闵行LNG汽车加气与灌装示范站工程工艺及安全设计

上海燃气工程设计研究有限公司 李海伦

为做好上海 LNG汽车示范应用，稳步推进天然气在交通能源领域的应用，同时拓展 LNG非管输应用技术，利用闵行液化气储配站原旧站区14 846 m2(约合22.2亩)土地资源建设闵行LNG汽车加气与灌装示范站工程。该示范站工程集 LNG汽车加气、LNG灌装分输和应急保障供应为一体，将为上海在 LNG汽车应用方面积累经验，探索适合上海的发展之路。本文以该工程为例，对其工艺设计和安全设计进行总结和讨论。

1 工程概况

闵行 LNG汽车加气与灌装示范站工程即上海LNG非管输应用示范项目位于上海市昆阳路 1738号上海液化石油气经营有限公司储配分公司(闵行站)场地内，拆除原有生产设施后建设。工程建设用地面积为14 846 m2，工程分为东侧的LNG汽车加气示范站及西侧的LNG灌装示范站2个独立的站区，两个独立站区为非合建站。两站区之间的安全间距按规范规定的设备与站外建(构)筑物的安全间距设计。

1.1 LNG汽车加气示范站

LNG汽车加气示范站站区合建加油站，为加油加气(LNG)合建站，拟建1台60 m3LNG储罐、4台30 m3储油罐(2台30 m3汽油罐，2台30 m3柴油罐)，设2台双枪LNG加气机、4台双泵四枪加油机，每天可为400辆LNG汽车和燃油汽车提供加气/加油服务，本项目加油加气合建站为二级站。

1.2 LNG灌装示范站

LNG灌装示范站储存规模为2台100 m3LNG储罐，气化规模为300 m3/h，同时设4个钢瓶充装位进行钢瓶充装。该站的主要功能是 LNG储存、LNG气化外输及LNG钢瓶充装。

2 工艺设计

2.1 工艺流程

工艺流程反映了工艺生产的全部过程，在整个设计中，设备选型、工艺计算、设备置布等工作都与工艺流程有直接关系。

2.1.1 LNG汽车加气工艺(见图1)

图1 LNG汽车加气示范站工艺流程

LNG通过LNG槽车运至LNG汽车加气示范站内，采用卸车增压器和LNG潜液泵联合卸车的方式，将槽车内LNG通过工艺管道卸至站内LNG储罐。后通过 LNG潜液泵、LNG加气机对 LNG车辆进行加气。另外，本工程设有调饱和功能，储罐内LNG通过LNG潜液泵和饱和增压器调饱和后给加气车辆加注，以保证加气车辆的使用性能。

LNG储罐、低温槽车及其它在LNG储存、生产期间产生的BOG(蒸发气)，经空温式气化器加热后，经调压(调压至0.4～0.7 MPa)计量后输送至相邻LNG灌装示范站的BOG储气罐。

2.1.2 LNG灌装示范站工艺(见图2)

图2 LNG灌装示范站工艺流程

LNG由LNG槽车运至LNG灌装示范站区，利用卸车增压器将槽车内的LNG卸入LNG储罐。储罐内 LNG一路经 LNG潜液泵输送到灌装区给LNG钢瓶充装，另一路通过储罐增压器加压后，经空温式气化器加热(冬季空温式气化器出口温度低于－5 ℃时，需经蒸汽复热器复热)，经调压计量加臭，输送至厂区的锅炉房。

LNG储罐、低温槽车、LNG充装钢瓶及其它在LNG生产期间产生的BOG，经BOG加热器加热(冬季BOG加热器出口温度低于－5 ℃时，需经蒸汽复热器复热)后进入BOG储气罐，经调压计量加臭后输送至厂区的锅炉房。

2.2 关键设备的选择

本工程关键设备有LNG储罐、LNG低温潜液泵、LNG加气机、空温式气化器、蒸汽复热器、电子灌装秤、调压计量加臭撬等，主要设备均采用新技术和新设备，所有主要设备均通过实际考察及比较后确定。

2.2.1 LNG储罐

LNG储罐按绝热方式分为高真空多层缠绕式储罐和真空粉末式储罐。本工程采用高真空多层缠绕式储罐，储罐保温采用超级绝热真空保温技术，缠绕的纤维纸和铝箔均为进口材料，导热系数小，可使储罐的保温性能相比珠光砂保温方式提高50%以上，从而能长时间保存液体，减少 BOG的产生。

2.2.2 LNG低温潜液泵

LNG低温潜液泵泵体采用美国ACD公司的浸没式两级离心泵，离心泵为潜液式变频调速电动泵，整体浸入42 L泵池中。该潜液泵在吸入口增加了导流器，减少流体在吸收口的阻力，防止泵的气蚀。LNG泵池保冷采用独有的超级多层缠绕复合绝热技术及气、液隔离控制，减少泵的漏热损失。同时设计泵的工艺管道时充分考虑了潜液泵与储罐之间管路系统的流量、液位差、管阻等因素，保证低温泵更高的静压头，可抽空储罐内的LNG，利用率高。

2.2.3 LNG加气机

LNG加气机主要包括流量计和加注枪。流量计采用压差式流量计，流量计完全浸泡在液体中，与液体保持相同的温度，无需预冷。加注枪是给车载LNG气瓶加注的快装接头。根据流量，加注枪一般分为两种规格，一种是流量为 190 L/min，另一种是流量为37 L/min。前者适用于重型卡车、公交车及长途客车等，后者适用于小型轿车和面包车。

2.2.4 空温式气化器

本示范站工程内的主气化器、卸车增压器、储罐增压器、BOG加热器、EAG加热器等均属于空温式气化器。为提高 LNG与环境的换热效率，气化器主体部分采用耐低温的铝合金(3A21或 6063)纵向翅片管，它结构简单、体积小、重量轻、制造和使用方便，同时拥有很大的换热面积，很适合作低温系统中气化器或增压器。

2.2.5 蒸汽复热器

蒸汽复热器采用蒸汽水浴盘管式换热器，蒸汽通过蒸汽温控阀和混水器进入筒体内的常压水中，冷凝后从溢流口排出，混水器为文丘里引射式结构。蒸汽温控阀通过插在水中的温度传感器自动控制阀门开度，从而将筒体内水温控制在一定范围内。设备桶体外包保温棉，防止热损耗。

2.2.6 电子灌装秤

电子灌装秤主要由防爆称重控制器、超低温防爆电磁阀、称重传感器、防爆声光报警器等组成。电子灌装秤配套称重控制仪表柜与电子称连接，并与液相进口管道上的气动紧急自动切断阀联锁，共同实现LNG灌装的控制。

2.2.7 调压计量加臭撬

调压计量加臭撬将调压设备、计量设备和加臭设备整体成撬。其中流量计选用涡轮流量计，加臭设备采用全自动加臭机。

2.3 工艺设计关键点

2.3.1 工艺流程

工艺流程方案的选择是决定设计质量的关键，须通过各方面比较筛选一个最好的工艺流程。工艺流程的选择一般遵循以下3个原则：

(1)先进性：工艺流程的设计应优先采用新技术、新工艺和新设备，提高设备效率，减少能量损耗，并尽可能的考虑回收利用。本工程的设计主要考虑对LNG闪蒸产生的BOG加以回收利用；

(2)可靠性：工艺流程的设计应保证工艺和技术的可靠性。不成熟的工艺和技术会影响场站的正常运作，甚至会存在安全隐患。因此，在确定工艺方案前最好通过现场考察、比选和交流讨论；

(3)合理性：根据LNG实际储存、气化、加气等规模合理确定设备容量、管径尺寸、仪表控制检测点、设计参数(压力、温度)等，以确保整个工艺流程工艺可行、经济合理。

2.3.2 设备选型及工艺计算

为了减少不必要的投资浪费，站内的设备及管道须经过选型计算后确定，一般 LNG设计容量按3～5天的计算月平均日用气量来确定；LNG潜液泵需根据实际用气需求及用气压力确定规格和扬程；加气机的数量根据用气车辆的市场情况合理确定；其他设备可肯定经验值合理确定。另外，站内管道管径的确定根据低温管道流速不超过 4 m/s、常温管道流速不超过10 m/s进行计算。

2.3.3 设备平面布置

设备平面布置应满足操作和配管方便等方面的要求，对管道布置流向进行细化，尽量使设备布置合理、管道布置最简化。设计过程中注意复核设备资料，以保证准确性，同时要注意设备的安装高度，尤其是卸车增压器和储罐增压器等自增压设备，要保整 LNG流入所需的高差。另外设备之间除了考虑必要的安装间距外，要紧凑布置，尽量减少液相管道的长度，从而减少BOG的产生。

2.3.4 工艺管道平面布置

(1)管道的布置要考虑整体管系有足够的柔性，充分利用管道的自然补偿和π型弯补偿

(2)管道布置方式主要有架空敷设、直埋敷设和管沟敷设。低温管道应尽量采用架空敷设，当不可避免在管沟内敷设时，管沟内应填充砂或采取其他防止气体积聚的措施。常温管道可采用架空敷设或直埋敷设。为保持管道的稳定性，架空敷设和管沟敷设的管道须在适当的位置增加支墩或支架。

(3)工艺设计时应综合考虑总图、建筑、结构、电气、自控、给排水、消防等专业，做好与各专业的沟通协调，各专业管线要合理避让。

3 安全设计

LNG虽是在低温下储存，但气化后和管输天然气一样均为常温气态应用，这就增加了 LNG潜在的危险性。

LNG气化后为气态天然气，易燃，甲A类火灾危险品，具有易燃易爆的特性。LNG常压条件下温度约为－162 ℃，低温会导致工艺设施、管道发生脆性断裂或冷收缩造成管道损失，若操作不当则易冻伤操作者，泄漏或溢出后 LNG急剧气化，形成蒸汽云团，稀释受热后与空气形成爆炸性混合物，构成极大危险。蒸发气BOG具有一定的危险性等。

3.1 总平面布置安全防护措施

本工程中LNG汽车加气示范站按照GB 50156－2012《汽车加油加气站设计与施工规范》(2014年版)进行设计，LNG灌装示范站按规范GB 50028－2006《城镇燃气设计规范》进行设计。本项目站内外建构筑物、设施的防火间距严格按照规范执行。

LNG灌装站和LNG加气站分为独立的两个站区，站区内设置生产区和生和辅助区，LNG灌装站内生产区设置环形消防车道，站区四周设置高度不小于2.2 m的实体围墙，LNG加气站设有2个对外出入口，LNG灌装站设有3个对外出入口。

本工程在 LNG储罐的四周设置不燃烧实体防护堤，当 LNG泄漏或溢出时，将可燃液体限制在防护堤内，防止进一步扩散。

3.2 主要设备及管道安全防护措施

3.2.1 LNG储罐安全防护

储罐设置液位上、下限及压力上限报警，采用远程监控，并与储罐的液相连接管道上的紧急切断阀联锁；设置安全阀及手动放散阀，安全阀须采用封闭全启式。

3.2.2 LNG低温潜液泵安全防护

LNG储罐的底部(外壁)与低温潜液泵池的顶部(外壁)的高差必须符合 LNG 低温潜液泵的安装使用要求；低温潜液泵罐设置温度和压力检测仪表，能就地显示和远传；泵出口管道上设置全启封闭式安全阀和切断阀。

3.2.3 LNG加气机安全防护

要求加气系统的充装压力不大于汽车车载瓶的最大工作压力，加气软管设置安全拉断阀。

3.2.4 气化器安全防护

气化器出口温度与气化器进口紧急切断阀进行联锁，当气化器出口温度低于环境温度－10 ℃时，紧急切断气化器进口紧急切断阀。

3.2.5 灌装系统安全防护

灌装系统前设置紧急自动切断阀，并与灌装秤的计量系统进行联锁。

3.2.6 站内管道的安全防护

LNG低温液相管道须保温，并考虑由低温引起的热应力；LNG在管道内的流速泵前小于2 m/s，泵后小于4 m/s；LNG卸车、钢瓶充装及LNG加气机软管采用奥氏体不锈钢金属软管，其设计压力为6.4 MPa，不小于装卸系统工作压力的2倍，且最小爆破压力大于4倍的公称压力。

3.3 其他安全防护措施

(1)站内设置紧急切断系统，具有手动及自动同时启动的功能，在事故发生时切断所有紧急切断阀。所有紧急切断阀具有阀位开关的显示及采集，电磁阀在紧急切断阀阀位开关到位的情况下方可释放，如果5 s之后阀位没有开关到位，发出声光报警。所有自动切断后需手动复位；

(2)本工程在LNG灌装站内设置10 m高天然气放散管一座，用来集中放散LNG灌装站和LNG加气站内的EAG(安全放散气体)，天然气的放散温度低于周围环境温度值在50 ℃以内；

(3)在工艺装置区设置可燃气体探测器，并在控制室设置声、光报警。天然气浓度报警设定值不大于爆炸下限浓度值的20%；

(4)储罐区、气化装置区域或有可能发生 LNG泄漏的区域内设置低温检测报警装置和相关的连锁装置；

(5)装置区以及其他存在潜在危险需要经常观测处，设置火焰探测报警装置，相应配置适量的现场手动报警按钮；

(6)装置区严格遵循规范设计静电接地和避雷设施系统；

(7)LNG灌装站内按照规范设有消防给水设施，满足站内火灾连续时间6 h的消防用水量，并按《建筑灭火器配置设计规范》配置干粉灭火器；LNG加气站为二级加气站，按照《汽车加油加气站设计与施工规范》配置相应数量的灭火器即可。

4 结语

闵行LNG汽车加气站与灌装示范站具有LNG运输装卸、储存、气化外输、钢瓶充装、汽车加气等功能，其工艺设计的核心在于工艺流程的设计和设备的选型，并在设计时从总平面布置、设备及管道、电气自控、消防等方面采用了合理的安全防护措施，以保证整个站区安全可靠、经济合理的运行。通过现场观察和记录，闵行加气站与灌装站运行状态良好，各主要设备技术参数均在正常工作范围，符合设计要求。

目前上海市尚无功能如此全面的 LNG非管输应用项目，本工程的建设具有很好的示范效果，可为以后类似工程的推广和建设提供借鉴。