L/CNG加氣站設計優化建議及安全運行管理

摘 要：根據實際建站經驗，分別對液化天然氣（LNG）和壓縮天然氣（CNG）工藝進行了對比、優化，并緊抓“四個重點”環節，從而降低投資成本，確保加氣站的安全運行。

關鍵詞：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、環保和經濟等優越性。與煤炭、汽柴油等常規能源相比，其能產生相同的熱值，但燃燒產生的CO2比煤低約60%、比汽柴油低約35%；產生的CO比汽柴油低90%；產生NOX約為煤的65%、汽柴油的40%；產生SOX約為0.大力發展天然氣汽車是城市環保和可持續發展的需要，天然氣加氣站的普及可優化能源結構，解決能源供應安全、生態環境保護問題，為實現經濟和社會的可持續發展發揮重要的作用。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，特別是在擁有煤層氣（非常規天然氣）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”戰略開始，天然氣加氣站也像雨后春筍般迅速發展，但因起步較晚，當前投運的LNG和CNG加氣站在設計和管理方面尚未成熟，有必要對其進行優化設計、進一步加強安全管理，以更好地保障LNG和CNG加氣站的安全、經濟、穩定運行。

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加氣站為三級站設計，CNG加氣站為子站設計，共占地6 500 m2。

1 加氣站的設計和優化

1.1 CNG加氣站

1.1.1 現狀

可從以下7方面了解CNG加氣站的現狀：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，可滿足生產需要。④液壓壓縮機組。2座（一開一備），一撬雙缸，規格為2×37 kW，采用立式安裝，雙缸二級壓縮（兩缸串聯工藝），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，當前穩定在8 000～9 000 m3/d。

1.1.2 優化建議

該加氣站經過1年投運，整體運行平穩，但根據運行相關數據和兄弟單位設計、建設、生產、運行的相關經驗對比分析認為，采取如下設計方案，可使CNG加氣站的投資、建設、運行更加經濟、快捷、安全和穩定。具體設計方案分為以下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，規格為2×37 kW，采取立式安裝，單缸二級壓縮，兩缸并聯工藝，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成本，且易于日常檢查、監測和維修。⑤調試運轉。在CNG加氣站調試的運轉中必須嚴格工藝要求，避免造成設定程序與工藝要求不符等軟故障。三線加氣機加氣程序應為“先槽車、后中壓儲氣井，最后高壓儲氣井”，該程序曾經發生過次序顛倒，變為“先槽車、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。此類軟故障不易發現，必須經過認真排查才能發現、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運行費用可節約51 100元/年，這將大大提高加氣站市場經營的核心競爭力。

1.2 LNG加氣站

1.2.1 現狀

可從以下8方面了解LNG加氣站的現狀：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 優化建議

具體的優化建議有以下6點：①管道設計。應對液相管道進行3‰的坡度設計，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）的數量，以降低阻力、縮短流通時間。②調飽和工藝。該工藝是解決汽車發動機點火問題的有效途徑之一。目前，加氣汽車已經全部采用新的點火系統，該工藝從未使用，建議淘汰。③真空閥箱。雖然該設備外形美觀，但現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。應充分考慮LNG的卸車位置，卸車液相管應低于槽車卸液口、卸液管線應盡量短；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，通過管路優化實現自增壓的方式卸車，減少了潛液泵開啟次數、設備磨損和加液槍的維修次數，節約了電能，提高了汽化器的換熱效率和生產效率，LNG運行費用預計可節約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，在設計建設運行期間，按照《安全生產標準化規范》對站場進行了嚴格管理，特別是重點加強了對以下4項內容的管控。

2.1 靜止設備的安全管理

2.1.1 防爆區的劃分

加氣站生產區為罐區、卸車區、壓縮區，加氣區屬于氣體Ⅱ區爆炸危險場所，其余環境為正常環境。爆炸危險環境場中的用電設備和照明燈具均采用隔爆型電氣設備，規格為dⅡBT4。此外，還配備有滅火器材、自建消防水系統，連續供水時間不短于3 h；區域應制作隔離欄進行有效的隔離防護。

2.1.2 防雷區的劃分

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

2.1.3 防靜電措施

在生產中，液體和氣體在設備管道中高速流動時會產生靜電，電荷可能高達數千伏，有可能因產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備管道中做好接地，每臺設備應有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中，應將接地夾與裝卸設備等電位連接。

2.1.4 接地系統的檢測

配電系統采用TN-S接地形式，引入低壓電源進線在控制室重復接地，接地電阻≤4 Ω；電氣設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接地電阻≤1 Ω；所有接地系統，比如防雷接地、電氣系統接地、防靜電接地和信息系統共用接地裝置，接地電阻≤1 Ω。以上接地電阻應由專業部門每半年檢定1次。

2.1.5 附屬設施的檢測

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

2.2 動態設備的安全管理

2.2.1 燃氣報警系統監控

在旋轉設備和加氣（液）島兩部分動設備區域安裝了可燃氣體探測器，并采取了集中連鎖控制，監測到可燃氣體濃度在爆炸下限（LEL）的20%時，現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，控制系統采取緊急連鎖停車?？扇細怏w探測器須每年進行1次監測和報廢更新。

2.2.2 緊急停車裝置（ESD）

LNG和CNG系統中加氣島、卸氣、壓縮等操作區均設有緊急停車裝置。在操作和運行過程中，如果發生故障，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生產。

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，進而導致裝卸介質泄漏、失控，在一定程度上對人體和環境造成危害。為了防止此類危險情況的發生，緊急拉斷閥通常具有以下2種功能：①預定斷開機制。其能在達到負荷極限前足夠大的范圍內響應。②具有斷開點瞬時自動閉鎖裝置，可防止介質泄漏，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，天然氣過濾器濾網運行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季節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 作業現場的安全防護

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，短時間內將導致呼吸困難，長時間吸入會引發疾病。天然氣并沒有毒，但它會降低氧含量，導致窒息，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，即便意識到也已經太遲。要預防此類傷害，需配備可燃氣體探測器，設置高、低限報警，并啟動ESD系統。

2.3.3 爆炸防護

天然氣屬易燃易爆物質，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。要預防著火爆炸事故，需配備可燃氣體探測器，設置高、低限報警，并啟動ESD系統。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的主要原因有4個：①不端正的工作態度。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知識、經驗，且技術不熟練。③上崗職工身體不適。工作人員的生理狀態或健康狀況不佳，比如聽力、視力不良，反應遲鈍、疾病、醉酒或存在其他生理機能障礙。④不良的工作環境。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、作業空間狹小，設備、工具缺陷等不良的物理環境，以及操作規程、安全規程不合適。針對這4方面的原因，應嚴格按照“3E”原則加強安全管理。

2.4.1 工程技術（Engineering）對策

運用工程技術手段消除不安全因素，確保生產工藝、機械設備等生產條件的安全。動設備、靜設備的管理和作業現場防護等三部分內容，即是根據工藝特性采取的針對性的技術措施。

2.4.2 教育（Education）對策

利用各種形式的教育和訓練，使職工樹立“安全第一、預防為主”的思想，掌握安全生產所必需的知識和技能。職工安全教育主要通過內部開展三級安全教育、班組安全教育、應知應會學習考試、周三安全日和周四學習日等系列活動來完成；相關方安全教育是加氣站安全管理的重要組成部分，主要通過當地電視、交通電臺和報紙等媒體宣傳教育；在加氣站向加氣車輛駕駛人員發放宣傳畫、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、企業規章制度等必要的手段約束人的行為。嚴格執行各項安全管理制度，主要通過日常檢查、節假日檢查、季節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督、考核，主要考核途徑有生產安全月考核、班組建設月考核、安全生產標準化季度考核、安全風險季度考核和機電設備季度考核。因此，可通過各類檢查考核測評工作人員的安全績效，并采取經濟手段規范工作人員的行為，持之以恒地緊抓加氣站的安全管理工作。

3 結論

通過采取以上優化設計和運行校正策略，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“四個重點環節”，即靜態設備管理、動態設備管理、作業現場管理和人的管理，以防范人的不安全行為、物的不安全狀態和彌補管理上的缺陷，最終提高加氣站的安全性、穩定性，切實有效預防各類生產安全事故的發生。

參考文獻

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作者簡介：董十棉（1971—），男，山西晉中人，1994年畢業于山東科技大學化工工藝專業（本科），工學學士，現任太原煤炭氣化（集團）晉中燃氣有限公司安監處副處長，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