某CNG母站工藝及安全設(shè)計(jì)

劉丹

摘要：?? 本文結(jié)合某CNG母站的建設(shè)實(shí)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(duì)CNG加氣母站安全控制進(jìn)行了論述，希望對(duì)今后CNG加氣母站的設(shè)計(jì)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(jì)量?? 脫硫塔?? 脫水器? 儲(chǔ)氣井?? 加氣柱

0 序言

某CNG母站規(guī)劃設(shè)計(jì)總規(guī)模10X10Nm/d，主要設(shè)備有：調(diào)壓計(jì)量撬、雙塔脫硫裝置、雙塔脫水裝置、壓縮機(jī)、儲(chǔ)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(jìn)站壓力0.8MPa～1.8MPa。進(jìn)站天然氣首先進(jìn)入調(diào)壓計(jì)量撬進(jìn)行穩(wěn)壓計(jì)量。穩(wěn)壓計(jì)量后的天然氣經(jīng)脫硫裝置和脫水裝置分別進(jìn)行脫硫、脫水等工藝處理后再進(jìn)入壓縮機(jī)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(yùn)至CNG加氣子站給燃?xì)馄嚰託?。?jiǎn)單流程框圖如下：

2、設(shè)計(jì)初步構(gòu)思

2.1進(jìn)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(shí)，能夠及時(shí)、快速切斷氣源，將事故波及的范圍降到最低，設(shè)計(jì)考慮在進(jìn)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(shí)直接進(jìn)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(diǎn)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(jī)各級(jí)安全泄放系統(tǒng)，調(diào)壓計(jì)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(jìn)入放空管進(jìn)行放空。

2.5站內(nèi)濃度報(bào)警及ESD按紐

站內(nèi)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警器，監(jiān)測(cè)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(yùn)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(jī)、壓縮機(jī)以及脫水器PLC控制柜、壓縮機(jī)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(shí)按下ESD按紐，然后與ESD按紐聯(lián)動(dòng)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(jī)工作狀態(tài)

壓縮機(jī)進(jìn)行并聯(lián)，正常工作時(shí)通過旁通閥進(jìn)行隔斷，互不影響。異常情況時(shí)，通過開啟旁通閥，實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)互用。

3、主要工藝設(shè)備選型

3.1調(diào)壓計(jì)量系統(tǒng)

氣源接自門站高壓匯管，由于用氣時(shí)段的不同，壓力變動(dòng)較大，為了保護(hù)壓縮機(jī)，延長(zhǎng)壓縮機(jī)的使用壽命，進(jìn)站天然氣要進(jìn)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(jì)量，在調(diào)壓器后設(shè)有天然氣流量計(jì)，流量計(jì)的計(jì)量精度 1級(jí)?？紤]流量計(jì)的精度等級(jí)，本站選用帶體積修正儀的渦輪流量計(jì)，渦輪流量計(jì)前裝有過濾精度為5μm的高效過濾器。調(diào)壓計(jì)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(shí)，需要進(jìn)行脫硫，考慮母站的工作特點(diǎn)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(jì)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(jìn)行前置脫水、中間脫水和后置脫水。一般地，壓縮機(jī)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(shí)，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(guó)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(jī)對(duì)氣質(zhì)要求不高的場(chǎng)合，如配置國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)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(diǎn)，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(diǎn)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(shí)間取40～60s。結(jié)合本站設(shè)計(jì)規(guī)模和脫水裝置的最大處理能力，本站設(shè)計(jì)選用2臺(tái)3500 Nm/h的雙塔結(jié)構(gòu)脫水裝置，同時(shí)運(yùn)行。脫水器再生時(shí)，雙塔通過自動(dòng)切換，一塔運(yùn)行，一塔再生。

3.4壓縮系統(tǒng)

3.4.1 進(jìn)口壓縮機(jī)與國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)的對(duì)比

進(jìn)口壓縮機(jī)與國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）由于進(jìn)口壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速比國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)要快，同等進(jìn)氣壓力的情況下，進(jìn)口壓縮機(jī)排氣量比國(guó)產(chǎn)壓縮機(jī)高;

2）進(jìn)口壓縮機(jī)在當(dāng)時(shí)多為撬裝集成安裝，施工安裝方便快捷;

3）由于進(jìn)口壓縮機(jī)消音措施高效，所以噪音低;

4）進(jìn)口壓縮機(jī)技術(shù)成熟，安全可靠，自控水平高，自我保護(hù)措施強(qiáng);

鑒于上述原因，本站設(shè)計(jì)時(shí)，選用進(jìn)口壓縮機(jī)。

3.4.2 壓縮機(jī)規(guī)格確定

加氣站內(nèi)壓縮機(jī)型號(hào)規(guī)格的選取主要根據(jù)該站的設(shè)計(jì)規(guī)模、進(jìn)站天然氣壓力和脫水工藝等確定。按日開機(jī)16h計(jì)算，需2臺(tái)排氣量為3200Nm/h、1.0MPa的壓縮機(jī)同時(shí)運(yùn)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(jī)保護(hù)系統(tǒng)

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

按照傳統(tǒng)加氣母站對(duì)壓縮機(jī)的保護(hù)，就是在壓縮機(jī)撬前增設(shè)進(jìn)氣緩沖罐，平衡壓縮機(jī)的進(jìn)氣量，減少氣體脈沖對(duì)壓縮機(jī)的沖擊，同時(shí)減少壓縮機(jī)進(jìn)口管線的震蕩。為降低壓縮機(jī)運(yùn)行時(shí)的震蕩對(duì)管線產(chǎn)生的影響，在每臺(tái)壓縮機(jī)進(jìn)口管線上設(shè)置長(zhǎng)為600mm的金屬軟管。

本站采用的壓縮機(jī)為活塞推動(dòng)式壓縮機(jī)，根據(jù)壓縮機(jī)的工作原理，在某一工作壓力狀態(tài)下，壓縮機(jī)排氣量成余弦線，為了減少壓縮機(jī)后氣體脈動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)和充氣系統(tǒng)的影響，以及兩臺(tái)壓縮機(jī)排氣量的相互影響，設(shè)計(jì)考慮在壓縮機(jī)增設(shè)儲(chǔ)氣井進(jìn)行緩沖。

本站在壓縮機(jī)后增設(shè)2口2m的儲(chǔ)氣井。加氣低谷時(shí)，壓縮機(jī)開啟，可對(duì)儲(chǔ)氣井直接充氣，有拖車加氣時(shí)，可在不開啟壓縮機(jī)的情況下將儲(chǔ)氣井里的氣直接給拖車加氣，從而能夠避免壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)，緩沖加氣時(shí)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(shí)間結(jié)合日有效工作時(shí)間確定加氣柱的臺(tái)數(shù)。單臺(tái)拖車加氣時(shí)間一般在1.5小時(shí)，日有效工作時(shí)間以16h計(jì)算，本站日加氣拖車按28輛/d，根據(jù)公式：

加氣機(jī)槍數(shù)=日加氣拖車數(shù)X單臺(tái)拖車加氣時(shí)間/日有效工作時(shí)間

經(jīng)計(jì)算需要2.6把槍，因此設(shè)計(jì)選用3臺(tái)加氣柱。

3.6管材和閥門

3.6.1 管材管徑

壓縮機(jī)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(hào)無(wú)縫鋼管，壓縮機(jī)前總管中天然氣經(jīng)濟(jì)流速以15m/s進(jìn)行考慮，結(jié)合壓縮機(jī)排量確定管徑大小。

壓縮機(jī)出口輸送高壓天然氣的工藝管道選用無(wú)縫鋼管，由于工作壓力高，壓縮機(jī)后高壓天然氣管道的材質(zhì)選用強(qiáng)度高，韌性好、耐低溫、耐腐蝕的不銹鋼管。不銹鋼無(wú)縫鋼管的制作技術(shù)要求不低于《輸送流體用不銹鋼無(wú)縫鋼管》（GB/T14976-2012）的規(guī)定?？紤]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(jī)之后各段高壓管線以經(jīng)濟(jì)流速5m/s進(jìn)行管徑確定。結(jié)合壓縮機(jī)排氣量，經(jīng)計(jì)算，壓縮機(jī)至加氣柱的高壓管線選用Do38X5的無(wú)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(xiǎn)性大，設(shè)計(jì)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(hù)裝置

4.1事故狀態(tài)的緊急放散

當(dāng)進(jìn)站管道上的電動(dòng)球閥出現(xiàn)故障時(shí)，先將氣源切斷，然后將安全放散閥打開，放出進(jìn)站管道上的氣體，再對(duì)電動(dòng)球閥進(jìn)行故障排除。當(dāng)站內(nèi)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，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(jìn)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(yùn)行，本設(shè)計(jì)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(shí)，安全閥啟跳排氣，以達(dá)到降壓的目的，從而保證系統(tǒng)的正常工作。

4.3壓縮機(jī)自我保護(hù)

壓縮機(jī)出口與第一個(gè)截?cái)嚅y之間應(yīng)設(shè)安全閥，安全閥的泄放能力大于壓縮機(jī)的安全泄放量。壓縮機(jī)泄放氣體通過壓縮機(jī)撬的放空系統(tǒng)進(jìn)行排放。

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

5、結(jié)束語(yǔ)

隨著天然氣在城市能源供應(yīng)中的普及，CNG越來(lái)越多的為燃?xì)馄囁谩Ｗ鳛樯a(chǎn)CNG的加氣母站，設(shè)計(jì)合理的工藝流程、配置經(jīng)濟(jì)可靠的工藝設(shè)備是保證加氣站安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)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(duì)于推動(dòng)CNG加氣子站的建設(shè)，促進(jìn)燃?xì)馄嚨陌l(fā)展，凈化城市環(huán)境具有不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

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