LNG撬裝汽車加氣站工藝流程與設(shè)備選型

LNG撬裝汽車加氣站工藝流程與設(shè)備選型

LNG汽車具有經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保、方便、機動等優(yōu)勢[1～6]，是天然氣汽車的發(fā)展方向，也是城市規(guī)?；l(fā)展天然氣汽車的理想途徑。測試數(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，城市大氣環(huán)境污染60%來自機動車的尾氣，發(fā)展LNG汽車、建設(shè)LNG汽車加氣站是治理機動車輛排放污染，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低溫儲罐、加氣機、低溫泵、卸車增壓器、儲罐增壓器、管道、控制閥門等設(shè)備在制造廠集中固定安裝在一個橇塊上，具有高度集成、安裝簡便、機動靈活、安全可靠、操作方便等特點，主要用于LNG汽車加氣項目推廣和其他小規(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，本文以某公交站場的LNG橇裝汽車加氣站為例，對典型的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LNG汽車加氣站的設(shè)計、施工和驗收規(guī)范。在長沙、貴陽等市的LNG汽車加氣站示范項目的設(shè)計中，采用控制自身安全性作為設(shè)計原則，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《液化天然氣(LNG)車輛燃料系統(tǒng)規(guī)范》NFPA57標(biāo)準(zhǔn)。目前，各地實際執(zhí)行NFPA57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》NFPA57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)計與施工規(guī)范》(2006年版)GB50156—2002

②《液化天然氣(LNG)生產(chǎn)、儲存和裝運》GB/T20368—2006

③《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(2000年版)GB50057—94

④《建筑設(shè)計防火規(guī)范》GB50016—2006

⑤《爆炸和火災(zāi)危險環(huán)境電力裝置設(shè)計規(guī)范》GB50058—2

⑥《化工企業(yè)靜電接地設(shè)計規(guī)范》HG/T20675—19901.2技術(shù)參數(shù)

①設(shè)計規(guī)模

a.某公交站場計劃一期投運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。經(jīng)測算，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)計規(guī)模確定為20000m3/d。b.LNG的儲存容積按下式計算：

式中V——儲存容積，m3

t——儲存時間，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、卸車時間等因素，確定儲存時間為1d。經(jīng)計算，該站LNG儲存容積為43.68m3。因此，取該站的儲存規(guī)模為50m3，設(shè)置1臺容積為50m3儲罐的LNG轉(zhuǎn)運橇。

②設(shè)計壓力

根據(jù)LNG車輛發(fā)動機的工作壓力，確定LNG橇裝汽車加氣站的系統(tǒng)工作壓力為0.45～0.80MPa，LNG儲罐的設(shè)計壓力為1.2MPa。

③設(shè)計溫度

因為工作介質(zhì)為飽和液體，根據(jù)壓力確定系統(tǒng)工作時的最低溫度為-146℃，系統(tǒng)的設(shè)計溫度為-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罐內(nèi)，使LNG經(jīng)過泵從儲罐上進(jìn)液管進(jìn)入LNG儲罐。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。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儲罐。

③增壓器和泵聯(lián)合卸車

先將LNG槽車和LNG儲罐的氣相空間連通，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卸入儲罐，卸完車后需要給槽車降壓。

第①種卸車方式的優(yōu)點是節(jié)約電能，工藝流程簡單，缺點是產(chǎn)生較多的放空氣體，卸車時間較長；第②種卸車方式的優(yōu)點是不產(chǎn)生放空氣體，工藝流程簡單，缺點是耗電能；第③種卸車方式優(yōu)點是卸車時間較短，耗電量小于第②種，缺點是工藝流程較復(fù)雜。綜合各種因素，本項目采用第③種方式卸車。2.2升壓流程

LNG的汽車發(fā)動機需要車載氣瓶內(nèi)液體壓力較高，一般為0.45～0.80MPa，而運輸和儲存需要LNG液體壓力越低越好。所以在給汽車加氣之前須對儲罐中的LNG進(jìn)行升壓升溫。LNG橇裝汽車加氣站儲罐升壓的目的是得到一定壓力的飽和液體，在升壓的同時飽和溫度相應(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)點是不耗電能，缺點是升壓時間長，理論計算需要逾5h。第二種方式優(yōu)點是升壓時間短，減少放空損失，缺點是需要電耗。本項目采用第二種方式，并且加大增壓器的傳熱面積，大大縮短升壓時間，一般需要逾1h，從而確保加氣時間。2.3加氣流程

LNG橇裝汽車加氣站儲罐中的飽和液體LNG通過泵加壓后經(jīng)過計量由加氣槍給汽車加氣。車載儲氣瓶為上進(jìn)液噴淋式，加進(jìn)去的LNG直接吸收車載氣瓶內(nèi)氣體的熱量，使瓶內(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，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)計有很大關(guān)系。操作和設(shè)計過程中盡量減少使用增壓器。操作過程中如果需要給儲罐增壓時，應(yīng)該在車輛加氣前2h，根據(jù)儲罐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

本項目的主要工藝設(shè)備為LNG轉(zhuǎn)運橇。LNG轉(zhuǎn)運橇上布置1臺容積為50in3的臥式低溫儲罐、2臺加氣機、1臺低溫泵、1臺卸車增壓器和1臺儲罐增壓器，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橇塊上。

①LNG儲罐

LNG儲罐按圍護(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儲罐。真空粉末絕熱儲罐由于其生產(chǎn)技術(shù)與液氧、液氮等儲罐基本一樣，因而目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家的制造技術(shù)也很成熟，運行維護(hù)也相對方便、靈活，目前氣化站使用較多。

b.正壓堆積隔熱

采用絕熱材料，夾層通氮氣，絕熱層通常較厚，廣泛應(yīng)用于大中型LNG儲罐和儲槽。通常用于立式LNG子母式儲罐。

c.高真空多層隔熱

采用高真空多層纏繞隔熱，多用于槽車儲罐和LNG汽車加氣站儲罐。

該站的LNG儲存量不大，保冷性能要求較高，因此選用高真空多層纏繞絕熱儲罐。根據(jù)LNG儲存量，并考慮到橇裝設(shè)備的運輸方便性，LNG轉(zhuǎn)運橇選用50m3的臥式儲罐。LNG儲罐設(shè)液位計、差壓變送器、壓力變送器、溫度變送器、壓力表各1只，以實現(xiàn)對儲罐內(nèi)LNG液位、溫度、壓力的現(xiàn)場指示及遠(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試口。根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力，并考慮經(jīng)濟(jì)性，確定儲罐內(nèi)罐的設(shè)計壓力為1.2MPa，外罐設(shè)計壓力為-0.1MPa。設(shè)計參數(shù)見表1。表1LNG儲罐技術(shù)參數(shù)型式臥式圓筒形、高真空多層纏繞絕熱儲罐有效容積/m350充裝率/%90內(nèi)罐的工作溫度/℃-146外罐的工作溫度環(huán)境溫度內(nèi)罐的設(shè)計溫度/℃-196外罐的設(shè)計溫度/℃-19～50內(nèi)罐的材質(zhì)0Cr18Ni9外罐的材質(zhì)16MnR內(nèi)罐設(shè)計壓力/MPa1.2外罐設(shè)計壓力/MPa-0.1內(nèi)罐工作壓力/MPa0.45～0.80外罐工作壓力/MPa-0.1蒸發(fā)率/%≤0.2

②LNG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)計規(guī)模及加氣機的流量選定，本項目LNG低溫泵的設(shè)計流量為0～320L/min。對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。空溫式換熱器使用空氣作為熱源，節(jié)約能源，運行費用低。本項目選用處理量為200m3/h的卸車增壓器1臺，其主要工藝參數(shù)見表3。

④加氣機

加氣機是給車載LNG氣瓶加氣和計量的設(shè)備，主要包括流量計和加氣槍。流量計是計量設(shè)備，采用質(zhì)量流量計，具有溫度補償功能。加氣槍是給車載LNG氣瓶加氣的快裝接頭，本項目選用流量為0.15m3/min的加氣槍，加氣機主要參數(shù)見表4。

⑤儲罐增壓器

儲罐增壓器是完成儲罐升壓升溫的設(shè)備之一，選用空溫式換熱器，其設(shè)計參數(shù)計算及設(shè)備選型與卸車增壓器相同。表2LNG低溫泵技術(shù)參數(shù)工作溫度/℃-146設(shè)計溫度/℃-196設(shè)計流量/(L·min-1)0～320設(shè)計揚程/m220最大揚程/m255轉(zhuǎn)速范圍/(r·min-1)1500～6000所需進(jìn)口凈正壓頭/m0.7～3.0表3卸車增壓器主要工藝參數(shù)單臺處理量/(m3·h-1)200進(jìn)口溫度/℃≥-162出口溫度/℃＞-146最高工作壓力/MPa0.8設(shè)計壓力/MPa1.6設(shè)計溫度/℃-196表4加氣機主要參數(shù)最小噴嘴壓力/MPa0.41流量/(m3·min-1)0.15喉管配置單管計量計量精度/%±0.5工作溫度/℃-146設(shè)計溫度/℃-196LNG汽車加氣站工藝與設(shè)備一、工藝流程美國休斯敦LNG加氣站的工藝流程：規(guī)模為日加氣量120輛車。站內(nèi)有42m3的深冷儲罐2座，儲存溫度為-176.4℃。低溫離心泵將儲罐內(nèi)LNG經(jīng)加氣機加到車輛上。泵工作壓力為0.28—0.62MPa，排量為114L/min。加氣機使用一部38.1min質(zhì)量流量計，用于計量由儲罐至加氣車輛的氣量，另一部12.7mm質(zhì)量漉量計計量從汽車返回儲罐的氣態(tài)天然氣量。LNG加氣站工藝流程①卸車流程：由LNG低溫泵將LNG槽車內(nèi)LNC卸至LNG儲罐。②加氣流程：儲罐內(nèi)LNG由LNG低溫泵抽出，通過加氣機向汽車加氣。③壓漉程：卸車完畢后，用LNG低溫泵從儲罐內(nèi)抽出部分LNG通過LNG氣化調(diào)壓后進(jìn)入儲罐，當(dāng)儲罐壓力達(dá)到設(shè)定壓力時停止氣化。LNG加氣站的主要技術(shù)指標(biāo)：加氣能力（氣態(tài)）：1.2×104—2.4×104m/d；可加氣LNG汽車（公交車）臺數(shù)：50—100輛/d；加氣時間：5—10min/輛；加氣機加氣壓力：1.2MPa；加氣機計量精度：±1.0%。加氣站能實現(xiàn)從槽車卸液，低溫儲罐上下進(jìn)液；儲罐有液位保護(hù)系統(tǒng)、防泄漏系統(tǒng)和自動調(diào)壓系統(tǒng)；加氣機能實現(xiàn)計量加氣和定量加氣功能；自動控制系統(tǒng)對泵可進(jìn)行三擋變頻調(diào)速，以實現(xiàn)低速循環(huán)、加氣及儲罐上進(jìn)液功能。二、加氣站設(shè)備LNG加氣站設(shè)備主要包括LNG槽車、LNC儲罐、調(diào)壓氣化器、LNG低溫泵、加氣機及LNG車載系統(tǒng)。LNG槽車目前單臺最大容積為37m3，槽車設(shè)計壓力0.8MPa，運行壓力0.3MPa。LNC儲罐由內(nèi)、外殼組成，采用真空粉末絕熱技術(shù)，目前可做到200m3，大多為100m3以下。調(diào)壓氣化器是空溫式氣化器。LNG車載瓶目前國內(nèi)可生產(chǎn)3種規(guī)格，45L，300L和410L，分別用于轎車、中型車和公交車。LNG儲罐內(nèi)層材