阮芮彬

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410000）

0 引言

LNG（天然氣）汽車在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、安全方面具有顯著優(yōu)勢，同時可以較為靈活地切換使用汽油或柴油（單燒或混燒）[1]。2018年7月，國務(wù)院發(fā)布《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動計(jì)劃》，計(jì)劃中要求各大企業(yè)大力推進(jìn)國三及以下排放標(biāo)準(zhǔn)營運(yùn)柴油重卡提前淘汰更新，確立LNG重卡今后發(fā)展趨勢。

2019年3月25日，國家工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心發(fā)布關(guān)于重型燃?xì)廛囕v產(chǎn)品實(shí)施國六排放標(biāo)準(zhǔn)的通知。通知中明確指出2019年7月1日，LNG重卡產(chǎn)品執(zhí)行國六a階段排放要求。此舉意味著國六排放已經(jīng)進(jìn)入落地階段，“高配版”國六b也將逐漸進(jìn)入落地階段[2]。

大力發(fā)展LNG重卡的同時也對LNG加氣站的配套提出了要求。目前，許多地級市沒有LNG汽車加氣站，縣級市或縣城擁有LNG汽車加氣站更是鳳毛麟角。LNG汽車加氣站發(fā)展緩慢和分布不均，嚴(yán)重影響了國家推行LNG重卡的步伐，新建LNG加氣站已迫在眉睫。

1 建設(shè)合建站的優(yōu)勢和技術(shù)難點(diǎn)

天然氣屬于易燃易爆甲類氣體，建設(shè)一座LNG加氣站有著嚴(yán)格的安全間距要求，因此尋找一塊適合建站的土地比較困難。根據(jù)GB 18218—2018《危險化學(xué)品重大危險源辨識》第4.1.2條，天然氣總量超過50 t屬于重大危險源。作為政府主管部門，增加一個重大危險源對城鎮(zhèn)將增加一定風(fēng)險。對于建設(shè)方，由于目前LNG重卡沒有普及，盲目建站很難收回成本。這些因素導(dǎo)致LNG加氣站發(fā)展緩慢。目前絕大多數(shù)城鎮(zhèn)（特別是管道氣沒有覆蓋的區(qū)域）都有天然氣儲配站和LNG氣化站。根據(jù)GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（2014年版）第3.0.6條，“CNG加氣站、LNG加氣站與城鎮(zhèn)天然氣儲配站、LNG氣化站的合建站，以及CNG加氣站與城鎮(zhèn)天然氣接收門站的合建站，其設(shè)計(jì)與施工除應(yīng)符合本規(guī)范的規(guī)定外，尚應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定?！币虼?，LNG加氣站與LNG氣化站是可以合建的[3]。如果利用現(xiàn)有LNG氣化站的儲罐作為LNG加氣站的氣源，則只需擴(kuò)建加氣區(qū)即可。這樣不需另行選址，可提升土地利用率，又將重大危險源合并，降低對城鎮(zhèn)的風(fēng)險，還能減少建設(shè)方的投資。但是將兩者合并建設(shè)主要存在以下技術(shù)難點(diǎn)：一是合建站等級劃分和防火間距確認(rèn)；二是管道熱補(bǔ)償計(jì)算；三是管道保冷層厚度計(jì)算；四是管道BOG量計(jì)算和處理辦法。下文將結(jié)合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和工程設(shè)計(jì)手冊，對這4個問題進(jìn)行計(jì)算分析。

2 合建站等級劃分和防火間距確認(rèn)

GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（2014年版）第3.0.15條，根據(jù)儲罐總?cè)莘e和單罐容積，將LNG加氣站劃分為3個等級，其中最高等級總?cè)莘e不超過120 m3且單罐容積不超過60 m3。GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》第9.2.4條，根據(jù)儲罐總?cè)莘e，將LNG氣化站劃分為7個等級，其中最高等級總?cè)莘e不超過2000 m3。以上可以看出，規(guī)范對LNG氣化站和LNG加氣站容積限制要求差別較大，LNG氣化站的儲存容積比LNG加氣站大很多，但兩本規(guī)范都沒有給出LNG加氣站與LNG氣化站合建站（以下簡稱合建站）等級劃分的相關(guān)規(guī)定，也沒有規(guī)定LNG加氣站與LNG氣化站合建的方式。合建站大部分容積承擔(dān)向城鎮(zhèn)居民的供氣，因此合建站等級劃分應(yīng)參照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》。合建站應(yīng)分為生產(chǎn)區(qū)、生產(chǎn)輔助區(qū)和加氣作業(yè)區(qū)等3個區(qū)域。3個區(qū)域應(yīng)用圍墻分隔，其安全間距同時參照以上兩本規(guī)范，如兩規(guī)范對同一建筑均有要求，以防火間距大者為準(zhǔn)。站內(nèi)建筑物之間的間距還應(yīng)滿足GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018年版）的要求。

3 管道熱補(bǔ)償計(jì)算

城市中LNG加氣站一般設(shè)置2臺LNG加氣機(jī)，單臺加氣機(jī)最大流量為170 L/min。考慮同時工作，根據(jù)《燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)手冊（第二版）》，LNG工藝管道最大流速控制在7 m/s，則通過式（1）計(jì)算最小管徑。

式中 di——管內(nèi)徑，mm

qv——操作條件下流體的體積流量，m3/h

v——流體流速，m/s

本例中，qv取20.4 m3/h，v取7 m/s，計(jì)算得di=22.7 mm，選擇D60×4不銹鋼無縫鋼管可以滿足要求。氣化站儲罐距工藝設(shè)備的安全間距較加氣站大，導(dǎo)致合建站的輸送LNG管道變長，輸送LNG時管道將降溫收縮，極大可能會導(dǎo)致管道拉斷，因此應(yīng)設(shè)置自然補(bǔ)償來抵抗管道產(chǎn)生的收縮應(yīng)變。以某縣合建站為例，進(jìn)行分析計(jì)算，該站LNG輸送管道長度為40 m，施工時溫度為常溫20 ℃，管道最低溫度是在液氮預(yù)冷試驗(yàn)時-196 ℃，管道材料為06Cr19Ni10，則通過式（2）計(jì)算管道變形量。

式中 ΔL——管道變形量，mm

α——線膨脹系數(shù)，10－3/℃

Δt——最大溫差，℃

L——管道長度，m

根據(jù)GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（2008年版），奧氏體不銹鋼-196～20 ℃的平均線膨脹系數(shù)為15.5。本例中，Δt取216 ℃，L取40 m，計(jì)算得ΔL=134 mm。根據(jù)《動力管道設(shè)計(jì)手冊》，采用Z形折角彎自然補(bǔ)償，如圖1所示。

短臂長度l按式（3）和（4）計(jì)算。

式中 l——Z形自然補(bǔ)償短臂長度，m

ΔL——管道變形量，mm

E——管道材料的彈性模量，MPa

Dw——管道外徑，mm

［σbw］——彎曲應(yīng)力，MPa

本例中，ΔL取134 mm，Dw取60 mm。根據(jù)GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（2008年版），奧氏體不銹鋼-196～20 ℃的平均彈性模量為2.03×105，根據(jù)GB 50316—2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（2008年版），本例中，［σbw］取117。當(dāng)L1=L2時，短臂長度最短，n=2。計(jì)算得l=4.96 m，取5 m。這樣就在LNG輸送管道上消除了因管道過長和溫降過大產(chǎn)生的變形，配合固定支架使用，則不會對前端儲罐區(qū)管道和后端加氣區(qū)管道產(chǎn)生受力影響，管道布置如圖2所示。

圖1 Z 形折角彎自然補(bǔ)償示意

4 管道保冷層厚度計(jì)算

LNG管道的運(yùn)行溫度為-162 ℃，與環(huán)境溫差過大將導(dǎo)致冷量的大量散失。因此必須對LNG管道進(jìn)行保冷設(shè)計(jì)。采用聚異三聚氰酸酯（PIR）作為絕熱材料，保冷結(jié)構(gòu)做法參照《燃?xì)夤こ淘O(shè)計(jì)手冊（第二版）》（圖3）。

圖2 管道平面布置

圖3 保冷結(jié)構(gòu)做法大樣

目前很多設(shè)計(jì)人員進(jìn)行管道保冷設(shè)計(jì)時，沒有按照規(guī)范和手冊嚴(yán)格計(jì)算，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。如果厚度不足將造成冷量損失過大，BOG過多，嚴(yán)重時將引發(fā)安全事故；厚度過大則造成材料浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)前必須計(jì)算嚴(yán)謹(jǐn)。以某縣合建站為例，根據(jù)GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，最大允許冷損失量［Q］應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件下最熱月露點(diǎn)溫度Td確定。通過查詢某縣的氣象資料得知，該縣極端最高溫度Ta為39.2 ℃，夏季相對濕度為59%，通過比照焓濕圖得出夏季露點(diǎn)溫度Td為31 ℃。Ta-Td=8.2＞4.5，則?。跶］=-4.5αs，其中，αs為絕熱層外表面與周圍空氣的換熱系數(shù)，取8.141 W/（m2·K），因此保冷結(jié)構(gòu)外表面允許最低溫度為34.7 ℃。保冷結(jié)構(gòu)的表面防護(hù)層、防潮層和不銹鋼管的厚度約為保冷層的幾十分之一，導(dǎo)熱系數(shù)為保冷層的近千倍，因此防護(hù)層、防潮層和不銹鋼管的熱阻只有保冷層的幾萬分之一。通過簡化計(jì)算模型，不計(jì)算保冷結(jié)構(gòu)表面防護(hù)層、防潮層和不銹鋼管的熱阻將不影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。保冷層外徑D1按式（5）計(jì)算。

式中 D0——管道外徑，m

D1——絕熱層外徑，m

λ——絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）

Ts——保冷層外表面溫度，℃

T0——管道表面溫度，℃

Ta——環(huán)境溫度，℃

本例中，D0取0.06 mm，λ 取0.025 W/（m·K），Ts取34.7 ℃，T0取-162 ℃，Ta取39.2 ℃。簡化后得，（16.67D1）D1=1.3。該方程為超越方程，規(guī)范中是通過查關(guān)系圖表確認(rèn)，該方法誤差比較大。通過《數(shù)值分析》中牛頓迭代法，可得出具體的數(shù)值解D1=0.212 m，則保冷層厚度為76 mm，向上取整取80 mm，則每層保冷層厚度為40 mm。將保冷層厚度代入式（5），可得出現(xiàn)狀的保冷層外表面溫度Ta'為34.97 ℃，大于允許的最低溫度，滿足要求。

5 管道BOG量計(jì)算和處理辦法

長距離輸送LNG必將產(chǎn)生大量的BOG，合建站中BOG的產(chǎn)生主要有兩種情況。

（1）情況1。在正常連續(xù)運(yùn)行過程中，因LNG輸送管道與環(huán)境產(chǎn)生換熱，導(dǎo)致LNG氣化產(chǎn)生BOG。LNG潛液泵出口后輸送管道工作壓力約為1.2 MPa，管道內(nèi)LNG為飽和液體，從外界吸熱后部分LNG氣化成BOG，以保持溫度壓力不變。查天然氣的溫熵圖，在1.2 MPa時LNG的氣化潛熱q0為126 932 kJ/m3。圖2中LNG潛液泵到固定支架，以及加氣機(jī)到固定支架之間的管道長度均按10 m計(jì)算，總的輸送管長L為65 m。冷量損失按式（6）計(jì)算。

式中 q——管道單位時間內(nèi)的換熱量，W

S——管道保溫結(jié)構(gòu)的外表面積，m2

本例中，S=45 m2，計(jì)算得q=1547 W。情況1產(chǎn)生BOG量按式（7）計(jì)算。

式中 Qv1——情況1管道產(chǎn)生的BOG流量，Nm3/h

K——LNG氣化后體積膨脹倍數(shù)

本例中，K取600，計(jì)算得Qv1=24.4 Nm3/h。

（2）情況2。因長時間沒有加氣，管道中LNG全部氣化，管道升至常溫20 ℃（LNG潛液泵后裝有止回閥，冷量無法從儲罐補(bǔ)充，經(jīng)計(jì)算，止回閥后管道內(nèi)LNG全部氣化所需時間為3.15 h）。當(dāng)輸送LNG時，首先需要將管道預(yù)冷至-162 ℃，此過程中將產(chǎn)生大量BOG，根據(jù)場站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)LNG潛液泵出口的流量，將LNG管道預(yù)冷時間控制在10 min左右。情況2產(chǎn)生BOG量按式（8）計(jì)算。

式中 Qv2——情況二管道產(chǎn)生的BOG流量，Nm3/h

m——管道總質(zhì)量，kg

c——管道材料在預(yù)冷溫度段的平均比熱容，kJ（/kg·℃）

Δt——管道的溫度變化量，℃

本例中，m=362.73 kg，c取0.4 kJ（/kg·℃），Δt取182 ℃。計(jì)算得Qv2=749 Nm3/h。合建站LNG輸送管道產(chǎn)生了大量的BOG，如果直接排空將造成環(huán)境的污染和能源的浪費(fèi)。故認(rèn)為應(yīng)該將該部分BOG加熱調(diào)壓后并入城鎮(zhèn)燃?xì)馐姓芫W(wǎng)供居民使用。情況一與情況二可同時存在，即在管道預(yù)冷過程中也會與周邊環(huán)境進(jìn)行熱交換，因此應(yīng)該選擇流量為800 Nm3/h的BOG加熱器。

6 結(jié)論

（1）合建LNG加氣站與LNG氣化站，既可提升對土地的利用，不需另行選址，又將重大危險源合并，降低對城鎮(zhèn)的風(fēng)險，還能減少建設(shè)方的投資。

（2）合建站大部分容積承擔(dān)向城鎮(zhèn)居民的供氣，因此合建站等級劃分應(yīng)參照GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》。站內(nèi)外安全間距要求應(yīng)同時滿足GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》、GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》（2014年版）和GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（2018年版）。

（3）合建站輸送管道過長，應(yīng)考慮熱補(bǔ)償，經(jīng)計(jì)算可采用Z形折角彎自然補(bǔ)償。

（4）合建站輸送管道必須進(jìn)行保冷計(jì)算，通過牛頓迭代法可得出數(shù)值解。

（5）合建站輸送管道過長，運(yùn)行過程中將產(chǎn)生大量BOG。通過計(jì)算選擇適當(dāng)?shù)腂OG加熱器，將其回收調(diào)壓后并入城鎮(zhèn)市政燃?xì)夤芫W(wǎng)，供居民使用。