摘　要：探討LNG／L-CNG汽車加氣站工藝設(shè)計的注意事項及解決方法，包括：合理確定出頂面標(biāo)高，減少BOG放散量，回氣管道設(shè)計，調(diào)飽和流程設(shè)置，集中放散管設(shè)計。

關(guān)鍵詞：液化天然氣加氣站；  壓縮天然氣加氣站；LNG／L—CNG加氣站；  調(diào)飽和流程

Discussion on Process Design of LNG/L-CNG Vehicle Filling Stations

Abstract：The matters needing attention and solutions in the process design of LNG／L-CNG vehicle filling stations，including reasonable determination of LNG tank base top surface elevation．decrease of BOG emission amount，design of return gas pipe，setting of process for adjusting to saturated state and design of centralized vent tube，are discussed．

Keywords：LNG filling station；CNG filling station；LNG／L-CNG filling station；process for adjusting to saturated state

1　概述

燃油汽車是空氣污染的重要影響因素，隨著國家對空氣環(huán)境質(zhì)量改善力度的加大，清潔燃料的天然氣汽車得到了飛速發(fā)展。因此，天然氣汽車加氣站的建設(shè)近幾年在各城市迅速展開。LNG／L-CNG汽車加氣站(以下簡稱LNG／L-CNG加氣站)是天然氣汽車加氣站的一種類型，它可以同時為LNG汽車、CNG汽車提供加氣服務(wù)，且儲存量大，因此得到大力推廣和建設(shè)。LNG／L-CNG加氣站設(shè)計的主要依據(jù)為GB 50156—2012《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》(2014年版，以下簡稱GB 50156—2012)。

LNG／L-CNG加氣站氣源為LNG，由于LNG為低溫液體，在進(jìn)行LNG／L-CNG加氣站工藝設(shè)計時，需要特別注意介質(zhì)的低溫液體特性。

2　合理確定LNG儲罐基礎(chǔ)頂面標(biāo)高

LNG／L-CNG加氣站可以為LNG汽車、CNG汽車加氣。LNG儲罐內(nèi)LNG通過潛液泵(含泵池)、LNG加氣機(jī)為LNG汽車加氣；LNG儲罐內(nèi)LNG通過LNG柱塞泵(LNG加壓至25MPa)、高壓氣化器、CNG加氣機(jī)為CNG汽車加氣。

LNG／L-CNG加氣站儲罐區(qū)內(nèi)主要設(shè)備包括LNG儲罐(立式或臥式)、LNG潛液泵(含泵池)、LNG柱塞泵、儲罐增壓器(兼作卸車增壓器)。GB 50156--2012第9.1.3條規(guī)定，“防護(hù)堤內(nèi)地面應(yīng)至少低于周邊地面0.1m，防護(hù)堤頂面應(yīng)至少高出堤內(nèi)地面0.8m，且應(yīng)至少高出堤外地面0.4m。”此條內(nèi)容僅對防護(hù)堤內(nèi)、外地面與防護(hù)堤的頂面高度做出規(guī)定，對儲罐區(qū)內(nèi)各設(shè)備基礎(chǔ)高度并未提出相關(guān)要求。在進(jìn)行儲罐區(qū)設(shè)計時，除滿足規(guī)范相關(guān)條文要求外，另需特別注意潛液泵入口氣蝕余量的要求，合理確定LNG儲罐基礎(chǔ)頂面標(biāo)高。

LNG儲罐基礎(chǔ)頂面標(biāo)高主要由設(shè)計選擇的潛液泵所要求的氣蝕余量確定。潛液泵在工作時，液體在葉輪的進(jìn)口處因在一定真空壓力下會氣化產(chǎn)生氣泡，葉輪因氣泡的產(chǎn)生被液體撞擊，表面產(chǎn)生剝蝕，即氣蝕，葉輪因受到氣蝕而失效。為避免氣蝕，在LNG／L-CNG加氣站設(shè)計時，潛液泵的進(jìn)液口與LNG儲罐內(nèi)LNG最低液位之間的高差，要滿足潛液泵氣蝕余量要求。不同廠家生產(chǎn)的潛液泵對氣蝕余量的要求不同，因此，對儲罐基礎(chǔ)頂面標(biāo)高要求也就不同。設(shè)計時，工藝設(shè)計人員需要與業(yè)主選定的潛液泵廠家就選用的潛液泵氣蝕余量要求進(jìn)行充分溝通，以便給土建專業(yè)提出合理的LNG儲罐基礎(chǔ)頂面標(biāo)高條件。

3　工藝設(shè)計要盡量減少BOG的放散量

①在進(jìn)行工藝管道保冷設(shè)計時，不僅需要對LNG介質(zhì)管道進(jìn)行保冷，站內(nèi)所有回氣管道(即BOG管道)亦需保冷，以減小BOG帶入的熱量，從而減緩LNG儲罐內(nèi)介質(zhì)溫度的升高。

②在進(jìn)行站內(nèi)LNG介質(zhì)管道布置時，LNG管道要盡量短捷、平直，并盡量減少彎頭等增加局部阻力的管件。

③當(dāng)儲罐內(nèi)的LNG儲存時間較長(3～7d)，由于自然的熱量傳遞，會產(chǎn)生較多的BOG。此時可以通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，對BOG氣體進(jìn)行回收利用。

a．若LNG／L-CNG加氣站附近有市政天然氣管網(wǎng)，可以將LNG／L-CNG加氣站產(chǎn)生的BOG經(jīng)BOG加熱器加熱、BOG調(diào)壓裝置調(diào)壓后輸送至附近的市政天然氣管網(wǎng)。

b．LNG／L-CNG加氣站產(chǎn)生的BOG可以供給站內(nèi)燃?xì)鉄崴疇t等燃?xì)庠O(shè)備自用，此回收方法需要在站內(nèi)設(shè)置BOG加熱器、BOG儲罐及調(diào)壓裝置。

c．LNG／L-CNG加氣站產(chǎn)生的BOG采用壓縮工藝，選擇參數(shù)符合要求的BOG壓縮機(jī)，將站內(nèi)產(chǎn)生的BOG升壓至25MPa，壓縮機(jī)出口管道接至L-CNG加氣站流程中的順序控制盤進(jìn)氣管道，用于CNG車輛加氣。

4　回氣管道設(shè)計注意事項

LNG／L-CNG加氣站回氣流程主要包括LNG潛液泵回氣、LNG柱塞泵回氣及LNG加氣機(jī)回氣。在進(jìn)行LNG／L-CNG加氣站回氣管道設(shè)計時，需要注意以下事項：

①LNG潛液泵、LNG柱塞泵運(yùn)行時的順暢回氣，是LNG／L-CNG加氣站順利運(yùn)行的重要保證之一。為保證泵內(nèi)產(chǎn)生的BOG能夠有效排到LNG儲罐的氣相空間，在進(jìn)行回氣管道設(shè)計時，從泵出口至LNG儲罐氣相接口之間的回氣管道應(yīng)有不小于1％的坡度，分別坡向LNG潛液泵、LNG柱塞泵，并且回氣管道不得有“?”、“?”形彎出現(xiàn)。

②由于LNG柱塞泵回氣壓力與LNG潛液泵回氣壓力不同，為避免在運(yùn)行時柱塞泵回氣與潛液泵回氣相互產(chǎn)生影響，在進(jìn)行LNG／L-CNG加氣站回氣流程設(shè)計時，柱塞泵回氣管道與潛液泵回氣管道不要接入LNG儲罐同一氣相口。

5　調(diào)飽和流程設(shè)置分析

5.1　需要設(shè)置調(diào)飽和流程情況分析

早期改裝的LNG汽車要求車載氣瓶中的LNG壓力較高，一般為0.6～0.8MPa，而LNG加氣站中LNG儲罐內(nèi)儲存的LNG壓力約為0.4～0.6MPa。

LNG飽和壓力(絕對壓力)、密度隨溫度的變化見圖1，由圖1可知：

①在給定溫度下，LNG對應(yīng)一定的飽和壓力；不同溫度下，LNG的飽和壓力不同。

②LNG溫度越高，LNG對應(yīng)的飽和壓力越高，密度越小。

為此，LNG加氣站在為LNG汽車加氣前，需要先將LNG儲罐內(nèi)的LNG升溫，使儲罐內(nèi)的LNG溫度升至壓力為0.6～0.8 MPa下的飽和溫度后，再為LNG汽車加氣，以滿足LNG汽車對LNG的要求。此過程即為LNG加氣站調(diào)飽和流程。

調(diào)飽和的方式通常有2種，第一種采用飽和壓力調(diào)節(jié)器調(diào)飽和，第二種采用飽和壓力調(diào)節(jié)器和LNG潛液泵低速循環(huán)聯(lián)合調(diào)飽和。第一種調(diào)飽和方式不消耗動力，但調(diào)飽和時間較長；第二種調(diào)飽和方式由于需要LNG潛液泵低速運(yùn)行，故消耗動力，但調(diào)飽和時間短。這2種調(diào)飽和方式各有優(yōu)缺點，應(yīng)根據(jù)工程的實際需要選用。通常采取聯(lián)合調(diào)飽和方式進(jìn)行調(diào)飽和。

飽和壓力調(diào)節(jié)器調(diào)飽和方式：飽和壓力調(diào)節(jié)器為空溫式加熱器，儲罐內(nèi)的LNG在重力作用下流入飽和壓力調(diào)節(jié)器，LNG因吸收空氣中的熱量而升溫，吸收熱量后的LNG進(jìn)入儲罐。如此循環(huán)，直至儲罐內(nèi)的LNG溫度升至壓力為0.6～0.8MPa下的飽和溫度后，再為LNG汽車加氣。飽和壓力調(diào)節(jié)器調(diào)飽和方式流程見圖2。

聯(lián)合調(diào)飽和方式：儲罐內(nèi)的LNG通過LNG潛液泵低速運(yùn)轉(zhuǎn)注入飽和壓力調(diào)節(jié)器，使流經(jīng)飽和壓力調(diào)節(jié)器的LNG因吸收空氣中的熱量而升溫，進(jìn)入儲罐。如此循環(huán)，直至儲罐內(nèi)的LNG溫度升至壓力為0.6～0.8MPa下的飽和溫度后，再為LNG汽車加氣。飽和壓力調(diào)節(jié)器和LNG潛液泵低速循環(huán)聯(lián)合調(diào)飽和方式流程見圖3。

LNG加氣站設(shè)置調(diào)飽和流程的技術(shù)路線與國內(nèi)已經(jīng)投入使用的LNG汽車相匹配。由于調(diào)飽和過程使儲罐內(nèi)的LNG溫度升高，致使儲罐內(nèi)BOG增多，儲罐壓力增大。當(dāng)儲罐壓力大于設(shè)定值時，BOG就要釋放掉，以保證儲罐的安全。雖然通常在設(shè)計中會考慮BOG的回收利用，但在實際建設(shè)中采取BOG回收措施的加氣站并不多，這對LNG加氣站在經(jīng)濟(jì)方面的影響比較大，增加了LNG加氣站的運(yùn)行成本。

5.2　不需設(shè)置調(diào)飽和流程情況分析[1-2]

隨著LNG汽車車載氣瓶技術(shù)的不斷改進(jìn)，研發(fā)出了LNG汽車自增壓系統(tǒng)，LNG汽車通過自增壓系統(tǒng)，使LNG達(dá)到天然氣發(fā)動機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要的壓力。因此，給此類LNG汽車加氣時不需要在LNG加氣站內(nèi)進(jìn)行調(diào)飽和。取消調(diào)飽和過程可以大大減少BOG的放散量，提高LNG加氣站的經(jīng)濟(jì)效益。

LNG加氣站不設(shè)置調(diào)飽和流程的技術(shù)路線是今后LNG加氣站的發(fā)展方向，有廣闊的發(fā)展前景。從近幾年的實際運(yùn)行情況可以看出，LNG加氣站不設(shè)置調(diào)飽和流程的技術(shù)路線，解決了BOG損失大的問題，提高了LNG加氣站的經(jīng)濟(jì)效益。

5.3　調(diào)飽和流程設(shè)置情況分析

通過以上分析，在進(jìn)行LNG／L-CNG加氣站設(shè)計的前期方案確定時，必須進(jìn)行充分的市場調(diào)研，了解所設(shè)計的LNG／L-CNG加氣站供氣的LNG車輛對LNG的需求，根據(jù)需求確定所設(shè)計的LNG／L-CNG加氣站是否設(shè)置調(diào)飽和流程，以避免設(shè)計冗余或不滿足市場需求情況出現(xiàn)。

6　 LNG加氣站集中放散管設(shè)計

①規(guī)定

放散管是LNG加氣站內(nèi)的一個重要的安全設(shè)施。GB 50156--2012第9．4．6條對天然氣放散明確規(guī)定：“放散管管口應(yīng)高出LNG儲罐及以管口為中心半徑12m范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物2m及以上，且距地面不應(yīng)小于5m。”

在LNG加氣站總平面設(shè)計時，經(jīng)常受站址平面條件的限制，放散管很難找到合適的位置進(jìn)行布置。如果LNG加氣站內(nèi)設(shè)置臥式LNG儲罐，放散管的高度不會太高，一般放散管的設(shè)計難度不大。如果LNG加氣站內(nèi)設(shè)置立式LNG儲罐，放散管的設(shè)計則需仔細(xì)斟酌。

②實例分析

以設(shè)置60m3立式LNG儲罐的加氣站為例，60m3立式LNG儲罐高度約13m，放散管高度就要高出地面約15m(若以放散管管口為中心半徑12m范圍內(nèi)有高于儲罐高度的其他建構(gòu)筑物，還應(yīng)考慮這些建構(gòu)筑物)。LNG加氣站放散管規(guī)格通常不會大于DN 100mm，在風(fēng)力較大地區(qū)，放散管需做拉筋處理。在站址面積較大時，總平面布置不會有問題。但LNG加氣站征用的土地面積通常會較小，設(shè)施布置緊湊，放散管即使有位置，其拉筋也會影響站內(nèi)的總體布置或站內(nèi)道路的通行。設(shè)計者在遇到這樣的案例時，簡單地要求建設(shè)單位擴(kuò)大征地面積是不現(xiàn)實的，往往解決不了問題。

對于這種情況，可以采取改造LNG儲罐設(shè)備的方式進(jìn)行解決。建議建設(shè)單位與LNG儲罐設(shè)備廠家進(jìn)行協(xié)商，設(shè)備廠家在設(shè)備制造時，按照設(shè)計單位對LNG儲罐提出的具體要求，將LNG放散管預(yù)制于LNG儲罐的筒體外壁上，從而節(jié)省用地。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王霞，沈路寧．LNG汽車加氣站工藝流程[J]．煤氣與熱力，2011，31(4)：B08-B10． 

本文作者：齊月華　于京春　李大雨　霍秀芝　周蕾　徐文龍　唐國江

作者單位：中交煤氣熱力研究設(shè)計院有限公司

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