LNG加氣站的規范選用及設計

摘 要

摘要：通過對GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》與GB 50156—2002《汽車加油加氣站設計與施工規范》(2006年版)以及LNG與LPG主要特性這兩方面的比較，確定進行LNG加
摘要：通過對GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》與GB 50156—2002《汽車加油加氣站設計與施工規范》(2006年版)以及LNG與LPG主要特性這兩方面的比較，確定進行LNG加氣站設計時所依據的規范。分析并確定了LNG加氣站的儲存規模和等級劃分，探討了LNG加氣站的總圖、工藝、公用工程及消防設計。
關鍵詞：LNG加氣站；規范選用；儲存規模；等級劃分；設計
Code Selection and Design of LNG Filling Station
ZH0U Chun
Abstract：Through the comparison of Code for Design of City Gas Engineering(GB 50028—2006)and Code for Design and Construction of Automobile Gasoline and Gas Filling Station，(2006)(GB 50156—2002)as well as the key features between LNG and LPG，the code used in design of LNG filling station is determined.The storage size and grade level of LNG filling station are analyzed and determined.The design of general plan，process，public projects and fire control of LNG filling station is discussed.
Key words：LNG filling station；code selection；storage size；grade level；design
LNG汽車和LNG加氣站在國外特別是美國，已經得到了長足發展，而在我國的發展時間尚未超過20年，還處于發展初期。因此，我國尚未頒布專門適用于LNG加氣站的設計規范。在進行LNG加氣站設計時，國外設計人員主要遵守NFPA57—97《汽車用液化天然氣(LNG)供氣系統標準》，國內已建成并正在示范運行的LNG加氣站遵循的設計標準也是NFPA57—97。但由于各種原因，特別是國內外行業發展水平、設備制造水平、管理水平的差異，我國行業主管部門及消防部門對國外規范的認可程度不高。根據以往的成功經驗，采用大家更為熟悉的國內相近的設計規范，更容易得到主管部門的認可。比如LNG氣化站發展初期，GB 50028—93《城鎮燃氣設計規范》中尚未有關于LNG氣化站的要求，設計時均參照了該規范中LPG氣化站的要求。因此，筆者認為在進行LNG加氣站沒計時，首選國內已頒布實施的與國外規范相近的設計規范。
1 LNG加氣站設計規范的選用
一般認為，LNG加氣站的設計可參照GB 50028—2006《城鎮燃氣設計規范》中LNG氣化站的相關要求和GB 50156—2002《汽車加油加氣站設計與施工規范》(2006年版)中LPG加氣站的相關要求[1]。前者的理論依據是LNG加氣站與LNG氣化站的物料均為LNG，僅兩者的廠站形式及建站地點不同。后者的理論依據是LNG具有比LPG更安全的特性參數，且LNG加氣站與LPG加氣站同為加氣站，建設地點都位于城市建成區內。
① 規范的比較
GB 50028—2006主要適用于LNG總儲存容積不大于2000m3的城鎮LNG供應站的工程設計。
該規范對LNG氣化站的儲罐及天然氣放散總管與站內外建、構筑物的防火間距、消防系統均作了明確規定。
GB 50156—2002(2006年版)主要適用于汽車加油站、LPG加氣站、CNG加氣站和汽車加油加氣合建站工程的設計和施工。該規范對LPG加氣站的規模，LPG儲罐、卸車點、加氣機、放散管管口與站外建、構筑物的防火間距，LPG加氣站內設施之間的防火間距及消防系統均作了明確規定。
GB 50028—2006主要適用于LNG氣化站，而LNG氣化站通常建于城市建成區之外。因此，該規范中LNG儲罐及放散總管與站外建、構筑物的防火間距比GB 50156—2002(2006年版)中LPG儲罐及放散管與站外建、構筑物的防火間距大。GB 50028—2006對卸車點、加氣機等與站外建、構筑物的防火間距以及加氣站內設施(儲罐與加氣機、站房、放散管等)之間的防火間距均沒有涉及，而GB 50156—2002(2006年版)對此有比較洋細的規定。
GB 50028—2006與GB 50156—2002(2006年版)的相同點：a.對儲罐的消防設施要求一致，均要求儲罐的單罐容積大于20m3或總容積大于50m3時，儲罐應設置固定消防冷卻系統。b.對移動式消防用水量的規定基本相同。c.對公用工程的設計基本一致，但在工藝設計方面，由于LNG加氣站與LNG氣化站的物料均為LNG，所以GB 50028—2006中關于LNG氣化站的部分更具有針對性。
② LNG與LPG的特性比較
LNG是以甲烷為主要組分的烴類混合物，LNG與LPG的主要特性對比見表1。由表1可知：a.LNG比LPG更難點燃，且燃燒速度比LPG小。b.LNG的燃點、爆炸極限均比LPG高，且爆炸極限的范圍更寬。c.當溫度高于-112℃時，LNG蒸氣比空氣輕，易于向高處擴散；而LPG蒸氣比空氣重，易于在低處積聚而引發事故。因此，LNG在運輸、儲存和使用中的火災危險性及危害程度低于LPG，比LPG更安全[2]。
從燃燒放出的熱量來看，相同體積的LNG和LPG氣化并燃燒后，LNG放出的熱量比LPG少，對周圍的熱輻射也小。
因此，在防火間距和消防設施方面，對LNG加氣站的要求可以比對LPG加氣站的要求低?？紤]到LNG加氣站在我國尚處于初期發展階段，采用與LPG加氣站基本相同的防火間距和消防設施是適宜的。
表1 LNG與LPG主要特性對比
項目
LPG
LNG
燃點/℃
493
650
點火能/mJ
0.305
0.330
燃燒速度/(m·s-1)
0.42
0.38
爆炸極限/%
2.15～9.60
5.00～15.00
氣體密度
大于空氣密度，少量泄漏
后易積聚
-112℃以上時小于空氣密度，少量泄漏后即揮發
③ 設計規范的確定
LNG加氣站與LPG加氣站的站內設施相似，均包含加氣機、泵、儲罐、站房等。因此，從廠站的形式、建設地點、對站外環境的防火要求及站內、外設施來看，LNG加氣站的設計規范更官選擇GB 50156—2002(2006年版)。
從LNG與LPG的特性來看，LNG比LPG更安全，且兩者皆是加氣站。因此，LNG加氣站的設計規范也更宜選擇GB 50156—2002(2006年版)。
畢竟LNG加氣站與LPG加氣站的物料不同，工藝設計和公用工程設計等方面存在差異。因此，為了更準確地體現LNG的特性，在工藝設計和公用工程設計等方面，對于GB 50156—2002(2006年版)未涉及的關于LNG特性要求的設計.應采用GB 50028—2006。
    因此，筆者認為在進行LNG加氣站的設計(包含總圖、工藝、公用工程、消防設計)時，應主要依據GB 50156—2002(2006年版)中LPG加氣站的相關規定。GB 50156—2002(2006年版)未涉及的部分應依據GB 50028—2006中LNG氣化站的相關規定。
2 LNG加氣站的儲存規模及等級劃分
2.1 影響儲存規模的因素
LNG加氣站的設計中，確定LNG加氣站的儲存規模及單臺儲罐的容積時，應主要考慮以下幾個影響因素：
① 加氣站的加氣規模及儲存周期
LNG加氣站的加氣對象主要為公交車和客運大巴等易于集中加氣、集中管理的車輛，，據了解，目前國內已建成并投入使用的LNG加氣站日加氣100～150車次。國內公交車車載LNG氣瓶多為240L，充裝系數按85%考慮，則日加氣量為20.4～30.6m3[1]。從需求方面來說，LNG加氣站主要建在城市建成區內，而城市郊區通常建有LNG儲配站，供氣條件較好。因此，LNG加氣站的儲存周期宜為1～2d，故LNG加氣站所需儲罐容積宜為20.4～61.2m3。
② 與站外建、構筑物的防火間距
從理論方面分析，只要采取了相應的安全措施，LNG加氣站的規?？梢耘cLNG氣化站相同。但從需求方面來看，由于LNG加氣站多建于城市建成區內，對站外建、構筑物與LNG加氣站內儲罐及工藝設施的防火間距要求較高，不易找到滿足較大防火間距要求的建設用地。因此，LNG加氣站儲罐容積不宜過大。
③ 設計規范對儲存規模的要求
根據GB 50156—2002(2006年版)第3.0.4條的規定，LPG加氣站的儲罐總容積不應大于60m3，單罐容積不應大于30m3。根據該規范的條文說明，此規模的確定既能滿足加氣需求，也能保證安全，降低風險，同時也是與相關規范及公安部消防局協調的結果。因此，LNG加氣站儲罐的容積規模也應考慮該規范的要求。
④ 站內用地及消防水系統的要求
根據GB 50156—2002(2006年版)第9.0.1、9.0.5條及GB 50028—2006第9.5.1條的規定，總容積超過50m3或單罐容積超過20m3的LPG或LNG儲罐應設置固定式消防冷卻水系統。若LNG加氣站的儲罐設置固定式消防冷卻水系統，同時考慮20L/s的消火栓消防用水量，則LNG加氣站總消防用水量必然超過25L/s。根據GB 50016—2006《建筑設計防火規范》第8.6.1條的規定，加氣站應設置消防水池及消防泵房。因此，需要較大的用地面積。而LNG加氣站通常建于城市建成區內，很難找到符合要求的用地。另一方面，據了解，國內已建成并投入運行的LPG加氣站通常采用2～3臺單罐容積為20m3或30m3的埋地式儲罐，這可以避免設置儲罐固定消防冷卻水系統，與站外建、構筑物的防火間距也可以適當減小。而LNG儲罐為真空絕熱儲罐，通常為地上式儲罐。地下式LNG儲罐在國內尚未有實施的工程實例，國外的工程實例也較少。因此，為了減小加氣站的消防用水量，減小占地面積，LNG加氣站儲罐的總容積不宜大于50m3，單罐容積不宜大于20m3。
⑤ 儲罐的規格
國產LNG儲罐容積通常為20m3、30m3、50m3、100m3和200m3等，LNG加氣站儲罐應盡可能采用常規規格的產品，便于采購。
2.2 儲存規模的確定
綜合考慮LNG加氣站的加氣規模，儲存周期，與站外建、構筑物的防火間距，設計規范對儲存規模的要求，站內消防水系統的要求，儲罐的規格等因素，筆者認為在參照執行GB 50156—2002(2006年版)的前提下，為減小LNG加氣站的用地面積，使加氣站更容易實施，LNG加氣站的單罐容積為20m3，總容積為20m3或40m3。
2.3 加氣站的等級劃分
按GB 50156—2002(2006年版)第3.0.4條的規定，LPG加氣站的等級劃分見表2，設V為液化石油氣罐總容積。
表2 液化石油氣加氣站的等級劃分[3]
級別
液化石油氣罐容積/m3
總容積
單罐容積
一級
45＜V≤60
≤30
二級
30＜V≤45
≤30
三級
V≤30
≤30
儲罐總容積為40m3，單罐容積為20m3的LNG加氣站屬于二級站；儲罐總容積為20m3，單罐容積為20m3的LNG加氣站屬于三級站。
3 LNG加氣站的總圖設計
① 功能分區
根據LNG加氣站的實際情況和生產工藝需求，站區可分為儲存區、加氣區和站房。儲存區的主要設備包括LNG儲罐、LNG泵、卸車增壓器、調飽和器等。加氣區由加氣機和加氣罩棚組成。站房通常由值班室、綜合營業廳、儀表配電間、空壓機房、辦公室等組成。
② 總圖布置
a. 根據GB 50156—2002(2006年版)第5.0.1條的規定，站區工藝設施一側應設置高2.2m的非燃燒實體圍墻，面向進、出口道路的一側宜設置非實體圍墻，或開敞。
b. LNG儲罐、LNG泵、卸車增壓器、調飽和器等設備布置在高度為1.0m的圍堰內，卸車接頭及其閥門可布置在圍堰墻體上。
c. 儲存區、加氣區、站房均獨立布置，布置時應注意LNG泵與LNG加氣機的距離要盡可能短，不宜大于15m。原因是國內LNG汽車的車輛供氣系統未設置氣瓶增壓器，為了保證供氣壓力的穩定性，使之能滿足發動機的用氣壓力要求，給車輛加注的LNG必須為飽和液體。若LNG泵與LNG加氣機的距離過長，無車輛加氣時，管道內剩余的飽和LNG較多，容易氣化，會影響加氣并排放大量的氣體，造成浪費。
    d. LNG加氣站的工藝設施與站外建、構筑物之間的防火距離按GB 50028—2006中LNG氣化站相關的防火間距執行。工藝設施與站內建、構筑物之間的防火距離按GB 50156—2002(2006年版)中LPG加氣站相關的防火間距執行。
LNG加氣站的總圖布置見圖1。
 

4 LNG加氣站的工藝設計
4.1 工藝流程
① 卸車流程
將LNG由槽車轉移至LNG儲罐中，主要有卸車增壓器卸車、LNG泵卸車及兩者聯合卸車等3種方式[4]。卸車增壓器卸車的優點是完全采用環境熱量，不耗費電能，工藝流程相對簡單；缺點是卸車速度比較慢，冬季室外溫度較低時尤為明顯。LNG泵卸車的優點是卸車時間較短，工藝流程相對簡單；缺點是耗費大量電能，啟動前需要對泵進行預冷。卸車增壓器和LNG泵聯合卸車的優點是卸車時間比單獨采用卸車增壓器卸車時間短，耗費的電能比單獨采用LNG泵卸車少；缺點與單獨采用LNG泵相同。
筆者建議LNG加氣站應具有卸車增壓器、LNG泵單獨卸車和同時卸車的功能。夏季宜采用卸車增壓器卸車，冬季宜采用卸車增壓器和LNG泵聯合卸車。
② 調飽和流程
我國LNG汽車的車輛供氣系統未設置氣瓶增壓器，為了保證供氣壓力的穩定性，使之能滿足發動機的用氣壓力要求，車載瓶中的LNG必須為飽和液體。因此，加氣前需要使儲罐中的LNG升溫、升壓，處于飽和狀態。調飽和有3種方式：調飽和器調飽和、LNG泵調飽和、調飽和器與LNG泵聯合調飽和[4]。這3種方式的優缺點與LNG卸車采用的3種方式的優缺點基本相同。
筆者建議LNG加氣站應采取調飽和器和LNG泵聯合調飽和的方式，可以大大縮短LNG的調飽和時間，避免加氣車輛的長時間等待。
③ 加氣流程
LNG的加氣流程是指LNG泵將儲罐中的LNG抽出，輸送至LNG加氣機，通過LNG加氣機給汽車加氣。
④ 卸壓流程
當儲罐壓力大于設定值時，打開安全閥，釋放儲罐中的氣體，降低壓力，以保證儲罐安全，放散的氣體通過集中放散管放空。
4.2 主要設備
① LNG儲罐
LNG加氣站采用的低溫壓力儲罐為真空粉末絕熱儲罐。儲罐分為內罐和外罐兩層，內罐材質為0Cr18Ni9，外罐材質為16MnR。內外罐之間采用真空粉末絕熱，真空隔熱層厚度為250mm。儲罐的日蒸發率小于0.25%，充裝系數為0.9。儲罐上裝有高、低液位報警設施，內罐壓力高報警設施，超壓自動排放罐頂氣體的自力式降壓調節閥以及安全閥等，以保證儲罐的安全。在儲罐進、出口的LNG管道上設有緊急切斷閥，當有緊急情況發生時，可迅速關閉閥門，以保證系統安全。
目前，20m3真空粉末絕熱低溫儲罐主要為立式和臥式2種形式。立式儲罐的優點是占地面積小，罐內液體與LNG泵的靜壓頭大，有利于LNG的調飽和及汽車加注；缺點是立式儲罐比較高，美觀性差。臥式儲罐的優點是比較低，美觀性好，容易被周圍人群接受；缺點是占地面積大，罐內液體與LNG泵的靜壓頭小。目前國內示范運行的加氣站均采用立式儲罐，有成功的經驗?？紤]到有利于汽車加注和LNG的調飽和，筆者推薦采用立式儲罐。
② LNG泵
輸送LNG這類低溫的易燃介質，不僅要求輸送泵能承受低溫，而且對其氣密性能和電氣方面的安全性能要求很高。隨著對泵結構、材料等方面的研究有了很大的進展，一種安裝在密封容器內的潛液式電動泵在LNG系統中得到了廣泛的應用。其主要特點是將泵與電動機整體安裝在一個密封的金屬容器內，不需要軸封，也不存在軸封的泄漏問題[5]。
通常潛液式電動泵可分為船用泵、汽車燃料泵、LNG高壓泵(罐外泵)和大型儲罐的罐內泵。LNG加氣站中，LNG的轉運和加注采用的是汽車燃料泵，其結構緊湊，立式安裝，特別適用于汽車燃料加注和低溫槽車轉運LNG。LNG泵采用安全的潛液電動機，電動機和泵都浸沒在流體中，不需要軸封。在吸入口增加了導流器，減少流體在吸入口的阻力，防止泵氣蝕。LNG加氣站采用的LNG泵通常為兩級離心泵，由一臺變頻器控制，能適應不同的流量范圍，電氣元件安裝在具有防爆功能的接線盒及其罩殼內，流量為8～340L/min，揚程為15～250m。主要廠家包括美國的ACD公司、日本的Nikkiso公司、瑞士的Cryomec公司等。
③ LNG加氣機
LNG加氣機是依據直接測量流體介質質量的原理，利用先進的傳感和微電腦測控技術，具有高精度、多功能的新型LNG加液計量裝置，主要用于計量充入LNG車載瓶的液量。同時，加氣機應用微測控技術對計量過程進行自動控制，顯示屏直接顯示被測液體的流量、單價、金額及加液量累計值，可遠程通信，實現計算機中央管理[6]。
目前，LNG加氣機多采用進口，其計量方式為單管計量，單槍加氣，計量精度為±0.1%，最大質量流量為80.0kg/min，具有溫度補償功能，配帶拉斷閥。
④ 調飽和器和卸車增壓器
LNG加氣站采用的調飽和器和卸車增壓器均為空溫式換熱器，LNG通過吸收環境熱量達到氣化升溫的目的，能耗很低。為了提高氣化速率和換熱效率，調飽和器和卸車增壓器的主體通常采用耐低溫的鋁合金縱向翅片管，且擁有很大的換熱面積。其影響因素主要為流量、工作壓力、工作周期、大氣溫度、相對濕度、風力、日照等[7]。
筆者建議調飽和器的流量為200m3/h，立式安裝；卸車增壓器的流量為300m3/h，臥式安裝。
5 LNG加氣站的公用工程設計
LNG加氣站的公用工程設計主要包括土建設計、電氣設計、自控設計和給排水設計，應按照GB 50156—2002(2006年版)第9～11章及GB 50028—2006第9.4、9.5、9.6條的規定進行設計。
土建設計主要包括站房、設備基礎、加氣島、加氣罩棚柱、圍堰、場地等內容的設計；基本要求有站房耐火等級不小于二級，門、窗向外開等。電氣設計主要包括設備的動力用電、站房及站區的照明用電、站區的防雷防靜電設計等；基本要求有加氣站的供電負荷為三級，但有條件的情況下可設計為二級，罩棚、營業室、配電間等應設置事故照明等。自控設計主要包括設備的控制及狀態顯示、加氣機的收費系統、可燃氣體檢測報警系統及低溫檢測報警裝置；基本要求有儲罐進出液管應設置緊急切斷閥，并與液位控制連鎖，在可能發生LNG泄漏的區域，設置可燃氣體和低溫泄漏報警裝置等。給排水設計主要包括站區的雨水、站房的給水、排水沒計；基本要求有圍堰內的排水利用管道排出站外時應設置水封井，防止LNG流入下水道等。
6 LNG加氣站的消防設計
① 消防水系統
筆者確定的LNG加氣站儲罐的總容積為20m3或40m3，單罐容積為20m3。根據GB 50156—2002(2006年版)第9.0.1、9.0.5條的規定，LNG加氣站設置移動消防用水裝置，消火栓消防用水量按20L/s考慮。根據GB 50016—2006第8.6.1條規定，加氣站無需設置消防水池，利用市政消防設施即可。消防水管網可從市政消防管網接入，要求水流量不小于20L/s，壓力不小于0.25MPa。
② 滅火器材
LNG加氣站應根據GB 50156—2002(2006年版)的要求設置滅火器材，加氣區每臺加氣機設置1只4kg手提式干粉滅火器；儲存區設置35kg推車式干粉滅火器2臺和8kg手提式干粉滅火器5臺；站房的滅火器材布置應符合GB 50140—2005《建筑滅火器配置設計規范》的規定。
7 結語
為了推動LNG加氣市場的發展，更好地利用LNG作為清潔汽車燃料的優勢，加快LNG加氣站網絡化的建設，國家相關部門應盡快組織技術力量編制專門針對LNG加氣站的設計規范。
參考文獻：
[1] 周春.LNG汽車加氣站的消防設計方案[J].煤氣與熱力，2010，30(1)：A39-A41.
[2] 中國市政工程華北設計研究院.GB 50028—2006城鎮燃氣設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2006：367-368.
[3] 中國石化工程建設公司，中國市政工程華北設計研究院，四川石油管理局勘察沒計研究院.GB 50156—2002汽車加油加氣站設計與施工規范[S].2006年版.北京：中國計劃出版社，2006：5.
[4] 吳佩英.LNG汽車加氣站設計的探討[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：7-9.
[5] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術[M].北京：機械工業出版社，2003：171.
[6] 張麗敏，陳福洋.LNG加氣機技術現狀[J].煤氣與熱力，2008，28(7)：B27-B29.
[7] 賀紅明，林文勝，顧安忠.L-CNG加氣站技術淺析[J].天然氣工業，2007，27(4)：126-128.
 
(本文作者：周春 中機國際工程設計研究院江蘇分院 江蘇南京 210001)