LNG氣化站灌裝系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)

摘 要

摘要：分析了LNG氣化站灌裝鋼瓶使用機(jī)械臺(tái)秤、手動(dòng)操作的方案存在的問題，探討了對(duì)LNG灌裝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的必要性，闡述了LNG灌裝自動(dòng)切斷系統(tǒng)的實(shí)施方案，提出了增加LNG加氣功能
摘要：分析了LNG氣化站灌裝鋼瓶使用機(jī)械臺(tái)秤、手動(dòng)操作的方案存在的問題，探討了對(duì)LNG灌裝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的必要性，闡述了LNG灌裝自動(dòng)切斷系統(tǒng)的實(shí)施方案，提出了增加LNG加氣功能的方案。
關(guān)鍵詞：LNG灌裝；電子臺(tái)秤；自動(dòng)切斷；LNG加氣
Technical Improvement of Filling System in LNG Vaporizing Station
ZHANG Mingming，HU Nan，XU Zhanwei
Abstract：Problems existing in use of mechanical platform scale and manual operation for filling cylinders in LNG vaporizing station are analyzed.The necessity to technically improve LNG filling system is discussed.The implementation scheme of automatic cut off system for LNG filling is described.The scheme of adding LNG refueling function is proposed.
Key words：LNG filling；electronic platform scale；automatic cut off；LNG refueling
1 概述
    LNG氣化站作為城市備用、調(diào)峰氣源或者過渡氣源，目前已得到較為廣泛的應(yīng)用。對(duì)于具有備用、調(diào)峰氣源功能的LNG氣化站，如何充分、有效地運(yùn)作LNG資源，達(dá)到投資收益最大化，已成為較多燃?xì)夤镜臉I(yè)務(wù)延伸重點(diǎn)。LNG瓶組氣化工藝具備機(jī)動(dòng)靈活、投資省、占地面積小、建設(shè)期短、運(yùn)行安全可靠等特點(diǎn)，可迅速向城鎮(zhèn)居民用戶或者工業(yè)用戶供氣。因此，在暫未敷設(shè)燃?xì)夤艿赖膮^(qū)域或在管道應(yīng)急搶修時(shí)，由LNG瓶組氣化站進(jìn)行臨時(shí)供氣的方式已逐漸成為主流的選擇[1～2]。目前，大部分的LNG氣化站內(nèi)均設(shè)有LNG灌裝系統(tǒng)來滿足LNG鋼瓶的充裝需求，繼而兼作城鎮(zhèn)LNG鋼瓶的充裝、流轉(zhuǎn)基地。
2 LNG灌裝工藝流程
    目前在國(guó)內(nèi)LNG氣化站的一般設(shè)計(jì)中，對(duì)于LNG灌裝基本以機(jī)械臺(tái)秤稱量、手動(dòng)操作的技術(shù)方案為主。LNG灌裝工藝流程見圖1。
 

    LNG儲(chǔ)罐自增壓至0.6MPa，LNG鋼瓶放置于機(jī)械臺(tái)秤上，將LNG灌裝的液相軟管和氣相軟管分別與LNG鋼瓶連接完成，打開出液管道的出液閥門V1和氣相管道回氣閥門V2開始灌裝。LNG灌裝過程中的回氣氣相(BOG)首先經(jīng)過BOG加熱器進(jìn)行加熱，然后經(jīng)工藝裝置區(qū)進(jìn)行調(diào)壓、計(jì)量、加臭，最后進(jìn)入城市管網(wǎng)。待灌裝平臺(tái)的機(jī)械臺(tái)秤讀數(shù)達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量值后，關(guān)閉出液管道出液閥門V1，同時(shí)打開氣液連通閥門V3，待殘余液相全部回收后關(guān)閉氣相管道回氣閥門V2，打開手動(dòng)放散閥V4、V5將管道內(nèi)殘留氣體匯集至站內(nèi)放散塔進(jìn)行放散，最后拆除連接軟管，完成LNG鋼瓶的灌裝。
3 存在問題及技術(shù)改進(jìn)
3.1 LNG灌裝中存在的問題
    以410L低溫絕熱LNG鋼瓶為例，其最大允許充裝質(zhì)量為167kg，允許總質(zhì)量約為487kg。在進(jìn)行LNG灌裝前，一般先設(shè)置機(jī)械臺(tái)秤上的目標(biāo)質(zhì)量值，再人工打開充液閥門，在達(dá)到所需質(zhì)量后人工關(guān)閉充液閥門。
    由于LNG瓶組灌裝涉及對(duì)外銷售和貿(mào)易結(jié)算(部分工業(yè)用戶以LNG單瓶費(fèi)用進(jìn)行結(jié)算)，同時(shí)GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》第9.3.1條明確規(guī)定LNG鋼瓶的灌裝量不應(yīng)大于其容積的90%，而機(jī)械臺(tái)秤的自身誤差、人工操作的時(shí)間差以及員工的誤操作(未及時(shí)關(guān)閉出液閥)等客觀因素卻極易造成LNG鋼瓶灌裝的超量，從而影響到LNG灌裝的計(jì)量準(zhǔn)確和鋼瓶的安全。而其他類似業(yè)務(wù)如LPG鋼瓶充裝等，則擁有各自領(lǐng)域內(nèi)成熟可靠的充裝秤系統(tǒng)(包括地磅和連鎖切斷裝置)來保證充裝計(jì)量的準(zhǔn)確性。因此，通過研究、探討和實(shí)踐，我們?cè)谠性O(shè)計(jì)基礎(chǔ)上對(duì)LNG灌裝工藝進(jìn)行了技術(shù)調(diào)整與改進(jìn)，將機(jī)械臺(tái)秤改造成自動(dòng)切斷的電子臺(tái)秤。
3.2 LNG灌裝的技術(shù)改進(jìn)方案
    相對(duì)于早已配置完善的LPG充裝秤產(chǎn)品，由于LNG特有的深冷性質(zhì)以及部分低溫部件的自有缺陷，目前國(guó)內(nèi)大部分的臺(tái)秤廠商基本沒有生產(chǎn)成品的LNG灌裝秤，也沒有代理國(guó)外的相關(guān)產(chǎn)品。同時(shí)，由于廠站只具備LNG瓶組灌裝的單一業(yè)務(wù)需求，尚無LNG加氣業(yè)務(wù)開展，且LNG加氣機(jī)價(jià)格較為昂貴，LNG鋼瓶也類型各異，因此，我們暫不考慮使用LNG加氣機(jī)來進(jìn)行單一的LNG鋼瓶灌裝，決定通過將電子秤、灌裝控制等主要裝置進(jìn)行集成的方式來完成既定方案目標(biāo)。
    實(shí)施方案為：將原有機(jī)械臺(tái)秤拆除，安裝電子臺(tái)秤，在LNG灌裝臺(tái)上增加安裝稱重控制儀表柜，在液相管道上安裝1個(gè)氣動(dòng)緊急切斷閥ESV，使用阻燃鎧裝電纜連接電子臺(tái)秤和稱重控制儀表柜，并連接稱重控制儀表柜和氣動(dòng)緊急切斷閥，使其互相連鎖；安裝儀表風(fēng)管道至氣動(dòng)緊急切斷閥；另外，為防止管道內(nèi)產(chǎn)生封閉LNG而導(dǎo)致超壓，在氣動(dòng)緊急切斷閥和出液閥之間增加1個(gè)低溫全啟式安全閥[3]。
    改進(jìn)后的LNG灌裝工藝流程見圖2。LNG鋼瓶置于電子臺(tái)秤上，軟管連接無誤后，出液閥V1保持常開，打開回氣閥V2。在稱重控制儀表柜的人機(jī)界面上設(shè)置目標(biāo)質(zhì)量值，確認(rèn)無誤后，按下啟動(dòng)按鈕。此時(shí)，稱重控制儀表柜給出4～20mA的模擬信號(hào)至氣動(dòng)緊急切斷閥ESV，控制儀表風(fēng)的電磁閥自動(dòng)打開，氣動(dòng)開啟ESV后開始進(jìn)行LNG鋼瓶灌裝。在達(dá)到目標(biāo)質(zhì)量后，電子臺(tái)秤給予稱重控制儀表柜信號(hào)，稱重控制儀表柜則同時(shí)給予ESV關(guān)閉信號(hào)，ESV電磁閥關(guān)閉，切斷儀表風(fēng)氣源，ESV關(guān)閉，LNG灌裝結(jié)束。
 

3.3 技術(shù)要點(diǎn)及注意事項(xiàng)
    ① 稱重控制儀表柜具備手動(dòng)與自動(dòng)兩種模式，自動(dòng)模式可實(shí)現(xiàn)與緊急切斷閥的連鎖控制，手動(dòng)模式則只具有正常稱重計(jì)量功能。
    稱重控制儀表柜人機(jī)界面上除正常稱重設(shè)置按鈕外，還應(yīng)具備緊急停車按鈕(ESD)，以保證在LNG灌裝過程中遇突發(fā)或事故狀況時(shí)，可緊急關(guān)閉，停止灌裝。
    儀表柜的安裝位置應(yīng)以便于旁站灌裝人員操作和不影響管道閥門操作為原則。
    ② 連接電纜應(yīng)根據(jù)HG/T 20512—2000《儀表配管配線設(shè)計(jì)規(guī)定》的相關(guān)要求，采用銅芯阻燃屏蔽的鎧裝電纜，直埋敷設(shè)，出入地面穿套管保護(hù)，與氣動(dòng)緊急切斷閥采用防爆撓性管連接。
    ③ 根據(jù)GB 50058—1992《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，LNG灌裝平臺(tái)的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分為：以灌裝口(LNG灌裝軟管與固定管道之間的法蘭連接口)為中心，半徑為1.5m的空間為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域1區(qū)；以灌裝口為中心，半徑為4.5m的空間至地坪以上的范圍內(nèi)為爆炸危險(xiǎn)區(qū)域2區(qū)。而在灌裝過程中操作人員需對(duì)電子臺(tái)秤及切斷系統(tǒng)進(jìn)行正常操作或者緊急事故處理，因此，稱重控制儀表柜應(yīng)安裝在LNG灌裝平臺(tái)上即防爆區(qū)域范圍內(nèi)，這就要求電子臺(tái)秤及稱重控制儀表柜必須具備防爆性能。
    根據(jù)GB 3836.1—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第1部分：通用要求》、GB 3836.2—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第2部分：隔爆型“d”》、GB 3836.4—2000《爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備 第4部分：本質(zhì)安全型“i”》等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，本質(zhì)安全型產(chǎn)品用于防爆0區(qū)、1區(qū)及2區(qū)，隔爆型產(chǎn)品用于防爆1區(qū)及2區(qū)。而一般防爆電子臺(tái)秤的產(chǎn)品類別中本質(zhì)安全型只能用于防爆區(qū)域的稱重計(jì)量，不能外接其他設(shè)備；隔爆型產(chǎn)品是在防爆區(qū)域內(nèi)，外加安全柵，可外接其他設(shè)備并帶4～20mA模擬量的輸入輸出接口。綜上，LNG灌裝的電子臺(tái)秤及稱重控制儀表柜均選擇隔爆型產(chǎn)品，并且，為提高安全性，同時(shí)不影響低溫軟管連接操作，稱重控制儀表柜不宜裝在防爆1區(qū)即灌裝口周圍1.5m范圍內(nèi)。
    ④ 氣動(dòng)緊急切斷閥ESV應(yīng)安裝在手動(dòng)出液閥V1的下游，便于在ESV發(fā)生故障時(shí)，可進(jìn)行正常關(guān)閉及維修。
    ⑤ 由于LNG灌裝需每日進(jìn)行，使用頻率相對(duì)較高，氣動(dòng)緊急切斷閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否安全可靠就顯得極為重要。從閥門本身的安全可靠性和維護(hù)維修特性來考慮，對(duì)于該類關(guān)鍵部位的切斷閥門，建議采用進(jìn)口品牌的低溫氣動(dòng)緊急切斷閥。
    ⑥ 在氣動(dòng)緊急切斷閥ESV與手動(dòng)出液閥V1之間應(yīng)加裝低溫安全閥，以防止產(chǎn)生封閉LNG導(dǎo)致氣化超壓。
4 LNG加氣功能的拓展
4.1 加氣功能拓展的實(shí)施方案
    作為城鎮(zhèn)備用、調(diào)峰氣源的LNG氣化站日常使用功能單一，運(yùn)行頻率較低，因此，應(yīng)結(jié)合周邊天然氣市場(chǎng)發(fā)展?fàn)顩r，深入挖掘各類用戶的能源供給需求，充分拓展廠站的LNG對(duì)外銷售業(yè)務(wù)，從而提高投資收益。
    LNG汽車具有清潔、高效、環(huán)保、單次加氣續(xù)駛里程長(zhǎng)等特點(diǎn)，受到越來越廣泛的關(guān)注。目前北京、海南、廣東、浙江等地正積極推廣LNG汽車及加氣站，并已建成多座LNG加氣站[4～6]。
    如果LNG氣化站周邊區(qū)域存在LNG汽車生產(chǎn)廠商(LNG汽車出廠發(fā)貨前需加注LNG)或者與公交公司達(dá)成LNG汽車推廣合作意向后，便可利用LNG氣化站的現(xiàn)有設(shè)施延伸增加LNG汽車加氣功能，即通過改進(jìn)原有LNG灌裝工藝，將LNG鋼瓶灌裝與LNG汽車加氣兩大流程組合集成，從而形成一套系統(tǒng)、兩種功能的LNG灌裝系統(tǒng)。
    包含LNG加氣功能的LNG灌裝工藝流程見圖3。LNG灌裝工藝增加LNG加氣功能的具體改進(jìn)方案為：
    ① 由于LNG儲(chǔ)罐自增壓后最高壓力僅為0.6MPa，影響LNG汽車的加氣速度，因此，需在液相管道上增加LNG低溫泵2臺(tái)，1用1備，同時(shí)將泵體氣液平衡管道引至LNG儲(chǔ)罐減壓調(diào)節(jié)閥之前。
    ② LNG灌裝管道末段連接LNG加氣機(jī)。
    ③ LNG加氣機(jī)末段充注裝置為L(zhǎng)NG加氣槍及回氣槍，因此，需安裝轉(zhuǎn)換裝置才能正常進(jìn)行LNG鋼瓶的灌裝。因LNG加氣機(jī)具備計(jì)量功能，也可取消原有的LNG灌裝臺(tái)秤裝置。
 

4.2 需關(guān)注的問題
    ① 增加LNG汽車加氣功能的LNG灌裝系統(tǒng)在運(yùn)行過程中所產(chǎn)生的蒸發(fā)氣BOG將大幅增加，原流程中經(jīng)過BOG加熱器和工藝裝置區(qū)將BOG回收至城市管網(wǎng)的形式，對(duì)于作為過渡氣源的LNG氣化站影響不大，而對(duì)于作為備用、調(diào)峰氣源的LNG氣化站，如LNG灌裝系統(tǒng)每日運(yùn)行產(chǎn)生的BOG均回收至城市管網(wǎng)，LNG的價(jià)格因素將使生產(chǎn)成本顯著提高。因此，借鑒目前國(guó)內(nèi)LNG加氣站的通常設(shè)計(jì)流程，在增加LNG加氣功能的設(shè)施改造中，可將原BOG回氣的氣相管道與LNG儲(chǔ)罐下進(jìn)液管進(jìn)行連接，使BOG氣相從LNG儲(chǔ)罐底部進(jìn)入，這樣當(dāng)BOG氣相穿過LNG儲(chǔ)罐內(nèi)液相時(shí)，便可以使一部分氣相再次液化，二次利用。
    ② LNG加氣功能拓展的改造費(fèi)用主要為工程二次施工費(fèi)用、增加設(shè)備的投資費(fèi)用等，如果在LNG氣化站設(shè)計(jì)中已經(jīng)包含或預(yù)留LNG加氣設(shè)施，則相對(duì)費(fèi)用將大幅降低。
    ③ 目前所用的LNG低溫泵大多數(shù)為浸潤(rùn)式離心泵，該泵在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：
    a. 進(jìn)行低溫管道連接時(shí)應(yīng)注意不能有應(yīng)力作用在泵頭。
    b. 對(duì)于LNG氣化站，輸送LNG的液相管道基本采用三聚酯進(jìn)行絕熱，在環(huán)境溫度較高時(shí)，輕微的溫升極易造成部分LNG快速氣化，而LNG氣化后則會(huì)很容易使LNG低溫泵產(chǎn)生氣蝕而導(dǎo)致密封磨損、葉輪損壞。因此，LNG低溫泵的安裝位置要求盡量在LNG儲(chǔ)罐出液口后3m之內(nèi)，如超過3m，則LNG儲(chǔ)罐至泵體的入口管道需更改為真空管，從而提高絕熱性能，降低氣蝕風(fēng)險(xiǎn)。
    c. 為防止LNG泄漏產(chǎn)生爆炸，LNG低溫泵的電力引線裝置需設(shè)兩道氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，阻斷LNG的泄漏通道，從而確保LNG低溫泵的使用安全可靠。
    d. LNG儲(chǔ)罐至LNG低溫泵的入口管道上應(yīng)盡量減少三通、彎頭等管件。
    ④ LNG低溫泵的安全保護(hù)系統(tǒng)要求比較高，如振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電流過載保護(hù)系統(tǒng)、低電流保護(hù)系統(tǒng)、密封保護(hù)系統(tǒng)、低流量、低壓力報(bào)警等[6]，因此，實(shí)施方案時(shí)，應(yīng)密切關(guān)注LNG低溫泵相關(guān)控制系統(tǒng)的完善設(shè)置。
5 結(jié)論及建議
    ① LNG灌裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電子臺(tái)秤稱重與自動(dòng)切斷的連鎖功能，有利于保證LNG灌裝的可靠操作和精確計(jì)量，從而進(jìn)一步提高灌裝過程中的作業(yè)安全和LNG鋼瓶安全。
    ② 如有業(yè)務(wù)發(fā)展需求，建議將LNG灌裝系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，同時(shí)具備LNG鋼瓶灌裝和LNG汽車加氣兩大功能。LNG加氣機(jī)比電子臺(tái)秤系統(tǒng)在灌裝的計(jì)量準(zhǔn)確性和防爆設(shè)備的安全性上更具優(yōu)勢(shì)。
   ③ 在LNG氣化站的普通設(shè)計(jì)中，LNG儲(chǔ)罐自增壓設(shè)施基本采用空溫式氣化器，但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在生產(chǎn)頻繁的冬季，儲(chǔ)罐自增壓氣化器運(yùn)行時(shí)因環(huán)境溫度較低、化霜速度慢而極易產(chǎn)生換熱效率低、增壓速度緩慢等情況，從而影響LNG氣化站的正常生產(chǎn)供氣。因此，如在LNG氣化站設(shè)計(jì)時(shí)便留有LNG汽車加氣功能，便可考慮利用LNG低溫泵兼作LNG儲(chǔ)罐的增壓裝置，從而取消增壓氣化器設(shè)置，不但可以節(jié)約工程投資費(fèi)用，也可以保證冬季的可靠生產(chǎn)。
    ④ LNG氣化站作為備用、調(diào)峰氣源時(shí)，因其工程造價(jià)高，日常運(yùn)行率低，燃?xì)馄髽I(yè)應(yīng)充分挖掘、拓展LNG業(yè)務(wù)，如LNG瓶組供應(yīng)、LNG冷能利用、LNG汽車加氣等，從而提高廠站的投資回報(bào)率，縮短投資回收期。
參考文獻(xiàn)：
[1] 孫浩，王睿.LNG瓶組氣化站區(qū)域供氣方案[J].煤氣與熱力，2008，28(11)：B20-B22.
[2] 劉建海，何貴龍，楊起華，等.小區(qū)液化天然氣供氣站的探討[J].煤氣與熱力，2003，23(1)：50-52.
[3] 鄭依秋.中小型LNG氣化站供氣技術(shù)[J].煤氣與熱力，2007，27(6)：12-17.
[4] 吳佩英，周春.LNG汽車加氣站的橇裝化[J].煤氣與熱力，2008，28(7)：B11-B15.
[5] 陳叔平，任永平，殷勁松，等.橇裝式LNG汽車加氣站的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2010.30(10)：B11-B15.
[6] 張翼飛，仝曉龍.液化天然氣(LNG)輸送泵的特點(diǎn)與應(yīng)用[J].水泵技術(shù)，2006(6)：38-40.
 
(本文作者：張明明1 胡楠2 徐占偉3 1.蘇州港華燃?xì)庥邢薰?江蘇蘇州 205021；2.中石油昆侖燃?xì)庥邢薰?北京 100101；3.中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院 天津 300074)