一種新型無動力LNG橇裝加注裝置

陳杰

(中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100027)

0 引言

LNG逐漸成為我國交通運輸業(yè)替代傳統(tǒng)汽、柴油的新型燃料，這不僅是中國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、擺脫過多依賴進口石油的宏觀形勢所需，而且是LNG市場競爭優(yōu)勢的真實體現(xiàn)［1］。與汽、柴油相比，LNG清潔環(huán)保、安全可靠和經(jīng)濟性強的優(yōu)勢成為推進“油改氣”不斷深化的源動力。同時，隨著進口LNG與國內(nèi)自產(chǎn)LNG產(chǎn)量的不斷提高，LNG加注相關(guān)裝備與技術(shù)的不斷成熟，國家相關(guān)政策法規(guī)與技術(shù)標準的逐步完善，為LNG汽車加注快速、蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了較好的外部環(huán)境［2］。截至2010年底，天然氣汽車的保有量超過100萬輛，天然氣加氣站不足200座。目前采用LNG作為燃料的汽車將以每年3倍的速度激增，到2013年國內(nèi)配套的加注站數(shù)量將增至2 000多個，2020年全國規(guī)劃的車用天然氣加注站達到12 000座左右［3］。然而，目前由于市內(nèi)規(guī)劃選址困難，遠郊、高速、礦區(qū)用電等配套設施不完善等原因，國內(nèi)LNG加注站建設未能順利開展，加氣站銷售網(wǎng)絡形成緩慢，加氣困難、排隊加氣成為普遍現(xiàn)象［4］。所以，目前LNG汽車加注主要用于具有固定線路的城市公交、重卡運輸。

國外經(jīng)驗表明:無動力LNG橇裝加注裝置可以有效緩解LNG加注站建設遇到的選址困難、配套用電設施不完善的問題，在高速、碼頭、礦場供電條件困難、市內(nèi)用地緊張等地區(qū)，具有廣闊的市場前景。另外，利用其可移動的特點可用作LNG加注應急救援［4］。如圖1所示，無動力LNG橇裝加注裝置在英國已有成功應用。但國外LNG運輸槽車可允許自帶LNG卸車泵，使得國外無動力LNG橇裝加注裝置無需考慮LNG卸車、加注過程中BOG蒸發(fā)排放，系統(tǒng)設計簡單。而我國法律法規(guī)又禁止LNG運輸槽車自帶卸車泵［5］，這為國產(chǎn)新型無動力LNG橇裝加注裝置降低BOG損耗，提高技術(shù)可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。為此，本文基于高壓加注瓶進行多次增壓加注的新模式，設計研究出一種新型無動力LNG橇裝加注裝置，給出了該加注裝置的組成、原理、工藝流程與操作流程，模擬研究了其動態(tài)過程，以便為該裝置在我國的推廣應用奠定基礎(chǔ)。

圖1 英國無動力LNG橇裝加注裝置

1 新型加注裝置的流程設計

1.1 裝置原理與功能

無動力LNG橇裝加注裝置主要包括:1臺LNG儲罐，2個LNG高壓加注瓶、1套LNG加注槍、2臺質(zhì)量流量計、2套空溫式增壓器、EGA空溫式加熱器、放散管、PLC控制系統(tǒng)以及配套的管道、閥門儀表，可燃氣體、火焰和低溫監(jiān)測儀表系統(tǒng)，以及緊急切斷閥門等安全保障設施構(gòu)成［6－7］。裝置采用密閉空間下的低溫LNG部分經(jīng)過空溫式氣化器加熱氣化，達到自增壓的目的，然后高壓的LNG無需外在動力設備條件下實現(xiàn)向低壓的LNG汽車車載瓶進行加注。儀表控制系統(tǒng)電力依靠太陽能或風能，配有高壓氮氣瓶組提供儀表用氣，應急情況下還起到緊急消防滅火功效。

無動力LNG橇裝加注裝置可實現(xiàn)LNG裝卸和儲存、系統(tǒng)增壓、對外加注計量、系統(tǒng)超壓時安全泄放等功能，并能實時監(jiān)控系統(tǒng)各部分狀態(tài)，顯示系統(tǒng)各項技術(shù)參數(shù)，對突發(fā)情況可實施應急控制。裝置通常具有卸車模式、待機模式和加注模式。待機模式主要用于實現(xiàn)LNG儲罐向LNG高壓加注瓶充裝等LNG汽車正式加注的所有準備工作;加注模式可實現(xiàn)利用高壓加注瓶加注和LNG儲罐直接加注兩種功能模式。通過兩個高壓加注瓶加注與待機之間的切換操作，裝置可實現(xiàn)連續(xù)LNG加注和計量銷售功能。

1.2 新型裝置流程設計與操作

基于以上裝置工作的原理和功能，遵照GB50156、GB50058、GB50028等國家相關(guān)規(guī)范標準［8－11］，參考國外NFPA57［12］等相關(guān)標準，并結(jié)合LNG橇裝加注站的安全技術(shù)特征［13］對本新型裝置進行了工藝流程設計，具體工藝流程見圖2。由圖2可知:本裝置流程包括系統(tǒng)待機、槽車卸車、儲罐自增壓和槽車增壓、LNG加注瓶加注、LNG儲罐高壓加注、安全泄放等功能，下面將分別介紹。

1.2.1 系統(tǒng)待機

在沒有選擇控制操作時，系統(tǒng)一直保持為待機模式，所有閥門都關(guān)閉，LNG儲罐內(nèi)的低溫液體不能流入LNG加注瓶，保證整個系統(tǒng)處于較低蒸發(fā)率。

圖2 裝置工藝流程圖1—LNG儲罐;2a/2b—LNG加注瓶;3a/3b—LNG加注瓶增壓氣化器;4—天然氣放空氣化器;5—LNG槽車;6—LNG加氣座;7—LNG儲罐放空閥;8—卸車增壓氣相關(guān)斷閥;9—卸車氣相關(guān)斷閥;10—LNG儲罐液相關(guān)斷閥; 11—卸車液相關(guān)斷閥;12a/12b—LNG加注瓶出氣閥; 13a/13b—LNG加注瓶進液閥;14a/14b—LNG加注瓶加注閥;15a/15b—LNG加注瓶出液閥;16a/16b—LNG加注瓶回氣閥

在LNG加注瓶加注模式時，保持一個LNG加注瓶內(nèi)85%的LNG，并增壓到設定壓力1.3 MPa，等待來車加注［14］。

1.2.2 槽車卸車過程

實現(xiàn)將LNG運輸槽車內(nèi)LNG卸車到本裝置LNG儲罐內(nèi)。通常有以下三種方式:利用槽車自帶增壓器卸車、利用本裝置加注瓶增壓器卸車和利用槽車自帶增壓泵進行卸車。其中利用槽車自帶增壓泵進行卸車目前國家法規(guī)暫不允許，但也可適用于本裝置，其中利用槽車自帶增壓器卸車無動力卸車操作時，首先需要槽車與LNG儲罐均壓，然后隔斷槽車與裝置LNG儲罐氣相管路，槽車開始自增壓，當壓力高于LNG儲罐壓力0.1～0.2 MPa時，打開液相切斷閥進行LNG卸車。當LNG槽車不帶卸車增壓器時，需要利用裝置加注瓶增壓氣化器3a/3b，升高槽車壓力后卸車。卸車完成后，關(guān)閉所有閥門。

1.2.3 LNG加注過程

上一次對LNG燃料汽車加注完成后，一般LNG加注瓶2a/2b的壓力較高，需要向LNG儲罐1泄壓，液化天然氣蒸發(fā)氣從LNG加注瓶2a/2b經(jīng)過LNG加注瓶回氣閥16a/16b從底部進入LNG儲罐1，部分高壓蒸發(fā)氣在LNG儲罐1中再冷凝，從而實現(xiàn)LNG加注瓶與LNG儲罐均壓并減少LNG蒸發(fā)氣的泄放。

泄壓完成后打開LNG儲罐液相關(guān)斷閥10，LNG通過重力自流入LNG加注瓶，實現(xiàn)LNG加注瓶充液，充裝達到設定液位后關(guān)閉所有閥門，打LNG加注瓶出液閥15a/15b，LNG經(jīng)過LNG加注瓶增壓氣化器3a/3b氣化增壓后返回LNG加注瓶2a/2b中，直至增壓至目標壓力，關(guān)閉所有閥門，等待LNG燃料汽車前來加注。

1.2.4 利用加注瓶正常加注

當需對LNG燃料車進行加注時，打開LNG加注瓶加注閥14a/14b，通過LNG加注座對汽車進行加注，此過程中需依靠LNG加注瓶2a/2b與LNG燃料車儲氣鋼瓶的壓差完成LNG的加注。為維持加注過程中LNG加注瓶與LNG燃料車儲氣鋼瓶之間的壓差，保證加注速度，加注過程中可考慮加注瓶自增壓繼續(xù)工作。加注液化天然氣量的計量依靠安裝于LNG加注瓶加注閥14a/14b的流量計實現(xiàn)，流量計安裝于LNG加注瓶加注閥14a/14b閥前的優(yōu)勢是流量計中總是存留有LNG，一直處于預冷狀態(tài)，加注時不需要對其事先進行預冷。

1.2.5 利用LNG儲罐直接加注

如果LNG儲罐1中的壓力隨著加注次數(shù)增多而上升至較高水平，為了減少LNG儲罐1中天然氣的泄放量，則可以利用LNG儲罐1中的壓力進行LNG的加注，而不經(jīng)過LNG加注瓶增壓氣化器3a/ 3b進行升壓加注。

2 新型加注裝置動態(tài)模擬研究

為深入優(yōu)化裝置的設計與操作參數(shù)，利用我們完成的加注裝置，基于ASPEN公司HYSYS7.1商用軟件對裝置的每一步操作進行了嚴格的動態(tài)模擬研究。加注裝置相關(guān)配置見表1。

表1 裝置系統(tǒng)配置清單

LNG槽車卸車完作為研究的初始狀態(tài):LNG儲罐初始液位80%，壓力0.4 MPa;高壓加注瓶初始液位80%，壓力1.3 MPa;車載充裝瓶初始液位10%，壓力0.5 MPa，最終狀態(tài)為LNG儲罐液位下降為20%時，LNG槽車向本裝置再次卸車。動態(tài)模擬研究結(jié)果見表2，表明利用高壓加注瓶多次反復自增壓加注模式能有效的控制加注過程中BOG的蒸發(fā)量［15］，LNG儲罐殘余壓力由1.3 MPa下降至7.42 MPa，大大降低BOG的損耗。加注時間3～6 min與自增壓時間5～7 min基本相當且能基本為用戶接受。值得注意的是利用自增壓一次性提高LNG儲罐壓力進行直接加注的方式，其LNG儲罐殘余蒸發(fā)氣壓力要遠高于利用加注瓶多次增壓正常加注，這也是利用加注瓶正常加注的優(yōu)勢所在。

表2 裝置動態(tài)模擬研究結(jié)果

3 結(jié)論

針對當前LNG加注站建設市區(qū)選址困難，礦場、高速等遠郊前沿市場用電等依托條件又不完備的問題，設計研究了適合我國LNG運輸槽車嚴禁自帶卸車泵的技術(shù)規(guī)定的新型無動力LNG橇裝加注裝置，并對其加注過程進行了模擬研究。通過本文研究可以得到如下結(jié)論:

(1)由于采用了較為合理的流程設計，從LNG槽車卸車到LNG汽車加注整個過程不需要任何動力設備，安全可靠。

(2)通過采用高壓加注瓶多次反復自增壓加注方式，優(yōu)化LNG槽罐容量與工作壓力實現(xiàn)最大程度上減少或避免操作運行中液化天然氣蒸發(fā)氣的泄放。

(3)裝置能實現(xiàn)連續(xù)充裝和加注，加注時間、自增壓時間合理，電力需求較小，占地面積小，安裝快，安全可靠和所有閥門動作及質(zhì)量流量計量可通過控制柜實現(xiàn)全自動控制和記錄等優(yōu)點。

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