郑州市液化天然气应急调峰站工艺设计Word文档格式.docx
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根据《国家发展改革委关于做好2018年天然气迎峰度冬工作的通知》，决定为郑州城区设计一座LNG应急调峰储备站，设计大调峰量为万方/天，项目建成投产后，将大幅提高郑州市州市天然气应急调峰能力，为城区天然气供应提供有力保障。
本项目设计范围包括厂区内部设施的基础设计、详细设计、管道布置和其他配合施工的技术服务工作，本项目的内容包括：
（1）LNG储罐区、LNG增压气化系统、LNG装卸车设施、BOG回收系统以及火炬系统等生产设施；
（2）配套工程：
包括与主体工程配套的自控、供（配）电、土建、给排水及消防专业、环保、安全、节能等设计内容。
（1）城市面积和人口
郑州市城区占地面积为1233公顷，人口总数为807180人。
郑州市是河南省会，位于中原腹地，处于黄河中下游，北临黄河，东接开封，南临许昌，西与洛阳接壤。
历年极端最低气温：
-17.9℃
历年极端最高气温：
43℃
（2）年主导风向及频率：
C21ENE10
冬季：
C22NW12
（3）最大冻土深度：
27CM
（4）最大积雪厚度：
8CM
（6）断裂层、地震烈度：
目前，郑州市天然气供应的主气源为西气东输线和西气东输二线平泰线。
主城区分别依靠赵家庄首站和西二线首站从赵家庄分输站和西二线祥符刘分输站接气后，通过已经形成的4.0MPa高压外环城区进行供气，形成了双气源的格局。
随着我国城市天然气利用的深入，近年来郑州市天然气消费增长明显加快，工业、发电等用气需求显著回升。
郑州市高压四环仅依靠赵家庄首站和西二线首站对其进行供气，用气高峰时四环高压管线运行压力较低，储气能力较弱，很难适应郑州市燃气事业快速发展的需求。
按照郑州市市委、市政府“气化郑州”战略的总体要求，为有效利用外部来气，缓解市区用气缺口，郑州市城区LNG应急调峰储备站的建设，可以部分调解上游对郑州市冬夏季节供气量的差值，减少冬季高峰时对用户的停气限气量，以满足冬季足量的天然气供应，该项目可实现外来气源与郑州市中心城区燃气管网相连通，增加郑州市中心城区的天然气接收能力，既能平衡高压燃气管网系统压力，又有利于储气调峰，提高郑州市的供气安全性和可靠性。
1、管输天然气成分：
2、管输天然气进门站压力：
2.0-3.2MPa；
由《燃气输配》查得所用性质参数如下
表3-1燃气性质参数表
气体甲烷乙烷丙烷丙烯正定烷二氧化碳氮气氧气
密度ρ（kg/Nm³
）0.71741.35532.01021.91362.70301.97710.08991.4291
μ×
10^6（p_a⋅s）
ν×
10^6（m^2⋅s）
分子量M（kg·
K）
（1）燃气热值（高低）
根据任务书中给定的燃气种类及组分，计算出燃气的热值
（4.3a）
式中：
—燃气的低热值，KJ/m3；
—单一组分的低热值,KJ/m3，；
—单一组分的容积成分，%；
H_h=0.86×
39.842+0.026×
70.351+0.028×
93.667+0.026×
101.266+0.009×
133.886=42.554（MJ∕Nm^3）
H_l=0.86×
35.902+0.026×
64.397+0.028×
87.667+0.026×
93.240+0.009×
123.649=38.542（MJ∕Nm^3）
在标准状态下的燃气密度
燃气相对密度
s=ρ⁄（ρ_a）（4.3c）
—燃气相对密度；
—空气密度，kg/m3；
—燃气密度，kg/m3；
ρ=0.01∑▒ρ_ir_i=0.86×
0.7174+0.026×
1.3553+0.025×
1.9136+0.026×
2.0102+0.009×
2.7030+0.021×
1.9771+0.025×
1.2504+0.005×
1.4291=0.862kg/Nm³
s=ρ⁄ρ_a=0.862/1.293=0.667
华白数是反映燃气质量的一个特性参数，是判定燃气互换性的重要依据之一。
W=H⁄√s（4.3d）
H—燃气热值，kJ/m3，
W=H⁄√s=38.542/√0.667=47.192
（1）对于不含氧及惰性气体的燃气，其爆炸极限可按下式计算
（4.3e）
式中Li—燃气中各组分的爆炸极限，%；
L—不含氧及惰性气体的燃气爆炸极限，%；
yi—燃气中各组分的容积分数，%。
（2）含有惰性气体的燃气，其爆炸极限可按下式估算
式中—含有惰性气体的燃气爆炸极限，%；
L—不含惰性气体的燃气爆炸极限，%；
Bi—燃气中惰性气体的容积成分，%。
根据O2和N2的比例，气中所余N2的有效成分为:
0.025-0.005（79/21）=0.0062
不包括空气的其余组分所占的体积分数为:
1-0.005（79/21）-0.005=0.9762
重新调整混合气体的体积分数，得到其余各组分无空气基的体积分数为:
y_（CH_4）^m=0.86÷
0.9762=0.8810，y_（c_2H_6）^m=0.026÷
0.9762=0.0266
然后按上例的方法进行计算:
y_（c_3H_6）^m=0.0287，y_（c_3H_8）^m=0.0266，y_（C_4H_10）^m=0.0092，y_（CO_2）^m=0.0215，y_（N_2）^m=0.0256
由于混合气体中含有氧气，故将组分中的惰性气体和可燃气体进行混合：
y_（CH_4）^m+y_（CO_2）^m=0.8810+0.0215=0.9025，惰性/可燃=0.0215/0.8810=0.0244；
y_（c_4H_10）^m+y_（N_2）^m=0.009+0.0256=0.0340346，惰性/可燃=0.0256/0.009=2.84；
查得各混合组分在上述混合比时的爆炸极限相应为5％～16％和6％～24％，
L_l=1/（0.9025/0.05+0.0346/0.06+0.0266/0.029+0.0287/0.02+0.0266/0.021）=4.5%
L_h=1/（0.9025/0.16+0.0346/0.24+0.0266/0.13+0.0287/0.117+0.0266/0.095）=15.3%
混合气体的动力黏度可以近似地按下式计算:
μ=（Σg_i）/（∑g_i/μ_1）=（g_1+g_2+⋯+g_n）/（g_1/μ_1+g_2/μ_2+⋯+g_n/μ_n）（4.3g）
式中混合气体在0时的动力黏度（Pa·
s）；
g_1、g_2…g_n——混合气体中各组分的质量分数；
μ_1，μ_2…μ_n—混合气体中各组分在0C时的动力黏度（Pa·
∑y_im_i=0.86×
16.043+0.026×
30.070+0.028×
42.081+0.026×
44.097+0.009×
58.124+0.021×
44.010+0.025×
28.013+0.005×
31.999=19.211kg/kmol
g_（CH_4）=（y_（CH_4）M_（CH_4））/（∑y_im_i）=（0.86×
16.043）/19.211=0.7182
g_（C_2H_6）=0.0407，g_（C_3H_6）=0.0613，g_（c_4H_10）=0.0272，g_（co_2）=0.0481，g_（N_2）=0.0365，g_（O_2）=0.0083；
（∑g_i）̅=0.7182+0.0407+0.0613+0.0597+0.0272
0.0481+0.0365+0.0083=1，
μ=（Σg_i）/（Σg_i/μ_i）=（1×
10^（-6））/（0.7182/10.395+0.0407/8.600+0.0613/7.649+0.0597/7.502+0.0272/6.835+0.0481/14.023+0.0365/16.671+0.0086/19.417）=10.02×
10^（-6）Pa·
s
压缩天然气的水露点是压缩天然气的一个重要指标，含量与温度和压力有关。
说明：
脱水装置计算用
居民生活年用气量的计算
居民生活年用气量计算公式：
Q_a=Nkq/H_l（5.1a）
Q—居民生活年用气量（Nm³
/a）；
N—居民人口数（人）；
q—居民生活用气量指标（k/（人·
a））
Hl燃气低热值（kJ/Nm3）
由原始数据知k=95%，郑州属于华东地区，查阅资料知年用气量指标为q=2300MJ/（人·
年），H_l==38.542（MJ∕Nm^3）；
Q_a=Nkq/H_l=（807180×
2.3×
10^6×
0.95）/38542=4.58×
10^（7）Nm³
/a
查阅资料知郑州市居民用户占比25%，即可得到郑州市总的用气量为
Q总=4.58x107/0.25=1.832x108Nm³
商业、工业及其他用户年用气量
（1）商业用户年用气量
商业用户用气占比为10%，故商业用户年用气量为：
Qa=1.832x108x0.1=1.832x107Nm³
（2）工业企业年用气量
工业用户用气量占比为50%，故工业用户年用气量为：
Qa=1.832x108x0.5=9.16x107Nm³
（3）建筑采暖年用气量
建筑采暖用户用气量占比为5%左右，故建筑采暖用户年用气量为：
Qa=1.832x108x0.05=9.16x106Nm³
（4）燃气汽车年用气量
汽车用户用气量占比为10%，故汽车用户年用气量为：
表5-1年用气量汇总表
类别居民用户商业用户工业企业用户采暖用户汽车用户总和
年用气量（Nm³
/a）4.58x1071.832x1079.16x1079.16x1061.832x1071.832x108
一年中各月的用气不均匀情况用“月不均匀系数”表示。
根据字面上的意义，应该是各月的用气量与全年平均月用气量的比值，但这并不确切，因为每个月的天数是在28～31d的范围内变化的。
因此月不均匀系数K值可按式（5.3a）计算:
〖K〗_m=该月平均日用气量/全年平均日用气量（5.3b）
12个月中平均日用气量最大的月，即月不均匀系数值最大的月，称为计算月。
并将月最大不均匀系数K_m^max称为月高峰系数。
用日不均匀系数表示一个月（或一周）中日用气量的变化情况，日不均匀系数用Kd
表示，可用下式计算
K_d=该月中某日用气量/该月平均日用气量（5.3c）
该月中日最大不均匀系数K_d^max称为该月的日高峰系数。
（3）小时用气工况
通常用小时不均匀系数表示一日中小时用气量的变化情况，小时不均匀系数用Kh表示，可用下式计算
K_h=该日某小时用气量/该日平均小时用气量（5.3d）
该日小时不均匀系数的最大值K_h^max称为该日的小时高峰系数。
（a）由调研数据可知居民用户最大用气量发生在10~11时为16%，则小时不均匀系数，即小时高峰系数K_h^max=（16×
24）/130=2.9，该市月高峰系数在1.1~1.3之间，取K_m^max=1.15，日高峰系数为K_d^max=1.1,
故居民用户高峰日用气量为:
Q_d^'
=（4.58×
10^7×
1.15×
1.1）/365=1.59×
10^5Nm³
/d
高峰小时用气量为:
Q_h^'
1.1×
2.9）/（365×
24）=1.92×
10^4Nm³
/h
（b）商业用户用气规律同居民用户，故K_h^max=2.9，K_m^max=1.15，K_d^max=1.1，
故商业用户高峰日用气量为：
Q_d^'
=（1.832×
1.1）/365=6.35×
高峰小时用气量为：
.
Q_h^'
24）=7642Nm³
（c）由于工业企业供气均匀，K_h^max=K_m^max=K_d^max=1.1，
故工业企业用户日高峰用气量为
=（9.16×
1.12×
1.12）/365=3.15×
工业小时用气量，取两班制，三班制各一半，
1.12）/（365×
24）=1.47×
16）=2.2×
（d）采暖用户认为供气均匀，即高峰日用气量为
=（1.172×
10^7）/365=25095.9Nm³
=（9.16×
10^6）/（365×
24）=1045.66Nm³
（e）汽车用户加气主要集中在下午四时左右，所以K_h^max=K_m^max=1.1，
1.1）/365=6.1×
1.5）/（365×
24）=3795.7Nm³
表5-2高峰日、小时用气量汇总表
类别居民用户商业用户工业企业用户采暖用户汽车用户综合
高峰日用气量Nm³
1.59x1056.35X1043.15x10525095.96.1x1046.24x105
高峰小时用气量Nm³
/h
（1）应急调峰量要求（按照目前国家相关政策确定）：
（a）年用气量的5%；
1.832×
10^8×
5%=9.16×
10^6Nm³
（b）3天高峰日用气量；
6.24×
10^5×
3=1.872×
10^（6）Nm³
（c）15天不可中断用户用气量；
（1.832×
10^8）/365×
15=7.53×
取最大值9.16x106Nm³
。
考虑到缓解经济压力，要装车外运，3万Nm³
/车，一天装6车，连续供应15天，所需气量为30000x6x15=270万m³
所以最终储气规模916万m³
加上装车外运的270万m³
，总量为1186万m³
，转化为液态水容积为1.98万m³
各类用户总的高峰日用气量为：
1.59×
10^5+6.35×
10^4+3.15×
10^5+25095.9+6.1×
10^4=62.5万Nm³
各类用户总的高峰小时用气量为：
1.92×
10^4+7642+36700+1045.66+3795.7=6.8
由于当地天然气管道可供应万20万m³
/d,10.25万m³
买二档气，剩余30万可由应急调峰站供应，故本设计气化规模：
30万m3/d（高峰）；
3.3万m3/h（高峰）。
天然气储存气化装置的工艺流程主要包括：
LNG储存及装卸车单元、LNG气化单元、BOG回收单元、调压计量与加臭单元等几个部分。
LNG储罐类型的确定
（1）真空罐（压力罐）
真空罐为双层金属罐，内罐为耐低温不锈钢压力容器，外罐为碳钢，夹层充满绝缘材料。
真空罐是在全程压力测试输送到现场后在工厂制造的。
真空罐为双金属罐，内罐为低温不锈钢压力容器，外罐为碳钢，夹心内保温材料，真空罐在工厂生产中经过压力测试后，运输到现场。
1000立方米以下液化天然气的总储存量通常储存在多个真空罐中。
目前，我国单罐最大容积为150立方米。
真空罐工艺比较简单，一般使用油箱压力的自加压，不使用动力设备，能耗低。
真空罐的缺点是存储容量小，存储单元大，占地面积大。
由于本站的储存规模为为1186万m³
，液态水容积为1.98万m³
，储存容积较大，因此本工程不选用真空罐。
子母罐是一个内部罐，它有几个（四个以上）子罐并联，以满足大容量低温压力液体储存站的设计要求。
多个子罐全部平行连接成一组，或平行分成两组，组装在一个大的外罐之中。
子罐一般为立式圆柱，外罐为立式平底拱盖圆柱形，外罐为常压罐，因外罐尺寸过大等原因，夹层因外压阻力不能抽真空，绝热方式为粉末（珠光砂）的堆积绝热。
由于单只子罐的几何容积通常在100~250m3之间，所以仍不适合本工程选用。
常压罐结构有双金属罐，外罐预应力混凝土结构，还有土罐，有地下罐，20000m³
下的多为双金属罐。
液化天然气低温常压储罐的工作压力为15kPa，工作温度为-162℃，为平底双壁圆筒形。
储罐由内外两层组成，两层之间为绝热结构，起到保护冷层的作用。
内罐用于储存液化天然气，而外壳起到保护和冷却的作用。
为了减少外部热量进入储罐，设计的内部和外部储罐是分开且独立的。
罐顶是一个独立的拱顶。
罐顶必须具有足够的强度和稳定性，以承受由保温材料等引起的外压和内气产生的内压的作用。
储罐采用珠光砂作为防寒材料，充入干氮气，保证夹层微压正值，隔热材料与大气隔离，避免大气压力或温度变化的影响，以及湿空气进入外罐的冷层，以延长防寒材料的使用寿命。
在设计和制造绝缘结构时，应注意防潮措施。
LNG储罐属于常压、低温大型储罐，分为地上型和地下型两种，多为平地、双壁、圆柱形，储罐内壁与液化天然气直接接触，通常用含镍9%的合金钢，也可以是全铝、不锈钢膜或受拉混凝土，外墙是碳钢或受拉混凝土。
储罐内保温材料主要为膨胀珍珠岩、弹性玻璃纤维毡和泡沫玻璃砖，液化天然气储罐有三种类型：
单闭罐容积、双闭罐容积和全闭罐容积。
所有地下储罐均建在地下，金属储罐外为混凝土连续墙，深度约100米，地下储罐主要集中在日本，抗震性能好。
综上三种类型储罐的特点和性能，本工程选用两座10000Nm³
的双金属全容罐，满足本工程的需要，且仍有富余量。
LNG气化方式的确定
常见的气化器有空温式气化器、水浴式气化器、浸没燃烧式气化器等。
空温式气化器采用强制通风和自然通风，强制通风由于换热小，可减少冻结，延长解冻切换时间，但是由于安装外的防风罩不允许人工解冻，风机的使用也需要用电量，因此运行成本比自然供暖要贵。
富通空气温度化油器使用自然能源，降低能耗，使用方便，我国的LNG气化装置多采用自然通风的空温式气化器。
空温式气化器的连续工作时间一般为6～8小时，如若超过8小时，则出气温度会降低，长时间使用，会导致气化效率降低，需要另外备用一套切换使用。
而且其在冬季气温低的情况下可能会导致无法正常运行。
水浴式汽化器是用热水加热液化天然气，热介质可以是热水、蒸汽或电，它受季节温度影响小，它的气化炉结构紧凑，占地面积小，设备成本低，但其运行成本较高。
根据郑州市的年平均气温14.4℃，本工程选用LNG采用LNG空温式气化器气化，如若到了冬天气温较低时，空温式气化器出口温度低于5℃时，则用水浴式复热器加热到规定温度，输送到天然气管网。
LNG气化系统工艺流程
3套带卸车泵的卸车撬可通过卸车增压气化器与卸车泵结合方式同时卸车，此种方式可防止由于槽车内产生BOG而导致LNG不能完全抽出的浪费，同时又加快了卸车的速度。
卸车增压器原理是取槽车里的部分液体与空气热交换变成气体，这部分气体进入槽车里产生压力形成压差，压差通过卸车口将车内的液体送进LNG储罐储存。
卸车末段槽车内的低温NG气体，利用BOG气相管线进行回收。
当卸车量增大时采用2套装卸车撬可同时进行卸车操作。
在装车前连接槽车和装车臂，用氮气分别对液相臂和气相臂中的空气进行氮气置换，然后进行装车预冷，打开液相管道和气相管线上的气动阀门，对装车臂进行预冷，流量计开始计量，当装车臂完成结霜后进行装车，LNG储罐内的液化天然气由LNG低温离心泵抽出后加压至0.4～0.7Mpa，利用压差经低温管道由装车撬送到槽车内，当装车量达到装车量时，关闭液相气动阀门和流量调节阀，现场操作人员用氮气分别对液相和气相臂进行吹扫，然后按工艺关闭气相切断阀、装车臂上阀门和槽
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