某CNG母站工艺及安全设计

刘丹

摘要：   本文结合某CNG母站的建设实践，介绍CNG加气母站工艺流程、主要工艺设备选型分析，并对CNG加气母站安全控制进行了论述，希望对今后CNG加气母站的设计建设具有指导意义。

关键词：   紧急切断   紧急放散  调压计量   脱硫塔   脱水器  储气井   加气柱

0 序言

某CNG母站规划设计总规模10X10Nm/d，主要设备有：调压计量撬、双塔脱硫装置、双塔脱水装置、压缩机、储气井、加气柱等，该站功能包含天然气的处理、压缩、给拖车加气等。

1、加气站的工艺流程

CNG母站气源接自城市门站高压汇管，进站压力0.8MPa～1.8MPa。进站天然气首先进入调压计量撬进行稳压计量。稳压计量后的天然气经脱硫装置和脱水装置分别进行脱硫、脱水等工艺处理后再进入压缩机压缩升压至25MPa，经压缩后的天然气通过加气柱给CNG拖车加气。加满气的拖车运至CNG加气子站给燃气汽车加气。简单流程框图如下：

2、设计初步构思

2.1进站天然气管道上设置紧急切断阀。

考虑加气站事故状态时，能够及时、快速切断气源，将事故波及的范围降到最低，设计考虑在进站管线上设置紧急切断阀。

2.2脱硫

根据该站原料天然气气质成分，原料气含硫化氢（HS）20mg/m以下，考虑汽车用天然气的气质标准，故站内设置有脱硫装置。并设置一路旁通以便于在硫化氢（HS）含量≤15mg/m时直接进入下一工序。

2.3脱水

依据CNG加气站天然气气质成份表，原料气在工况下的饱和含水量是存在的。低压饱和含水量的天然气经脱水器脱水，脱水后的天然气水露点在-60℃以下。经脱水后得天然气满足车用压缩天然气气质标准的要求。

2.4加气站的安全泄放

高压管道及设备的安全泄放：压缩机各级安全泄放系统，调压计量放空、脱水安全放散及管道安全放散的气体汇集在一起进入放空管进行放空。

2.5站内浓度报警及ESD按纽

站内设置可燃气体报警器，监测工艺装置区等处的泄漏天然气的浓度。

为充分保证加气站的安全运行，降低事故发生后的次生灾害，在加气站的安全出入口、加气机、压缩机以及脱水器PLC控制柜、压缩机PLC控制柜上均要求设置了ESD按纽。这些ESD按纽串联，重大事故一旦发生后，可以随时按下ESD按纽，然后与ESD按纽联动的所有设备均停止工作，从而避免次生灾害的产生。

2.6压缩机工作状态

压缩机进行并联，正常工作时通过旁通阀进行隔断，互不影响。异常情况时，通过开启旁通阀，实现压缩机互用。

3、主要工艺设备选型

3.1调压计量系统

气源接自门站高压汇管，由于用气时段的不同，压力变动较大，为了保護压缩机，延长压缩机的使用寿命，进站天然气要进行调压，使其压力处于较稳定状态。为了配合上游贸易计量，在调压器后设有天然气流量计，流量计的计量精度 1级。考虑流量计的精度等级，本站选用带体积修正仪的涡轮流量计，涡轮流量计前装有过滤精度为5μm的高效过滤器。调压计量工艺采用一用一备。

3.2脱硫系统

门站供气含硫量大于15mg/Nm时，需要进行脱硫，考虑母站的工作特点和脱硫装置的再生周期，本站选用双塔结构的脱硫设备，一塔吸附，一塔再生。脱硫后气体含硫量不得大于15mg/Nm。根据母站设计规模，本站脱硫装置的处理能力为8500Nm/h。

3.3脱水系统

根据规范要求，脱硫后的天然气在气体压缩的前、中、后分别进行前置脱水、中间脱水和后置脱水。一般地，压缩机为集成设备，很少中间导出天然气，因此一般不用中间脱水的工艺方式。

后置脱水工艺要求脱水设备的配件、阀件质量比较高;同时，由于工作压力较高，析出的重烃组分容易使脱水剂中毒。目前国内在这方面的技术工艺问题仍未有较好的处理措施，后置脱水一般用于处理量不大，压缩机对气质要求不高的场合，如配置国产压缩机的常规站或小型母站。

前置脱水与后置脱水相比，脱水设备的安全性能好、设备配备的阀件性能要求低、吸附剂不易油中毒等优点，结合本站压缩前的工作压力，宜选用前置脱水的生产工艺。

脱水后的天然气在常压下的露点降至-60℃以下，天然气通过脱水器的流速取120～150mm/s，与脱水剂的接触时间取40～60s。结合本站设计规模和脱水装置的最大处理能力，本站设计选用2台3500 Nm/h的双塔结构脱水装置，同时运行。脱水器再生时，双塔通过自动切换，一塔运行，一塔再生。

3.4压缩系统

3.4.1 进口压缩机与国产压缩机的对比

进口压缩机与国产压缩机相比有如下优点：

1）由于进口压缩机的转速比国产压缩机要快，同等进气压力的情况下，进口压缩机排气量比国产压缩机高;

2）进口压缩机在当时多为撬装集成安装，施工安装方便快捷;

3）由于进口压缩机消音措施高效，所以噪音低;

4）进口压缩机技术成熟，安全可靠，自控水平高，自我保护措施强;

鉴于上述原因，本站设计时，选用进口压缩机。

3.4.2 压缩机规格确定

加气站内压缩机型号规格的选取主要根据该站的设计规模、进站天然气压力和脱水工艺等确定。按日开机16h计算，需2台排气量为3200Nm/h、1.0MPa的压缩机同时运行，方可满足日产压缩天然气10×10Nm/d的生产要求。

3.4.3 压缩机保护系统

压缩机是加气站的核心设备，是加气站的心脏，保障压缩机正常工作，是该站设计的必不可少的部分。

按照传统加气母站对压缩机的保护，就是在压缩机撬前增设进气缓冲罐，平衡压缩机的进气量，减少气体脉冲对压缩机的冲击，同时减少压缩机进口管线的震荡。为降低压缩机运行时的震荡对管线产生的影响，在每台压缩机进口管线上设置长为600mm的金属软管。

本站采用的压缩机为活塞推动式压缩机，根据压缩机的工作原理，在某一工作压力状态下，压缩机排气量成余弦线，为了减少压缩机后气体脉动对压缩机和充气系统的影响，以及两台压缩机排气量的相互影响，设计考虑在压缩机增设储气井进行缓冲。

本站在压缩机后增设2口2m的储气井。加气低谷时，压缩机开启，可对储气井直接充气，有拖车加气时，可在不开启压缩机的情况下将储气井里的气直接给拖车加气，从而能够避免压缩机的频繁启动，缓冲加气时间。

3.5充气系统

处理压缩后的天然气经加气柱给CNG拖车充气。依据加气站的生产规模、拖车加气时间结合日有效工作时间确定加气柱的台数。单台拖车加气时间一般在1.5小时，日有效工作时间以16h计算，本站日加气拖车按28辆/d，根据公式：

加气机枪数=日加气拖车数X单台拖车加气时间/日有效工作时间

经计算需要2.6把枪，因此设计选用3台加气柱。

3.6管材和阀门

3.6.1 管材管径

压缩机前的天然气管道、排污管道、放空管道等的管材选用GB/T8163-2018标准的20号无缝钢管，压缩机前总管中天然气经济流速以15m/s进行考虑，结合压缩机排量确定管径大小。

压缩机出口输送高压天然气的工艺管道选用无缝钢管，由于工作压力高，压缩机后高压天然气管道的材质选用强度高，韧性好、耐低温、耐腐蚀的不锈钢管。不锈钢无缝钢管的制作技术要求不低于《输送流体用不锈钢无缝钢管》（GB/T14976-2012）的规定。考虑不锈钢材质的性能，本加气站不锈钢管的材质选用0Cr17Ni12Mo2。压缩机之后各段高压管线以经济流速5m/s进行管径确定。结合压缩机排气量，经计算，压缩机至加气柱的高压管线选用Do38X5的无缝钢管。

3.6.2 阀门

管道高、低压阀门均采用球阀。由于高压管线工作压力高、危险性大，设计选用的高压球阀均采用焊接连接方式。管径大于等于DN32的低压球阀采用法兰连接，小于DN32的低压球阀采用螺纹连接。

4、加气站的安全保护装置

4.1事故状态的紧急放散

当进站管道上的电动球阀出现故障时，先将气源切断，然后将安全放散阀打开，放出进站管道上的气体，再对电动球阀进行故障排除。当站内设备出现故障时，则利用设备本身的安全放散阀将设备内的气体排放完毕后，再进行设备故障排除。

4.2正常工作的安全放散

为了保证设备、管道、阀件的安全运行，本设计方案在工艺流程中考虑增加超压放散。凡是在有可能增压、憋压的位置、设备上都设有安全阀。当系统工作压力超过安全阀的定压时，安全阀启跳排气，以达到降压的目的，从而保证系统的正常工作。

4.3压缩机自我保护

压缩机出口与第一个截断阀之间应设安全阀，安全阀的泄放能力大于压缩机的安全泄放量。压缩机泄放气体通过压缩机撬的放空系统进行排放。

压缩机进、出口设有高、低压报警和高压越限停机装置;本站压缩机组冷却方式采用混冷方式，其冷却系统设有温度报警和停车装置。压缩机组的高、低压报警和高压越限装置及温度报警停车装置均通过压缩机PLC控制柜进行控制。

5、结束语

随着天然气在城市能源供应中的普及，CNG越来越多的为燃气汽车所用。作为生产CNG的加气母站，设计合理的工艺流程、配置经济可靠的工艺设备是保证加气站安全、可靠、经济运行的關键因素。CNG加气母站工艺技术不断开拓、完善，工艺设备的合理选择，对于推动CNG加气子站的建设，促进燃气汽车的发展，净化城市环境具有不可替代的作用。

参考文献：

【1】严铭卿，廉乐明 天然气输配工程.中国建筑工业出版社

【2】上海市石油学会 车用燃气与加气站建设.中国石化出版社