第七章压缩天然气汽车及汽车加气站

第七章压缩天然气汽车及汽车加气站
随着经济的快速发展，城市大气污染问题也越来越严重。

大气污染已危及到人们的身心健康，成为我国城市经济发展和社会进步的障碍，同时还影响到我国的国际形象。

我国城市大气污染的一个重要因素是机动车尾气污染。

据统计，中国城市空气的污染源中，汽车尾气污染正越来越成为主要的因素。

由于机动车数量大幅度增长，汽车尾气污染局部性转变为连续性和积累性，一些大城市居民成为汽车尾气的直接受害者，必须加强对现有机动车排气污染的治理和监督管理。

而发展天然气汽车则是解决汽车尾气污染问题的有效途径。

随着西部大开发，“西气东输”等天然气工程的建设将是我国发展天然气汽车的一个重要契机，不仅减少汽车尾气排放，还可以弥补石油资源短缺，进行能源结构调整，同时也培育了一个新兴产业。

7—1 压缩天然气汽车加气站
7—1—1 压缩天然气汽车加气站的等级划分及安全距离
压缩天然气（CNG）是指压缩到20.7 ~ 24.8 MPa的天然气，储存在车载高压气瓶中。

压缩天然气作为汽车燃料，具有排气污染小，运输成本低，安全方便等优点，已成为世界车用清洁燃料的发展方向，在我国发展压缩天然气汽车具有十分重要的意义及良好的社会效益和经济效益。

根据《汽车用燃气加气站技术规范》（CJJ84—2000），压缩天然气加气站的等级划分应符合表7—1的规定。

表7—1 压缩天然气（CNG）汽车加气站的等级划分
注：本表中贮气装置总容积：V系指水容量；V N系指压力在101.325kPa、温度在0℃状态下的体积。

压缩天然气加气站等级划分，是以储存装置的容积进行划分的，这是因为容积的大小是影响事故危害程度的主要因素。

压缩天然气加气站按给公交车加气，平均每辆车按5瓶50升/瓶计算，日加气车次范围和天然气销售量为：
147
表7 压缩天然气汽车加气站规模
站址的选择和分布应符合城市规划和区域道路交通规划，符合安全防火、环境保护、方便使用的要求；城市建成区内所建的加气站和合建站，应靠近城市交通干道或车辆出入方便的次要干道上。

郊区所建的加气站和合建站，宜靠近公路或设在靠近建成区的交通出入口附近；在城市建成区内进行液化石油气加气站和合建站站址选择时，液化石油气槽车的运行应符合城市易燃易爆危险物品交通运输的有关规定；天然气加气站（加气母站）)和合建站，宜靠近天然气高、中压管道或储配站建设。

供气参数应符合天然气压缩机性能要求。

新建的加气站（加气母站）和合建站不应影响现有用气户与待发展用气户的天然气使用。

另外：一、二级压缩天然气加气站不应与加油站合建，三级压缩天然气加气站可与加油站合建。

合建站的汽油、柴油储罐总容积不应大于50m3，单罐容积不应大于20m3（柴油储罐容积按0.5折算）。

在城市建成区内不应建一级加气站和一级合建站；在城市人员稠密区设置的加气站和合建站的规模宜为三级。

对重要公共建筑和涉及国计民生的其他重要建、构筑物周围100.0m范围内不得建加气站、合建站。

加气站内压缩天然气贮气装置与站外建、构筑物等防火间距，不应小于表7—2的规定。

合建站内压缩天然气贮气装置与站外明火、散发火花地点和各类建筑保护物的防火间距，不应小于表7—2三级站防火间距再增加20%的规定值。

在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外建筑面积不超过200m2独立的民用建筑，其防火间距可按表7—2的三类保护物减少20％，但不应小于三级站的规定。

在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外高层厂房的防火间距，应按表7—2的规定增加3m。

在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外建筑面积不超过300m2丁、戊类生产厂房及库房的防火间距，可按表7—2的规定减少20％确定。

在加气站和合建站内，压缩天然气贮气装置与站外不超过1000kV A箱式变压器和杆装变压器的防火间距，可按表7—2的室外变配电站减少20％确定。

在加气站和合建站内，压缩机间与站外建、构筑物等的防火间距不应小于表7—2三级站井管贮气的规定值。

对加气子站的压缩机间，其防火间距可减少20％。

在加气站和合建站内，天然气放散管（进站天然气管道和贮气装置上所设置的安全阀、紧急放散）管口和加气机与站外建、构筑物等的防火间距，不应小于表7—3的规定。

在加气站和合建站内，天然气放散管（进站天然气管道和贮气装置上所设置的安全阀、紧急放散）管口和加气机与站外建筑面积不超过200m2独立的民用建筑，其防火间距分别不应小于12．0m和10．0m。

在加气站和合建站内，天然气放散管(进站天然气管道和贮气装置上所设置的安全阀、紧急放散)管口和加气机与站外不超过1000kV A的箱式变压器和杆装变压器的防火间距，分别不应小于24．0m和15．0m。

147
表7—2 压缩天然气贮气装置与站外建、构筑物等的防火间距（m）
表7—3天然气放散管管口、加气机与站外建、构筑物等的防火间距（m）
147
147
7—1—2 压缩天然气汽车加气站工艺流程
7—1—2—1 加气站工艺流程
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（如图7—1所示）及循环冷却水、废润滑油回收、冷凝液处理、供电、供水等辅助生产工艺系统组成。

7—1—2—2 天然气引入管道和调压计量装置
进站天然气管道上应设置快速切断阀和全启封闭式弹簧安全阀。

快速切断阀应设置在操作方便的地方。

安全阀的设置应符合下列规定：
1、安全阀的开启压力应小于站外天然气输配系统允许最高工作压力值的0.9倍；
2、安全阀连接的放散管管口应高出15.0m 范围内的建、构筑物2.0m 以上，且距地面不应小于5.0m 与站内封闭或半开敞建筑物门、窗的水平距离不应小于2.5m 。

放散管管口应设有防雨罩；
3、安全阀前应装设相应口径的阀门。

一、二级加气站的调压计量间宜单独设置。

三级加气站的调压计量间可附设在压缩机间一侧。

图7—1 CNG 汽车加气站工艺流程图
调压器应能满足进站天然气的最大和最小压力的要求；调压器的压力差，应根据调压器前天然气引入管道的最低设计压力与调压器后天然气管道的设计压力之差值确定；调压器的计算流量，应按压缩机最大工作台数最大排气量的1.2倍确定。

调压器的工艺设计应符合下列规定：
1．在调压器的入口处应安装过滤器；
2．调压器的进、出口管道之间应设置旁通管道及旁通阀；
3．在调压器及过滤器前后均应设置指示式压力表。

进站天然气应设置计量装置。

7—1—2—3 天然气的脱硫、脱水
进入加气站的天然气在压缩前或压缩后必须经过净化和干燥处理，即要经过脱硫、脱烃和脱水过程。

脱硫是指脱除天然气中的硫化氢等酸性气体，以防止设备管线腐蚀和钢质气瓶发生“氢脆现象”。

脱烃是指脱除天然气中的轻烃，使乙烷和重烷含量小于3%，以防止发动机点火不正常。

脱水是指脱除天然气中的水分，以防止CNG在减压膨胀降温过程中供气系统出现冰堵。

我国制定的《车用天然气》国家标准要求硫化氢含量小于15mg/m3，冰露点低于最高操作压力下最低环境温度5℃。

从大量的国内外油气田设备的的腐蚀情况证明，硫化氢对金属材料具有强烈的氢脆，硫化物应力腐蚀和电化学失重腐蚀作用。

从CNG加气站的钢瓶检测以及发生过爆炸的钢瓶的抽查中均发现钢瓶内有不同程度的残留水，或者有黑色粘状物油污等。

硫化氢极易溶于水而形成酸性溶液，钢瓶内壁与硫化氢水溶液接触，一方面发生阳极反应，引起电化学失重腐蚀，而生成硫化铁膜呈黑色疏松分层状或粉末状。

另一方面在钢表面发生阳极反应，产生氢原子，向钢瓶内部扩散，并在局部地方结合成分子氢，分子氢的体积是原子氢的20倍，造成极大的局部压力，可高达数百个大气压。

对于高强度、高硬度的钢材，会使晶格变形，致使材料韧性降低，脆性增加，内部出现之字形细微裂纹，裂纹两侧有腐蚀产物，这种裂纹是典型的氢脆特点，CNG瓶一旦出现局部材料氢脆后，在外力作用下，达到一定的应力水平后氢脆裂纹迅速发展至材料破裂。

CNG钢瓶内残留水的硫化氢溶液对钢瓶的应力腐蚀可以引起材料的破坏，尤其对高强度钢，即使溶液中硫化氢浓度很低，例如硫化氢浓度在1×10—6以上，即能在很短时间内引起高强度钢的硫化物应力腐蚀破坏。

目前国产CNG储气瓶经调质处理后的硬度HRC为40左右，根据有关部门CNG站钢瓶内积水的两次抽样化验，硫化氢的浓度分别为 5.7×10—6和26.9×10—6。

可见发生硫化氢应力腐蚀和失重腐蚀是存在的。

加气站内脱硫宜采用高效固体脱硫剂。

脱硫设备应按2台并联设计，其中l台为备用。

脱硫装置的工艺设计应符合下列规定：
1．天然气通过脱硫装置时的实际流速宜取150 ~ 200mm／s；
2．天然气与脱硫剂的接触时间宜取20 ~ 40s；进站天然气中硫化氢含量高时，应取高值；
3．寒冷地区的脱硫设备，应设有保温措施。

天然气脱水装置的设置位置应根据下列条件确定：
1．对选用的压缩机在运行中，其机体限制冷凝水的生成量，且天然气的进站压力能克
147
服脱水系统等阻力时，应将脱水装置设置在压缩机前；
2．对选用的压缩机在运行中，其机体不限制冷凝水的生成量，并附有可靠的导出措施时，可将脱水装置设置在压缩机后；
3．对选用的压缩机在运行中，允许从压缩机的中段导出天然气进行脱水处理时，宜将脱水装置设置在压缩机的中段。

加气站内的脱水工艺宜采用固体吸附法。

在压缩机前进行脱水时，宜采用活性氧化铝—分子筛或硅胶—分子筛两级脱水装置；在压缩机后或压缩机中段进行脱水时，宜采用分子筛一级脱水装置。

天然气脱水装置设置在压缩机后或压缩机中段时，压缩天然气进入脱水装置前，应先经过间冷、气液分离和除油过滤装置，以脱除游离的水分和油分。

脱水装置应按2套系统并联设计，一套系统在运行，另一套系统进行再生。

交替运行周期可为6 ~ 8h。

天然气通过压缩机前脱水装置时的实际流速宜取120～150mm／s；通过压缩机后脱水装置时的实际流速宜取20～40mm／s；通过压缩机中段脱水装置时的实际流速宜取30～50mm ／s；天然气与脱水剂的接触时间宜取40～60s；在寒冷地区，天然气在脱水装置中的流速宜取低值，而接触时间宜取高值。

在压缩机前进行的脱水剂再生，宜采用进站天然气经电加热、脱水剂再生、冷却、气液分离等装置后，经增压并入进站天然气脱水系统。

再生压缩机的扬程应为再生系统阻力值1.10～1.15倍。

在压缩机后或压缩机中段进行的脱水剂再生，宜采用脱除游离水分和油分后的压缩天然气，并应由电加热控制系统温度。

再生后的天然气宜进行冷却分离出游离水后，引入压缩机的进口管道内。

再生用天然气压力为0.4～0.8MPa。

脱水系统和冷凝水处理系统应有防止结冻措施。

7—1—2—4 天然气的压缩
进入压缩机的天然气质量指标应符合选用压缩机的有关规定，且不含游离水，含尘量应小于或等于5mg／m3。

微尘直径应小于10μm。

在压缩机前应设置缓冲罐。

缓冲罐的容积宜按天然气在贮罐内的停留时间不应小于10s。

缓冲罐内宜设置过滤装置，罐顶设有安全阀。

安全阀的开启压力应为压缩机允许最高进口压力值的0.90～0.95倍。

压缩机的选型应符合下列规定：
1、加气站内压缩机的选型应结合进站天然气压力、脱水工艺和设计规模确定；
2、压缩机宜按日开机10～12h计算。

压缩机的型号宜选择一致，装机数量不宜超过3台。

在加气母站内，可另设l台备用压缩机；多台并联运行的压缩机单台排气量，应按公称容积流量的80％～85％计算；
3、压缩机排气压力不应大于25.0 MPa；
4、压缩机各级冷却后的排气温度不应大于40℃；
5、选用的压缩机应便于操作维护、安全可靠，并符合节能、高效、低振动和低噪声要求。

6、建在城市建成区内的加气站，宜选用电，机传动的压缩机；建在城市边缘地区的加气站，可选用由天然气发动机传动的压缩机。

压缩机及其附属设备的布置应符合下列规定：
1．压缩机应采用单排布置；单台压缩机可布置在地下钢筋混凝土房内或装配在厢体内；
2．压缩机之间的净距应大于1.5m，与墙壁之间的净距应大于1.5m，主要通道的宽度应147
大于2.0m；
3．机组的联轴器或传动装置应采取安全防护措施；
4．单台压缩机排气量大于或等于300m3／h的压缩机间，宜设置检修用的起吊设备。

压缩机的运行管理宜采用计算机控制装置。

控制室宜独立设置或设在站房内。

三级加气站的控制室可附设在压缩机间的一端，控制室与压缩机间应设有能观察各台压缩机运转的隔声玻璃窗。

在压缩机组前的通道墙壁上、控制室等处应设有紧急停车按钮。

从压缩机排出的冷凝液处理.严禁直接排入下水道；采用压缩机前脱水工艺时，应在每台压缩机排出的冷凝液管路上设置压力平衡阀和止回阀。

冷凝液汇入总管后，应引至室外贮罐。

贮罐的设计压力应为冷凝液系统最大工作压力的1.2倍；采用压缩机后或压缩机中段脱水工艺时，压缩机冷凝液的处理应符合下列规定：1)从每台压缩机排出的冷凝液管路上应设置电动控制阀和止回阀。

在压缩机运行中，由电动控制阀自动周期排液。

2)各台压缩机的冷凝液汇总后，应引至室外的密闭水封塔，塔底的冷凝水宜经露天贮槽排入下水道。

从冷却器和分离器等排出的冷凝液严禁直接排入下水道，压缩机的卸载排气可通过缓冲罐回收，并引入进站天然气管道内。

在加气子站内，用于天然气贮气装置之间的压送和卸车所设置的小型压缩机，宜采用风冷式压缩机；进气压力不宜小于0.6 MPa；排气压力不应大于25.0 MPa；排气量可按最大天然气贮存气量的20%计算，并应按2 ~ 4h内完成转输。

在小型压缩机前应设置调压装置和缓冲罐。

压缩机出口管道上应设置安全阀和手动阀门。

7—1—2—5 贮气装置
加气站使用的贮气瓶单瓶水容积应大于或等于60 L，宜使用容积大于或等于250L的贮气瓶和高压容器等大型贮气装置。

最大允许充装压力应为25.0 MPa。

瓶库内的贮气瓶应分组设置，分组进行充装。

在一个加气站内贮气井管组应按运行压力分为高压贮气井管组、中压贮气井管组和低压贮气井管组。

各瓶组宜单独引管道至加气机，对加气汽车按各瓶组的压力进行分挡转换充装。

对贮气瓶组的补气程序应从高压向低压逐组进行对贮气瓶组的取气程序相反。

7—1—2—6 加气区（加气岛）
加气系统设计压力应为27.5 MPa，加气机设置的数量应根据加气站的规模、加气汽车的数量等因素确定。

一般一级站设置加气枪6 ~ 8台，二级站4 ~ 6台，三级站2 ~ 4台。

汽车加气时间可按4 ~ 6min / 车次来计算。

加气机应设置防撞护栏，其高度不应小于0.5m。

表7—4 各瓶组内天然气补气压力和贮气瓶数量的比值
7—1—3 压缩天然气汽车加气站压力试验
加气站内工艺系统的压力试验应在下列工作完成后进行：1、系统安装作业已完成，经
147
外观和焊缝检验合格；2、基础二次灌浆达到强度要求。

压力试验宜按单体设备、管路系统分段进行。

在制造厂内业已完成压力试验的压缩机、烃泵、加气机等设备，并附有检验报告时，现场不宜进行再次吹扫和压力试验。

在进行管路系统压力试验时，应用盲板或采取其他措施隔开。

压力试验用压力表其精度不得低于1.5级，表的满刻度值应为被测压力值的1.5～2.0倍。

设备强度试验压力应为1. 25倍设计压力；管道强度试验压力应为1.5倍设计压力。

试验介质宜采用洁净水。

强度试验时，环境温度不宜低于5℃；当环境温度低于5℃时，应采取防冻措施。

强度试验时，设备和管道上的安全阀、调压器、液位计等仪表元件应按要求拆下或采取其他措施隔开。

强度试验注水时，应排尽试验设备和管道内的空气。

强度试验按下列步骤进行：
1、压力升至试验压力的50％后，应保持15min，进行检查。

确认无渗漏、无异常情况后方可继续升压；
2、压力升至试验压力的90％后，应保持15min，再次进行检查。

确认无渗漏、无异常情况后方可继续升压；
3、压力升至试验压力后，应保持30min，然后将压力降至设计压力进行检查。

确认无渗漏、无异常情况后为合格。

严密性试验压力应为设计压力。

试验介质应为干燥和洁净的压缩空气或氮气。

严密性试验时，设备和管道上的安全阀、调压器、液位计等仪表元件应复位。

严密性试验应缓慢增加压力，按下列步骤进行：
1．压力升至0.2MPa后保持10 min，进行检查。

确认无渗漏、无异常情况后继续升压；
2．压力升至试验压力的50％后保持10 min，进行检查。

确认无渗漏、无异常情况后继续升压；
3．按试验压力的10％逐级升压每级稳压3 min，直至试验压力。

停压时间根据查漏工作需要而定。

以发泡剂检验不泄漏为合格。

严密性试验应重点检验阀门填料函、法兰或螺纹连接处、放空阀、排水阀、软管连接等。

在压力试验过程中发现泄漏时，不得带压处理。

清除缺陷后，应重新进行试验。

压力试验检查合格后，卸压时应缓慢。

7—1—4 CNG汽车加气站的土建设计
7—1—4—1 选址及总图
CNG汽车加气站站址的选择，宜设置在城市公交总站或客运中心附近，或者是出入城区主要通道附近，以方便车辆进出加气，尽量避免靠近一类、二类保护类别的民用建筑，保证站内建、构筑物与周边民用建筑物的安全距离，还必须考虑到站址的选择对加气站施工难度、进度和造价的影响以及建成后对周边环境的影响。

在实际工程常常遇到选择站址不当的情况，如成都市某站的站址因靠近安静的住宅区而不得不缩短营业时间，必然对其经营效益带来影响。

另一个选址不当的某工程，站址选择在回填深度超过十米的填方地段，场地平整时间超过两个月，投资近百万，造成投资增加，回报率大大降低。

因此CNC加气站址宜避免选择在回填深度太大的填方地段，否则会增大挡土墙和房屋基础处理的工程量，造成建设周期延长和投资增加。

如果选址在山地时，应尽量位于挖方地段，沿等高线设置，总平面分
147
台阶布置，将生产区与充装区置于标高不同的两个台阶上，可以有效地降低工程费用并加快工程进度，另外，在有挡土墙的设计施工中可选择加筋土挡土墙，可有效降低工程造价。

常常有建设单位和施工单位不太重视场内道路场地的施工质量，场地回填时不注意清除场内耕土，回填质量不严格按照设计要求的95％的密实控制；设计的混凝土地沟常常被砖砌地沟代替。

实际上，以一个日加气15000立方米的加气站为例，平均每辆车加气15立方米，每天进出车辆数量为1000辆左右，相当于中等流量的城市道路，决不能按普通场坪处理，因此20厘米厚的C30混凝土面层及位于地表的混凝土管沟是必须的。

应有足够重视。

7—1—4—2 压缩机房设计
CNG加气站的压缩机房与其他天然气系统中的压缩机房一样属于生产和储存甲类火灾危险物品场所，除执行有关建构筑物的规范标准外，还应严格按照《汽车用燃气加气站技术规范》、《城镇燃气设计规范》、《建筑设计防火规范》等相关国家规范标准严格执行。

作为一种具有特殊用途的工业建筑，压缩机房必须具有防火、防爆、隔声、吸声、采光、采暖等诸多要求，而其中许多要求却是相互关系和矛盾的，如满足通风就难以满足隔音要求；寒冷地区满足防爆泄压就不容易满足采暖要求等等。

在结构形式上，选择8米跨度，4.2米开间的框架结构，尽可能大面积布置门窗，控制泄压比为0.15以上，既可达到防爆的要求，又满足了压缩机等工艺设备的布置要求，同时不造成建筑面积的浪费。

在屋面结构的选择上，我们放弃了框架结构常采用的梁板一同现浇的方式，虽然结构整体性稍弱，但屋面采用预制板的方式，方便了设备从屋面上方进行整体吊装就位，方便了工艺安装的进行，从而加快了工程进度。

为了保证隔音良好，设计时考虑采用隔音效果较好的塑钢门窗或采用10毫米厚橱窗用大面积玻璃墙，也有工程采用中空镀膜玻璃；至于通风，结合考虑防爆要求，采用防爆机强制通风，并满足一定的换气次数；而在寒冷的北方地区，大面积的玻璃又恰巧与采暖要求矛盾，因此在满足达到一定的设计采暖温度（大于5℃）时，我们将墙体厚度由通常的370厚改为240厚，以减轻结构自重，相应可以减小结构构件的尺寸和配筋，节约工程造价。

辅以室内采用吸声吊顶后，在室外基本能控制噪声值在50分贝以下，有效避免对周围环境的噪音污染。

在基础处理上，须仔细研究地质报告的内容，采用合理的基础形式及基础埋置深度，房屋基础埋置深度应与设备基础相一致，在地质情况较好时，优先考虑天然地基。

在我们的实际工程中，采用钢筋混凝土预制短桩也是比较经济和快捷的。

当然，根据地区和实际情况的不同，还可以有不同的处理方式，但是有一点很重要的是一定要探明基础以下是否有可液化沙层或其他软弱下卧层，并进行相应的处理。

CNG加气站的设计还要注意设备基础的设计，对于压缩机一类动力机器，为避免过大振动的发生，设计时应控制机组的总重心与基础底面形心位置重合，为避免设备基础振动直接影响到建筑物，我们将管沟和减振沟结合考虑为一体。

设备基础位置和方向需要仔细对照土建和工艺图纸后落实，在建筑工程进行的同时作好预留空洞及预埋件的埋设，是类似工业建筑设计施工须特别留意的。

147。