1.4 接地系統(tǒng)的檢測

配電系統(tǒng)采用TN-S接地形式，引入低壓電源進線在控制室重復(fù)接地，接地電阻≤4 Ω；電氣設(shè)備的金屬外殼均做保護接地，防止人身觸電，接地電阻≤10 Ω；防雷接地電阻≤10 Ω；防靜電電阻≤100 Ω；自控儀表等信息系統(tǒng)接地電阻≤1 Ω；所有接地系統(tǒng)，比如防雷接地、電氣系統(tǒng)接地、防靜電接地和信息系統(tǒng)共用接地裝置，接地電阻≤1 Ω。以上接地電阻應(yīng)由專業(yè)部門每半年檢定1次。

2.1.5 附屬設(shè)施的檢測

燃氣屬于易燃易爆物質(zhì)，一旦發(fā)生泄漏，則存在爆炸的危險，加之LNG屬于超低溫（-163℃）物質(zhì)、CNG屬于超高壓（250 kg/cm2）物質(zhì)，低溫和高壓對人員和環(huán)境均構(gòu)成了巨大的安全隱患。因此，必須加強對監(jiān)測設(shè)施和安全保護裝置的管理，定期到專業(yè)部門檢定，溫度、壓力設(shè)施應(yīng)每半年檢定1次；安全放散閥應(yīng)每年檢定1次。

2.2 動態(tài)設(shè)備的安全管理

2.2.1 燃氣報警系統(tǒng)監(jiān)控

在旋轉(zhuǎn)設(shè)備和加氣（液）島兩部分動設(shè)備區(qū)域安裝了可燃氣體探測器，并采取了集中連鎖控制，監(jiān)測到可燃氣體濃度在爆炸下限（LEL）的20%時，現(xiàn)場和控制室聲光報警；可燃氣體濃度達到爆炸下限（LEL）的40%時，控制系統(tǒng)采取緊急連鎖停車?？扇細怏w探測器須每年進行1次監(jiān)測和報廢更新。

2.2.2 緊急停車裝置（ESD）

LNG和CNG系統(tǒng)中加氣島、卸氣、壓縮等操作區(qū)均設(shè)有緊急停車裝置。在操作和運行過程中，如果發(fā)生故障，則立即啟動緊急停車裝置；分析清楚故障原因、確認故障排除后恢復(fù)生產(chǎn)。

2.2.3 拉斷保護裝置

加氣（液）機的加氣槍根部均裝配了拉斷裝置，防止因車輛過早開動或漂移而造成拉力負荷。此類拉力負荷可能會對連接處和裝卸管路造成機械損壞甚至損毀，進而導(dǎo)致裝卸介質(zhì)泄漏、失控，在一定程度上對人體和環(huán)境造成危害。為了防止此類危險情況的發(fā)生，緊急拉斷閥通常具有以下2種功能：①預(yù)定斷開機制。其能在達到負荷極限前足夠大的范圍內(nèi)響應(yīng)。②具有斷開點瞬時自動閉鎖裝置，可防止介質(zhì)泄漏，且每支加氣（液）槍均帶有拉斷保護功能。

2.2.4 日常維護

應(yīng)定期排污，加氣機過濾器排污2次/周，壓縮機過濾器排污1次/周；定期更換濾網(wǎng)，天然氣過濾器濾網(wǎng)運行5 000 h更換，油過濾器濾芯運行5 000 h更換；定期更換密封墊圈，活動連接部位的密封墊圈要根據(jù)季節(jié)特點和使用情況定期更換，比如加液槍、加氣槍等的活動連接部位。

2.3 作業(yè)現(xiàn)場的安全防護

2.3.1 低溫凍傷防護

低溫部位包括LNG液體表面、低溫管線和設(shè)備等，如果與這些低溫部位接觸的皮膚沒有得到充分保護，則會導(dǎo)致低溫凍傷。如果皮膚潮濕，則會被黏在低溫物體表面，進而造成皮膚撕裂，此時可以通過加熱的方式挪開肢體。對于接觸低溫部位的操作人員，一定要穿上特殊的勞動服，防止皮膚與低溫液體直接接觸。特殊勞保包括保護臉部的面罩、安全帽；低溫手套、長袖外衣、長褲和高筒靴，其尺寸要寬大，便于快速脫下。

2.3.2 窒息危害的防護

呼吸天然氣會損害人體健康，短時間內(nèi)將導(dǎo)致呼吸困難，長時間吸入會引發(fā)疾病。天然氣并沒有毒，但它會降低氧含量，導(dǎo)致窒息，如果人體吸入純天然氣體，會很快失去知覺，幾分鐘后便會死亡。當空氣中的氧含量逐漸降低時，操作人員可能不會意識到，即便意識到也已經(jīng)太遲。要預(yù)防此類傷害，需配備可燃氣體探測器，設(shè)置高、低限報警，并啟動ESD系統(tǒng)。

2.3.3 爆炸防護

天然氣屬易燃易爆物質(zhì)，爆炸極限為5%～15%；當LNG蒸汽溫度低于-106.7 ℃時，其比空氣重，不易擴散。要預(yù)防著火爆炸事故，需配備可燃氣體探測器，設(shè)置高、低限報警，并啟動ESD系統(tǒng)。同時，配備足量、適合的滅火器材，每季度進行1次消防演習。

2.4 安全管理的“3E”對策

造成人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)的主要原因有4個：①不端正的工作態(tài)度。個別職工忽視安全，甚至故意采取不安全行為。②工作人員缺乏安全生產(chǎn)知識、經(jīng)驗，且技術(shù)不熟練。③上崗職工身體不適。工作人員的生理狀態(tài)或健康狀況不佳，比如聽力、視力不良，反應(yīng)遲鈍、疾病、醉酒或存在其他生理機能障礙。④不良的工作環(huán)境。主要包括照明、溫度、濕度不適宜，通風不良，強烈的躁動、振動，物料堆放雜亂、作業(yè)空間狹小，設(shè)備、工具缺陷等不良的物理環(huán)境，以及操作規(guī)程、安全規(guī)程不合適。針對這4方面的原因，應(yīng)嚴格按照“3E”原則加強安全管理。

2.4.1 工程技術(shù)（Engineering）對策

運用工程技術(shù)手段消除不安全因素，確保生產(chǎn)工藝、機械設(shè)備等生產(chǎn)條件的安全。動設(shè)備、靜設(shè)備的管理和作業(yè)現(xiàn)場防護等三部分內(nèi)容，即是根據(jù)工藝特性采取的針對性的技術(shù)措施。

2.4.2 教育（Education）對策

利用各種形式的教育和訓(xùn)練，使職工樹立“安全第一、預(yù)防為主”的思想，掌握安全生產(chǎn)所必需的知識和技能。職工安全教育主要通過內(nèi)部開展三級安全教育、班組安全教育、應(yīng)知應(yīng)會學(xué)習考試、周三安全日和周四學(xué)習日等系列活動來完成；相關(guān)方安全教育是加氣站安全管理的重要組成部分，主要通過當?shù)仉娨暋⒔煌娕_和報紙等媒體宣傳教育；在加氣站向加氣車輛駕駛?cè)藛T發(fā)放宣傳畫、宣傳手冊；在加氣站醒目位置懸掛警示標志；在人員密集場所開展警示教育宣傳活動。

2.4.3 強制（Enforcement）對策

借助于國家法律法規(guī)、企業(yè)規(guī)章制度等必要的手段約束人的行為。嚴格執(zhí)行各項安全管理制度，主要通過日常檢查、節(jié)假日檢查、季節(jié)性檢查和專項檢查等方法管控，公司層面通過各項安全檢查監(jiān)督、考核，主要考核途徑有生產(chǎn)安全月考核、班組建設(shè)月考核、安全生產(chǎn)標準化季度考核、安全風險季度考核和機電設(shè)備季度考核。因此，可通過各類檢查考核測評工作人員的安全績效，并采取經(jīng)濟手段規(guī)范工作人員的行為，持之以恒地緊抓加氣站的安全管理工作。

3 結(jié)論

通過采取以上優(yōu)化設(shè)計和運行校正策略，可降低投資和運行費用，從而提高加氣站的投資利潤率，這是提高企業(yè)核心競爭力的重要途徑。

加強對加氣站的安全管理，就是要緊抓“四個重點環(huán)節(jié)”，即靜態(tài)設(shè)備管理、動態(tài)設(shè)備管理、作業(yè)現(xiàn)場管理和人的管理，以防范人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)和彌補管理上的缺陷，最終提高加氣站的安全性、穩(wěn)定性，切實有效預(yù)防各類生產(chǎn)安全事故的發(fā)生。

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作者簡介：董十棉（1971—），男，山西晉中人，1994年畢業(yè)于山東科技大學(xué)化工工藝專業(yè)（本科），工學(xué)學(xué)士，現(xiàn)任太原煤炭氣化（集團）晉中燃氣有限公司安監(jiān)處副處長，主要從事城市燃氣輸配和L/CNG加氣站的投資和管理工作。

〔編輯：張思楠〕

Abstract： Author according to the actual site experience， respectively of liquefied natural gas（LNG）and compressed natural gas（CNG）the comparison of the technology， optimization， and seize the “four key links”， thereby reducing investment cost， ensure the safe operation of the gas station.

Key words： gas filling station； safety management； natural gas； automobile