某压缩天然气（CNG）汽车加气站工程初步设计

xxx工业大学课程设计说明书 目 录第1章 加气站规模与设计11.1加气站规模11.1.1 供气量计算11.1.2 储气瓶组容积选择11.1.3 场站概况11.2 加气站设计21.2.1 系统组成21.2.2基础资料2第2章 加气站总平面布置32.1 平面布置原则32.2 平面布置32.2.1存储区32.2.2 经营区32.3 管道敷设32.4 防火间距42.4.1压缩天然气工艺设施与站外建、构筑物的防火距离42.4.2 加气站设施之间的防火间距42.5 停车场和道路设计4第3章 加气站工艺流程与设备53.1工艺设计参数53.1.1车用压缩天然气各项参数53.1.2设计压力63.2加气站工艺流程63.3主体设施及选型73.3.1加气机73.3.2天然气储气瓶组83.3.3压缩机103.3.4自动控制柜113.3.5卸气柱123.3.6管材、管件及其它133.4配套工程153.4.1消防部分153.4.2给水排水部分153.4.3电气部分153.4.4 仪控部分163.4.5土建部分163.4.6 防腐部分163.4.7采暖通风及空气调节173.4.8建、构筑物的防火、防爆17第4章 设计依据及参考文献184.1设计依据及参考文献181818xxx工业大学课程设计说明书 第1章 加气站规模与设计1.1加气站规模1.1.1 供气量计算 设日加气车次为100辆/d（三级站），每辆车50Nm3/辆，每天供气量：10050=5000Nm3/天，一年按365天计，设计规模为年供气量：50003651825000Nm3/年。1.1.2 储气瓶组容积选择 储气瓶组选用单组式每瓶水容积为1.33m3的大型无缝锻造钢瓶，每组三只钢瓶，分别作为一只高、二只中压储气瓶组，贮罐总容积为4m3，相当1155Nm3。选用CNG拖车作为低压储气瓶组。 表1-1CNG拖车具体参数表产品类型产品类型代码：29010502 产品类型名称：气体罐车产品名称CNG长管拖车技术参数工作压力：20MPa工作温度：-40 +60水压试验压力：33.4MPa气密试验压力：20MPa钢瓶名义水容积：2.2m3钢瓶数量：8充装介质：CNG充装总容积：4457Nm3钢瓶规格：55910970外形尺寸：1219224381400mm1.1.3 场站概况 本CNG加气站位于哈尔滨市道外区道外区先锋路461号（先锋路与红旗大街路口）。总面积约为3637 m3。场站设计大体上按存储区和经营区两部分。 本站属于三级加气子站，每天可供约100辆NGV加气（每辆车每天用气量按50m3计算）。日加气量为5000Nm3。 本工程采用大庆市CNG母站提供CNG压缩气作为气源供气。 本站主要设备有1台 SW132F*-EM型压缩机，1台单枪卸气住， 3个储气瓶，2台加气机，但设计预留另两台加气机，以供将来扩大场站用。1.2 加气站设计1.2.1 系统组成 加气子站由压缩天然气的接受、贮存、加气等系统组成在，子站内配置小型压缩用于瓶组之间天然气的转输。本次工程设计范围为CNG压缩机、卸气柱、储气瓶、加气机和系统配套部分。站内主要内容包括： 工艺部分：压缩机、卸气柱、储气瓶、加气机、工艺管网设计，放散系统； 土建部分：站房土建、加气岛基础、加气岛雨棚、设备基础和场坪设计； 设备部分：站区给排水、室内给排水供暖设计； 电气仪表部分：配电室、设备供配电、报警设计；1.2.2基础资料（1） 天然气组分 天然气组分见表12. 表12 天然气组成 成 分摩尔组分（%） 甲烷86.37 乙烷8.60 丙烷2.20 氮气0.89 二氧化碳1.94（2）气象资料 历年极端最高气温 39.2 历年极端最低气温 -37.7 夏季最多风向 SW 第2章 加气站总平面布置2.1 平面布置原则 平面严格按CJJ84-2000汽车用燃气加气站技术规范和汽车加油加气站设计与施工规范 GB50156-2002( 2006年版）有关规定进行布置。2.2 平面布置 加气岛位于站区西南角，先锋路南侧，红旗大街东侧，站房位于加气岛北侧，设备间布置于站区东侧，储气瓶布置在站区东南侧，站内各设施间的安全防火间距满足规范要求，其详细说明见2.4.2.2.1存储区 存储区包括储气瓶组、压缩机间（或撬）、阀门及管路系统、拖车位；车载储气瓶的卸气端设钢筋混凝土实体墙，高度为2米，高于储气瓶拖车的高度1.4米，长度为5米，大于车宽的2倍。将该墙作为站区围墙的一部分。2.2.2 经营区 经营区是主要的业务经营场所，完成向燃气汽车充装压缩天然气的功能。包括站房、罩棚及加气岛。 （1）站房由办公室、值班室、营业室、配电室和小商品（限于食品、饮料、润滑油、汽车配件等）便利店组成。 （2）罩棚形状为矩形，采用非燃烧材料制作，有效高度4.5m。罩棚边缘与加气机平面距离5.7米。 （3）本站设置2个加气岛，3台双枪加气机，加气岛高出地坪0.2m，宽度为1.2m，罩棚支柱距岛端部0.9m。东侧为公交车等大型车加气处，西侧为出租车等小型车加气。 （4）加气车辆入口在先锋路侧，出口在红旗大街侧。2.3 管道敷设 站内高压管道（25MPa）及有管接头的地方采用管沟敷设，管道安装、试压、防腐完成后用干沙填实；其余管道采用直埋敷设。2.4 防火间距2.4.1压缩天然气工艺设施与站外建、构筑物的防火距离 压缩天然气工艺设施与站外建、构筑物的防火距离严格按照规范要求，具体数据见表21. 表21 压缩天然气工艺设施与站外建、构筑物的防火距离（m）储气瓶组加气机放散管管口压缩机规范要求实际距离规范要求实际距离规范要求实际距离规范要求实际距离民用建筑物保护类别三类保护物1035124111311140城市道路快速路、主干路812624810619次干路、支路611530665162.4.2 加气站设施之间的防火间距 加气站设施之间的防火间距严格按照规范要求，具体数据见表22. 表22 加气站设施之间的防火间距压缩机间加气机放散管管口车载贮气瓶规范要求实际距离规范要求实际距离规范要求实际距离规范要求实际距离站房429426639414.5车载贮气瓶311415321加气机6204.515619415道路21026围墙262934压缩机间46203182.5 停车场和道路设计（1）单车道宽度4m， 双车道宽度6m。（3）在加气子站内行驶大型装载贮气瓶汽车的道路和一般道路转弯半径足够。道路坡度为5%， 且坡向站外。汽车槽车卸车停车位处，按平坡设计。（3）道路路面采用水泥路面。（4）加气站进出口分别设置：进口设置在先锋路，出口设置在红旗大街。 第3章 加气站工艺流程与设备3.1工艺设计参数3.1.1车用压缩天然气各项参数（1）压缩天然气的质量标准 燃气汽车用压缩天然气要求符合我国现行标准。引入加气站的天然气质量不得低于现行国家标准天然气GB17820的类气质指标。汽车用压缩天然气质量应符合现行国家标准车用压缩天然气GB18047-2000的规定。具体参数见下表。 表3-1 汽车用压缩天然气质量技术指标 项目技术指标 高位发热量，MJ/m331.4 总硫（以硫计） mg/m3200 硫化氢，mg/m315 二氧化碳yCO2，3.0 氧气yO2，0.5 水露点，在汽车驾驶的特定地理区域内，在最高操作压力下，水露点不应高于-13；当最低气温低于-8，水露点应比最低气温低5 注：本标准中气体体积的标准参比条件是101.325 kPa，20。（2）密度 标准状态下（0，1.01325MPa）压缩天然气密度为0.775kg/m3,20下压缩天然气密度为 0.722kg/m3 。 （3） 天然气组分及其爆炸极限 天然气组分及其爆炸极限见表32. 表32 天然气组分天然气组分CH4C2H6C3H8CO2N2爆炸上限%15.013.09.5爆炸下限%5.02.92.1无空气有惰性气体时的体积百分比86.378.602.201.940.89无空气无惰性气体时的体积百分比88.898.852.26 可燃气体爆炸极限计算公式：将天然气按照下列方式分成三个组分：CH4和N2，其中总体积分数为：CH4 (86.37%)+N2(0.89%)=87.26%,已知： 惰性气体/可燃气体=0.01因此由图二可查得：L下=8%；L上=16%。C3H8和CO2, 其中总体积分数为：C3H8(2.2%)+CO2(1.94%)=4.14%，已知：惰性气体/可燃气体=0.88因此由图三可查得：L下=5%； L上=18%。C2H6，其体积分数为8.6%。查得其爆炸极限为：L下=2.9%；L上=13%。 将以上数据代入公式可得已知天然气爆炸极限为：下限为6.8%，上限为15.8%3.1.2设计压力（1）压缩天然气储气瓶组 25MPa（2）拖车瓶组 20MPa（3）NGV储瓶 20MPa3.2加气站工艺流程（1）加气工艺流程 子站拖车以20.0MPa的压力向子站供气。一旦子站拖车与卸车柱连接后，如果有加气需求而且地面储气瓶中的压力较低，子站拖车上的CNG可直接供给2线售气机，给车辆加气。如果售气机处一直有加气的需求，增压压缩机将起动从子站拖车处取气，以高流量继续给车加气，直到完成给车辆的加气过程。 在初始情况下，子站中的CNG同时直接流向地面储气瓶组的两级气瓶，直到他们的压力平衡为止。此时，智能化的优先控制系统将给PLC一个信号启动压缩机将2级储气瓶组加压到25.0MPa。加压的顺序首先加充高压瓶组，其次中压瓶组。 当储气瓶组充满时，压缩机停机。此时，两组储气瓶组中的压力均为25.0MPa，而子站车的压力约为9.0MPa。以上过程大概需要40min。此时子站车实际上成为一个“虚拟”的低压储气瓶组，压缩机总是先从这里取气以保证高、低压瓶组压力较低时，子站拖车也可以向汽车供气。（2）加气站工艺流程图如下： 3.3主体设施及选型3.3.1加气机 CNG有两种不同的加气系统：快充式和慢充式。本CNG加气子站为实现与加油站相当的加气速度，对加气能力（流量）的需求要大于压缩机的供气能力（慢充式），因此，一般将压缩气体暂时储存在储气瓶组中。 售气机首先从低压储气装置中取气给汽车加气，一旦压力开始相等（实际可通过流量降低到一个无法接受的水平来判断），售气机中的控制系统就将售气机的气源切换到中压储气装置，然后同样通过压差给汽车充气，直到流量不断降低，然后切换到高压储气系统，最后，一旦高压装置出来的气体流速降低到一定水平，就起动压缩机直接给汽车加气，直到加满为止。 每辆天然气汽车加气时间（50Nm3/辆）：5-10min。 100辆车单枪加气时间10100=1000min（16.7h），选用双枪加气机加气时间为16.7/28.35（h）。考虑到加气站发展。本站设4个加气枪，即2台双枪加气机。加气站净工作时间为4-6h。（1） 类型：（IC卡）标准流量加气机 单线单枪 单线双枪 两线单枪 两线双枪 三线单枪 三线双枪（2）基本性能:配备监控系统，监测充气过程的温度、压力和流量，控制充气速度配备安全联锁系统，当加气软管失压、过压、过流时可自动切断气源采用进口质量流量计，具备自动压力温度补偿功能断电保护、掉电复显功能完善的数据保存、管理、查询功能可以统计当班加气累计数值和汇总累计数值可预置定量、定额加气功能在加气过程中能直接显示压力具有自动监测故障功能，可自动显示故障代码IC卡加气机具有IC卡自动结算功能（非IC卡加气机预留IC卡系统接口）预留税控功能接口预留通讯接口（3）技术参数： 计量精度：0.5%流量范围：230m3/min/枪(标准流量) 340m3/min/枪(大流量)额定工作压力：20Mpa（可调整）最大工作压力：25Mpa耐压强度：37.5Mpa额定功率：200W环境温度：3050整机防爆取证，防爆等级：ExibdmeAT4工作电源：220V15% 50Hz1Hz计量单位：kg、Nm3、元读数最小分度值：0.01Nm3、0.01元单次计数范围：09999.99 Nm3或元累计计数范围：099999999.99 Nm3或元单价设置范围：0.0199.99元/ m3密度预置范围：0.00010.9999预置定量范围：19999.99 Nm3 元 kg 液晶显示屏双面显示：单价(元/ m3)、气量(m3)、金额（元）包装尺寸: 120074021003.3.2天然气储气瓶组（1）气瓶组设计参数 根据本站的设计规模，容器按ASME -1进行设计、制造、检验。所设储气瓶组的设计压力为27.6MPa，工作压力为1-25MPa，主体材料为SA372Gr.JC1.70。型号为CNGPZ25-1800-406-HXSA。其安装尺寸如图3-1；具体参数如表3-3所列。气瓶型号为CNGPZ25-4000-610-HXSA 表3-3 天然气储气瓶组尺寸产品型号尺寸外径， mm610最小壁厚，mm29.36容器长度，mm6100容器数量3工作压力，MPa1-25设计压力，MPa27.6设计温度，93充装介质天然气水压试验压力，MPa32.5气密试验压力，MPa27.6单只水容积，m31.33总水容积，m34充装总容积，m31155单重，kg1274总重，kg4500（2）设置方式： 储气瓶组采用卧式安装。 （3） CNG撬车设计参数 设单机加气量为50辆/天台。本站设二台双枪加气机，总加气能力100辆/天，每天加气量为5000Nm3。 拖车充装总容积为4457Nm3，并且最终拖车以2.0MPa离开。下面计算每天拖车运输的次数： 表34 天然气组分及相关数据表天然气组分CH4C2H6C3H8N2CO2体积百分比yi86.378.62.20.891.94 标况下气体密度 Kg/m30.71741.35532.01021.25041.9771 表34（续表）天然气组分及相关数据表天然气组分CH4C2H6C3H8N2CO2临界压力Pci Mpa4.6414.8844.25633947.387临界温度Tci K190.7305.4365.1126.2304.2分子量M16.04330.07044.09723.01344.010混合气体临界压力：4.696MPa混合气体临界温度：206.02K 当P=20MPa T=293K时: 对比压力为4.25 对比温度为1.4查通用压缩系数图得压缩因子: Z=0.78当P=2MPa T=293K时: 对比压力为0.43对比温度为1.4查通用压缩系数图得压缩因子: Z=0.96实际气体状态方程： 所以，其中P1=20,Z1=0.78,P2=2,Z2=0.96 拖车中的CNG从20MPa降到2MPa,用上式计算出拖车中的天然气由4457Nm3降到362Nm3，共卸下4095Nm3(5000)的天然气。为维持气量供需平衡，载瓶拖车每天至少运1趟。3.3.3压缩机 假定参100辆汽车快速加气，每辆车每天用气5070m3，即相当于每天全部气体需求量为50007000m3 假定设备每天24h运转，压缩机排气量规格计算如下：5000/24=209m3/h7000/24=290 m3/h世界各国CNG加气站建设的经验表明：设计给100辆汽车快速加气的加气站是比较经济可行的。所以使用200300 m3/h排气量的压缩机作为加气站设备，是越来越多用户的选择方向。 选用欧洲SF公司的SW132F*-EM压缩机1台，进口压力0.512bar，出口压力250bar，其它技术参数见下表： 表35 SW132F*-EM压缩机技术参数：缸数3长2600mm压缩级别4宽1600mm出口数2 or 3高1600mm循环方式连续循环质量3800kg适用气体天然气压缩机额定功率132KW进气温度环境温度驱动电机极数4进气压力0.5-12bar 电压380V排气压力250bar 频率50Hz转速750RPM排量 200400m3/h3.3.4自动控制柜 自动控制柜是专门为CNG加气站设计的充气装置，是加气站必不可少的设备之一。将压缩后的气体按压力大小次序自动分配至每个独立的储气井，不论储气罐压力如何变化，都能实现自动充气。充气从高压组压力顺序阀开始，由高到低依次向储气井注入气体，使每个储气井压力一致，直至达到各个储气井的额定压力，并可在CNG的使用过程中随时向压力低的储气井补充气体，以保证储气井保持压力。 鼎甲牌ZSG系列CNG自动顺序充气控制盘（柜）是选用国际著名品牌公司原件组装的系列化机械产品，可靠性高、质量稳定、使用寿命长；能够最大限度的满足用户的需要，适用于各CNG、LCNG加气母站、标准站、撬装式子站，为高、中、低压储气罐充气进行自动顺序分配。 表37 自动顺序充气控制柜技术参数流量范围1800 Nm3 / h2200 Nm3 / h3000 Nm3 / h5000 Nm3 / h结 构 配 置顺序阀美国原装进口单向阀德国和意大利产品球阀德国和意大利产品集成式压力调节阀美国原装进口高压接头德国和意大利技术压力表国产出口产品高压管不锈钢无缝高压管 技术特点可靠性高、质量稳定、使用寿命长、维修率低具有直接充气功能、充气速度快不需电驱动，自动实现优先顺序充气、安全性高结构合理、安装维修方便、美观大方本产品己获国家专利： ZL 02222608.7 ZL200620058448.X应 用压缩天然气（CNG）、液化天然气（LCNG）加气站3.3.5卸气柱 卸气柱是一个连接CNG天然气长管拖车与压缩机的连接设备，也可以用来计量。拖车拉回来的压缩天然气用软管连接，然后通过卸气柱的阀门管道等将压缩天然气卸入储气井，可以通过质量流量计计量卸气量。（1）类型： 计量卸气柱 非计量卸气柱 技术参数： 流量： 80Nm3/min 计量准确度：0.5% 最大工作压力：25Mpa 工作电源：220V15% 50Hz1Hz 功率：100W 环境温度：-40+50 防爆等级：ExibdmeAT4 单次计数范围：09999.99Nm3 累计计数范围：099999999.99Nm3（2） 基本功能： 卸气完成时自动停机功能 断电保护（断电后数据可保持足够时间） 掉电显示 超大容量记忆（至少记忆2年的数据） 完善的数据保存 可复显最近上千次的数据，以备查验 可统计当班卸气累计数值和汇总累计数值 具有自动监测故障功能，可自动显示故障代码 质量流量计具有压力温度补偿功能 在卸气过程中能直接显示压力和流量 预留通讯接口3.3.6管材、管件及其它（1） 管径确定管径的确定由圆管公式 （1） 求得。为了确定最大管径，需确定每个管段的最大流量，即最小压力对应下的流量，再根据规范对流速的限制要求：压缩机前流速小于等于20m/s，压缩机后流速小于等于5m/s，由此算出管径，查找规范无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差找出相近的管径，将实际管径代入圆管公式，计算实际流量，再进行校核，若在流速要求内，则所选管径符合要求，若不在，则重新确定管径，直到符合要求为止。1） 自动控制柜到加气机的管段 由自动控制柜到加气机的管道分为支管和干管两部分，支管的计算流量为压缩机排量和标准流量的加气机的最大流量，即Nm3/h计算压力为最小压力：拖车直接给加气机供气的最小压力，即MPa。此时对比压力，对比温度，查得压缩因子Z0.96，利用实际气体状态方程，可得 （2）代入m3/s，利用圆管方程的变换 （3）求得mm，查得mm，mm，mm，代入圆管方程的变换 （4）得m/s5m/s,符合要求，故支管选择DN100的管子。 干管的计算流量考虑两台加气机的同时使用系数0.7，所以m3/s，代入公式（3），求得d=97mm，查得mmmm，mm，代入公式（4），求得v=3.9m/s5m/s，符合要求，故干管也选择DN100的管子。2） 储气瓶组到自动控制柜的管段此处的三根管子中有一根高压管道，两根中压管道，在此分别计算。由规范可知当高压储气瓶和中压储气瓶内压力分别降至22MPa和18MPa时开始用压缩机对其充气。高压管道：计算压力为22MPa，对比压力为4.68，对比温度为1.42，查得压缩因为，由公式（2）得m3/s代入公式（3），m，选取mm，mm，mm的管子，将内径代入公式（4），m/s5m/s，故高压管道选取DN25的管子。中压管道：计算压力为18MPa，对比压力为3.833，对比温度为1.42，查得压缩因子，由公式（2）得m3/s代入公式（3），mm，选取mm，mm，mm的管子，将内径代入公式（4），m/s5m/s，故中压管道选取DN30的管子。3） 压缩机前管段计算压力为拖车内的最小压力即拖车离开时压力2MPa，对比压力为0.4，对比温度为1.42，查得压缩因子，由公式（2）得m3/s代入公式（3），mm，选取mm，mm，mm的管子，将内径代入公式（4），m/s20m/s，故压缩机前管道选取DN50的管子。（2）其它1）经压缩机后的压缩天然气工艺管道设计压力为30.0MPa。压缩天然气管道采用高压不锈钢管 ，其技术性能符合现行国家标准高压锅炉用无缝钢管的规定。2）高压管线（25MPa）上所有阀门、三通均采用卡套连接方式，弯头处为冷弯，冷弯半径大于5倍的管线外径，其余管线为法兰、对焊连接方式，不锈钢管采用氩弧焊焊接连接方式。管道安装严格按工业金属管道工程施工及验收规范GB5023597中的有关规定进行。螺纹类型与连接阀件配套。双卡套接头符合现行国家标准 卡套管接头技术条件 的有关规定。管接头的复合密封材料和垫片均符合使用介质要求。3）阀门及管道附件按压缩天然气系统设计压力提高一级。4）软管采用耐油胶管 ，其最高允许工作压力为100MPa，应大于或等于 4倍系统设计压力。 5）高压压缩天然气管道采用管沟敷设 。在管沟内、 管底与沟底的净距为0.2米，并设置沟内排水装置。室内管沟设有活动门与通风口，室外管沟盖板按通行重载汽车负荷设计。3.4配套工程3.4.1消防部分 两台加气机配置MFA8手提式干粉灭火器2具，压缩机配置MFA8手提式干粉灭火器3具，配电室各配MFA8手提式干粉灭火器2具和MT7二氧化碳灭火器2具。3.4.2给水排水部分 站内地面雨水可散流排到站外。3.4.3电气部分（1）供电方式本工程用电负荷主要为压缩机1台，加气机2台，计算负荷为140KW。供电系统设计负荷等级为三级。电源引自市电网10KV高压，低压电源由站外变压器引入。各用电设备电源电缆采用电缆穿钢管埋地、直埋或电缆沟内敷设方式。用电单体采用放射式为主，辅以树干式的配电形式。（2）防雷、防静电压缩机撬体按二类防雷设防，设不少于两处的防雷接地引下装置，接地电阻R10。站内所有工艺设备、管线、放空管及用电设备金属外壳均须可靠接地，卸气柱旁设防静电接地栓卡，静电接地电阻R4。3.4.4 仪控部分 为确保安全生产和正常操作，站内设置了必要的自控仪表设备，对主要生产运行参数进行监控。加气站内设置的检测仪表与控制调节装置，应符合汽车用燃气加气站技术规范表6.8.1的规定。储气井管上设有温度、压力测量仪表，除现在就地指示外，还远传仪表间显示。当参数值超时报警，提醒值班人员注意，及时处理。加气站内压力表的精度不应低于1.5级。压力表的进口应设置控制阀门和安装液体阻尼装置。 加气站和合建站内的调压器间、压缩机间、变配电间、贮气装置和加气岛等危险场所应设置天然气检漏报警探