橇裝式LNG汽車(chē)加氣站的應(yīng)用

摘 要

摘要：論述了橇裝式LNG加氣站的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，LNG加氣站的主要設(shè)備(包括LNG儲(chǔ)罐、LNG低溫泵、LNG氣化器等)的技術(shù)要求。給出了典型橇裝式LNG加氣站的工藝流程，提出橇裝式LNG加氣站
摘要：論述了橇裝式LNG加氣站的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，LNG加氣站的主要設(shè)備(包括LNG儲(chǔ)罐、LNG低溫泵、LNG氣化器等)的技術(shù)要求。給出了典型橇裝式LNG加氣站的工藝流程，提出橇裝式LNG加氣站是未來(lái)LNG汽車(chē)的主導(dǎo)加氣站。
關(guān)鍵詞：液化天然氣；橇裝式加氣站；LNG汽車(chē)；汽車(chē)加氣站；LNG加氣站
Application of Skid-mounted LNG Vehicle Filling Station
CHEN Shu-ping，REN Yong-ping，YIN Jin-song，WU Pin-fang
Abstract：The characteristics and advantages of skid-mounted LNG filling station and the technical requirement of main equipment of LNG filling station including LNG tank，LNG cryogenic pump，LNG vaporizer and so on are expounded. The process flow of typical skid-mounted LNG filling station is given. It is suggested that the skid-mounted LNG filling station is a leading gas station for LNG vehicles in future.
Key words：LNG；skid-mounted gas filling station；LNG vehicle；vehicle gas filling station；LNG filling station
1 概論
    近年來(lái)，為響應(yīng)國(guó)家科技部推廣應(yīng)用清潔燃料汽車(chē)的號(hào)召，天然氣汽車(chē)在我國(guó)很多城市得到迅猛發(fā)展，主要以壓縮天然氣(CNG)汽車(chē)為主，多數(shù)用于單次加氣行駛里程較短的城市出租車(chē)和公交車(chē)上。在國(guó)外，液化天然氣(LNG)汽車(chē)以其污染小、安全性能高、經(jīng)濟(jì)效益顯著且適用于大型長(zhǎng)途運(yùn)輸車(chē)輛等優(yōu)點(diǎn)而得到大力推廣。美國(guó)有3000輛LNG汽車(chē)和約100座LNG汽車(chē)加氣站，在該方面技術(shù)上處于領(lǐng)先地位[1、2]。在我國(guó)，北京、烏魯木齊、長(zhǎng)沙、貴陽(yáng)、杭州等地正在積極推廣LNG汽車(chē)及加氣站，并已建成多座LNG加氣站。這些加氣站中，除了常規(guī)的各設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)安裝組成完整系統(tǒng)的加氣站外，還有事先將加氣站各種設(shè)備在工廠集成安裝在一個(gè)或多個(gè)橇塊上運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)的橇裝式LNG加氣站。橇裝式LNG加氣站具有安全、環(huán)保、能耗低、占地面積小、現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、建設(shè)期短、可靈活移動(dòng)等突出優(yōu)點(diǎn)，成為一種具備良好發(fā)展前景的加氣站類(lèi)型[3～5]。
2 橇裝式LNG加氣站的優(yōu)勢(shì)
    橇裝式LNG加氣站將LNG通過(guò)低溫泵向LNG汽車(chē)加氣。如有需要，也可同時(shí)經(jīng)高壓液體泵加壓、經(jīng)氣化器氣化后向CNG汽車(chē)加氣，并且比同樣容量CNG加氣站的造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低。另外，橇裝式LNG加氣站還有以下優(yōu)勢(shì)：
    ① 機(jī)動(dòng)靈活，占地少。不依賴(lài)天然氣管網(wǎng)，只需用LNG槽車(chē)來(lái)運(yùn)載LNG作為氣源。站內(nèi)所有工藝設(shè)備都安裝在一個(gè)橇塊上，整體尺寸較小(外形尺寸長(zhǎng)×寬×高為12m×2.5m×3.31m)；控制系統(tǒng)安裝在一個(gè)改裝的標(biāo)準(zhǔn)集裝箱內(nèi)(外形尺寸長(zhǎng)×寬×高為6m×2.5m×3m)；充裝LNG前加氣站整體總質(zhì)量只有21.8t，非常適于用汽車(chē)搬運(yùn)?？筛鶕?jù)市場(chǎng)需求隨時(shí)改變加氣站地點(diǎn)，在城市尤為適宜。
    ② 安全、環(huán)保，能耗低。LNG已經(jīng)經(jīng)過(guò)了凈化處理，無(wú)須壓縮、冷卻、脫水、脫硫等電力消耗較大的裝置，整個(gè)生產(chǎn)工藝中省去了天然氣凈化設(shè)備和空氣壓縮機(jī)，大大減少了配套設(shè)施，不僅節(jié)約了設(shè)備造價(jià)，而且縮短了建設(shè)期。
    ③ 自動(dòng)化程度高，易操作。配有自動(dòng)控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、超壓停泵及低壓開(kāi)泵等過(guò)程都自動(dòng)完成，簡(jiǎn)單易操作。
3 主要設(shè)備及技術(shù)要求
    圖1為橇裝式LNG加氣站，其主要設(shè)備包括LNG儲(chǔ)罐、LNG低溫泵、LNG氣化器、LNG加氣機(jī)、橇座，另外還有管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及配套設(shè)施。單臺(tái)儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)容積為35m3，設(shè)計(jì)壓力為1.2MPa，設(shè)計(jì)溫度為-196～+60℃，蒸發(fā)率≤0.2%。
 
3.1 LNG儲(chǔ)罐
    橇裝式LNG加氣站的LNG儲(chǔ)罐采用臥式、雙層金屬結(jié)構(gòu)的絕熱低溫儲(chǔ)罐，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。內(nèi)罐一般采用奧氏體不銹鋼材料，如0Cr18Ni9、304等。外罐多采用普通低合金鋼，如16MnR。內(nèi)外罐之間的支承宜采用在低溫下既有較高強(qiáng)度又有較低熱導(dǎo)率的低溫玻璃鋼結(jié)構(gòu)。采用的絕熱方式主要有4種：堆積絕熱、真空粉末絕熱、高真空絕熱、高真空多層絕熱[6]。其中高真空多層絕熱以絕熱空間小、熱導(dǎo)率低、絕熱可靠等優(yōu)勢(shì)，在LNG儲(chǔ)罐上得到廣泛應(yīng)用，尤其適用于移動(dòng)式低溫儲(chǔ)罐。對(duì)于高真空多層絕熱，維持夾層的真空度至關(guān)重要。首先，在抽真空時(shí)要確保腔內(nèi)材料充分放氣，并確保多層材料層間真空度達(dá)到規(guī)定要求；其次，可在腔內(nèi)放置常溫吸附劑，或采用添加吸附劑的層間隔熱材料，如填炭紙等，以吸附腔內(nèi)材料可能釋放出的少量氣體[7]。
 
    LNG儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造、安裝、定期檢測(cè)等應(yīng)滿足LNG儲(chǔ)罐的有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，以保證安全。LNG儲(chǔ)罐的主要技術(shù)要求如下：
    ① LNG儲(chǔ)罐必須設(shè)置2套安全閥在線安裝的雙路系統(tǒng)，并設(shè)置1個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，在更換或維修時(shí)需要進(jìn)行切換工作[8]。加氣站在搬運(yùn)時(shí)儲(chǔ)罐易受到顛簸震動(dòng)甚至撞擊而導(dǎo)致真空度降低或失去絕熱功能，影響儲(chǔ)罐的使用壽命，因此必須提供儲(chǔ)罐安全裝置，如避震器、防撞擊的保護(hù)裝置等。
    ② LNG儲(chǔ)罐要設(shè)計(jì)最高液位限定值，防止液位過(guò)高。若液位過(guò)高可通過(guò)溢流閥排出。在充注LNG時(shí)，應(yīng)考慮到液體受熱后體積膨脹而出現(xiàn)液位超高的情況，應(yīng)預(yù)留適當(dāng)?shù)目臻g。
    ③ LNG儲(chǔ)罐在首次充注LNG之前，或因需要進(jìn)行內(nèi)部檢修而停止使用之后，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行惰化處理，要用惰性氣體N2或CO2將儲(chǔ)罐內(nèi)的空氣或天然氣置換出來(lái)，避免形成天然氣與空氣的爆炸性混合氣體。
    ④ LNG儲(chǔ)罐應(yīng)配有壓力控制裝置，應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的壓力安全閥和真空安全閥，分別預(yù)防罐內(nèi)發(fā)生超壓和負(fù)壓。此外，為了防止內(nèi)罐損壞時(shí)LNG泄漏至內(nèi)外罐壁之間的絕熱層，外罐必須設(shè)置足夠的安全排氣裝置。
    ⑤ LNG儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的儀表，包括能顯示儲(chǔ)罐液位的液位計(jì)、顯示罐內(nèi)壓力的壓力表和顯示罐內(nèi)LNG液相溫度的溫度計(jì)。
3.2 LNG低溫泵
    LNG低溫泵一般采用潛液式低溫泵，由于LNG的低溫和易燃特性，不僅要求泵能承受低溫，而且對(duì)泵的氣密性和電氣安全性能要求更高。
    LNG低溫潛液泵是泵和電機(jī)整體潛入低溫LNG中輸送低溫LNG的機(jī)械。這種潛液泵將泵與電機(jī)整體安裝在一個(gè)密封的金屬容器內(nèi)，不需要軸封，也不存在軸封的泄漏問(wèn)題，泵的進(jìn)出口用法蘭結(jié)構(gòu)與輸送管道相連，因此不存在LNG的泄漏問(wèn)題，很適合輸送LNG之類(lèi)的低溫可燃液體。
   為防止LNG沿著電纜從連接處泄漏到接線盒遇到火花發(fā)生爆炸，通常在外接電纜與接線盒處設(shè)置2道氮?dú)饷芊獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，阻斷LNG可能的泄漏通道。如果第1道N2保護(hù)失效，第2道N2密封系統(tǒng)仍可正常工作，而第1道N2保護(hù)失效時(shí)其壓力有顯著變化，安全監(jiān)測(cè)裝置立即報(bào)警[3]。
   低溫泵應(yīng)能達(dá)到以下要求：①必須有足夠的揚(yáng)程和流量，以適應(yīng)不同級(jí)別的汽車(chē)LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)?，F(xiàn)在一般采用變頻技術(shù)，均可滿足此要求。②盡可能減少運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量，以防止引發(fā)LNG氣化。③不可出現(xiàn)兩相流，否則會(huì)造成泵的損壞。
3.3 LNG氣化器
   LNG氣化器采用空溫式氣化器，LNG通過(guò)吸收外界大氣環(huán)境熱量而實(shí)現(xiàn)氣化過(guò)程，能耗很低。為提高LNG與環(huán)境的換熱效率，氣化器主體部分一般采用耐低溫的鋁合金縱向翅片管，它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，重量輕，制造和使用方便，換熱面積大，因而在各種低溫系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[10]。影響氣化器工作的因素主要有流量、工作周期、工作壓力、大氣溫度、大氣相對(duì)濕度、風(fēng)力、日照等條件。氣化器應(yīng)滿足以下條件：
   ① 根據(jù)用氣的實(shí)際狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的最小氣化量應(yīng)滿足在最?lèi)毫庸ぷ鳝h(huán)境下的最大用氣量要求。
   ② 氣化器在設(shè)計(jì)布置時(shí)，每1臺(tái)氣化器的入口處和出口處應(yīng)設(shè)有切斷閥，并在出口切斷閥之前設(shè)置安全閥。
   ③ 氣化器應(yīng)配備切斷熱源的裝置來(lái)確保安全；還應(yīng)安裝溫度檢測(cè)設(shè)備，用來(lái)測(cè)量LNG和熱交換介質(zhì)的進(jìn)出口溫度，確保傳熱效率。
3.4 LNG加氣機(jī)
    LNG加氣機(jī)應(yīng)能承受一定的低溫。一般應(yīng)滿足下列要求：①出于安全考慮，不宜安裝在距儲(chǔ)罐很近的地方，也不得設(shè)在室內(nèi)。②設(shè)有安全限壓裝置。③具有預(yù)冷裝置和收集車(chē)載氣瓶?jī)?nèi)剩余氣體的回氣控制裝置。④加氣完成后可通過(guò)控制系統(tǒng)立即關(guān)閉。⑤能夠顯示加氣量、單價(jià)及金額。
3.5 撬座
    橇座用于支撐整個(gè)系統(tǒng)，根據(jù)需要可以被汽車(chē)移動(dòng)搬運(yùn)。外形尺寸可根據(jù)加氣站規(guī)模大小而定，應(yīng)滿足搬運(yùn)過(guò)程中的強(qiáng)度要求。
4 橇裝式LNG加氣站工藝流程
    橇裝式LNG加氣站的工藝流程見(jiàn)圖3，可分為4個(gè)部分[11～13]：卸車(chē)流程、調(diào)壓流程、加氣流程、卸壓流程。
 
   ① 卸車(chē)流程。將槽車(chē)內(nèi)LNG轉(zhuǎn)移至加氣站LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，有2種方式：a.自增壓卸載，將在槽車(chē)增壓器中氣化的LNG返回槽車(chē)儲(chǔ)罐，增加儲(chǔ)罐壓力，卸載LNG。這種方法簡(jiǎn)單，僅需少量管道和閥門(mén)。b.采用安裝在槽車(chē)上的LNG低溫泵來(lái)卸載，盡管存在造價(jià)高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，但因其卸載時(shí)間短、效率高而得到廣泛應(yīng)用。
    ② 調(diào)壓流程。卸車(chē)完畢后，須對(duì)儲(chǔ)罐中的LNG進(jìn)行升壓方可給汽車(chē)加氣。升壓方式有2種：a.通過(guò)LNG低溫泵低速循環(huán)進(jìn)行升壓。b.通過(guò)儲(chǔ)罐上LNG氣化器升壓，將LNG在氣化器中氣化后通過(guò)調(diào)壓裝置進(jìn)入儲(chǔ)罐，增加壓力，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是工藝、設(shè)備簡(jiǎn)單且不耗能。目前LNG儲(chǔ)罐一般采用氣化器增壓就可達(dá)到所需壓力。
    ③ 加氣流程。儲(chǔ)罐中的LNG通過(guò)低溫泵加壓后送入加氣機(jī)，由加氣槍給汽車(chē)加氣，最高加氣壓力可達(dá)到1.6MPa。在給車(chē)載氣瓶加氣前應(yīng)先給車(chē)載氣瓶卸壓，通過(guò)回氣口回收車(chē)載氣瓶中的余氣。加氣站設(shè)有車(chē)載氣瓶到儲(chǔ)罐氣相的回流管，可對(duì)車(chē)載氣瓶中余氣進(jìn)行回收和計(jì)量。
    ④ 卸壓流程。儲(chǔ)罐在使用過(guò)程中，罐內(nèi)壓力會(huì)升高。當(dāng)儲(chǔ)罐壓力大于設(shè)定值時(shí)，緊急泄放裝置啟動(dòng)，相關(guān)閥門(mén)打開(kāi)，釋放儲(chǔ)罐中的氣體，降低壓力，確保儲(chǔ)罐安全。
5 結(jié)語(yǔ)
    橇裝式LNG加氣站可以遠(yuǎn)離LNG接收站，為偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)展LNG汽車(chē)創(chuàng)造了條件。橇裝式LNG加氣站設(shè)備簡(jiǎn)單，建站期短，造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用低，占地面積小。
    LNG汽車(chē)是天然氣汽車(chē)的發(fā)展趨勢(shì)。橇裝式LNG加氣站以其高度靈活性向LNG汽車(chē)加氣?？梢韵嘈牛裂b式LNG加氣站將會(huì)隨著各種相關(guān)技術(shù)的成熟以及LNG汽車(chē)的普及而得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 吳佩英，周春.LNG汽車(chē)加氣站的橇裝化[J].煤氣與熱力，2008，28(7)：B13-B15.
[2] 陳叔平，謝高峰，李秋英，等.LNG、L-CNG、CNG加氣站的比較[J].煤氣與熱力，2007，27(7)：27-30.
[3] 張麗敏，陳福洋.LNG加氣機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀[J].煤氣與熱力，2008，28(7)：B27-B29.
[4] 陳叔平，謝高峰，李秋英，等.天然氣加氣站的經(jīng)濟(jì)性分析[J].天然氣工業(yè)，2007，27(1)：134-136.
[5] 喬國(guó)發(fā)，張孔明，李多金，等.橇裝式LNG-CNG汽車(chē)加氣站[J].天然氣工業(yè)，2005，25(3)：148-150.
[6] 徐烈.低溫絕熱與貯運(yùn)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.
[7] 賀紅明，林文勝，顧安忠.L-CNG加氣站技術(shù)淺析[J].天然氣工業(yè)，2007，27(4)：126-128.
[8] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.
[9] 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.
[10] 陳叔平，昌錕，劉振全，等.低溫翅片管換熱器的傳熱試驗(yàn)研究[J].低溫與超導(dǎo)，2006，34(2)：91-93.
[11] 吳佩英.LNG汽車(chē)加氣站設(shè)計(jì)的探討[J].煤氣與熱力，2006，26(9)：7-9.
[12] 王軍.LNG汽車(chē)和加氣站的探討[J].煤氣與熱力，2006，26(3)：4-5.
[13] 彭紅濤.天然氣汽車(chē)發(fā)展中存在的問(wèn)題及對(duì)策研究[J].煤氣與熱力，2006，26(3)：26-28.
 
(本文作者：陳叔平1 任永平1 殷勁松2 鄔品芳2 1.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院 甘肅蘭州 730050；2.張家港富瑞特種裝備股份有限公司 江蘇張家港 215637)