一、壓縮天然氣儲(chǔ)配(供應(yīng))站
城鎮(zhèn)燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)中，隨燃?xì)庑再|(zhì)(如天然氣、礦井氣、人工煤氣等)、供氣壓力不同，需建成具有不同功能的站、場(chǎng)，如靠近氣源的首站及分布于城區(qū)的罐站。可以劃分為接受氣源來(lái)氣、儲(chǔ)存燃?xì)狻⒄{(diào)節(jié)控制供氣壓力三種基本功能，凡具備儲(chǔ)存燃?xì)夤δ艿恼緢?chǎng)，皆可稱(chēng)為儲(chǔ)配站。
城市天然氣是逐月、逐日、逐時(shí)都在變化，但天然氣供應(yīng)量不可能按用戶(hù)的用氣量而隨時(shí)改變，因此為了保證用戶(hù)需求，不間斷供氣，必須解決氣源和用氣的平衡問(wèn)題。建造儲(chǔ)氣設(shè)施是解決城市用氣波動(dòng)的基本措施。在建造儲(chǔ)配站時(shí)，首先在工程可行性研究階段，就要抓住設(shè)計(jì)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定供氣和儲(chǔ)氣的方案與儲(chǔ)罐的容積和數(shù)量，使有限的資金得到合理利用以取得最大投資效益。城鎮(zhèn)居民、商業(yè)和工業(yè)企業(yè)燃?xì)庥脩?hù)是依靠中、低壓管網(wǎng)系統(tǒng)供氣的，以CNG作氣源的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)，必須在該管網(wǎng)系統(tǒng)的起點(diǎn)建立相當(dāng)于城鎮(zhèn)燃?xì)鈨?chǔ)配站(或門(mén)站)的設(shè)施，對(duì)由母站來(lái)的氣瓶轉(zhuǎn)運(yùn)車(chē)的CNG進(jìn)行卸車(chē)、降壓和儲(chǔ)存，并按燃?xì)庥脩?hù)的要求輸氣，可以把城鎮(zhèn)中、低壓管網(wǎng)系統(tǒng)起點(diǎn)處的CNG卸車(chē)、降壓、儲(chǔ)存工藝設(shè)施統(tǒng)稱(chēng)為城鎮(zhèn)CNG供應(yīng)站。
CNG供應(yīng)站包括以下幾個(gè)系統(tǒng)：①卸車(chē)系統(tǒng)；②調(diào)壓換熱系統(tǒng)；③流量計(jì)量系統(tǒng)；④加臭系統(tǒng)；⑤控制系統(tǒng)；⑥加熱系統(tǒng)；⑦調(diào)峰儲(chǔ)氣系統(tǒng)(根據(jù)需要設(shè)置)。其作業(yè)流程框圖如圖5-1所示。
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1. 設(shè)計(jì)原則
儲(chǔ)氣站站址的選擇要科學(xué)合理，其與周?chē)ㄖ铩?gòu)筑物的防火間距必須滿(mǎn)足現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GBJ 16)的有關(guān)規(guī)定，并遠(yuǎn)離居民稠密區(qū)、大型公共建筑、重要物資倉(cāng)庫(kù)以及通信和交通樞紐等重要設(shè)施。
儲(chǔ)氣站站址應(yīng)具有適宜的地形、工程地質(zhì)、供電和給排水等條件。儲(chǔ)氣站建設(shè)應(yīng)盡量少占農(nóng)田，節(jié)約用地并應(yīng)注意與城市總體景觀的協(xié)調(diào)。站內(nèi)的消防設(shè)施、防火間距和消防車(chē)道應(yīng)按現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
儲(chǔ)氣站宜設(shè)置測(cè)定天然氣組成、密度、熱值、濕度和各項(xiàng)有害雜質(zhì)的儀器儀表，周?chē)嗽O(shè)置圍柵和罐區(qū)排水設(shè)施。
天然氣儲(chǔ)存的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)輸配系統(tǒng)所需儲(chǔ)氣總?cè)萘亢蜌怏w混配要求確定。儲(chǔ)氣站的儲(chǔ)氣方式及儲(chǔ)罐的形式應(yīng)根據(jù)天然氣進(jìn)站壓力、供氣規(guī)模、輸配管網(wǎng)壓力和各種儲(chǔ)罐及其相關(guān)設(shè)備等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。確定儲(chǔ)罐單體或單組容積時(shí)，應(yīng)考慮儲(chǔ)罐檢修期間供氣系統(tǒng)的調(diào)度平衡。
低壓儲(chǔ)氣罐宜分別設(shè)有天然氣進(jìn)、出氣管，各管應(yīng)設(shè)水封閥和閘閥。天然氣進(jìn)出管的設(shè)計(jì)應(yīng)能適應(yīng)氣罐地基沉降引起的變形。水封閥的有效高度應(yīng)取設(shè)計(jì)工作壓力(mmH2O)加500mm。低壓儲(chǔ)氣罐應(yīng)設(shè)有指示器，顯示氣體儲(chǔ)量及可調(diào)節(jié)的高低限位聲、光報(bào)警裝置。
濕式儲(chǔ)氣罐的水封高度應(yīng)通過(guò)計(jì)算得到，內(nèi)側(cè)應(yīng)設(shè)有溢水口，水封應(yīng)設(shè)有上水管和防凍設(shè)施。干式儲(chǔ)氣罐密封系統(tǒng)必須能夠可靠連續(xù)地運(yùn)行。
高壓儲(chǔ)氣罐宜分別設(shè)置天然氣進(jìn)、出管(不需起混氣作用的高壓罐進(jìn)出口管可合為一條)，應(yīng)設(shè)置安全閥、壓力表。在罐頂和罐底各設(shè)一個(gè)人孔，在底部應(yīng)設(shè)排水管，在頂部應(yīng)設(shè)放散管。儲(chǔ)氣罐應(yīng)設(shè)有防雷接地設(shè)施，其接地電阻應(yīng)小于10Q。儲(chǔ)氣罐高度超過(guò)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)定時(shí)，應(yīng)設(shè)高度障礙標(biāo)志。
2. 設(shè)計(jì)規(guī)模
儲(chǔ)氣站的主要作用是儲(chǔ)存一定量的天然氣，在發(fā)生意外，如檢修管道系統(tǒng)或用氣高峰時(shí)進(jìn)行調(diào)配用。因此要根據(jù)城鎮(zhèn)天然氣最大輸供氣量和全城區(qū)最大日用氣量來(lái)確定儲(chǔ)氣規(guī)模，從設(shè)計(jì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比較上作出最佳選擇。
現(xiàn)舉南方某中等城市為例。
據(jù)該市用氣分析，城市用氣日調(diào)峰量為全城區(qū)最大日用氣量的50%。其量在2002年為24×104m3/d，到2006年為33.6×104m3/d，2010年以后逐步擴(kuò)大到69.6×104m3/d。因此決定儲(chǔ)氣方式采用公稱(chēng)容積10000m3、儲(chǔ)氣壓力1.6MPa的高壓球罐，分別于2002年、2006年、2011年建成2個(gè)、1個(gè)和2個(gè)，共計(jì)5個(gè)高壓球罐儲(chǔ)存天然氣。
由于季節(jié)調(diào)峰量和事故調(diào)峰量甚大，估計(jì)以上儲(chǔ)氣設(shè)施仍不能滿(mǎn)足要求，為安全可靠起見(jiàn)，在設(shè)計(jì)中可考慮建設(shè)一定規(guī)模的液化石油氣空混調(diào)峰站，以滿(mǎn)足高峰用氣要求。
3. 儲(chǔ)存方式和功能
儲(chǔ)存城市天然氣的形式有低壓儲(chǔ)存、高壓儲(chǔ)存、輸氣管線(xiàn)儲(chǔ)存、地下儲(chǔ)存、液化儲(chǔ)存等。目前國(guó)內(nèi)常用低壓儲(chǔ)存和高壓儲(chǔ)存兩種形式。
低壓儲(chǔ)存是用濕式儲(chǔ)存罐和干式儲(chǔ)存罐進(jìn)行儲(chǔ)存，工作壓力一般為數(shù)千帕。工作壓力波動(dòng)不大，通常只用于氣源壓力比較低的供氣系統(tǒng)。低壓儲(chǔ)氣罐中濕式與干式比較見(jiàn)表5-5。
由表5-5可知，低壓儲(chǔ)氣采用干式儲(chǔ)氣罐是比較合適的。表5—6列出了天然氣儲(chǔ)氣罐中高壓、低壓儲(chǔ)氣罐的比較。
從表5-6兩者比較可知，一般采用高壓儲(chǔ)氣罐較為經(jīng)濟(jì)合理。
在國(guó)外，利用高壓球罐儲(chǔ)存天然氣已較為普遍，很多國(guó)家已經(jīng)建成各種規(guī)格的大型高壓球罐。
隨著我國(guó)石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，天然氣作為城市燃?xì)鈿庠匆讶諠u增多，天然氣在城市燃?xì)庵兴急壤仓饾u增大，因此，高壓球罐也必將成為我國(guó)各城市天然氣儲(chǔ)存的主要設(shè)施。
由于球罐的制造、安裝的水平不斷提高，目前球罐的容積也在逐漸增大。如北京在1986年建成4臺(tái)5000m3的高壓天然氣球罐，20世紀(jì)90年代以來(lái)，重慶、成都、北京、天津等城市又相繼建成3300m3、5000m3、10000m3高壓儲(chǔ)氣球罐。
表5-5 低壓儲(chǔ)氣罐中濕式與干式比較
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項(xiàng)目 | ??? 低壓濕式螺旋罐 | ??? 曼型干式罐 |
罐內(nèi)壓力 | ?隨儲(chǔ)氣罐塔節(jié)的增減而改變，燃?xì)鈮毫κ遣▌?dòng)的 | ?儲(chǔ)氣壓力穩(wěn)定 |
罐內(nèi)濕度 | ?罐內(nèi)濕度大，出口燃?xì)夂指?/font> | ?儲(chǔ)氣氣體干燥 |
保溫蒸汽用量 | ?寒冷地區(qū)冬季保溫，除水槽加保護(hù)墻外，所有水封部位加引射器噴射蒸汽保溫，蒸汽用量大 | 無(wú) |
使用壽命 | ?一般為30年，由于水槽底部細(xì)菌繁殖，使水中硫酸鹽生化還原成H2S，易使罐體內(nèi)壁腐蝕 | ?一般為50年，由于內(nèi)壁表面經(jīng)常保持一層厚0.5mm的油膜，保護(hù)鋼板不受到腐蝕 |
抗震性能 | ?由于水槽各部塔節(jié)為浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，在發(fā)生強(qiáng)地震和強(qiáng)風(fēng)時(shí)易造成塔體傾斜，產(chǎn)生導(dǎo)輪錯(cuò)動(dòng)、脫絲、卡阻等現(xiàn)象 | 活塞不受強(qiáng)風(fēng)和冰雪影響 |
基礎(chǔ) | ?水槽內(nèi)水量大，在軟土地基上建罐應(yīng)進(jìn)行基礎(chǔ)處理，但罐體允許有較大的沉降量 | 自重輕，地基處理簡(jiǎn)單 |
罐體耗鋼量 | ??低 | 高(為濕式罐的1.35～1.5倍) |
罐體造價(jià) | ?低 | 高(為濕式罐的1.5～2.0倍) |
安裝精度要求 | ?低 | ?高 |
表5-6 天然氣儲(chǔ)氣罐中高壓、低壓儲(chǔ)氣罐的比較
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項(xiàng)目 | 低壓儲(chǔ)氣罐 | 高壓儲(chǔ)氣罐 | 項(xiàng)目 | 低壓儲(chǔ)氣罐 | 高壓儲(chǔ)氣罐 |
儲(chǔ)氣壓力 | 低 | 高 | 運(yùn)行費(fèi)用 | 高(消耗電及油) | 低 |
供氣壓力 | 需加壓耗電 | 無(wú)需加壓耗電 | 單位占地面積 | 大 | 小 |
儲(chǔ)氣質(zhì)量 | 另有油污夾帶 | 無(wú)油污夾帶 | 單位耗鋼量 | 大 | 小 |
儲(chǔ)罐構(gòu)造 | 復(fù)雜 | 簡(jiǎn)單 | 單位投資 | 高 | 低 |
施工要求 | 較嚴(yán)格 | 嚴(yán)格 | 施工周期 | 7～8個(gè)月 | 8～9個(gè)月 |
維修費(fèi)用 | 高(密封油) | 低 | ? | ? | ? |
二、液化天然氣儲(chǔ)配(供應(yīng))站
液化天然氣(LNG)比其他燃料清潔，燃燒時(shí)溫室氣體排放量低，是公認(rèn)的未來(lái)世界普遍采用的燃料。以前，如果說(shuō)將天然氣液化，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸作為燃料使用，是很困難的。但今天，液化天然氣已成為世界工業(yè)的重要組成部分，是令人矚目的新興工業(yè)之一。液化天然氣是將天然氣低溫冷卻液化，液化后體積約為常態(tài)下體積的1/600，便于運(yùn)輸。多年來(lái)，LNG在世界上已經(jīng)大量地應(yīng)用，如發(fā)電、民用燃?xì)狻⑵?chē)或火車(chē)的燃料等。在城市里布有天然氣的輸配管線(xiàn)，數(shù)以千計(jì)的LNG罐車(chē)在美國(guó)的高速公路上運(yùn)輸，沒(méi)有發(fā)生過(guò)重大的事故。以LNG或CNG作燃料的汽車(chē)，雖然發(fā)生一些碰撞事故，但LNG燃料系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)生重大的損壞，沒(méi)有引起LNG的泄漏和火災(zāi)。當(dāng)然，LNG的溫度很低，極易氣化，會(huì)引發(fā)一些低溫液化石油氣體帶來(lái)的安全問(wèn)題。無(wú)論是設(shè)計(jì)還是操作，都應(yīng)該像對(duì)待所有的易燃介質(zhì)那樣小心。了解和掌握天然氣不同相態(tài)的物理特性及其燃燒特性，可有助于天然氣的安全使用。
(一) 液化天然氣的有關(guān)安全特性
1. 基本物理狀態(tài)
液化天然氣是以甲烷為主的液態(tài)混合物，常壓下的沸點(diǎn)溫度約為-162℃，密度大約為424kg/m3。LNG是非常冷的液體，在泄漏或溢出的地方，會(huì)產(chǎn)生明顯的白色蒸氣云。白色蒸氣云的形成，是空氣中的水蒸氣被溢出的LNG冷卻所致。當(dāng)LNG轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w時(shí)，其密度為1.5kg/m3，氣體溫度上升到-107℃時(shí)，氣體密度與空氣的密度相當(dāng)。意味著LNG氣化后，溫度高于-107℃時(shí)，氣體的密度比空氣小，容易在空氣中擴(kuò)散。液態(tài)天然氣的容積大約是氣體的1/625。天然氣無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)色，漏泄到空氣中不易發(fā)覺(jué)，因此，通常在天然氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，有意地加入一種難聞的氣味，即加臭處理，以便氣體泄漏時(shí)易于察覺(jué)。
2. 燃燒特性
燃燒范圍是指可燃?xì)怏w與空氣形成混合物，能夠產(chǎn)生燃燒或爆炸的濃度范圍。通常用燃燒下限和燃燒上限來(lái)界定其燃燒范圍，只有當(dāng)燃料在空氣中的比例在燃燒范圍之內(nèi)，混合氣體才可能產(chǎn)生燃燒。對(duì)于天然氣，在空氣中達(dá)到燃燒的比例范圍比較窄，其燃燒范圍大約在體積分?jǐn)?shù)的5%～15%之間，即體積分?jǐn)?shù)低于5%和高于15%都不會(huì)燃燒。由于不同產(chǎn)地的天然氣組分會(huì)有所差別，燃燒范圍的值也會(huì)略有差別。LNG的燃燒下限明顯高于其他燃料，柴油在空氣中的含量只需要達(dá)到體積分?jǐn)?shù)0.6%，點(diǎn)火就會(huì)燃燒。
在-162℃的低溫條件下，其燃燒范圍為體積分?jǐn)?shù)的6%～13%。燃燒速度是火焰在空氣-燃料的混合物中的傳遞速度。燃燒速度也稱(chēng)為點(diǎn)燃速度或火焰速度。天然氣的燃燒速度相對(duì)比較慢，其最高燃燒速度只有0.3m/s。隨著天然氣在空氣中的比例增加，燃燒速度亦增加。所以在敞開(kāi)的環(huán)境條件下，LNG和蒸氣一般不會(huì)因燃燒引起爆炸。天然氣燃燒產(chǎn)生的黑煙很少，導(dǎo)致熱輻射也少。碳?xì)浠衔锏娜紵龢O限比甲烷的低。如果LNG中碳?xì)浠衔锏暮吭黾樱瑢⑹筁NG的燃燒范圍的下限降低。
自動(dòng)著火溫度是可燃?xì)怏w混合物，在達(dá)到某一溫度后，能夠自動(dòng)點(diǎn)燃著火的最低溫度。自動(dòng)著火溫度并不是一個(gè)固定值，它和空氣與燃料的混合濃度和混合氣體的壓力有關(guān)。在大氣壓條件下，純甲烷的平均自動(dòng)著火溫度為650℃。如果混合氣體的溫度高于自動(dòng)著火點(diǎn)，則在很短的時(shí)間后，氣體將會(huì)自動(dòng)點(diǎn)燃。如果溫度比著火點(diǎn)高得多，氣體將立即點(diǎn)燃。LNG的自動(dòng)著火溫度隨著組分的變化而變化，例如，若LNG中碳?xì)浠衔锏闹亟M分比例增加，則自動(dòng)著火溫度降低。
除了受熱點(diǎn)火外，天然氣也能被火花點(diǎn)燃。如衣服上的靜電，也能產(chǎn)生足夠的能量點(diǎn)燃天然氣。因此，工作人員不能穿化纖布(尼龍、腈綸等)類(lèi)的衣服操作天然氣，化纖布比天然纖維更容易產(chǎn)生靜電。
3. 低溫特性
LNG既有可燃的特性，又有低溫的特性。低溫液體的處理和操作并不是一門(mén)新的技術(shù)。在許多標(biāo)準(zhǔn)中，低溫設(shè)備的操作有比較明確的要求。對(duì)于安全的考慮，主要是在低溫條件下，一些材料會(huì)變脆、易碎。使設(shè)備產(chǎn)生損壞，引起LNG的泄漏。如今低溫液氮和液氧的應(yīng)用更為普遍。LNG的溫度還沒(méi)有液氮和液氧的溫度低。從低溫介質(zhì)安全操作的角度，與液氮和液氧的安全考慮基本是一致的，主要是防止低溫條件下材料的脆性斷裂和冷收縮對(duì)設(shè)備引起的危害。操作時(shí)主要是防止低溫流體對(duì)人體的低溫灼傷。
天然氣的低溫特性對(duì)人體生理上的影響很大。曾經(jīng)有過(guò)報(bào)道，人員暴露在甲烷的體積分?jǐn)?shù)為9%的氣氛中沒(méi)有什么不良反應(yīng)。如果吸入含量更高的氣體，會(huì)引起前額和眼部有壓迫感，但只要恢復(fù)呼吸新鮮空氣，就可消除這種不適的感覺(jué)。如果持續(xù)地暴露在這樣的氣氛環(huán)境下，會(huì)引起意識(shí)模糊和窒息。甲烷是一種普通的窒息物質(zhì)。LNG與外露的皮膚持續(xù)接觸，會(huì)引起嚴(yán)重的低溫灼傷和組織損壞。
天然氣在空氣中的體積分?jǐn)?shù)大于40%時(shí)，如果吸入過(guò)量的天然氣會(huì)引起缺氧窒息。如果吸入的是冷氣體，對(duì)健康是有害的。若是短時(shí)間內(nèi)吸進(jìn)冷氣體，會(huì)使呼吸不舒暢，而長(zhǎng)時(shí)間的呼吸冷氣體，將會(huì)造成嚴(yán)重的疾病。雖然LNG蒸氣是無(wú)毒的，如果吸進(jìn)純的LNG蒸氣，會(huì)迅速失去知覺(jué)，幾分鐘后死亡。當(dāng)大氣中的氧含量逐漸減少時(shí)，工作人員有可能警覺(jué)不到，慢慢地窒息，待到發(fā)覺(jué)時(shí)已經(jīng)很晚了。緩慢窒息的過(guò)程分成4個(gè)階段階段，見(jiàn)表5-7。
表5-7 緩慢窒息的過(guò)程
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階?段 | 氧氣的體積分?jǐn)?shù)/% | ? |
第一階段 | 14～21 | 脈搏增加，肌肉跳動(dòng)影響呼吸 |
第二階段 | 10～14 | 判斷失誤，迅速疲勞，對(duì)疼痛失去知覺(jué)惡心， |
第三階段 | 6～10 | 嘔吐，虛脫，造成永久性腦部傷害 |
第四階段 | ＜6 | 呼吸停止，死亡 |
當(dāng)空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)低于10%，天然氣的體積分?jǐn)?shù)高于50%，對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生永久性傷害。在這種情況下，工作人員不能進(jìn)入LNG蒸氣區(qū)域。
天然氣的主要組分是甲烷，其臨界溫度為190.58K(-82.57℃)，故在常溫下，無(wú)法僅靠加壓將其液化，需要采用液化工藝，將天然氣最終在溫度為112K、壓力為0.1MPa左右的條件下將其液化。其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于輸送和儲(chǔ)存。
但是，由于LNG本身具有易燃、易爆的危險(xiǎn)性，又具有低溫儲(chǔ)存的特點(diǎn)，因此，LNG站在建設(shè)布局、設(shè)備安裝、操作管理等安全方面提出了很高的要求。
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