摘要：LNG橇裝汽車加氣站將LNG儲(chǔ)罐、加氣機(jī)、低溫泵、卸車增壓器、儲(chǔ)罐增壓器、管道、控制閥門等設(shè)備集中固定安裝在一個(gè)橇塊上，適用于LNG汽車加氣項(xiàng)目推廣和其他小規(guī)?？蛻糸_發(fā)。以某公交站場(chǎng)的LNG橇裝汽車加氣站為例，從技術(shù)規(guī)范、技術(shù)參數(shù)、工藝流程和設(shè)備選型等方面進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：LNG；橇裝加氣站；工藝流程；設(shè)備選型
Technological Process and Equipment Selection of LNG Skid-mounted Vehicle Filling Station
MA Sheng-li
Abstract：LNG skid-mounted vehicle filling station means that LNG storage tank，dispenser，cryogenic pump，unloading supercharger，storage tank supercharger，piping and control valves are fixedly mounted on a skid，which is suitable for extending LNG vehicle filling project and developing other small-scale customers. Taking the LNG skid-mounted vehicle filling station at a depot for example，the technical code，technical parameters，technological process and equipment selection are analyzed.
Key words：LNG；skid-mounted gas filling station；technological process；equipment selection
LNG汽車具有經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、方便、機(jī)動(dòng)等優(yōu)勢(shì)[1～6]，是天然氣汽車的發(fā)展方向，也是城市規(guī)模化發(fā)展天然氣汽車的理想途徑。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示：公交車使用LNG燃料，尾氣綜合排放與燃油車輛相比可下降80%。據(jù)統(tǒng)計(jì)，城市大氣環(huán)境污染60%來自機(jī)動(dòng)車的尾氣，發(fā)展LNG汽車、建設(shè)LNG汽車加氣站是治理機(jī)動(dòng)車輛排放污染，改善大氣環(huán)境質(zhì)量的有效舉措。
LNG橇裝汽車加氣站是將LNG低溫儲(chǔ)罐、加氣機(jī)、低溫泵、卸車增壓器、儲(chǔ)罐增壓器、管道、控制閥門等設(shè)備在制造廠集中固定安裝在一個(gè)橇塊上，具有高度集成、安裝簡(jiǎn)便、機(jī)動(dòng)靈活、安全可靠、操作方便等特點(diǎn)，主要用于LNG汽車加氣項(xiàng)目推廣和其他小規(guī)?？蛻糸_發(fā)。LNG橇裝汽車加氣站的技術(shù)和建設(shè)在我國處于發(fā)展階段，本文以某公交站場(chǎng)的LNG橇裝汽車加氣站為例，對(duì)典型的LNG橇裝汽車加氣站的工藝流程與設(shè)備選型進(jìn)行分析。
1 技術(shù)規(guī)范與技術(shù)參數(shù)
1.1 技術(shù)規(guī)范
目前，國內(nèi)尚未發(fā)布專門針對(duì)LNG汽車加氣站的設(shè)計(jì)、施工和驗(yàn)收規(guī)范。在長(zhǎng)沙、貴陽等市的LNG汽車加氣站示范項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，采用控制自身安全性作為設(shè)計(jì)原則，在保證工藝和設(shè)備技術(shù)安全可靠的前提下，吸取國外設(shè)計(jì)理念，在征得消防等有關(guān)部門同意后，采用美國消防協(xié)會(huì)《液化天然氣(LNG)車輛燃料系統(tǒng)規(guī)范》NFPA 57標(biāo)準(zhǔn)。目前，各地實(shí)際執(zhí)行NFPA 57標(biāo)準(zhǔn)有很大難度，需要政府主管部門大力支持[7]。除《液化天然氣(LNG)車輛燃料系統(tǒng)規(guī)范》NFPA 57外，其他需要遵循的主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范如下。
① 《汽車加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(2006年版)GB 50156—2002
② 《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲(chǔ)存和裝運(yùn)》GB/T 20368—2006
③ 《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》(2000年版)GB 50057—94
④ 《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50016—2006
⑤ 《爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50058—2
⑥ 《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計(jì)規(guī)范》HG/T 20675—1990
1.2 技術(shù)參數(shù)
① 設(shè)計(jì)規(guī)模
a. 某公交站場(chǎng)計(jì)劃一期投運(yùn)LNG汽車數(shù)量為100輛，二期發(fā)展到200輛，根據(jù)其LNG汽車情況進(jìn)行LNG橇裝站設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)算，每輛車天然氣耗量約為90m3/d，則200輛LNG公交車每天需要加天然氣18000m3，因此該LNG橇裝汽車加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模確定為20000m3/d。
b. LNG的儲(chǔ)存容積按下式計(jì)算：
式中V——儲(chǔ)存容積，m3
t——儲(chǔ)存時(shí)間，d
Qr——平均日用氣量，kg/d
ρY——最高工作溫度下的液化天然氣密度，kg/m3
θb——最高工作溫度下的儲(chǔ)罐允許充裝率
根據(jù)氣源的情況，并綜合考慮加氣速度、LNG汽車數(shù)量、卸車時(shí)間等因素，確定儲(chǔ)存時(shí)間為1d。經(jīng)計(jì)算，該站LNG儲(chǔ)存容積為43.68m3。因此，取該站的儲(chǔ)存規(guī)模為50m3，設(shè)置1臺(tái)容積為50m3儲(chǔ)罐的LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇。
② 設(shè)計(jì)壓力
根據(jù)LNG車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力，確定LNG橇裝汽車加氣站的系統(tǒng)工作壓力為0.45～0.80MPa，LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa。
③ 設(shè)計(jì)溫度
因?yàn)楣ぷ鹘橘|(zhì)為飽和液體，根據(jù)壓力確定系統(tǒng)工作時(shí)的最低溫度為-146℃，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)溫度為-196℃。
2 工藝流程
LNG橇裝汽車加氣站與LNG固定式汽車加氣站工藝流程相同，分為卸車流程、升壓流程、加氣流程以及卸壓流程等4部分。
2.1 卸車流程
把集裝箱或槽車內(nèi)的LNG卸至LNG橇裝汽車加氣站的儲(chǔ)罐內(nèi)，使LNG經(jīng)過泵從儲(chǔ)罐上進(jìn)液管進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐。卸車有3種方式：增壓器卸車、泵卸車、增壓器和泵聯(lián)合卸車。
① 增壓器卸車
通過卸車增壓器將氣化后的氣態(tài)天然氣送入LNG槽車，增大槽車的氣相壓力，將槽車內(nèi)的LNG壓入LNG儲(chǔ)罐。此過程給槽車增壓，所以卸完車后需要給槽車降壓，每卸1輛車排出的氣體量約為180m3。
②泵卸車
將LNG槽車和LNG儲(chǔ)罐的氣相空間連通，通過LNG低溫泵將槽車內(nèi)的LNG卸入LNG儲(chǔ)罐。
③ 增壓器和泵聯(lián)合卸車
先將LNG槽車和LNG儲(chǔ)罐的氣相空間連通，然后斷開，在卸車的過程中通過增壓器增大槽車的氣相壓力，用泵將槽車內(nèi)的LNG卸入儲(chǔ)罐，卸完車后需要給槽車降壓。
第①種卸車方式的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約電能，工藝流程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是產(chǎn)生較多的放空氣體，卸車時(shí)間較長(zhǎng)；第②種卸車方式的優(yōu)點(diǎn)是不產(chǎn)生放空氣體，工藝流程簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是耗電能；第③種卸車方式優(yōu)點(diǎn)是卸車時(shí)間較短，耗電量小于第②種，缺點(diǎn)是工藝流程較復(fù)雜。綜合各種因素，本項(xiàng)目采用第③種方式卸車。
2.2 升壓流程
LNG的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)需要車載氣瓶?jī)?nèi)液體壓力較高，一般為0.45～0.80MPa，而運(yùn)輸和儲(chǔ)存需要LNG液體壓力越低越好。所以在給汽車加氣之前須對(duì)儲(chǔ)罐中的LNG進(jìn)行升壓升溫。LNG橇裝汽車加氣站儲(chǔ)罐升壓的目的是得到一定壓力的飽和液體，在升壓的同時(shí)飽和溫度相應(yīng)升高。LNG橇裝汽車加氣站的升壓采用下進(jìn)氣方式，升壓方式有2種：一種是通過增壓器升壓，另一種是通過增壓器與泵聯(lián)合使用進(jìn)行升壓。第一種方式優(yōu)點(diǎn)是不耗電能，缺點(diǎn)是升壓時(shí)間長(zhǎng)，理論計(jì)算需要逾5h。第二種方式優(yōu)點(diǎn)是升壓時(shí)間短，減少放空損失，缺點(diǎn)是需要電耗。本項(xiàng)目采用第二種方式，并且加大增壓器的傳熱面積，大大縮短升壓時(shí)間，一般需要逾1 h，從而確保加氣時(shí)間。
2.3 加氣流程
LNG橇裝汽車加氣站儲(chǔ)罐中的飽和液體LNG通過泵加壓后經(jīng)過計(jì)量由加氣槍給汽車加氣。車載儲(chǔ)氣瓶為上進(jìn)液噴淋式，加進(jìn)去的LNG直接吸收車載氣瓶?jī)?nèi)氣體的熱量，使瓶?jī)?nèi)壓力降低，減少放空氣體，并提高了加氣速度。
2.4 卸壓流程
當(dāng)系統(tǒng)壓力大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)中的安全閥打開，釋放系統(tǒng)中的氣體，降低壓力，保證系統(tǒng)安全。
通過對(duì)目前國內(nèi)外先進(jìn)工藝的LNG汽車加氣站的調(diào)查了解，正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)的放空與操作過程和流程設(shè)計(jì)有很大關(guān)系。操作和設(shè)計(jì)過程中盡量減少使用增壓器。操作過程中如果需要給儲(chǔ)罐增壓時(shí)，應(yīng)該在車輛加氣前2h，根據(jù)儲(chǔ)罐LNG壓力情況進(jìn)行增壓，不宜在卸完車后立即增壓。
3 主要設(shè)備選型
本項(xiàng)目的主要工藝設(shè)備為L(zhǎng)NG轉(zhuǎn)運(yùn)橇。LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇上布置1臺(tái)容積為50 in3的臥式低溫儲(chǔ)罐、2臺(tái)加氣機(jī)、1臺(tái)低溫泵、1臺(tái)卸車增壓器和1臺(tái)儲(chǔ)罐增壓器，其中低溫泵采用進(jìn)口設(shè)備。以上這些設(shè)備通過管道連接，在制造廠集中固定在一個(gè)橇塊上。
① LNG儲(chǔ)罐
LNG儲(chǔ)罐按圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱方式分類，有以下3種。
a. 真空粉末隔熱
隔熱方式為夾層抽真空，填充粉末(珠光砂)，常用于小型LNG儲(chǔ)罐。真空粉末絕熱儲(chǔ)罐由于其生產(chǎn)技術(shù)與液氧、液氮等儲(chǔ)罐基本一樣，因而目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家的制造技術(shù)也很成熟，運(yùn)行維護(hù)也相對(duì)方便、靈活，目前氣化站使用較多。
b. 正壓堆積隔熱
采用絕熱材料，夾層通氮?dú)?，絕熱層通常較厚，廣泛應(yīng)用于大中型LNG儲(chǔ)罐和儲(chǔ)槽。通常用于立式LNG子母式儲(chǔ)罐。
c. 高真空多層隔熱
采用高真空多層纏繞隔熱，多用于槽車儲(chǔ)罐和LNG汽車加氣站儲(chǔ)罐。
該站的LNG儲(chǔ)存量不大，保冷性能要求較高，因此選用高真空多層纏繞絕熱儲(chǔ)罐。根據(jù)LNG儲(chǔ)存量，并考慮到橇裝設(shè)備的運(yùn)輸方便性，LNG轉(zhuǎn)運(yùn)橇選用50m3的臥式儲(chǔ)罐。LNG儲(chǔ)罐設(shè)液位計(jì)、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、壓力表各1只，以實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)LNG液位、溫度、壓力的現(xiàn)場(chǎng)指示及遠(yuǎn)程控制。罐體頂部設(shè)安全防爆裝置，下部設(shè)夾層抽接口及溫度測(cè)試口。根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力，并考慮經(jīng)濟(jì)性，確定儲(chǔ)罐內(nèi)罐的設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa，外罐設(shè)計(jì)壓力為-0.1MPa。設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。
表1 LNG儲(chǔ)罐技術(shù)參數(shù)
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型式
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臥式圓筒形、高真空多層纏繞絕熱儲(chǔ)罐
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有效容積/m3
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50
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充裝率/%
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90
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內(nèi)罐的工作溫度/℃
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-146
|
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外罐的工作溫度
|
環(huán)境溫度
|
|
內(nèi)罐的設(shè)計(jì)溫度/℃
|
-196
|
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外罐的設(shè)計(jì)溫度/℃
|
-19～50
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內(nèi)罐的材質(zhì)
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0Cr18Ni9
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外罐的材質(zhì)
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16MnR
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內(nèi)罐設(shè)計(jì)壓力/MPa
|
1.2
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外罐設(shè)計(jì)壓力/MPa
|
-0.1
|
|
內(nèi)罐工作壓力/MPa
|
0.45～0.80
|
|
外罐工作壓力/MPa
|
-0.1
|
|
蒸發(fā)率/%
|
≤0.2
|
② LNG低溫泵
國內(nèi)LNG汽車加氣站的設(shè)備技術(shù)發(fā)展較晚，目前國內(nèi)已建成的LNG汽車加氣站投入使用的LNG低溫泵均采用國外進(jìn)I：I泵。LNG低溫泵的流量根據(jù)汽車加氣站的設(shè)計(jì)規(guī)模及加氣機(jī)的流量選定，本項(xiàng)目LNG低溫泵的設(shè)計(jì)流量為0～320L/min。對(duì)LNG低溫泵進(jìn)行選型，主要參數(shù)見表2。
③ 卸車增壓器
卸車增壓器是完成卸車的設(shè)備之一，選用空溫式換熱器，增壓器借助于列管外的空氣給熱，使管內(nèi)LNG升高溫度并氣化?？諟厥綋Q熱器使用空氣作為熱源，節(jié)約能源，運(yùn)行費(fèi)用低。本項(xiàng)目選用處理量為200m3/h的卸車增壓器1臺(tái)，其主要工藝參數(shù)見表3。
④ 加氣機(jī)
加氣機(jī)是給車載LNG氣瓶加氣和計(jì)量的設(shè)備，主要包括流量計(jì)和加氣槍。流量計(jì)是計(jì)量設(shè)備，采用質(zhì)量流量計(jì)，具有溫度補(bǔ)償功能。加氣槍是給車載LNG氣瓶加氣的快裝接頭，本項(xiàng)目選用流量為0.15m3/min的加氣槍，加氣機(jī)主要參數(shù)見表4。
⑤ 儲(chǔ)罐增壓器
儲(chǔ)罐增壓器是完成儲(chǔ)罐升壓升溫的設(shè)備之一，選用空溫式換熱器，其設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算及設(shè)備選型與卸車增壓器相同。
表2 LNG低溫泵技術(shù)參數(shù)
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工作溫度/℃
|
-146
|
|
設(shè)計(jì)溫度/℃
|
-196
|
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設(shè)計(jì)流量/(L·min-1)
|
0～320
|
|
設(shè)計(jì)揚(yáng)程/m
|
220
|
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最大揚(yáng)程/m
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255
|
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轉(zhuǎn)速范圍/(r·min-1)
|
1500～6000
|
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所需進(jìn)口凈正壓頭/m
|
0.7～3.0
|
表3 卸車增壓器主要工藝參數(shù)
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單臺(tái)處理量/(m3·h-1)
|
200
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進(jìn)口溫度/℃
|
≥-162
|
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出口溫度/℃
|
＞-146
|
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最高工作壓力/MPa
|
0.8
|
|
設(shè)計(jì)壓力/MPa
|
1.6
|
|
設(shè)計(jì)溫度/℃
|
-196
|
表4 加氣機(jī)主要參數(shù)
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最小噴嘴壓力/MPa
|
0.41
|
|
流量/(m3·min-1)
|
0.15
|
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喉管配置
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單管計(jì)量
|
|
計(jì)量精度/%
|
±0.5
|
|
工作溫度/℃
|
-146
|
|
設(shè)計(jì)溫度/℃
|
-196
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4 結(jié)語
各地可在LNG資源落實(shí)的情況下，通用LNG橇裝汽車加氣站的建設(shè)，快速推動(dòng)LNG汽車的應(yīng)用，為改善城市空氣質(zhì)量，促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)和建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展，為建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作出積極貢獻(xiàn)。
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(本文作者：馬勝利 中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司 北京 100027)
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