一、壓縮天然氣儲配(供應(yīng))站
城鎮(zhèn)燃氣輸配系統(tǒng)中，隨燃氣性質(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，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氣、儲存燃氣、調(diào)節(jié)控制供氣壓力三種基本功能，凡具備儲存燃氣功能的站場，皆可稱為儲配站。
城市天然氣是逐月、逐日、逐時都在變化，但天然氣供應(yīng)量不可能按用戶的用氣量而隨時改變，因此為了保證用戶需求，不間斷供氣，必須解決氣源和用氣的平衡問題。建造儲氣設(shè)施是解決城市用氣波動的基本措施。在建造儲配站時，首先在工程可行性研究階段，就要抓住設(shè)計方案的技術(shù)經(jīng)濟比較，確定供氣和儲氣的方案與儲罐的容積和數(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)燃氣用戶是依靠中、低壓管網(wǎng)系統(tǒng)供氣的，以CNG作氣源的燃氣供應(yīng)系統(tǒng)，必須在該管網(wǎng)系統(tǒng)的起點建立相當(dāng)于城鎮(zhèn)燃氣儲配站(或門站)的設(shè)施，對由母站來的氣瓶轉(zhuǎn)運車的CNG進行卸車、降壓和儲存，并按燃氣用戶的要求輸氣，可以把城鎮(zhèn)中、低壓管網(wǎng)系統(tǒng)起點處的CNG卸車、降壓、儲存工藝設(shè)施統(tǒng)稱為城鎮(zhèn)CNG供應(yīng)站。
CNG供應(yīng)站包括以下幾個系統(tǒng)：①卸車系統(tǒng)；②調(diào)壓換熱系統(tǒng)；③流量計量系統(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)計原則
儲氣站站址的選擇要科學(xué)合理，其與周圍建筑物、構(gòu)筑物的防火間距必須滿足現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》(GBJ 16)的有關(guān)規(guī)定，并遠離居民稠密區(qū)、大型公共建筑、重要物資倉庫以及通信和交通樞紐等重要設(shè)施。
儲氣站站址應(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、防火間距和消防車道應(yīng)按現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。
儲氣站宜設(shè)置測定天然氣組成、密度、熱值、濕度和各項有害雜質(zhì)的儀器儀表，周圍宜設(shè)置圍柵和罐區(qū)排水設(shè)施。
天然氣儲存的儲罐設(shè)計應(yīng)根據(jù)輸配系統(tǒng)所需儲氣總?cè)萘亢蜌怏w混配要求確定。儲氣站的儲氣方式及儲罐的形式應(yīng)根據(jù)天然氣進站壓力、供氣規(guī)模、輸配管網(wǎng)壓力和各種儲罐及其相關(guān)設(shè)備等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。確定儲罐單體或單組容積時，應(yīng)考慮儲罐檢修期間供氣系統(tǒng)的調(diào)度平衡。
低壓儲氣罐宜分別設(shè)有天然氣進、出氣管，各管應(yīng)設(shè)水封閥和閘閥。天然氣進出管的設(shè)計應(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)計工作壓力(mmH2O)加500mm。低壓儲氣罐應(yīng)設(shè)有指示器，顯示氣體儲量及可調(diào)節(jié)的高低限位聲、光報警裝置。
濕式儲氣罐的水封高度應(yīng)通過計算得到，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。干式儲氣罐密封系統(tǒng)必須能夠可靠連續(xù)地運行。
高壓儲氣罐宜分別設(shè)置天然氣進、出管(不需起混氣作用的高壓罐進出口管可合為一條)，應(yīng)設(shè)置安全閥、壓力表。在罐頂和罐底各設(shè)一個人孔，在底部應(yīng)設(shè)排水管，在頂部應(yīng)設(shè)放散管。儲氣罐應(yīng)設(shè)有防雷接地設(shè)施，其接地電阻應(yīng)小于10Q。儲氣罐高度超過當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)規(guī)定時，應(yīng)設(shè)高度障礙標(biāo)志。
2. 設(shè)計規(guī)模
儲氣站的主要作用是儲存一定量的天然氣，在發(fā)生意外，如檢修管道系統(tǒng)或用氣高峰時進行調(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)最大日用氣量來確定儲氣規(guī)模，從設(shè)計的技術(shù)經(jīng)濟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年以后逐步擴大到69.6×104m3/d。因此決定儲氣方式采用公稱容積10000m3、儲氣壓力1.6MPa的高壓球罐，分別于2002年、2006年、2011年建成2個、1個和2個，共計5個高壓球罐儲存天然氣。
由于季節(jié)調(diào)峰量和事故調(diào)峰量甚大，估計以上儲氣設(shè)施仍不能滿足要求，為安全可靠起見，在設(shè)計中可考慮建設(shè)一定規(guī)模的液化石油氣空混調(diào)峰站，以滿足高峰用氣要求。
3. 儲存方式和功能
儲存城市天然氣的形式有低壓儲存、高壓儲存、輸氣管線儲存、地下儲存、液化儲存等。目前國內(nèi)常用低壓儲存和高壓儲存兩種形式。
低壓儲存是用濕式儲存罐和干式儲存罐進行儲存，工作壓力一般為數(shù)千帕。工作壓力波動不大，通常只用于氣源壓力比較低的供氣系統(tǒng)。低壓儲氣罐中濕式與干式比較見表5-5。
由表5-5可知，低壓儲氣采用干式儲氣罐是比較合適的。表5—6列出了天然氣儲氣罐中高壓、低壓儲氣罐的比較。
從表5-6兩者比較可知，一般采用高壓儲氣罐較為經(jīng)濟合理。
在國外，利用高壓球罐儲存天然氣已較為普遍，很多國家已經(jīng)建成各種規(guī)格的大型高壓球罐。
隨著我國石油、天然氣工業(yè)的發(fā)展，天然氣作為城市燃氣氣源已日漸增多，天然氣在城市燃氣中所占比例也逐漸增大，因此，高壓球罐也必將成為我國各城市天然氣儲存的主要設(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5000m3的高壓天然氣球罐，20世紀(jì)90年代以來，重慶、成都、北京、天津等城市又相繼建成3300m3、5000m3、10000m3高壓儲氣球罐。
表5-5 低壓儲氣罐中濕式與干式比較
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項目 | ??? 低壓濕式螺旋罐 | ??? 曼型干式罐 |
罐內(nèi)壓力 | ?隨儲氣罐塔節(jié)的增減而改變，燃氣壓力是波動的 | ?儲氣壓力穩(wěn)定 |
罐內(nèi)濕度 | ?罐內(nèi)濕度大，出口燃氣含水分高 | ?儲氣氣體干燥 |
保溫蒸汽用量 | ?寒冷地區(qū)冬季保溫，除水槽加保護墻外，所有水封部位加引射器噴射蒸汽保溫，蒸汽用量大 | 無 |
使用壽命 | ?一般為30年，由于水槽底部細菌繁殖，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，保護鋼板不受到腐蝕 |
抗震性能 | ?由于水槽各部塔節(jié)為浮動結(jié)構(gòu)，在發(fā)生強地震和強風(fēng)時易造成塔體傾斜，產(chǎn)生導(dǎo)輪錯動、脫絲、卡阻等現(xiàn)象 | 活塞不受強風(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，地基處理簡單 |
罐體耗鋼量 | ??低 | 高(為濕式罐的1.35～1.5倍) |
罐體造價 | ?低 | 高(為濕式罐的1.5～2.0倍) |
安裝精度要求 | ?低 | ?高 |
表5-6 天然氣儲氣罐中高壓、低壓儲氣罐的比較
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項目 | 低壓儲氣罐 | 高壓儲氣罐 | 項目 | 低壓儲氣罐 | 高壓儲氣罐 |
儲氣壓力 | 低 | 高 | 運行費用 | 高(消耗電及油) | 低 |
供氣壓力 | 需加壓耗電 | 無需加壓耗電 | 單位占地面積 | 大 | 小 |
儲氣質(zhì)量 | 另有油污夾帶 | 無油污夾帶 | 單位耗鋼量 | 大 | 小 |
儲罐構(gòu)造 | 復(fù)雜 | 簡單 | 單位投資 | 高 | 低 |
施工要求 | 較嚴(yán)格 | 嚴(yán)格 | 施工周期 | 7～8個月 | 8～9個月 |
維修費用 | 高(密封油) | 低 | ? | ? | ? |
二、液化天然氣儲配(供應(yīng))站
液化天然氣(LNG)比其他燃料清潔，燃燒時溫室氣體排放量低，是公認的未來世界普遍采用的燃料。以前，如果說將天然氣液化，遠距離運輸作為燃料使用，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，便于運輸。多年來，LNG在世界上已經(jīng)大量地應(yīng)用，如發(fā)電、民用燃氣、汽車或火車的燃料等。在城市里布有天然氣的輸配管線，數(shù)以千計的LNG罐車在美國的高速公路上運輸，沒有發(fā)生過重大的事故。以LNG或CNG作燃料的汽車，雖然發(fā)生一些碰撞事故，但LNG燃料系統(tǒng)沒有發(fā)生重大的損壞，沒有引起LNG的泄漏和火災(zāi)。當(dāng)然，LNG的溫度很低，極易氣化，會引發(fā)一些低溫液化石油氣體帶來的安全問題。無論是設(shè)計還是操作，都應(yīng)該像對待所有的易燃介質(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，其密度為1.5kg/m3，氣體溫度上升到-107℃時，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，氣體的密度比空氣小，容易在空氣中擴散。液態(tài)天然氣的容積大約是氣體的1/625。天然氣無毒、無味、無色，漏泄到空氣中不易發(fā)覺，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，以便氣體泄漏時易于察覺。
2. 燃燒特性
燃燒范圍是指可燃氣體與空氣形成混合物，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。對于天然氣，在空氣中達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%都不會燃燒。由于不同產(chǎn)地的天然氣組分會有所差別，燃燒范圍的值也會略有差別。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到體積分?jǐn)?shù)0.6%，點火就會燃燒。
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。燃燒速度也稱為點燃速度或火焰速度。天然氣的燃燒速度相對比較慢，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。所以在敞開的環(huán)境條件下，LNG和蒸氣一般不會因燃燒引起爆炸。天然氣燃燒產(chǎn)生的黑煙很少，導(dǎo)致熱輻射也少。碳氫化合物的燃燒極限比甲烷的低。如果LNG中碳氫化合物的含量增加，將使LNG的燃燒范圍的下限降低。
自動著火溫度是可燃氣體混合物，在達到某一溫度后，能夠自動點燃著火的最低溫度。自動著火溫度并不是一個固定值，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，純甲烷的平均自動著火溫度為650℃。如果混合氣體的溫度高于自動著火點，則在很短的時間后，氣體將會自動點燃。如果溫度比著火點高得多，氣體將立即點燃。LNG的自動著火溫度隨著組分的變化而變化，例如，若LNG中碳氫化合物的重組分比例增加，則自動著火溫度降低。
除了受熱點火外，天然氣也能被火花點燃。如衣服上的靜電，也能產(chǎn)生足夠的能量點燃天然氣。因此，工作人員不能穿化纖布(尼龍、腈綸等)類的衣服操作天然氣，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。對于安全的考慮，主要是在低溫條件下，一些材料會變脆、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設(shè)備引起的危害。操作時主要是防止低溫流體對人體的低溫灼傷。
天然氣的低溫特性對人體生理上的影響很大。曾經(jīng)有過報道，人員暴露在甲烷的體積分?jǐn)?shù)為9%的氣氛中沒有什么不良反應(yīng)。如果吸入含量更高的氣體，會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。如果持續(xù)地暴露在這樣的氣氛環(huán)境下，會引起意識模糊和窒息。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，如果吸入過量的天然氣會引起缺氧窒息。如果吸入的是冷氣體，對健康是有害的。若是短時間內(nèi)吸進冷氣體，會使呼吸不舒暢，而長時間的呼吸冷氣體，將會造成嚴(yán)重的疾病。雖然LNG蒸氣是無毒的，如果吸進純的LNG蒸氣，會迅速失去知覺，幾分鐘后死亡。當(dāng)大氣中的氧含量逐漸減少時，工作人員有可能警覺不到，慢慢地窒息，待到發(fā)覺時已經(jīng)很晚了。緩慢窒息的過程分成4個階段階段，見表5-7。
表5-7 緩慢窒息的過程
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階?段 | 氧氣的體積分?jǐn)?shù)/% | ? |
第一階段 | 14～21 | 脈搏增加，肌肉跳動影響呼吸 |
第二階段 | 10～14 | 判斷失誤，迅速疲勞，對疼痛失去知覺惡心， |
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%，對人體會產(chǎn)生永久性傷害。在這種情況下，工作人員不能進入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存。
但是，由于LNG本身具有易燃、易爆的危險性，又具有低溫儲存的特點，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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