LNG卸車操作流程的介紹與優(yōu)化

上海液化石油氣經(jīng)營有限公司 于嘉懿

LNG卸車操作流程的介紹與優(yōu)化

上海液化石油氣經(jīng)營有限公司 于嘉懿

卸車是LNG加氣站運行的重要一步。文章以上海液化石油氣經(jīng)營有限公司洋山箱式加氣站為例，詳述了LNG卸車操作流程，并分析其優(yōu)化措施，努力做到效益最大化。

LNG加氣站 卸車流程 優(yōu)化措施

0 前言

天然氣是一種潔凈、高效、優(yōu)質(zhì)的燃料，也是重要的化工原料，具有明顯的社會效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。近年來，隨著國家相關的清潔能源計劃的出臺和人們環(huán)保意識的提高，人們對環(huán)境污染的關注也越來越大。LNG(液化天然氣)具有能量密度大、運輸方便、安全性好、經(jīng)濟效益顯著等特點，利用LNG作為汽車燃料有很大的發(fā)展空間。LNG的主要成分是CH4，燃燒后的產(chǎn)物與汽柴油的相比，COx和NOx的濃度要低得多，能有效地改善城市空氣質(zhì)量，促進城市經(jīng)濟和建設的可持續(xù)性發(fā)展，所以國家科技部大力推廣應用清潔燃料汽車。以LNG為燃料的集卡和以柴油為燃料的集卡在重載情況下經(jīng)濟性分析見表一。數(shù)據(jù)表明集卡油改氣的經(jīng)濟效益是顯著的，這也是近年來出現(xiàn)越來越多LNG加氣站的主要原因。

表1 柴油與LNG的燃料經(jīng)濟分析表(上海)

LNG加氣站的工藝流程中重要的一步就是槽車卸液，即LNG低溫槽車從氣源生產(chǎn)企業(yè)或接收站運送LNG至加氣站，將槽罐內(nèi)LNG卸到加氣站儲罐中。LNG不僅具有燃燒特性，燃燒范圍為5%~15%，還具有低溫特性，常壓下溫度為-162 ℃。在卸車過程中，會面臨燃燒、氣化損失、排放、卸車不充分、低溫灼傷等許多風險和問題。因此，研究LNG卸車流程對實現(xiàn)安全、充分、減少不必要損失的完成卸車具有重要意義。本文以上海液化石油氣經(jīng)營有限公司洋山IMC箱式臨時加氣站為研究對象，對卸車的原理、設備、卸車流程和優(yōu)化措施進行探討。

1 卸車原理及設備

由LNG槽車運來的液體LNG先經(jīng)過一個卸車流程，卸車流程主要是指將由槽車運送來的LNG轉(zhuǎn)移至加氣站內(nèi)儲罐的過程。一般的LNG卸車主要有三種方式：卸車增壓器卸車、潛液式低溫泵卸車、增壓器和泵聯(lián)合卸車，洋山加氣站使用的是增壓器和泵聯(lián)合卸車的形式。先通過卸車增壓器將槽車中部分LNG氣化，將氣化后的天然氣送入槽車中，增大槽車的氣相壓力，使槽車與LNG儲罐之間形成一定的壓差，槽車中LNG在壓差作用下卸入儲罐系統(tǒng)，啟動潛液式低溫泵，對槽車內(nèi)的LNG進行卸車操作，以加快卸車速度。整個卸車過程主要設備為卸車增壓器和低溫潛液泵。

1.1 卸車增壓器

洋山IMC箱式加氣站使用空溫式氣化器作為卸車增壓器。選擇空溫式氣化器的原因主要有兩點：一是長江三角洲地區(qū)，常年氣候溫和濕潤，最低氣溫在零度以下的天數(shù)屈指可數(shù)，使用空溫式氣化器完全滿足生產(chǎn)要求；二是天然氣屬于易燃易爆的介質(zhì)，如果在加氣站中設置火源的話會有很大的安全隱患并且不符合相關的安全標準，所以現(xiàn)階段LNG加氣站中的氣化器類型主要為空溫式氣化器，其主體采用高強度鋁翅片管，利用空氣中的熱量加熱管內(nèi)液體并使液體氣化輸出。氣化能力為300 m3/h。

1.2 低溫潛液泵

在各種LNG的儲存和轉(zhuǎn)運過程中，主要有兩種方式：一種是壓力轉(zhuǎn)運，另一種是通過LNG泵進行輸送，其中LNG泵主要應用于輸送量比較大和管路流動阻力比較大的情況，相對于壓力輸送的方式，LNG泵的輸送速度較快。洋山IMC箱式加氣站只有一個潛液泵，既用于卸車，也用于加氣。

2 卸車操作流程

洋山IMC箱式加氣站采用的是增壓器和泵聯(lián)合卸車模式，具體操作步驟分為壓力平衡、槽車增壓、啟泵卸液和壓力再平衡四個過程。

2.1 IMC、槽車、卸車增壓器的卸車管路

洋山箱式加氣站是查特公司提供的IMC箱式加氣站，其整個撬體沒有卸車增壓器，槽車上也沒有自帶的卸車增壓器。所以卸車過程中有IMC箱、槽車、增壓器三個獨立系統(tǒng)。

如圖1所示，IMC卸車系統(tǒng)有一根液相管路和一根氣相管路，液相管路用于卸液，氣相管路用于壓力平衡；槽車上有兩根液相管路和一根氣相管路，其中液相管2與IMC相接用于卸液，液相管1和氣相管與卸車增壓器相接用于給槽車增壓；卸車增壓器有一個液相進口和氣相出口，用于從槽車輸入LNG，氣化后將氣態(tài)輸出進入槽車。

圖1 各系統(tǒng)卸車管路

2.2 壓力平衡

槽車裝載LNG進入加氣站時，槽車內(nèi)壓力為0.2 MPa左右，IMC儲罐(30 m3)內(nèi)壓在0.5~0.6 MPa之間。如果不對槽車與IMC儲罐進行壓力平衡，直接對槽車進行增壓，勢必會損耗大量的LNG用于增壓，并且增壓的時間會大大增加，影響卸車效率，所以壓力平衡是必要的。壓力平衡管路連接示意圖如圖2所示。

圖2 壓力平衡管路連接

壓力平衡的具體操作如下：

(1)將槽車氣相與IMC卸車氣相用不銹鋼軟管相接。

(2)管道吹掃。打開IMC氣相閥門，同時打開槽車氣相放散管閥門，利用儲罐中氣相對管路進行吹掃。吹掃結(jié)束后關閉閥門。

(3)打開IMC氣相閥門和槽車氣相閥門，氣相將在壓差作用下從IMC儲罐進入槽車儲罐。

(4)觀察IMC和槽車各自的壓力表，當壓力平衡后關閉閥門。

(5)打開槽車氣相放散閥，排放管路中余氣，卸下軟管。

壓力平衡后，IMC和槽車壓力均約為0.4 MPa。

2.3 槽車增壓

為了能使液相從槽車流入IMC，必須對槽車進行增壓。根據(jù)查特公司提供的操作手冊，槽車壓力需要高于IMC儲罐壓力0.1~0.2 MPa。槽車增壓管路連接示意圖如圖3所示。

圖3 槽車增壓管路連接

槽車增壓具體操作如下：

(1)分別將槽車液相管1與增壓器液相、槽車氣相與增壓器氣相用不銹鋼軟管相接。

(2)管道吹掃。稍稍打開槽車液相管1閥門少量出液(可迅速氣化)，打開槽車氣相管放散閥門進行吹掃，結(jié)束后關閉閥門。

(3)打開槽車液相1和氣相閥門，進行增壓。

(4)觀察槽車壓力表，當達到設定壓力后進行下一步操作。增壓使槽車壓力比IMC儲罐壓力高0.1~0.2 MPa，并保持直至卸車結(jié)束。

2.4 啟泵卸液

當槽車壓力高于IMC儲罐壓力后，液相在壓差作用下從槽車進入IMC。液相通過卸車液相管進入泵池，侵潤和冷卻潛液泵，達到運行溫度后，潛液泵啟動，將LNG以頂部進液的方式卸入儲罐。

卸液管路連接示意圖如圖4所示。

圖4 卸液管路連接

啟泵卸液具體操作如下：

(1)將槽車液相管2與IMC液相用不銹鋼軟管相接。

(2)管道吹掃。稍稍打開槽車液相管2閥門少量出液(可迅速氣化)，打開IMC液相管路放散閥進行吹掃，結(jié)束后關閉閥門。

(3)打開槽車液相管2和IMC液相閥門，液相進入泵池，對潛液泵進行侵潤和冷卻。

(4)IMC系統(tǒng)會自動檢測泵池溫度，當達到啟泵要求后，會有指示燈亮起，此時打開潛液泵，開始卸液。

(5)監(jiān)控槽車、儲罐的液位和壓力。在下面三種情況下會停止卸車：①貯罐到達最高液位。②操作者按停止按鈕。③泵的進出口壓差喪失，其中①、③情況潛液泵會自動停止。

(6)卸液結(jié)束后，關閉所有閥門。

(7)殘液放空。打開IMC液相放散閥和槽車氣相放散閥，對各管路殘液進行放散，結(jié)束后關閉閥門，卸下所有軟管。

2.5 壓力再平衡

卸液結(jié)束后，由于槽車增壓過程始終在進行，槽車壓力會比IMC儲罐壓力高0.1~0.2 MPa。通過壓力再平衡，可以盡可能的減少卸液的損失。壓力再平衡管路連接示意圖如圖5所示。

圖5 壓力再平衡管路連接

壓力再平衡具體操作如下：

(1)將槽車氣相與IMC氣相用不銹鋼軟管相接。

(2)管道吹掃。打開槽車氣相閥門，打開IMC氣相放散閥門進行吹掃，結(jié)束后關閉閥門。

(3)打開槽車和IMC氣相閥門，進行再平衡。

(4)觀察IMC和槽車各自的壓力表，當壓力平衡后關閉閥門。

(5)打開槽車氣相放散閥，排放管路中余氣，卸下軟管。

3 卸車操作流程的優(yōu)化

從經(jīng)濟性的角度講，卸車過程要盡量做到減少氣化損失、減少排放和將LNG卸干凈。卸車操作流程的優(yōu)化就必須從這三方面入手。

3.1 減少氣化損失

由于卸車過程中需要利用壓差卸液，所以必然有部分LNG要氣化，但是可以采取措施減少這部分損失。卸車操作中的壓力平衡和再平衡，其實就是減少氣化損失的措施。其他優(yōu)化措施有兩種：

3.1.1 減小壓差

槽車與IMC儲罐的壓差越大，理論上卸車速度越快，但同時造成的損耗也大。在不對卸車速度影響太大的情況下減小壓差，是可行的優(yōu)化措施。實踐證明槽車與IMC罐的壓差保持在0.1 MPa，滿足卸車要求。

3.1.2 減小槽車壓力增值

壓差是相對值，壓力是絕對值，減小槽車壓力的增加量，就減少了氣化量。一般的卸車中會根據(jù)壓力平衡后儲罐壓力值加上0.1 MPa作為槽車在增壓過程中的最終壓力。但由于LNG進入IMC儲罐會將儲罐中部分氣態(tài)液化，儲罐的壓力會下降，所以優(yōu)化措施為采取“動平衡”：根據(jù)IMC儲罐的壓力變化來改變槽車壓力(通過改變閥門開度)，始終使槽車壓力比儲罐高0.1 MPa。實踐證明未采取優(yōu)化措施時，卸車結(jié)束后槽車壓力一般為0.5 MPa，采取優(yōu)化措施后槽車壓力為0.4 MPa。

下面通過計算得出減少的損失：根據(jù)理想氣體方程

式中：Δm——放散氣體的質(zhì)量，g；

p1——放散前(卸車后)槽車內(nèi)壓力，Pa；

p2——放散后槽車內(nèi)壓力，Pa；

V——氣體體積，m3；

M——氣體摩爾質(zhì)量，g/mol；

R——理想氣體常數(shù)，J/(mol·K)；

T——氣體絕對溫度，K；

槽車儲罐體積為46.4 m3，氣相溫度為-140℃，即133 K，熱力學常數(shù)R≈8.314 J/(mol·K)，甲烷的摩爾質(zhì)量為16 g/mol，一般槽車再次裝液前會將壓力放散至0.2 MPa，則未采取優(yōu)化措施時，Δm=201kg，采取優(yōu)化措施后，Δm =135kg。所以采取優(yōu)化措施后，每次卸車可減少LNG損失66 kg。

3.2 減少排放

這里所說的排放是指卸車操作中的排放。主要有兩種：

3.2.1 吹掃軟管造成的排放

由于連接槽車、IMC和增壓器的不銹鋼軟管在連接前是與大氣聯(lián)通的，管內(nèi)有空氣，所以連接后必須對軟管進行吹掃。對于減少排放的優(yōu)化措施，只能是在滿足吹掃要求的前提下減少排放；根據(jù)查特公司提供的操作手冊，吹掃軟管的時間至少30 s，事實證明時間過長，會造成不必要的損耗。通過計算或者實驗方法得出使軟管中空氣排盡的最短時間，是減少此類排放的優(yōu)化措施。

3.2.2 殘液放空造成的排放

卸車的每一步結(jié)束后都要卸下不銹鋼軟管，而此時軟管中充滿著液相或者氣相，這部分沒有辦法回收，只能排放。

正常的卸車操作，除了上述兩種排放外，其他排放都是非必須的。操作中要做到?jīng)]有其他排放。

3.3 卸盡LNG

卸車操作中重要的一點就是盡量把LNG卸干凈。要做到將槽車中的LNG全部卸完是不現(xiàn)實的，但要避免發(fā)生槽車中還有LNG未卸入IMC儲罐的情況。就洋山IMC箱式加氣站看來，造成LNG卸不干凈的主要原因是潛液泵。當卸車進行到槽車中LNG液不多時，流速變慢，造成潛液泵泵池液位下降，會在泵池中形成漩渦，引入氣相進入潛液泵，會對泵造成損傷，此時潛液泵就會自動停止工作，使人誤以為液已卸完。優(yōu)化措施就是在卸車進入尾聲時停泵，依靠壓差將剩余LNG卸入IMC儲罐中，亦可全程不使用泵，而是依靠壓差卸液。

4 結(jié)語

對LNG加氣站卸車操作流程進行了解，有助于理解卸車原理、規(guī)范卸車操作；對卸車操作流程進行優(yōu)化，有助于減少卸車中的LNG損耗，使效益最大化。由于時間和條件的限制，本文還有很多不足之處，比如對卸車過程中如何減少損耗，還有待進一步的研究。

Introduction and Optimization of LNG Unloading Operation Procedures

Shanghai LPG Management Co., Ltd. Yu Jiayi

unloading is one of the most important steps of running a LNG filling station. Taking Yangshan LNG filling station as an example, this paper specifies LNG unloading operation procedures, and analyzes its optimization measures to maximum the benefits as well.

LNG filing station, LNG unloading procedure, optimization measures