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LNG撬装汽车加气站工艺流程与设备选型


LNG 撬装汽车加气站工艺流程与设备选型 分享 首次分享者:温暖 已被分享 2 次 评论(0) 复制链接 分享 转载 举报 LNG 汽车具有经济、安全、环保、方便、机动等优势[1~6],是天然气汽 车的发展方向,也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径。测试数据显示:公 交车使用 LNG 燃料,尾气综合排放与燃油车辆相比可下降 80%。据统计,城市大 气环境污染 60%来自机动车的

尾气,发展 LNG 汽车、建设 LNG 汽车加气站是治理 机动车辆排放污染,改善大气环境质量的有效举措。 LNG 橇装汽车加气站是将 LNG 低温储罐、加气机、低温泵、卸车增压器、储 罐增压器、管道、控制阀门等设备在制造厂集中固定安装在一个橇块上,具有高 度集成、安装简便、机动灵活、安全可靠、操作方便等特点,主要用于 LNG 汽车 加气项目推广和其他小规模客户开发。LNG 橇装汽车加气站的技术和建设在我国 处于发展阶段,本文以某公交站场的 LNG 橇装汽车加气站为例,对典型的 LNG 橇装汽车加气站的工艺流程与设备选型进行分析。 1 技术规范与技术参数 1.1 技术规范 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。在 长沙、 贵阳等市的 LNG 汽车加气站示范项目的设计中,采用控制自身安全性作为 设计原则,在保证工艺和设备技术安全可靠的前提下,吸取国外设计理念,在征 得消防等有关部门同意后,采用美国消防协会《液化天然气(LNG)车辆燃料系统 规范》NFPA 57 标准。目前,各地实际执行 NFPA 57 标准有很大难度,需要政府 主管部门大力支持[7]。除《液化天然气(LNG)车辆燃料系统规范》NFPA 57 外,其 他需要遵循的主要标准规范如下。 ① 《汽车加油加气站设计与施工规范》(2006 年版)GB 50156—2002 ② 《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》GB/T 20368—2006 ③ 《建筑物防雷设计规范》(2000 年版)GB 50057—94 ④ 《建筑设计防火规范》GB 50016—2006 ⑤ 《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB 50058—2 ⑥ 《化工企业静电接地设计规范》HG/T 20675—1990 1.2 技术参数 ① 设计规模 a. 某公交站场计划一期投运 LNG 汽车数量为 100 辆,二期发展到 200 辆,根 3 据其 LNG 汽车情况进行 LNG 橇装站设计。 经测算, 每辆车天然气耗量约为 90m /d, 则 200 辆 LNG 公交车每天需要加天然气 18000m3,因此该 LNG 橇装汽车加气站的 设计规模确定为 20000m3/d。 b. LNG 的储存容积按下式计算:

式中 V——储存容积,m3 t——储存时间,d

Qr——平均日用气量,kg/d ρ Y——最高工作温度下的液化天然气密度,kg/m3 θ b——最高工作温度下的储罐允许充装率 根据气源的情况,并综合考虑加气速度、LNG 汽车数量、卸车时间等因素, 确定储存时间为 1d。经计算,该站 LNG 储存容积为 43.68m3。因此,取该站的储 存规模为 50m3,设置 1 台容积为 50m3 储罐的 LNG 转运橇。 ② 设计压力 根据 LNG 车辆发动机的工作压力,确定 LNG 橇装汽车加气站的系统工作压力 为 0.45~0.80MPa,LNG 储罐的设计压力为 1.2MPa。 ③ 设计温度 因为工作介质为饱和液体,根据压力确定系统工作时的最低温度为-146℃, 系统的设计温度为-196℃。 2 工艺流程 LNG 橇装汽车加气站与 LNG 固定式汽车加气站工艺流程相同, 分为卸车流程、 升压流程、加气流程以及卸压流程等 4 部分。 2.1 卸车流程 把集装箱或槽车内的 LNG 卸至 LNG 橇装汽车加气站的储罐内, LNG 经过泵 使 从储罐上进液管进入 LNG 储罐。卸车有 3 种方式:增压器卸车、泵卸车、增压器 和泵联合卸车。 ① 增压器卸车 通过卸车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降 压,每卸 1 辆车排出的气体量约为 180m3。 ②泵卸车 将 LNG 槽车和 LNG 储罐的气相空间连通,通过 LNG 低温泵将槽车内的 LNG 卸入 LNG 储罐。 ③ 增压器和泵联合卸车 先将 LNG 槽车和 LNG 储罐的气相空间连通,然后断开,在卸车的过程中通过 增压器增大槽车的气相压力, 用泵将槽车内的 LNG 卸入储罐,卸完车后需要给槽 车降压。 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, 卸车时间较长; 第②种卸车方式的优点是不产生放空气体, 工艺流程简单, 缺点是耗电能;第③种卸车方式优点是卸车时间较短,耗电量小于第②种,缺点 是工艺流程较复杂。综合各种因素,本项目采用第③种方式卸车。 2.2 升压流程 LNG 的汽车发动机需要车载气瓶内液体压力较高,一般为 0.45~0.80MPa, 而运输和储存需要 LNG 液体压力越低越好。 所以在给汽车加气之前须对储罐中的 LNG 进行升压升温。LNG 橇装汽车加气站储罐升压的目的是得到一定压力的饱和 液体,在升压的同时饱和温度相应升高。LNG 橇装汽车加气站的升压采用下进气 方式,升压方式有 2 种:一种是通过增压器升压,另一种是通过增压器与泵联合 使用进行升压。第一种方式优点是不耗电能,缺点是升压时间长,理论计算需要 逾 5h。第二种方式优点是升压时间短,减少放空损失,缺点是需要电耗。本项 目采用第二种方式,并且加大增压器的传热面积,大大缩短升压时间,一般需要 逾 1 h,从而确保加气时间。

2.3 加气流程 LNG 橇装汽车加气站储罐中的饱和液体 LNG 通过泵加压后经过计量由加气枪 给汽车加气。 车载储气瓶为上进液喷淋式,加进去的 LNG 直接吸收车载气瓶内气 体的热量,使瓶内压力降低,减少放空气体,并提高了加气速度。 2.4 卸压流程 当系统压力大于设定值时,系统中的安全阀打开,释放系统中的气体,降低 压力,保证系统安全。 通过对目前国内外先进工艺的 LNG 汽车加气站的调查了解,正常工作状态 下, 系统的放空与操作过程和流程设计有很大关系。操作和设计过程中尽量减少 使用增压器。操作过程中如果需要给储罐增压时,应该在车辆加气前 2h,根据 储罐 LNG 压力情况进行增压,不宜在卸完车后立即增压。 3 主要设备选型 本项目的主要工艺设备为 LNG 转运橇。LNG 转运橇上布置 1 台容积为 50 in3 的卧式低温储罐、2 台加气机、1 台低温泵、1 台卸车增压器和 1 台储罐增压器, 其中低温泵采用进口设备。 以上这些设备通过管道连接,在制造厂集中固定在一 个橇块上。 ① LNG 储罐 LNG 储罐按围护结构的隔热方式分类,有以下 3 种。 a. 真空粉末隔热 隔热方式为夹层抽真空,填充粉末(珠光砂),常用于小型 LNG 储罐。真空粉 末绝热储罐由于其生产技术与液氧、液氮等储罐基本一样,因而目前国内生产厂 家的制造技术也很成熟,运行维护也相对方便、灵活,目前气化站使用较多。 b. 正压堆积隔热 采用绝热材料,夹层通氮气,绝热层通常较厚,广泛应用于大中型 LNG 储罐 和储槽。通常用于立式 LNG 子母式储罐。 c. 高真空多层隔热 采用高真空多层缠绕隔热,多用于槽车储罐和 LNG 汽车加气站储罐。 该站的 LNG 储存量不大,保冷性能要求较高,因此选用高真空多层缠绕绝热 储罐。根据 LNG 储存量,并考虑到橇装设备的运输方便性,LNG 转运橇选用 50m3 的卧式储罐。LNG 储罐设液位计、差压变送器、压力变送器、温度变送器、压力 表各 1 只,以实现对储罐内 LNG 液位、温度、压力的现场指示及远程控制。罐体 顶部设安全防爆装置,下部设夹层抽接口及温度测试口。根据系统的工作压力, 并考虑经济性,确定储罐内罐的设计压力为 1.2MPa,外罐设计压力为-0.1MPa。 设计参数见表 1。 表 1 LNG 储罐技术参数 卧式圆筒形、高真空多层 型式 缠绕绝热储罐 3 有效容积/m 50 充装率/% 90 内罐的工作温度 -146 /℃ 外罐的工作温度 环境温度 内罐的设计温度 -196 /℃

外罐的设计温度 -19~50 /℃ 内罐的材质 0Cr18Ni9 外罐的材质 16MnR 内罐设计压力 1.2 /MPa 外罐设计压力 -0.1 /MPa 内罐工作压力 0.45~0.80 /MPa 外罐工作压力 -0.1 /MPa 蒸发率/% ≤0.2 ② LNG 低温泵 国内 LNG 汽车加气站的设备技术发展较晚, 目前国内已建成的 LNG 汽车加气 站投入使用的 LNG 低温泵均采用国外进 I:I 泵。LNG 低温泵的流量根据汽车加 气站的设计规模及加气机的流量选定,本项目 LNG 低温泵的设计流量为 0~ 320L/min。对 LNG 低温泵进行选型,主要参数见表 2。 ③ 卸车增压器 卸车增压器是完成卸车的设备之一,选用空温式换热器,增压器借助于列管 外的空气给热,使管内 LNG 升高温度并气化。空温式换热器使用空气作为热源, 节约能源,运行费用低。本项目选用处理量为 200m3/h 的卸车增压器 1 台,其主 要工艺参数见表 3。 ④ 加气机 加气机是给车载 LNG 气瓶加气和计量的设备,主要包括流量计和加气枪。流 量计是计量设备,采用质量流量计,具有温度补偿功能。加气枪是给车载 LNG 气瓶加气的快装接头,本项目选用流量为 0.15m3/min 的加气枪,加气机主要参 数见表 4。 ⑤ 储罐增压器 储罐增压器是完成储罐升压升温的设备之一,选用空温式换热器,其设计参 数计算及设备选型与卸车增压器相同。 表 2 LNG 低温泵技术参数 工作温度/℃ -146 设计温度/℃ -196 -1 设计流量/(L·min ) 0~320 设计扬程/m 220 最大扬程/m 255 -1 转速范围/(r·min ) 1500~6000 所需进口净正压头/m 0.7~3.0 表 3 卸车增压器主要工艺参数 3 -1 单台处理量/(m ·h ) 200 进口温度/℃ ≥-162 出口温度/℃ >-146

最高工作压力/MPa 设计压力/MPa 设计温度/℃ 最小喷嘴压力/MPa 流量/(m3·min-1) 喉管配置 计量精度/% 工作温度/℃ 设计温度/℃

0.8 1.6 -196 表 4 加气机主要参数 0.41 0.15 单管计量 ±0.5 -146 -196


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