某CNG母站工藝及安全設(shè)計

劉丹

摘要：?? 本文結(jié)合某CNG母站的建設(shè)實踐，介紹CNG加氣母站工藝流程、主要工藝設(shè)備選型分析，并對CNG加氣母站安全控制進行了論述，希望對今后CNG加氣母站的設(shè)計建設(shè)具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：?? 緊急切斷?? 緊急放散? 調(diào)壓計量?? 脫硫塔?? 脫水器? 儲氣井?? 加氣柱

0 序言

某CNG母站規(guī)劃設(shè)計總規(guī)模10X10Nm/d，主要設(shè)備有：調(diào)壓計量撬、雙塔脫硫裝置、雙塔脫水裝置、壓縮機、儲氣井、加氣柱等，該站功能包含天然氣的處理、壓縮、給拖車加氣等。

1、加氣站的工藝流程

CNG母站氣源接自城市門站高壓匯管，進站壓力0.8MPa～1.8MPa。進站天然氣首先進入調(diào)壓計量撬進行穩(wěn)壓計量。穩(wěn)壓計量后的天然氣經(jīng)脫硫裝置和脫水裝置分別進行脫硫、脫水等工藝處理后再進入壓縮機壓縮升壓至25MPa，經(jīng)壓縮后的天然氣通過加氣柱給CNG拖車加氣。加滿氣的拖車運至CNG加氣子站給燃氣汽車加氣。簡單流程框圖如下：

2、設(shè)計初步構(gòu)思

2.1進站天然氣管道上設(shè)置緊急切斷閥。

考慮加氣站事故狀態(tài)時，能夠及時、快速切斷氣源，將事故波及的范圍降到最低，設(shè)計考慮在進站管線上設(shè)置緊急切斷閥。

2.2脫硫

根據(jù)該站原料天然氣氣質(zhì)成分，原料氣含硫化氫（HS）20mg/m以下，考慮汽車用天然氣的氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，故站內(nèi)設(shè)置有脫硫裝置。并設(shè)置一路旁通以便于在硫化氫（HS）含量≤15mg/m時直接進入下一工序。

2.3脫水

依據(jù)CNG加氣站天然氣氣質(zhì)成份表，原料氣在工況下的飽和含水量是存在的。低壓飽和含水量的天然氣經(jīng)脫水器脫水，脫水后的天然氣水露點在-60℃以下。經(jīng)脫水后得天然氣滿足車用壓縮天然氣氣質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.4加氣站的安全泄放

高壓管道及設(shè)備的安全泄放：壓縮機各級安全泄放系統(tǒng)，調(diào)壓計量放空、脫水安全放散及管道安全放散的氣體匯集在一起進入放空管進行放空。

2.5站內(nèi)濃度報警及ESD按紐

站內(nèi)設(shè)置可燃氣體報警器，監(jiān)測工藝裝置區(qū)等處的泄漏天然氣的濃度。

為充分保證加氣站的安全運行，降低事故發(fā)生后的次生災(zāi)害，在加氣站的安全出入口、加氣機、壓縮機以及脫水器PLC控制柜、壓縮機PLC控制柜上均要求設(shè)置了ESD按紐。這些ESD按紐串聯(lián)，重大事故一旦發(fā)生后，可以隨時按下ESD按紐，然后與ESD按紐聯(lián)動的所有設(shè)備均停止工作，從而避免次生災(zāi)害的產(chǎn)生。

2.6壓縮機工作狀態(tài)

壓縮機進行并聯(lián)，正常工作時通過旁通閥進行隔斷，互不影響。異常情況時，通過開啟旁通閥，實現(xiàn)壓縮機互用。

3、主要工藝設(shè)備選型

3.1調(diào)壓計量系統(tǒng)

氣源接自門站高壓匯管，由于用氣時段的不同，壓力變動較大，為了保護壓縮機，延長壓縮機的使用壽命，進站天然氣要進行調(diào)壓，使其壓力處于較穩(wěn)定狀態(tài)。為了配合上游貿(mào)易計量，在調(diào)壓器后設(shè)有天然氣流量計，流量計的計量精度 1級?？紤]流量計的精度等級，本站選用帶體積修正儀的渦輪流量計，渦輪流量計前裝有過濾精度為5μm的高效過濾器。調(diào)壓計量工藝采用一用一備。

3.2脫硫系統(tǒng)

門站供氣含硫量大于15mg/Nm時，需要進行脫硫，考慮母站的工作特點和脫硫裝置的再生周期，本站選用雙塔結(jié)構(gòu)的脫硫設(shè)備，一塔吸附，一塔再生。脫硫后氣體含硫量不得大于15mg/Nm。根據(jù)母站設(shè)計規(guī)模，本站脫硫裝置的處理能力為8500Nm/h。

3.3脫水系統(tǒng)

根據(jù)規(guī)范要求，脫硫后的天然氣在氣體壓縮的前、中、后分別進行前置脫水、中間脫水和后置脫水。一般地，壓縮機為集成設(shè)備，很少中間導(dǎo)出天然氣，因此一般不用中間脫水的工藝方式。

后置脫水工藝要求脫水設(shè)備的配件、閥件質(zhì)量比較高;同時，由于工作壓力較高，析出的重?zé)N組分容易使脫水劑中毒。目前國內(nèi)在這方面的技術(shù)工藝問題仍未有較好的處理措施，后置脫水一般用于處理量不大，壓縮機對氣質(zhì)要求不高的場合，如配置國產(chǎn)壓縮機的常規(guī)站或小型母站。

前置脫水與后置脫水相比，脫水設(shè)備的安全性能好、設(shè)備配備的閥件性能要求低、吸附劑不易油中毒等優(yōu)點，結(jié)合本站壓縮前的工作壓力，宜選用前置脫水的生產(chǎn)工藝。

脫水后的天然氣在常壓下的露點降至-60℃以下，天然氣通過脫水器的流速取120～150mm/s，與脫水劑的接觸時間取40～60s。結(jié)合本站設(shè)計規(guī)模和脫水裝置的最大處理能力，本站設(shè)計選用2臺3500 Nm/h的雙塔結(jié)構(gòu)脫水裝置，同時運行。脫水器再生時，雙塔通過自動切換，一塔運行，一塔再生。

3.4壓縮系統(tǒng)

3.4.1 進口壓縮機與國產(chǎn)壓縮機的對比

進口壓縮機與國產(chǎn)壓縮機相比有如下優(yōu)點：

1）由于進口壓縮機的轉(zhuǎn)速比國產(chǎn)壓縮機要快，同等進氣壓力的情況下，進口壓縮機排氣量比國產(chǎn)壓縮機高;

2）進口壓縮機在當(dāng)時多為撬裝集成安裝，施工安裝方便快捷;

3）由于進口壓縮機消音措施高效，所以噪音低;

4）進口壓縮機技術(shù)成熟，安全可靠，自控水平高，自我保護措施強;

鑒于上述原因，本站設(shè)計時，選用進口壓縮機。

3.4.2 壓縮機規(guī)格確定

加氣站內(nèi)壓縮機型號規(guī)格的選取主要根據(jù)該站的設(shè)計規(guī)模、進站天然氣壓力和脫水工藝等確定。按日開機16h計算，需2臺排氣量為3200Nm/h、1.0MPa的壓縮機同時運行，方可滿足日產(chǎn)壓縮天然氣10×10Nm/d的生產(chǎn)要求。

3.4.3 壓縮機保護系統(tǒng)

壓縮機是加氣站的核心設(shè)備，是加氣站的心臟，保障壓縮機正常工作，是該站設(shè)計的必不可少的部分。

按照傳統(tǒng)加氣母站對壓縮機的保護，就是在壓縮機撬前增設(shè)進氣緩沖罐，平衡壓縮機的進氣量，減少氣體脈沖對壓縮機的沖擊，同時減少壓縮機進口管線的震蕩。為降低壓縮機運行時的震蕩對管線產(chǎn)生的影響，在每臺壓縮機進口管線上設(shè)置長為600mm的金屬軟管。

本站采用的壓縮機為活塞推動式壓縮機，根據(jù)壓縮機的工作原理，在某一工作壓力狀態(tài)下，壓縮機排氣量成余弦線，為了減少壓縮機后氣體脈動對壓縮機和充氣系統(tǒng)的影響，以及兩臺壓縮機排氣量的相互影響，設(shè)計考慮在壓縮機增設(shè)儲氣井進行緩沖。

本站在壓縮機后增設(shè)2口2m的儲氣井。加氣低谷時，壓縮機開啟，可對儲氣井直接充氣，有拖車加氣時，可在不開啟壓縮機的情況下將儲氣井里的氣直接給拖車加氣，從而能夠避免壓縮機的頻繁啟動，緩沖加氣時間。

3.5充氣系統(tǒng)

處理壓縮后的天然氣經(jīng)加氣柱給CNG拖車充氣。依據(jù)加氣站的生產(chǎn)規(guī)模、拖車加氣時間結(jié)合日有效工作時間確定加氣柱的臺數(shù)。單臺拖車加氣時間一般在1.5小時，日有效工作時間以16h計算，本站日加氣拖車按28輛/d，根據(jù)公式：

加氣機槍數(shù)=日加氣拖車數(shù)X單臺拖車加氣時間/日有效工作時間

經(jīng)計算需要2.6把槍，因此設(shè)計選用3臺加氣柱。

3.6管材和閥門

3.6.1 管材管徑

壓縮機前的天然氣管道、排污管道、放空管道等的管材選用GB/T8163-2018標(biāo)準(zhǔn)的20號無縫鋼管，壓縮機前總管中天然氣經(jīng)濟流速以15m/s進行考慮，結(jié)合壓縮機排量確定管徑大小。

壓縮機出口輸送高壓天然氣的工藝管道選用無縫鋼管，由于工作壓力高，壓縮機后高壓天然氣管道的材質(zhì)選用強度高，韌性好、耐低溫、耐腐蝕的不銹鋼管。不銹鋼無縫鋼管的制作技術(shù)要求不低于《輸送流體用不銹鋼無縫鋼管》（GB/T14976-2012）的規(guī)定。考慮不銹鋼材質(zhì)的性能，本加氣站不銹鋼管的材質(zhì)選用0Cr17Ni12Mo2。壓縮機之后各段高壓管線以經(jīng)濟流速5m/s進行管徑確定。結(jié)合壓縮機排氣量，經(jīng)計算，壓縮機至加氣柱的高壓管線選用Do38X5的無縫鋼管。

3.6.2 閥門

管道高、低壓閥門均采用球閥。由于高壓管線工作壓力高、危險性大，設(shè)計選用的高壓球閥均采用焊接連接方式。管徑大于等于DN32的低壓球閥采用法蘭連接，小于DN32的低壓球閥采用螺紋連接。

4、加氣站的安全保護裝置

4.1事故狀態(tài)的緊急放散

當(dāng)進站管道上的電動球閥出現(xiàn)故障時，先將氣源切斷，然后將安全放散閥打開，放出進站管道上的氣體，再對電動球閥進行故障排除。當(dāng)站內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障時，則利用設(shè)備本身的安全放散閥將設(shè)備內(nèi)的氣體排放完畢后，再進行設(shè)備故障排除。

4.2正常工作的安全放散

為了保證設(shè)備、管道、閥件的安全運行，本設(shè)計方案在工藝流程中考慮增加超壓放散。凡是在有可能增壓、憋壓的位置、設(shè)備上都設(shè)有安全閥。當(dāng)系統(tǒng)工作壓力超過安全閥的定壓時，安全閥啟跳排氣，以達到降壓的目的，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

4.3壓縮機自我保護

壓縮機出口與第一個截斷閥之間應(yīng)設(shè)安全閥，安全閥的泄放能力大于壓縮機的安全泄放量。壓縮機泄放氣體通過壓縮機撬的放空系統(tǒng)進行排放。

壓縮機進、出口設(shè)有高、低壓報警和高壓越限停機裝置;本站壓縮機組冷卻方式采用混冷方式，其冷卻系統(tǒng)設(shè)有溫度報警和停車裝置。壓縮機組的高、低壓報警和高壓越限裝置及溫度報警停車裝置均通過壓縮機PLC控制柜進行控制。

5、結(jié)束語

隨著天然氣在城市能源供應(yīng)中的普及，CNG越來越多的為燃氣汽車所用。作為生產(chǎn)CNG的加氣母站，設(shè)計合理的工藝流程、配置經(jīng)濟可靠的工藝設(shè)備是保證加氣站安全、可靠、經(jīng)濟運行的關(guān)鍵因素。CNG加氣母站工藝技術(shù)不斷開拓、完善，工藝設(shè)備的合理選擇，對于推動CNG加氣子站的建設(shè)，促進燃氣汽車的發(fā)展，凈化城市環(huán)境具有不可替代的作用。

參考文獻：

【1】嚴(yán)銘卿，廉樂明 天然氣輸配工程.中國建筑工業(yè)出版社

【2】上海市石油學(xué)會 車用燃氣與加氣站建設(shè).中國石化出版社