閔行LNG汽車加氣與灌裝示范站工程工藝及安全設(shè)計(jì)

上海燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)研究有限公司 李海倫

為做好上海 LNG汽車示范應(yīng)用，穩(wěn)步推進(jìn)天然氣在交通能源領(lǐng)域的應(yīng)用，同時(shí)拓展 LNG非管輸應(yīng)用技術(shù)，利用閔行液化氣儲(chǔ)配站原舊站區(qū)14 846 m2(約合22.2畝)土地資源建設(shè)閔行LNG汽車加氣與灌裝示范站工程。該示范站工程集 LNG汽車加氣、LNG灌裝分輸和應(yīng)急保障供應(yīng)為一體，將為上海在 LNG汽車應(yīng)用方面積累經(jīng)驗(yàn)，探索適合上海的發(fā)展之路。本文以該工程為例，對(duì)其工藝設(shè)計(jì)和安全設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)和討論。

1 工程概況

閔行 LNG汽車加氣與灌裝示范站工程即上海LNG非管輸應(yīng)用示范項(xiàng)目位于上海市昆陽(yáng)路 1738號(hào)上海液化石油氣經(jīng)營(yíng)有限公司儲(chǔ)配分公司(閔行站)場(chǎng)地內(nèi)，拆除原有生產(chǎn)設(shè)施后建設(shè)。工程建設(shè)用地面積為14 846 m2，工程分為東側(cè)的LNG汽車加氣示范站及西側(cè)的LNG灌裝示范站2個(gè)獨(dú)立的站區(qū)，兩個(gè)獨(dú)立站區(qū)為非合建站。兩站區(qū)之間的安全間距按規(guī)范規(guī)定的設(shè)備與站外建(構(gòu))筑物的安全間距設(shè)計(jì)。

1.1 LNG汽車加氣示范站

LNG汽車加氣示范站站區(qū)合建加油站，為加油加氣(LNG)合建站，擬建1臺(tái)60 m3LNG儲(chǔ)罐、4臺(tái)30 m3儲(chǔ)油罐(2臺(tái)30 m3汽油罐，2臺(tái)30 m3柴油罐)，設(shè)2臺(tái)雙槍LNG加氣機(jī)、4臺(tái)雙泵四槍加油機(jī)，每天可為400輛LNG汽車和燃油汽車提供加氣/加油服務(wù)，本項(xiàng)目加油加氣合建站為二級(jí)站。

1.2 LNG灌裝示范站

LNG灌裝示范站儲(chǔ)存規(guī)模為2臺(tái)100 m3LNG儲(chǔ)罐，氣化規(guī)模為300 m3/h，同時(shí)設(shè)4個(gè)鋼瓶充裝位進(jìn)行鋼瓶充裝。該站的主要功能是 LNG儲(chǔ)存、LNG氣化外輸及LNG鋼瓶充裝。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

工藝流程反映了工藝生產(chǎn)的全部過程，在整個(gè)設(shè)計(jì)中，設(shè)備選型、工藝計(jì)算、設(shè)備置布等工作都與工藝流程有直接關(guān)系。

2.1.1 LNG汽車加氣工藝(見圖1)

圖1 LNG汽車加氣示范站工藝流程

LNG通過LNG槽車運(yùn)至LNG汽車加氣示范站內(nèi)，采用卸車增壓器和LNG潛液泵聯(lián)合卸車的方式，將槽車內(nèi)LNG通過工藝管道卸至站內(nèi)LNG儲(chǔ)罐。后通過 LNG潛液泵、LNG加氣機(jī)對(duì) LNG車輛進(jìn)行加氣。另外，本工程設(shè)有調(diào)飽和功能，儲(chǔ)罐內(nèi)LNG通過LNG潛液泵和飽和增壓器調(diào)飽和后給加氣車輛加注，以保證加氣車輛的使用性能。

LNG儲(chǔ)罐、低溫槽車及其它在LNG儲(chǔ)存、生產(chǎn)期間產(chǎn)生的BOG(蒸發(fā)氣)，經(jīng)空溫式氣化器加熱后，經(jīng)調(diào)壓(調(diào)壓至0.4～0.7 MPa)計(jì)量后輸送至相鄰LNG灌裝示范站的BOG儲(chǔ)氣罐。

2.1.2 LNG灌裝示范站工藝(見圖2)

圖2 LNG灌裝示范站工藝流程

LNG由LNG槽車運(yùn)至LNG灌裝示范站區(qū)，利用卸車增壓器將槽車內(nèi)的LNG卸入LNG儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐內(nèi) LNG一路經(jīng) LNG潛液泵輸送到灌裝區(qū)給LNG鋼瓶充裝，另一路通過儲(chǔ)罐增壓器加壓后，經(jīng)空溫式氣化器加熱(冬季空溫式氣化器出口溫度低于－5 ℃時(shí)，需經(jīng)蒸汽復(fù)熱器復(fù)熱)，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量加臭，輸送至廠區(qū)的鍋爐房。

LNG儲(chǔ)罐、低溫槽車、LNG充裝鋼瓶及其它在LNG生產(chǎn)期間產(chǎn)生的BOG，經(jīng)BOG加熱器加熱(冬季BOG加熱器出口溫度低于－5 ℃時(shí)，需經(jīng)蒸汽復(fù)熱器復(fù)熱)后進(jìn)入BOG儲(chǔ)氣罐，經(jīng)調(diào)壓計(jì)量加臭后輸送至廠區(qū)的鍋爐房。

2.2 關(guān)鍵設(shè)備的選擇

本工程關(guān)鍵設(shè)備有LNG儲(chǔ)罐、LNG低溫潛液泵、LNG加氣機(jī)、空溫式氣化器、蒸汽復(fù)熱器、電子灌裝秤、調(diào)壓計(jì)量加臭撬等，主要設(shè)備均采用新技術(shù)和新設(shè)備，所有主要設(shè)備均通過實(shí)際考察及比較后確定。

2.2.1 LNG儲(chǔ)罐

LNG儲(chǔ)罐按絕熱方式分為高真空多層纏繞式儲(chǔ)罐和真空粉末式儲(chǔ)罐。本工程采用高真空多層纏繞式儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐保溫采用超級(jí)絕熱真空保溫技術(shù)，纏繞的纖維紙和鋁箔均為進(jìn)口材料，導(dǎo)熱系數(shù)小，可使儲(chǔ)罐的保溫性能相比珠光砂保溫方式提高50%以上，從而能長(zhǎng)時(shí)間保存液體，減少 BOG的產(chǎn)生。

2.2.2 LNG低溫潛液泵

LNG低溫潛液泵泵體采用美國(guó)ACD公司的浸沒式兩級(jí)離心泵，離心泵為潛液式變頻調(diào)速電動(dòng)泵，整體浸入42 L泵池中。該潛液泵在吸入口增加了導(dǎo)流器，減少流體在吸收口的阻力，防止泵的氣蝕。LNG泵池保冷采用獨(dú)有的超級(jí)多層纏繞復(fù)合絕熱技術(shù)及氣、液隔離控制，減少泵的漏熱損失。同時(shí)設(shè)計(jì)泵的工藝管道時(shí)充分考慮了潛液泵與儲(chǔ)罐之間管路系統(tǒng)的流量、液位差、管阻等因素，保證低溫泵更高的靜壓頭，可抽空儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG，利用率高。

2.2.3 LNG加氣機(jī)

LNG加氣機(jī)主要包括流量計(jì)和加注槍。流量計(jì)采用壓差式流量計(jì)，流量計(jì)完全浸泡在液體中，與液體保持相同的溫度，無需預(yù)冷。加注槍是給車載LNG氣瓶加注的快裝接頭。根據(jù)流量，加注槍一般分為兩種規(guī)格，一種是流量為 190 L/min，另一種是流量為37 L/min。前者適用于重型卡車、公交車及長(zhǎng)途客車等，后者適用于小型轎車和面包車。

2.2.4 空溫式氣化器

本示范站工程內(nèi)的主氣化器、卸車增壓器、儲(chǔ)罐增壓器、BOG加熱器、EAG加熱器等均屬于空溫式氣化器。為提高 LNG與環(huán)境的換熱效率，氣化器主體部分采用耐低溫的鋁合金(3A21或 6063)縱向翅片管，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、制造和使用方便，同時(shí)擁有很大的換熱面積，很適合作低溫系統(tǒng)中氣化器或增壓器。

2.2.5 蒸汽復(fù)熱器

蒸汽復(fù)熱器采用蒸汽水浴盤管式換熱器，蒸汽通過蒸汽溫控閥和混水器進(jìn)入筒體內(nèi)的常壓水中，冷凝后從溢流口排出，混水器為文丘里引射式結(jié)構(gòu)。蒸汽溫控閥通過插在水中的溫度傳感器自動(dòng)控制閥門開度，從而將筒體內(nèi)水溫控制在一定范圍內(nèi)。設(shè)備桶體外包保溫棉，防止熱損耗。

2.2.6 電子灌裝秤

電子灌裝秤主要由防爆稱重控制器、超低溫防爆電磁閥、稱重傳感器、防爆聲光報(bào)警器等組成。電子灌裝秤配套稱重控制儀表柜與電子稱連接，并與液相進(jìn)口管道上的氣動(dòng)緊急自動(dòng)切斷閥聯(lián)鎖，共同實(shí)現(xiàn)LNG灌裝的控制。

2.2.7 調(diào)壓計(jì)量加臭撬

調(diào)壓計(jì)量加臭撬將調(diào)壓設(shè)備、計(jì)量設(shè)備和加臭設(shè)備整體成撬。其中流量計(jì)選用渦輪流量計(jì)，加臭設(shè)備采用全自動(dòng)加臭機(jī)。

2.3 工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)

2.3.1 工藝流程

工藝流程方案的選擇是決定設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵，須通過各方面比較篩選一個(gè)最好的工藝流程。工藝流程的選擇一般遵循以下3個(gè)原則：

(1)先進(jìn)性：工藝流程的設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先采用新技術(shù)、新工藝和新設(shè)備，提高設(shè)備效率，減少能量損耗，并盡可能的考慮回收利用。本工程的設(shè)計(jì)主要考慮對(duì)LNG閃蒸產(chǎn)生的BOG加以回收利用；

(2)可靠性：工藝流程的設(shè)計(jì)應(yīng)保證工藝和技術(shù)的可靠性。不成熟的工藝和技術(shù)會(huì)影響場(chǎng)站的正常運(yùn)作，甚至?xí)嬖诎踩[患。因此，在確定工藝方案前最好通過現(xiàn)場(chǎng)考察、比選和交流討論；

(3)合理性：根據(jù)LNG實(shí)際儲(chǔ)存、氣化、加氣等規(guī)模合理確定設(shè)備容量、管徑尺寸、儀表控制檢測(cè)點(diǎn)、設(shè)計(jì)參數(shù)(壓力、溫度)等，以確保整個(gè)工藝流程工藝可行、經(jīng)濟(jì)合理。

2.3.2 設(shè)備選型及工藝計(jì)算

為了減少不必要的投資浪費(fèi)，站內(nèi)的設(shè)備及管道須經(jīng)過選型計(jì)算后確定，一般 LNG設(shè)計(jì)容量按3～5天的計(jì)算月平均日用氣量來確定；LNG潛液泵需根據(jù)實(shí)際用氣需求及用氣壓力確定規(guī)格和揚(yáng)程；加氣機(jī)的數(shù)量根據(jù)用氣車輛的市場(chǎng)情況合理確定；其他設(shè)備可肯定經(jīng)驗(yàn)值合理確定。另外，站內(nèi)管道管徑的確定根據(jù)低溫管道流速不超過 4 m/s、常溫管道流速不超過10 m/s進(jìn)行計(jì)算。

2.3.3 設(shè)備平面布置

設(shè)備平面布置應(yīng)滿足操作和配管方便等方面的要求，對(duì)管道布置流向進(jìn)行細(xì)化，盡量使設(shè)備布置合理、管道布置最簡(jiǎn)化。設(shè)計(jì)過程中注意復(fù)核設(shè)備資料，以保證準(zhǔn)確性，同時(shí)要注意設(shè)備的安裝高度，尤其是卸車增壓器和儲(chǔ)罐增壓器等自增壓設(shè)備，要保整 LNG流入所需的高差。另外設(shè)備之間除了考慮必要的安裝間距外，要緊湊布置，盡量減少液相管道的長(zhǎng)度，從而減少BOG的產(chǎn)生。

2.3.4 工藝管道平面布置

(1)管道的布置要考慮整體管系有足夠的柔性，充分利用管道的自然補(bǔ)償和π型彎補(bǔ)償

(2)管道布置方式主要有架空敷設(shè)、直埋敷設(shè)和管溝敷設(shè)。低溫管道應(yīng)盡量采用架空敷設(shè)，當(dāng)不可避免在管溝內(nèi)敷設(shè)時(shí)，管溝內(nèi)應(yīng)填充砂或采取其他防止氣體積聚的措施。常溫管道可采用架空敷設(shè)或直埋敷設(shè)。為保持管道的穩(wěn)定性，架空敷設(shè)和管溝敷設(shè)的管道須在適當(dāng)?shù)奈恢迷黾又Ф栈蛑Ъ堋?/p>

(3)工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮總圖、建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、自控、給排水、消防等專業(yè)，做好與各專業(yè)的溝通協(xié)調(diào)，各專業(yè)管線要合理避讓。

3 安全設(shè)計(jì)

LNG雖是在低溫下儲(chǔ)存，但氣化后和管輸天然氣一樣均為常溫氣態(tài)應(yīng)用，這就增加了 LNG潛在的危險(xiǎn)性。

LNG氣化后為氣態(tài)天然氣，易燃，甲A類火災(zāi)危險(xiǎn)品，具有易燃易爆的特性。LNG常壓條件下溫度約為－162 ℃，低溫會(huì)導(dǎo)致工藝設(shè)施、管道發(fā)生脆性斷裂或冷收縮造成管道損失，若操作不當(dāng)則易凍傷操作者，泄漏或溢出后 LNG急劇氣化，形成蒸汽云團(tuán)，稀釋受熱后與空氣形成爆炸性混合物，構(gòu)成極大危險(xiǎn)。蒸發(fā)氣BOG具有一定的危險(xiǎn)性等。

3.1 總平面布置安全防護(hù)措施

本工程中LNG汽車加氣示范站按照GB 50156－2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(2014年版)進(jìn)行設(shè)計(jì)，LNG灌裝示范站按規(guī)范GB 50028－2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行設(shè)計(jì)。本項(xiàng)目站內(nèi)外建構(gòu)筑物、設(shè)施的防火間距嚴(yán)格按照規(guī)范執(zhí)行。

LNG灌裝站和LNG加氣站分為獨(dú)立的兩個(gè)站區(qū)，站區(qū)內(nèi)設(shè)置生產(chǎn)區(qū)和生和輔助區(qū)，LNG灌裝站內(nèi)生產(chǎn)區(qū)設(shè)置環(huán)形消防車道，站區(qū)四周設(shè)置高度不小于2.2 m的實(shí)體圍墻，LNG加氣站設(shè)有2個(gè)對(duì)外出入口，LNG灌裝站設(shè)有3個(gè)對(duì)外出入口。

本工程在 LNG儲(chǔ)罐的四周設(shè)置不燃燒實(shí)體防護(hù)堤，當(dāng) LNG泄漏或溢出時(shí)，將可燃液體限制在防護(hù)堤內(nèi)，防止進(jìn)一步擴(kuò)散。

3.2 主要設(shè)備及管道安全防護(hù)措施

3.2.1 LNG儲(chǔ)罐安全防護(hù)

儲(chǔ)罐設(shè)置液位上、下限及壓力上限報(bào)警，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控，并與儲(chǔ)罐的液相連接管道上的緊急切斷閥聯(lián)鎖；設(shè)置安全閥及手動(dòng)放散閥，安全閥須采用封閉全啟式。

3.2.2 LNG低溫潛液泵安全防護(hù)

LNG儲(chǔ)罐的底部(外壁)與低溫潛液泵池的頂部(外壁)的高差必須符合 LNG 低溫潛液泵的安裝使用要求；低溫潛液泵罐設(shè)置溫度和壓力檢測(cè)儀表，能就地顯示和遠(yuǎn)傳；泵出口管道上設(shè)置全啟封閉式安全閥和切斷閥。

3.2.3 LNG加氣機(jī)安全防護(hù)

要求加氣系統(tǒng)的充裝壓力不大于汽車車載瓶的最大工作壓力，加氣軟管設(shè)置安全拉斷閥。

3.2.4 氣化器安全防護(hù)

氣化器出口溫度與氣化器進(jìn)口緊急切斷閥進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)氣化器出口溫度低于環(huán)境溫度－10 ℃時(shí)，緊急切斷氣化器進(jìn)口緊急切斷閥。

3.2.5 灌裝系統(tǒng)安全防護(hù)

灌裝系統(tǒng)前設(shè)置緊急自動(dòng)切斷閥，并與灌裝秤的計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)鎖。

3.2.6 站內(nèi)管道的安全防護(hù)

LNG低溫液相管道須保溫，并考慮由低溫引起的熱應(yīng)力；LNG在管道內(nèi)的流速泵前小于2 m/s，泵后小于4 m/s；LNG卸車、鋼瓶充裝及LNG加氣機(jī)軟管采用奧氏體不銹鋼金屬軟管，其設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa，不小于裝卸系統(tǒng)工作壓力的2倍，且最小爆破壓力大于4倍的公稱壓力。

3.3 其他安全防護(hù)措施

(1)站內(nèi)設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)，具有手動(dòng)及自動(dòng)同時(shí)啟動(dòng)的功能，在事故發(fā)生時(shí)切斷所有緊急切斷閥。所有緊急切斷閥具有閥位開關(guān)的顯示及采集，電磁閥在緊急切斷閥閥位開關(guān)到位的情況下方可釋放，如果5 s之后閥位沒有開關(guān)到位，發(fā)出聲光報(bào)警。所有自動(dòng)切斷后需手動(dòng)復(fù)位；

(2)本工程在LNG灌裝站內(nèi)設(shè)置10 m高天然氣放散管一座，用來集中放散LNG灌裝站和LNG加氣站內(nèi)的EAG(安全放散氣體)，天然氣的放散溫度低于周圍環(huán)境溫度值在50 ℃以內(nèi)；

(3)在工藝裝置區(qū)設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器，并在控制室設(shè)置聲、光報(bào)警。天然氣濃度報(bào)警設(shè)定值不大于爆炸下限濃度值的20%；

(4)儲(chǔ)罐區(qū)、氣化裝置區(qū)域或有可能發(fā)生 LNG泄漏的區(qū)域內(nèi)設(shè)置低溫檢測(cè)報(bào)警裝置和相關(guān)的連鎖裝置；

(5)裝置區(qū)以及其他存在潛在危險(xiǎn)需要經(jīng)常觀測(cè)處，設(shè)置火焰探測(cè)報(bào)警裝置，相應(yīng)配置適量的現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)報(bào)警按鈕；

(6)裝置區(qū)嚴(yán)格遵循規(guī)范設(shè)計(jì)靜電接地和避雷設(shè)施系統(tǒng)；

(7)LNG灌裝站內(nèi)按照規(guī)范設(shè)有消防給水設(shè)施，滿足站內(nèi)火災(zāi)連續(xù)時(shí)間6 h的消防用水量，并按《建筑滅火器配置設(shè)計(jì)規(guī)范》配置干粉滅火器；LNG加氣站為二級(jí)加氣站，按照《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》配置相應(yīng)數(shù)量的滅火器即可。

4 結(jié)語(yǔ)

閔行LNG汽車加氣站與灌裝示范站具有LNG運(yùn)輸裝卸、儲(chǔ)存、氣化外輸、鋼瓶充裝、汽車加氣等功能，其工藝設(shè)計(jì)的核心在于工藝流程的設(shè)計(jì)和設(shè)備的選型，并在設(shè)計(jì)時(shí)從總平面布置、設(shè)備及管道、電氣自控、消防等方面采用了合理的安全防護(hù)措施，以保證整個(gè)站區(qū)安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的運(yùn)行。通過現(xiàn)場(chǎng)觀察和記錄，閔行加氣站與灌裝站運(yùn)行狀態(tài)良好，各主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)均在正常工作范圍，符合設(shè)計(jì)要求。

目前上海市尚無功能如此全面的 LNG非管輸應(yīng)用項(xiàng)目，本工程的建設(shè)具有很好的示范效果，可為以后類似工程的推廣和建設(shè)提供借鑒。