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浅谈LNG汽车加气站工艺设计与设备配置


浅谈 LNG 汽车加气站工艺设计与设备配置

1、

天然气在常压下深冷到-162℃,即成为液化天然气,简称 LNG,

其体积为标态时的 1/625。液化天然气(LNG)是一种清洁、高效 的绿色能源,它的推广和应用对改变我国能源结构,降低我国 GDP 能耗指标提高能源利用率,改变环境污染等具有积极的意义。LNG 汽车具

有单次加气行驶里程长、清洁、环保等特点,受到越来越 广泛的关注。北京、乌鲁木齐、内蒙古、安徽、陕西、长沙、贵 阳、海南、杭州等地正在积极推广 LNG 汽车及加气站。 2、 技术规范与标准 目前,国内尚未发布专门针对 LNG 汽车加气站的设计、施工和验 收规范。当前国内主要采用的规范标准如下: 国内标准: 《石油天然气工程设计防火规范》GB50183 《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》GB/T20368; 《液化天然气(LNG)汽车加气站技术规范》NB/T1001-2011; 《石油化工有毒、可燃介质管道工程施工及验收规范》SH3501; 《建筑物防雷设计规范》GB50057; 《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058。 国外标准:美国国家防火协会 NFPA59A《液化天然气(LNG)生产、 储存和装运》 (2002 年版) ; 美国国家防火协会 NFPA57A《液化天然气(LNG)车辆燃料系统规范》 (2002 年版)

3. LNG 汽车加气站主要由 LNG 槽车、LNG 储罐、卸车/调压增压器、 LNG 低温泵、加气机及 LNG 车载系统等设备组成。LNG 汽车加气站一 般分为常规站和橇装站。 ① 常规站:建在固定地点,LNG 通过卸气装置, 储存在 LNG 储罐中, 采用加气机给汽车加 LNG。 ② 橇装站:将加气站相关设备和装置安装在汽车或橇体上,工厂高 度集成,便于运输和转移,适用于规模较小的加气站。 LNG 汽车加气站的设计首先应根据场地实际情况,选择合适的建站方 式。 4、工艺流程 LNG 汽车加气站的工艺流程分为卸车流程、调压流程、加气流 程及卸压流程 4 个步骤 4.1 卸车流程 把集装箱或汽车槽车内的 LNG 转移至 LNG 加气站储罐内,此过 程可通过三种方式实现: a. 增压器卸车 通过增压器将气化后的气态天然气送入 LNG 槽车,增大槽车的 气相压力,将槽车内的 LNG 压入 LNG 储罐。此过程给槽车增压,所以 卸完车后需要给槽车减压 0.2~0.3MPa,需排出大量的气体。 b. 浸没式低温泵卸车 将 LNG 槽车和 LNG 储罐的气相空间相连通,通过低温泵将槽车 内的 LNG 卸入 LNG 储罐。

c. 增压器和低温泵联合卸车 先将 LNG 槽车和 LNG 储罐的气相空间相连通,然后断开,在卸车 的过程中通过增压器适当增大槽车的气相压力,用低温泵卸车。 第 1 种卸车方式的优点是节约电能,工艺流程简单;缺点是产生 较多的放空气体,卸车时间长。第 2 种卸车方式的优点是不产生放空 气体;缺点是耗能,工艺流程相对复杂。第 3 种卸车方式与第 2 种卸 车方式相比,卸车时间相差不多,缺点是耗电能,也产生放空气体, 流程较复杂。如果选用设备规格为:卸车增压器 200m3/h,浸没式泵流 量 40~200L/min,压力 0.2~1.2Mpa。从运行实践看潜液泵卸一台标准 集装箱的时间约为 1.8 小时。而自增压卸车流程则需要约为 2.5~3.0 小时。笔者认为三种卸车方式中应首选第一种,采用储罐上、下进液 同时进行的方式。 该方式的优点是简单、 不耗能。 缺点是卸车时间长, 建议在加气站场地许可的情况下, 加大卸车增压器。 如选用 300Nm3/h 的卸车增压器,则卸一台标准集装箱的时间约为 2.0 小时。 5、调压流程 由于目前汽车上的车载瓶本身不带增压器,因此车载瓶中的液 体必须是饱和液体,LNG 汽车发动机需要车载气瓶内的饱和液体压力 较高,一般为 0.52~0.83MPa,而运输和储存时 LNG 饱和液体的压力 越低越好。因此,在为汽车加气之前,需使储罐中的 LNG 升压以得到 一定压力的饱和液体,同时在升压的过程中饱和温度相应升高。为此 在给汽车加液之前首先对储罐中的 LNG 进行调压, 使之成为饱和液体 方可给汽车加气。调压方式有三种:

a、通过储罐压力调节器调压 b、通过泵低速循环进行调压 c、通过储罐压力调节器与泵低速循环联合使用进行调压。实际工作 时测得:采用 200Nm 的压力调节器对 30m3 的储罐调节饱和液体压力, 达到 0.5Mpa 时所需时间为 8-10 小时,依外界气候的温度不同而异。 这对汽车加气带来很大不便。储罐调压应采用第三种方式较为合理, 并且压力调节器应有备用,可能的话还应增大其规格。这样,虽然增 大了投资、能耗,但大大缩短了调压时间,理论上计算可在 3.0-4.0 小时实现,从而确保加气时间。如单采用第二种方式其调压时间仍为 偏长。 6、加气流程 储罐中的饱和液体 LNG 通过低温泵加压后经过计量由加气机 给汽车加气,分为单线、双线加气。当车载储气瓶压力较低时,车 载储气瓶采用上进液喷淋式,加进去的 LNG 直接吸收车载气瓶内气 体的热量,使气瓶内压力降低,减少放空气体,并提高了加气速度。 当车载储气瓶压力较高时,采用双线加气,通过回气管,将车载储 气瓶内的气体回收至 LNG 储罐中。 7、泄压流程 在给储罐调压过程中,储罐中的液体同时在不断的蒸发和气化, 这部分气化了的气体如不排出,储罐压力会越来越大,当储罐压力大 于设定值时,相关阀门打开,释放储罐中的气体,降低压力,保证储 罐安全。目前,该部分气体进行放空处理。建议在以后的加气站中,

该部分气体通过调压后送入附近的市政管网系统。 8、 调饱和压力和不调饱和压力 液化天然气的饱和压力是在给定压力下,与液相平衡的蒸气压 力。LNG 饱和压力、密度随饱和温度的变化见图 1,由图 1 可知: a、 在给定温度下,液化天然气对应一定的饱和压力,不同温度 下,液化天然气的饱和压力不同。 b、调压过程中,饱和温度越高,LNG 的对应饱和压力也越高,L NG 的密度越小。 LNG 汽车加气站调饱和压力是把储罐内的液化天然气饱和压力 调至所需要的饱和压力,再将液化天然气加注给汽车,而不调饱和压 力是直接将储罐内的液体加注给汽车。 调饱和压力和不调饱和压力的 工艺流程见图 2。

8.1 调饱和压力 采用调饱和压力的技术路线与国内已经投入使用的 LNG 汽车相匹配。通常 LNG 储存在温度为-161℃、压力约为 0.1MP a 的低温储罐内,LNG 汽车加气站以 0.6~0.8MPa 的压力将 LN G 加注到车载储气瓶中。0.6~0.8MPa 是天然气发动机正常运 转所需要的压力, 为达到此压力, 需要将 LNG 进行调压以得到 饱和液体,同时在升压的过程中饱和温度相应升高。LNG 汽车 加气站每次给汽车加气都需调饱和压力,由于温度升高,LNG 储罐中的液体不断地气化,这部分气化了的气体即为 BOG,调 饱和压力的次数越多, 产生的 BOG 越多, 当储罐压力大于设定 值时,BOG 需要被释放掉,以保证储罐的安全。

LNG 汽车加气站中的常规站一般都设置 BOG 回收系统,而 橇装站通常不设置 BOG 回收系统,直接把气体放散到大气中。 BOG 回收系统可以把 BOG 通过调压计量后送入附近的燃气管网 中,减少经济损失。无论是否设置 BOG 回收系统,这部分损失 的气体对 LNG 汽车加气站在经济方面的影响均比较大, 增加了 LNG 汽车加气站的运行成本。 8.2 不调饱和压力 随着 LNG 汽车车载储气瓶技术的不断改进,研发出了 LNG 汽车自带增压系统,可以采用自然压力给 LNG 汽车直接加气, LNG 汽车通过自带增压系统,使 LNG 达到天然气发动机正常运 转需要的压力。因此,LNG 汽车加气站可以不调饱和压力,大 大减少 BOG 的放散, 提高 LNG 汽车加气站的经济效益。 采用不 调饱和压力的技术路线是今后 LNG 汽车加气站的发展方向, 有 广阔的发展前景。从近几年的实际运行情况可以看出,LNG 汽 车加气站不调饱和压力的技术路线,解决了 BOG 损失大的问 题,为 LNG 汽车加气站的发展提供了保障。 9、LNG 站工艺设备设施的选择配置 LNG 加气站的主要设备有 LNG 储罐、低温泵、蒸发器、 售气机、控制系统和安全系统等,可实现给 LNG 车辆加注 LNG 液体的功能,流程类似于普通的加油站。 9.1 LNG 储罐 LNG 储罐,其既有接受 LNG 的功能又有供给 LNG 的功能。

LNG 储罐从 LNG 槽车接收到 LNG,调节使用饱和状态,然后供给 LNG 汽车车用瓶加 LNG。一台 30m3/1.2Mpa-LNG 储罐采用了卧式高真空 多层缠绕绝热形式, 为卧式双圆筒式结构, 内筒为 oCr18Ni9 或进口 304 不锈钢板制成,外筒为 16MnR 钢板制成,内外筒之间采用专用 的八胶木支撑结构。采用高真空多层缠绕绝热结构,夹层厚度 125mm,在保障绝热性能的基础上最大限度的增加了储罐的有效容 积。 9.2 LNG 泵 uL LNG 泵为潜液式两级离心泵,泵整体安装在一个真空绝热容 器中,正常工作过程始终处于冷态,确保能够随时启泵加气;uL LNG 泵由一台变频器控制其速度和流量,适应卸车、调压和加气等模式下 不同排量和压力要求; u 真空泵池按 ACD 公司的推荐尺寸和国家 GB150 制作,具有足够的保冷性能,泵体的真空外壳在运行过程中没有结霜 现象,24 小时内低温液体蒸发 50%,并可快速拆开进行维修。 9.3 LNG 售气机 工艺模式加气时,将加气枪连接到汽车加气口上,LNG 通过加 气管路进入汽车储罐,流量计将计量脉冲信号传输给微机控制器,微 机控制器进行处理后,通过显示器显示总量和余额。回气管路是为了 卸放车载瓶中的高压气体。 吹扫管路是用于吹扫加气枪和加气口上的 霜雪或污物,保证密封和便于操作。 9.4 调压汽化器 LNG 阀门、LNG 输送管道应满足输送 LNG 压力、流量要求,且具

备耐低温性能(-196℃) 。主要包括 LNG 截止阀、安全阀、止回阀、 紧急切断阀、升压调和阀等,各满足工艺流程位置技术要求。 10、 结语 LNG 汽车加气站作为 LNG 汽车技术的一个子系统,其工艺流程把 LNG 运输、卸车、储存、装卸、加液及加气回流等作为一个大的系统 来设计,避免了 LNG 运输、加液和车用系统的不匹配问题。LNG 汽车 加气站的工艺流程中,是否调饱和压力应根据实际情况而定,但是不 调饱和压力的技术路线是今后的发展方向。 随着 LNG 汽车加气站的高 速发展,LNG 汽车加气站的工艺流程会不断改进优化,从而减少天然 气的损耗,满足 LNG 产业的需要。


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