CNG加气站安全技术改.docx

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CNG加气站安全技术改

天然气事故与预防

第五篇CNG加气站安全技术

常州大学石油工程学院

主讲:

周昊

目录

1天然气汽车发展现状

2CNG加气站概述

3CNG加气站的一般规定

4CNG加气工艺及设施

5加气站安全基本知识

6防爆防火措施

7加油加气站消防设施

8CNG加气站安全管理

1天然气汽车发展现状

1.1概述

表1-1世界主要国家CNG汽车数量及加气站数

1天然气汽车发展现状

1.2天然气汽车的种类

天然气汽车是指以天然气作为燃料的汽车，按照压力及形态，可分为：

（1）低压气囊式天然气汽车。

它是指天然气以低压方式充装于汽车顶部的气囊内，直接供给内燃机燃烧，该种充装方式目前已基本上淘汰了。

英文缩写为NGV。

（2）压缩天然气汽车。

天然气压缩至20MPa，储存于汽车用压缩天然气钢瓶中，经减压后供给内燃机。

目前的天然气汽车基本上指的都是压缩天然气汽车。

英文缩写为CNGV。

1天然气汽车发展现状

天然气概念车（德国）Opel新车（德国）

1天然气汽车发展现状

在德国波恩举行的“天然气驱动汽车环游”活动表明，天然气驱动比燃油驱动更有效：

一公斤压缩天然气现在的价格为67欧分，而汽车可行驶相当于1.5升燃油所能达到的距离（在德国93号汽油的价格为1升1.16欧元）把天然气换算成汽油价格仅相当于42到48欧分。

因为天然气在德国有直到2010年的税收优惠政策，所以与汽油柴油相比要便宜百分之七十到八十。

1天然气汽车发展现状

东风CNG公交客车：

东风汽车集团股份有限公司（原东风汽车工业投资有限公司）和清华大学共同承担的“十五”国家科技攻关计划“清洁汽车关键技术研究开发与示范应用”项目

1天然气汽车发展现状

（3）液化天然气汽车。

将天然气液化气后，储存于高压保温钢瓶中。

它储存燃料装置的体积比压缩天然气汽车的小，行驶里程长，但技术要求高，目前尚处于开发试验阶段。

英文缩写为LNGV。

20世纪80年代晚期到90年代，对环境问题的重视使得NGV再次受到关注。

美国1988年的汽车代用燃料法案（Alternative Motor Fuels Act）、1990年的清洁空气法案修正案（Clean Air Act Amendments）和1992年的能源政策法案（Energy Policy Act）引发了对NGV的研究热潮。

1天然气汽车发展现状

目前，美国的LNG汽车技术己完全进入实用化阶段，有成熟的产品供应。

如MVE公司作为世界最大的低温储运设备的设计、制造公司之一，就设有专门的LNG业务部门，其主要的业务就是车用LNG设备及LNG燃料站的装置。

日本从1969年开始进口LNG以来，进口量逐年递增，到1997年己达48.4×106万吨，现己成为世界上最大的LNG进口国。

为加快NGV的推广使用，日本国际贸易和工业管理部于1990年开始实施政府资助项目--NGVUIP，日本燃气协会从1990年4月至1996年3月己在执行该项目。

该协会这6年主要集中关注CNG汽车及加气站建设。

而从1996年4月至2000年3月，则集中力量发展LNG汽车及其燃料站建设。

到1998年底，日本己成功开发了一辆LNG燃料汽车的原型车及一个燃料站原型。

1天然气汽车发展现状

目前我国的天然气工业存在着供需之间地域的矛盾，即天然气产地多在四川及西北等内陆地区，而对天然气需求较大的却在东部和东南沿海等经济发达地区。

而天然气管道的运输在我国又是一个薄弱环节。

国家的远景规划是将在2010年建成3条国内的及2条国际的天然气管道，以期从俄罗斯及土库曼斯坦进口天然气。

近期我国南部地区还将引进LNG。

2004年11月11日，在重庆举办的绿色环保汽车展上，展示了一辆液化天然气汽车。

1天然气汽车发展现状

1.3用天然气替代汽（柴）油的优点

（1）污染少

据统计，目前各大城市汽车尾气排放是造成城市空气污染的主要原因，它占了空气污染源总量的60%以上，将汽车燃料由汽（柴）油改为天然气后，尾气污染会明显减少。

与汽油相比，天然气汽车尾气中，CO减少97%，HC减少72%，NOX减少39%，CO2减少24%，SO2减少90%，汽车噪音亦可降低40%，可以说，天然气是汽车最佳的清洁燃料。

（2）运行费用低

按汽油4元/kg，天然气1.5元/m3计，表2是二种汽车燃料的运行价格比。

由表2可见，天然气汽车与汽油汽车相比较，可节省费用约0.47元/km。

若将汽油车改装为双燃料汽车所需费用为6000～10000元/辆，正常运行情况下，6～12个月即可收回改装费用。

1天然气汽车发展现状

表1-2汽油、天然气汽车运行价格比较表

（3）运行安全

天然气相对密度（空气为1）小，为0.58～0.62，泄漏后很快升空，易散失，不易着火；汽油蒸汽较重，液态挥发有过程，且不易散失，易着火爆炸。

天然气爆炸极限为4.7%～15%（5%～16%），比汽油（爆炸极限为1%～6%）高2.5～4.7倍，而且天然气自燃点（在空气中）为650℃，比汽油自燃点（510～530℃）高，故天然气比汽油泄漏着火的危险小。

《汽车用压缩天然气钢瓶标准》（GB17258--1998）规定：

钢瓶试验压力高于工作压力4倍，并安装有防爆设施，不会因汽车碰撞或翻覆造成失火或爆炸，而汽油汽车的油箱系非压力容器，着火后容易爆炸。

2CNG加气站概述

2.1前言

2002年7月1日，我国正式施行《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002），结束了我国无统一加油加气站规范的局面，使我国加油加气站的设计、施工与管理，从此走上了统一的规范化的道路。

《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002）以《小型石油库及汽车加油站设计规范》依据，增加了汽车用液化石油气加气站、压缩天然气加气站和工程施工内容而完成的。

2000年前：

《小型石油库及汽车加油站设计规范》GB50156-92

《汽车用压缩天然气加气站设计规范》SY0092-98

《汽车用液化石油气加气站设计规范》SY0093-98

《汽车用燃气加气站技术规范》CJJ84-2000/J22-2000

北京、上海、广州等地方政府还制定了地方加气站建设标准。

2CNG加油加气站概述

2.2标准术语

（1）加油加气站：

automobilegasoline/gasfillingstation

（2）压缩天然气加气站：

automobileCNGfillingstation

（3）加油加气合建站：

automobilegasolineandgasfillingstation

（4）加气站：

automobileLPGorCNGfillingstation

（5）站房：

stationhouse

（6）加气岛：

gasfillingisland

（7）加气机：

LPG（CNG）dispenser

（8）压缩天然气加气母站：

gasprimaryfillingstation

（9）压缩天然气加气子站：

gassecondaryfillingstation

（10）加气井：

gasstoragewell

2CNG加油加气站概述

2.CNG加气站工艺流程：

CNG加气子站工艺流程示意图

（1）CNG标准站：

是指在站内利用天然气管网取气，经过调压、脱硫、脱水、加压等生产工艺将天然气加工成压缩天然气并为燃气汽车储气瓶充装的加气站，这种站点的所有生产及销售均集中在站内进行。

标准站压缩机的入口压力一般为0.5Mpa以下，压缩机通常为四级压缩结构。

CNG加气母站加气根据进站天然气压力的不同日加气能力从3万标准立方米到30万标准立方米不等，有的地方建设的加气母站日加气能力可以达到50万标准立方米。

三种脱水方式的比较

CNG加气母站工艺流程示意图（不含净化装置）

（3）CNG加气子站

子站和常规站相比，由于没有管网输气，所以就不需要调压计量系统和净化干燥系统，但须另外配置1～2台子站拖车，从母站取气后转运，再通过卸气柱、增压机、加气机等给车辆充装的加气站。

CNG子站的日加气能力一般在1万至2万标准立方米之间。

目前在国内使用的子站主要有两种形式：

压缩机式子站、液压式子站。

当采用压缩机时，入口压力变化范围较宽，在3～20MPa之间。

液压式子站：

一般由液压子站拖车、液压增压橇体、单线加气机、控制系统组成。

因采用的增压设备不同，子站的排气量差别较大，一般在400～2000Nm3/h之间；子站占地面积相差也较大。

压缩机子站工艺流程图

2CNG加油加气站概述

图2-1a成都新华CNG加气站图2-1b富顺CNG加气站

图2-1c自贡双塘CNG加气站图2-1dCNG加气母站（北京）

2CNG加油加气站概述

2.3.1天然气质量

引入加气站的天然气质量不得低于现行国家标准《天然气》（GB17820）的Ⅱ类气质指标，汽车用天然气质量应符合现行国家标准《车用压缩天然气》的规定。

2.3.2系统组成

天然气加气站由天然气引入站管道和脱硫、脱水、调压、计量、压缩、贮存、加气等主要生产工艺系统及循环冷却水、废润滑油回收、冷凝处理、供电、供水等辅助生产工艺系统组成，可分为贮存加压生产区和加气营业辅助区。

贮存加压生产区：

内设天然气压缩机房（含天然气过滤、调压、计量、压缩脱水装置和储气瓶库、天然气压缩机冷却系统）。

加气营业辅助区：

设

①加注区（含天然气加气岛）。

②营业站房（含营业室、财务室、值班室、办公室、仪表总控制室等）。

③综合辅助用房（含高低压变配电室、消防水系统等）。

2CNG加油加气站概述

2.3.3加气系统流程

来站天然气经过滤、调压计量后经缓冲稳压后进入压缩机，天然气压缩机将天然气压缩加压至25MPa进入高压脱水装置除去剩余水分，脱水后经程序控制器选择安排，进高压储气瓶组或高压储气管束，分不同压力储气，不同高压天然气又在程序售气控制器下经天然气售气机向燃气汽车售气。

当高压储气系统存气不足时，经程序控制器天然气可经压缩机加压直接供给售气机，经计量向燃气汽车售气。

加气系统流程见图2.3

2CNG加油加气站概述

图2.3加气站系统流程示意图

3CNG加气站的一般规定

3.1供气

可采取罐车运输或管道输送的方式。

当压缩天然气加气站采用管道供气方式时，不应影响营网其它用户正常使用。

3.2建站

加油站与液化石油气加气站或加油站与压缩天然气加气站可联合建站。

汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002）允许汽车加油站和汽车加气（LPG、CNG）站合建。

这样做有利于节省城市用地，有利于经营管理，也有利于燃气汽车的发展。

只要采取适当的安全措施，加油站和加气站合建是可以做到安全可靠的。

国外燃气汽车发展比较快的国家普遍采用加油站和加气站合建方式。

3CNG加气站的一般规定

3.3加气站储气设施的总容积限制

压缩天然气加气站储气设施的总容积应根据加气汽车数量、每辆汽车加气时间等因素综合确定，在城市建成区内不应超过16m3。

在《汽车用燃气加气站技术规范》（CJJ84-2000）中规定，加气站分为：

一级站：

总储气容积为13～16m3；

二级站：

总储气容积为7～12m3；

三级站：

总储气容积为≤6m3。

而新规范《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002）不对加气站分级，仅对压缩天然气加气站储气设施的总容积大小，根据加气汽车数量、每辆汽车加气时间等因素综合确定，并规定在城市建成区内不应超过16m3。

3CNG加气站的一般规定

3.4加油和压缩天然气加气合建站的等级划分

新规范《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002）中，对于加油加气合建站，分为两级，需符合下表的规定。

表3-1加油和压缩天然气加气合建站的等级划分

4CNG加气工艺及设施

4.1天然气的质量、调压、计量、脱硫和脱水

（1）压缩天然气加气站的进站天然气的质量应符合现行国家标准《天然气》GB17820中规定的工类气质标准和压缩机运行要求的有关规定。

增压后进入储气装置及出站的压缩天然气的质量，必须符合现行国家标准《车用压缩天然气》GB18047的规定。

进站天然气需用硫处理时，脱硫装置应设在压缩机前。

脱硫装置应设双塔。

当进站天然气需脱水处理时，脱水可在天然气增压前、增压中或增压后进行。

脱水装置应设双塔。

表4-1是现行国家标准《车用压缩天然气》GB18047-2000对汽车用压缩天然气的技术要求。

4CNG加气工艺及设施

表4-1车用压缩天然气技术要求

4CNG加气工艺及设施

（2）天然气进站管道上宜设置调压装置。

进站管道设置调压装置以适应压缩机工况变化需要，满足压缩机的吸入压力，平稳供气，并防止超压，保证运行安全。

（3）天然气进站管道上应设计量装置，计量装置的设置应符合下列规定：

①天然气流量采用标准孔板计量时，应符台国家现行标准《天然气流量的标准孔板计量方法》SY/T6143中的有关规定，其流量计量系统不确定度，不应低于1.5级。

②体积流量计量的基准状态为：

压力101.325kPa，温度20℃。

（4）加气站内的设备及管道，凡经增压、输送、储存需显示压力的地方，均应设压力测点，并应设供压力表拆卸时高压气体泄压的安全泄气孔。

压力表量程范围应为2倍工作压力，压力表的准确度不应低于1.5级。

4CNG加气工艺及设施

4.2天然气增压

天然气压缩系统主要由进气缓冲罐、压缩机主机、润滑系统、冷却系统等部分组成。

压缩机主机最为重要，它是加气站的心脏，其性能好坏直接影响加气站运行的可靠性和经济性。

CNG加气站用压缩机的排气压力高、排量小，一般采用往复式压缩机。

从润滑方式分，主要由有油润滑和无油润滑两种，对于有油润滑，在其最终排气口后应安装脱油装置。

加气站用压缩机的排气压力一般为25MPa，有的稍高一些，达到28MPa，也有少数厂家的压缩机达到32MPa，但分析表明，以排气压力25MPa时最为经济、可靠和安全。

进气压力范围为0.035～9MPa，压缩机排气量可根据不同规模进行选择，范围可为16～2000m3/h，常用排气量为200～300m3/h。

4CNG加气工艺及设施

图4-1W型系列压缩机（成都天然气压缩机厂）

4CNG加气工艺及设施

（7）压缩机组运行的安全保护应符合下列规定：

①压缩机出口与第一个截断阔之间应设安全阀，安全阀的泄放能力不应小于压缩机的安全泄放能力。

②压缩机进、出口应设高、低压报警和高压越限停机装置。

③压缩机组的冷却系统应设温度报警及停车装置。

④压缩机组的润滑油系统应设低压报警及停机装置。

（8）压缩机的卸载排气不得对外放散。

回收的天然气可输至压缩机进口缓冲罐。

（9）压缩机排出的冷凝液应集中处理。

压缩机排出的冷凝液中当含有凝析油等污物，有一定危险，应集中处理达到排放标准时排放。

4CNG加气工艺及设施

4.3压缩天然气的储存

1988年在四川省南充市兴建了第一座全进口新西兰的CNC加气站。

十几年来，CNG加气站储存容器内最初的氧气瓶走向了天然气专用瓶、从小型气瓶组发展到大型瓶组，上世纪90年代又出现了井式储气技术，近几年在四川大型焊接容器储气形式的出现立即得到了人们的关注。

目前，储气方案主要有DOT（美国运输部）储气瓶组、ASME（美国机械工程师协会）容器单元、地下储气井三种方案可供选择，现分别介绍如下。

4CNG加气工艺及设施

4.3.1储气瓶组

设计压力25Mpa，设计标准为美国DOT49CFR的178.37节（压缩气体运输标准），安全系数为2.48，不允许有排污口，初期投资低，运行维修成本高，每3年必须把单元拆开，对每只瓶子进行水压实验。

场地面积在50m2以上。

属于松散结构，没有结构整体性，容器多，接头多，存在泄露危险且管线尺寸小，流动阻力大。

4CNG加气工艺及设施

4.3.2地下储气井

四川从20世纪90年代初开始，研究成功了打地下井储存CNG的技术，并先后在四川、重庆、上海、新疆等地打了50多口井进行推广应用，纳入了中华人民共和国行业标准《汽车用燃气加气站技术规范》（CJJ84-2000），从2000年7月1日起正式颁发施行。

储气井井筒直径为Ф177.8mm～Ф298.4mm；井深80-200m；储气井水容积2～4m3，设计压力为25MPa。

它由几十根石油钻井工业中常用的180mm套管通过管端的扁梯形螺纹和接头连接而成，封底和封头由焊接平盖的接头与套管通过螺纹连接，套管是按照API标准5CT制造的N80或P110钢级石油套管。

其占地面积很小，有利于站场平面布置；虽然初期投资较大，但据四川石油管理局提供的资料表明该储气井至少可以使用25年以上，并可以节省检验维修费，安全可靠性好。

其缺点是耐压试验无法检验强度和密封性，制造缺陷也不能及时发现，排污不彻底，容易对套管造成应力腐蚀。

4CNG加气工艺及设施

地下储气井装置有以下特点：

（1）安全可靠，使用方便，免维护设计

（2）不受环境影响，恒温和抗静电、雷电

（3）占地面积小（≤1m2）

（4）排水彻底

（5）无恶性事故发生

CNG地下储气井的设计、施工按以下API标准及国家相关标准执行：

●CJJ84-2000《汽车用燃气加气站技术规范》。

●Q/CY097-98《钻井技术操作规范》

●SY/T6194-96《套管和油管》

●SY/T0420-97《埋地钢质管道石油沥青防腐层技术标准》

4CNG加气工艺及设施

CNG地下储气井现已成为国内CNG加气站首选储气系统。

4-3c储气井示意图4-3dCNG地下储气井工艺流程图

4CNG加气工艺及设施

4.3.3ASME压力容器单元

设计压力27.MPa，设计标准为ASME第Ⅷ章1节压缩气体地面存储设计标准。

安全系数3，容器壁厚比同等DOT瓶壁厚高出39%，通常作为地面存储。

ASME允许容器上有排污口；初期投资高，运行和维修成本低，除一般的外部和内部直观检测外，不需再检测；场地要求5～7m2，坚固，整体结构能更好的承受冲击载荷及地震波动；其容器数量少，接头少，管线尺寸大，流动阻力较小。

4CNG加气工艺及设施

在新规范《汽车加油加气站设计与施工规范》（GB50156-2002）中，对于加气站的压缩天然气的储存，有以下一些规定。

（1）储气设施的工作压力（气站规范为：

最大允许充装压力）应为25MPa，其设计温度应满足环境温度要求。

（2）储气瓶应选用符合国家有关规定和标准的产品。

（3）加气站宜选用同一种规格型号的大容积储气瓶。

当选用小容积储气瓶时，每组储气瓶的总容积不宜大于4m3，且瓶数不宜大于60个。

目前我国加气站采用较多的是国产60L钢瓶，每组储气瓶总容积约为4m3（约储天然气1000Nm3），60L瓶66个。

限量是为了减少事故风险度。

日本多采用250L、400L瓶；美国CPI公司DOT标准瓶3AAX-2400型DN559mm，L=5.33～12.19m，容积V=1076～2577L，重量1118～2547kg。

4CNG加气工艺及设施

（4）加气站内的储气瓶宜按运行压力分高、中、低三级设置，各级瓶组应自成系统。

汽车加气的最高压力限定在20MPa，站内储气瓶的压力限定在25MPa，通过编组方法提高加气效率，满足快速加气的要求。

常用加气方法有两种：

一是将所有气瓶同时增至最高压后通过平衡充气瓶组自然形成高、中、低三组；另一种方法是把瓶组固定分成高、中、低三组，加压方法根据各站经验而定。

四川经验按1：

2：

3比例配置高、中、低压瓶组容量取气效率可达58%。

（5）小容积储气瓶应固定在独立支架上，且宜卧式存放。

（6）储气井的设计、建造和检验应符合国家现行标准《高压气地下解气井》SY/T6535的有关规定。

储气并的建造应由具有天然气钻井资质的单位进行。

（7）储气瓶组或储气并与站内汽车通道相邻一侧，应设安全防撞栏或采取其它防撞措施。

（8）压缩天然气加气站也可采用撬装式储气加气设备。

4CNG加气工艺及设施

4.4汽车用压缩天然气钢瓶简介

压缩气瓶有钢瓶、环向缠绕复合材料的钢瓶和全复合材料气瓶3种，目前只有钢瓶有统一的国家规范，即《汽车用压缩天然气钢瓶》GB17258－1998。

简要介绍如下：

（1）车用压缩天然气钢瓶

车用压缩天然气钢瓶主要用于长期固定安装在汽车上盛装压缩天然气燃料，容积有30L、40L。

、50L、60L、70L、80L、90L、100L、120L。

具有压力高、容量大、质量轻、安全可靠等优点。

主要用于各大、中城市的出租车、中巴车、公交车、环卫车等。

4CNG加气工艺及设施

（2）车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶

北京兰天达汽车清洁燃料技术有限公司所生产的车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶如下：

图4-6车用压缩天然气钢质内胆环向缠绕气瓶（北京）

4CNG加气工艺及设施

（3）车用压缩天然气全缠绕复合材料气瓶

钢瓶和环向缠绕复合材料的钢瓶，自身重量大，用于大型车辆上，与车体重、载物重比较，气瓶重量微不足道，但用在小型车辆上（小轿车、出租车），气瓶重量就会影响车体的重心，与载物重相比，气瓶重量就占取了一定的比例，若减小气瓶的自重，气瓶容积相应变小，气瓶充气量减少，因而汽车行驶的路程就会减少。

全复合材料气瓶目前还没有统一标准，也还未批量生产，车用压缩天然气全复合材料气瓶具有如下优点：

①采用低密度、高性能的非金属材料－－塑料作为内胆，以低密度、高性能的复合材料作结构层，气瓶外包覆有保护层的全复合材料，所以气瓶本身重量轻，且内胆制造工艺简单，一次成型，降低了生产成本。

②在制造上采用了环氧树脂、中温固化配方，湿法缠绕成型工艺。

环氧树脂性能良好，价格便宜；中温固化，节约能源；湿法缠绕与干法缠绕相比，减少了一道工序，提高了生产效率，降低了生产成本。

4CNG加气工艺及设施

③气瓶进行水压疲劳试验时，据研究，在疲劳10000次后，气密性完好，检压至设计爆破压力的85%，保压5分钟，无异常，其设计及制造具有可靠性。

北京兰天达汽车清洁燃料技术有限公司所生产的车用压缩天然气全缠绕复合材料气瓶如右图。

4CNG加气工艺及设施

4.5压缩天然气加气机

为避免压缩机频繁启动及在不需要进行充气时提供气源，CNG加气站需设有储气装置。

典型的设计是储气系统和售气系统通过优先顺序控制盘的顺序来实现高效充气和快速加气。

通常加气站采用分级储存方式，将储气瓶纽分为高压、中压和低压瓶组，由优先顺序控制盘对其充气和取气过程进行自动控制。

充气时：

先向高压组充气，当高压组的压力上升到一定位时，中压组开始充气，等到中压组压力上升到一定值时，低压组外始充气，随后三组气瓶一起充气，上升到最大储气压力后停止充气。

取气时：

先从低压组取气，当低压组的压力下降到一定值时，开始从中压组取气，等到中压组压力下降到一定值时，开始从高压组取气，随店从三组气瓶一起取气，直到三组储气瓶中的压力下降到车载气瓶的最高储气压力相等时，停止取气。

4CNG加气工艺及设施

（1）加气机不得设在室内。

（2）加气机的数且应根据加气汽车数量、每辆汽车加气时间4～6min计算确定。

CNG加气一般分为两种，即快充气与慢充气。

由北京长空机械有限责任公司生产的长空牌加气机，是国内目前最好的国产加气机。

采用了目前世界上最先进的CNG专用质量流量计；由微机控制器