橇裝式LNG汽車加氣站的應(yīng)用

摘 要

摘要：論述了橇裝式LNG加氣站的特點和優(yōu)勢，LNG加氣站的主要設(shè)備(包括LNG儲罐、LNG低溫泵、LNG氣化器等)的技術(shù)要求。給出了典型橇裝式LNG加氣站的工藝流程，提出橇裝式LNG加氣站
摘要：論述了橇裝式LNG加氣站的特點和優(yōu)勢，LNG加氣站的主要設(shè)備(包括LNG儲罐、LNG低溫泵、LNG氣化器等)的技術(shù)要求。給出了典型橇裝式LNG加氣站的工藝流程，提出橇裝式LNG加氣站是未來LNG汽車的主導(dǎo)加氣站。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；橇裝式加氣站；LNG汽車；汽車加氣站；LNG加氣站
Application of Skid-mounted LNG Vehicle Filling Station
CHEN Shu-ping，REN Yong-ping，YIN Jin-song，WU Pin-fang
Abstract：The characteristics and advantages of skid-mounted LNG filling station and the technical requirement of main equipment of LNG filling station including LNG tank，LNG cryogenic pump，LNG vaporizer and so on are expounded. The process flow of typical skid-mounted LNG filling station is given. It is suggested that the skid-mounted LNG filling station is a leading gas station for LNG vehicles in future.
Key words：LNG；skid-mounted gas filling station；LNG vehicle；vehicle gas filling station；LNG filling station
1 概論
    近年來，為響應(yīng)國家科技部推廣應(yīng)用清潔燃料汽車的號召，天然氣汽車在我國很多城市得到迅猛發(fā)展，主要以壓縮天然氣(CNG)汽車為主，多數(shù)用于單次加氣行駛里程較短的城市出租車和公交車上。在國外，液化天然氣(LNG)汽車以其污染小、安全性能高、經(jīng)濟效益顯著且適用于大型長途運輸車輛等優(yōu)點而得到大力推廣。美國有3000輛LNG汽車和約100座LNG汽車加氣站，在該方面技術(shù)上處于領(lǐng)先地位[1、2]。在我國，北京、烏魯木齊、長沙、貴陽、杭州等地正在積極推廣LNG汽車及加氣站，并已建成多座LNG加氣站。這些加氣站中，除了常規(guī)的各設(shè)備在現(xiàn)場安裝組成完整系統(tǒng)的加氣站外，還有事先將加氣站各種設(shè)備在工廠集成安裝在一個或多個橇塊上運往現(xiàn)場的橇裝式LNG加氣站。橇裝式LNG加氣站具有安全、環(huán)保、能耗低、占地面積小、現(xiàn)場安裝方便、建設(shè)期短、可靈活移動等突出優(yōu)點，成為一種具備良好發(fā)展前景的加氣站類型[3～5]。
2 橇裝式LNG加氣站的優(yōu)勢
    橇裝式LNG加氣站將LNG通過低溫泵向LNG汽車加氣。如有需要，也可同時經(jīng)高壓液體泵加壓、經(jīng)氣化器氣化后向CNG汽車加氣，并且比同樣容量CNG加氣站的造價和運行費用低。另外，橇裝式LNG加氣站還有以下優(yōu)勢：
    ① 機動靈活，占地少。不依賴天然氣管網(wǎng)，只需用LNG槽車來運載LNG作為氣源。站內(nèi)所有工藝設(shè)備都安裝在一個橇塊上，整體尺寸較小(外形尺寸長×寬×高為12m×2.5m×3.31m)；控制系統(tǒng)安裝在一個改裝的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)(外形尺寸長×寬×高為6m×2.5m×3m)；充裝LNG前加氣站整體總質(zhì)量只有21.8t，非常適于用汽車搬運?？筛鶕?jù)市場需求隨時改變加氣站地點，在城市尤為適宜。
    ② 安全、環(huán)保，能耗低。LNG已經(jīng)經(jīng)過了凈化處理，無須壓縮、冷卻、脫水、脫硫等電力消耗較大的裝置，整個生產(chǎn)工藝中省去了天然氣凈化設(shè)備和空氣壓縮機，大大減少了配套設(shè)施，不僅節(jié)約了設(shè)備造價，而且縮短了建設(shè)期。
    ③ 自動化程度高，易操作。配有自動控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、可燃氣體監(jiān)測、超壓停泵及低壓開泵等過程都自動完成，簡單易操作。
3 主要設(shè)備及技術(shù)要求
    圖1為橇裝式LNG加氣站，其主要設(shè)備包括LNG儲罐、LNG低溫泵、LNG氣化器、LNG加氣機、橇座，另外還有管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及配套設(shè)施。單臺儲罐設(shè)計容積為35m3，設(shè)計壓力為1.2MPa，設(shè)計溫度為-196～+60℃，蒸發(fā)率≤0.2%。
 
3.1 LNG儲罐
    橇裝式LNG加氣站的LNG儲罐采用臥式、雙層金屬結(jié)構(gòu)的絕熱低溫儲罐，其結(jié)構(gòu)見圖2。內(nèi)罐一般采用奧氏體不銹鋼材料，如0Cr18Ni9、304等。外罐多采用普通低合金鋼，如16MnR。內(nèi)外罐之間的支承宜采用在低溫下既有較高強度又有較低熱導(dǎo)率的低溫玻璃鋼結(jié)構(gòu)。采用的絕熱方式主要有4種：堆積絕熱、真空粉末絕熱、高真空絕熱、高真空多層絕熱[6]。其中高真空多層絕熱以絕熱空間小、熱導(dǎo)率低、絕熱可靠等優(yōu)勢，在LNG儲罐上得到廣泛應(yīng)用，尤其適用于移動式低溫儲罐。對于高真空多層絕熱，維持夾層的真空度至關(guān)重要。首先，在抽真空時要確保腔內(nèi)材料充分放氣，并確保多層材料層間真空度達到規(guī)定要求；其次，可在腔內(nèi)放置常溫吸附劑，或采用添加吸附劑的層間隔熱材料，如填炭紙等，以吸附腔內(nèi)材料可能釋放出的少量氣體[7]。
 
    LNG儲罐的設(shè)計、制造、安裝、定期檢測等應(yīng)滿足LNG儲罐的有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以保證安全。LNG儲罐的主要技術(shù)要求如下：
    ① LNG儲罐必須設(shè)置2套安全閥在線安裝的雙路系統(tǒng)，并設(shè)置1個轉(zhuǎn)換開關(guān)，在更換或維修時需要進行切換工作[8]。加氣站在搬運時儲罐易受到顛簸震動甚至撞擊而導(dǎo)致真空度降低或失去絕熱功能，影響儲罐的使用壽命，因此必須提供儲罐安全裝置，如避震器、防撞擊的保護裝置等。
    ② LNG儲罐要設(shè)計最高液位限定值，防止液位過高。若液位過高可通過溢流閥排出。在充注LNG時，應(yīng)考慮到液體受熱后體積膨脹而出現(xiàn)液位超高的情況，應(yīng)預(yù)留適當(dāng)?shù)目臻g。
    ③ LNG儲罐在首次充注LNG之前，或因需要進行內(nèi)部檢修而停止使用之后，應(yīng)對儲罐進行惰化處理，要用惰性氣體N2或CO2將儲罐內(nèi)的空氣或天然氣置換出來，避免形成天然氣與空氣的爆炸性混合氣體。
    ④ LNG儲罐應(yīng)配有壓力控制裝置，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的壓力安全閥和真空安全閥，分別預(yù)防罐內(nèi)發(fā)生超壓和負壓。此外，為了防止內(nèi)罐損壞時LNG泄漏至內(nèi)外罐壁之間的絕熱層，外罐必須設(shè)置足夠的安全排氣裝置。
    ⑤ LNG儲罐應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的儀表，包括能顯示儲罐液位的液位計、顯示罐內(nèi)壓力的壓力表和顯示罐內(nèi)LNG液相溫度的溫度計。
3.2 LNG低溫泵
    LNG低溫泵一般采用潛液式低溫泵，由于LNG的低溫和易燃特性，不僅要求泵能承受低溫，而且對泵的氣密性和電氣安全性能要求更高。
    LNG低溫潛液泵是泵和電機整體潛入低溫LNG中輸送低溫LNG的機械。這種潛液泵將泵與電機整體安裝在一個密封的金屬容器內(nèi)，不需要軸封，也不存在軸封的泄漏問題，泵的進出口用法蘭結(jié)構(gòu)與輸送管道相連，因此不存在LNG的泄漏問題，很適合輸送LNG之類的低溫可燃液體。
   為防止LNG沿著電纜從連接處泄漏到接線盒遇到火花發(fā)生爆炸，通常在外接電纜與接線盒處設(shè)置2道氮氣密封保護系統(tǒng)，阻斷LNG可能的泄漏通道。如果第1道N2保護失效，第2道N2密封系統(tǒng)仍可正常工作，而第1道N2保護失效時其壓力有顯著變化，安全監(jiān)測裝置立即報警[3]。
   低溫泵應(yīng)能達到以下要求：①必須有足夠的揚程和流量，以適應(yīng)不同級別的汽車LNG儲存系統(tǒng)?，F(xiàn)在一般采用變頻技術(shù)，均可滿足此要求。②盡可能減少運行時產(chǎn)生的熱量，以防止引發(fā)LNG氣化。③不可出現(xiàn)兩相流，否則會造成泵的損壞。
3.3 LNG氣化器
   LNG氣化器采用空溫式氣化器，LNG通過吸收外界大氣環(huán)境熱量而實現(xiàn)氣化過程，能耗很低。為提高LNG與環(huán)境的換熱效率，氣化器主體部分一般采用耐低溫的鋁合金縱向翅片管，它結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，制造和使用方便，換熱面積大，因而在各種低溫系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[10]。影響氣化器工作的因素主要有流量、工作周期、工作壓力、大氣溫度、大氣相對濕度、風(fēng)力、日照等條件。氣化器應(yīng)滿足以下條件：
   ① 根據(jù)用氣的實際狀況進行設(shè)計，設(shè)計的最小氣化量應(yīng)滿足在最惡劣工作環(huán)境下的最大用氣量要求。
   ② 氣化器在設(shè)計布置時，每1臺氣化器的入口處和出口處應(yīng)設(shè)有切斷閥，并在出口切斷閥之前設(shè)置安全閥。
   ③ 氣化器應(yīng)配備切斷熱源的裝置來確保安全；還應(yīng)安裝溫度檢測設(shè)備，用來測量LNG和熱交換介質(zhì)的進出口溫度，確保傳熱效率。
3.4 LNG加氣機
    LNG加氣機應(yīng)能承受一定的低溫。一般應(yīng)滿足下列要求：①出于安全考慮，不宜安裝在距儲罐很近的地方，也不得設(shè)在室內(nèi)。②設(shè)有安全限壓裝置。③具有預(yù)冷裝置和收集車載氣瓶內(nèi)剩余氣體的回氣控制裝置。④加氣完成后可通過控制系統(tǒng)立即關(guān)閉。⑤能夠顯示加氣量、單價及金額。
3.5 撬座
    橇座用于支撐整個系統(tǒng)，根據(jù)需要可以被汽車移動搬運。外形尺寸可根據(jù)加氣站規(guī)模大小而定，應(yīng)滿足搬運過程中的強度要求。
4 橇裝式LNG加氣站工藝流程
    橇裝式LNG加氣站的工藝流程見圖3，可分為4個部分[11～13]：卸車流程、調(diào)壓流程、加氣流程、卸壓流程。
 
   ① 卸車流程。將槽車內(nèi)LNG轉(zhuǎn)移至加氣站LNG儲罐內(nèi)，有2種方式：a.自增壓卸載，將在槽車增壓器中氣化的LNG返回槽車儲罐，增加儲罐壓力，卸載LNG。這種方法簡單，僅需少量管道和閥門。b.采用安裝在槽車上的LNG低溫泵來卸載，盡管存在造價高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，但因其卸載時間短、效率高而得到廣泛應(yīng)用。
    ② 調(diào)壓流程。卸車完畢后，須對儲罐中的LNG進行升壓方可給汽車加氣。升壓方式有2種：a.通過LNG低溫泵低速循環(huán)進行升壓。b.通過儲罐上LNG氣化器升壓，將LNG在氣化器中氣化后通過調(diào)壓裝置進入儲罐，增加壓力，這種方式的優(yōu)點是工藝、設(shè)備簡單且不耗能。目前LNG儲罐一般采用氣化器增壓就可達到所需壓力。
    ③ 加氣流程。儲罐中的LNG通過低溫泵加壓后送入加氣機，由加氣槍給汽車加氣，最高加氣壓力可達到1.6MPa。在給車載氣瓶加氣前應(yīng)先給車載氣瓶卸壓，通過回氣口回收車載氣瓶中的余氣。加氣站設(shè)有車載氣瓶到儲罐氣相的回流管，可對車載氣瓶中余氣進行回收和計量。
    ④ 卸壓流程。儲罐在使用過程中，罐內(nèi)壓力會升高。當(dāng)儲罐壓力大于設(shè)定值時，緊急泄放裝置啟動，相關(guān)閥門打開，釋放儲罐中的氣體，降低壓力，確保儲罐安全。
5 結(jié)語
    橇裝式LNG加氣站可以遠離LNG接收站，為偏遠地區(qū)發(fā)展LNG汽車創(chuàng)造了條件。橇裝式LNG加氣站設(shè)備簡單，建站期短，造價和運行費用低，占地面積小。
    LNG汽車是天然氣汽車的發(fā)展趨勢。橇裝式LNG加氣站以其高度靈活性向LNG汽車加氣?？梢韵嘈牛裂b式LNG加氣站將會隨著各種相關(guān)技術(shù)的成熟以及LNG汽車的普及而得到廣泛應(yīng)用。
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(本文作者：陳叔平1 任永平1 殷勁松2 鄔品芳2 1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050；2.張家港富瑞特種裝備股份有限公司 江蘇張家港 215637)