基于實時參數(shù)的LNG加氣站卸液流程優(yōu)化

何才寧 吳大良 張永輝

〔中國石化廣東石油分公司 廣東 廣州 510620〕

在液化天然氣加氣站運營的進銷存各環(huán)節(jié)中，大都涉及LNG的低溫特性，包括目前普遍存在的卸車慢、損耗和能耗大、安全環(huán)保風險多等諸多問題。為此，本文基于LNG在卸液過程中需控制的溫度和壓力兩個參數(shù)在工藝各操作部位的實時變化，全面剖析了卸車損耗、時間、能耗等指標，探討了最優(yōu)的卸車流程和方法，以期促進卸車向更加標準化、自動化、智能化的方向發(fā)展。

1 目前的共性問題

采用普通卸車方式難于將LNG卸干凈，卸車損耗大。不少加氣站卸車時只是簡單地啟動潛液泵或者汽化器自增壓卸車，沒有考慮槽車、儲罐、管線中的溫度、壓力等實時動態(tài)參數(shù)，存在卸車慢、槽車LNG余液多、損耗大等共性問題。平均每車卸車損耗約150 kg，損耗率在0.5%～1.0%之間。按年零售量60 000 t計算，卸車損耗450 t。折合人民幣約300萬元。

LNG卸不干凈將導致安全環(huán)保的巨大風險。一般來說，LNG卸車作業(yè)完畢后仍有0.3～0.4MPa壓力的LNG殘留在槽車罐體內，由此造成每次作業(yè)大約有50～200 kg的卸車損耗。由于氣庫一般要求槽罐車降壓到0.1MPa才允許進庫裝LNG，因此司機通常將罐車內余氣直接排放到空氣中。LNG排放出來造成的溫室效應是CO2當量的21倍，這樣既不安全，又不環(huán)保，還造成資源浪費。

2 內涵和主要做法

LNG在加氣站進銷存中溫度一般宜保持在-155℃至-145℃，其低溫特性以及儲罐氣液并存的狀態(tài)決定了不同的卸車方式，操作流程將直接影響LNG槽車罐能否卸干凈、卸得快、節(jié)能、安全。這就需要基于卸車時候的實時參數(shù)和工藝，合理優(yōu)化、控制儲罐、槽車的接卸操作流程，最大限度地利用LNG儲罐與槽車罐LNG不同的壓力差、溫度差、液位差來提供卸車動力，減少冷損失和熱交換，并從設計-操作、從規(guī)范-效率、從安全-節(jié)能等諸方面全面優(yōu)化，選擇最優(yōu)的卸車模式。下面就從管道吹掃、平壓(壓力平衡)、增壓、卸車各個環(huán)節(jié)進行分析和優(yōu)化，最終實現(xiàn)降耗節(jié)能一體化。具體做法如下。

2.1 卸液前的準備工作

2.1.1 卸液管道充分吹掃

加氣站卸液區(qū)卸液管線在日常管理中，雖然有盲板覆蓋，但是也難免會有水雜沙石等進入卸液管道內。如果有積水冬季還會出現(xiàn)冰塊、冰堵的現(xiàn)象，造成管道堵塞甚至造成設備損害，而在管道吹掃的過程中還會有對管線進行預冷的作用。

具體操作如圖1所示：開啟儲罐上進液閥門SV3、GV3、卸車閥GV5，卸車增壓閥SV8和卸車氣相閥SV7，以及進口閥GV8全部打開，同時槽車的根部閥要全部處于關閉狀態(tài)，打開槽車的放空閥，利用加氣站內儲罐的壓力將管線內的雜質和空氣吹掃干凈。然后緩慢微開槽車的液相閥，打開放散閥SV9，這樣從槽車放出少許LNG經常溫管道汽化后可吹掃卸車液相管道，吹掃完成后關閉槽車液相閥。LNG卸液管道的吹掃流程詳見圖1所示。

圖1 卸液吹掃流程

需注意的是，個別槽車增壓液相無放空管，且要關閉液相閥門。因儲罐下部都是液體，槽車和加氣站儲罐的位置雖有高度差，但儲罐和槽車罐的壓力差更大，一般壓差達0.4 MPa，如不關閉加氣站儲罐液相閥門或液相閥門內漏，在平壓的過程中就可出現(xiàn)液體跑到槽車的現(xiàn)象。

2.1.2 平壓方式及其選擇

一般來說，卸車前站內儲罐壓力都比較高，基本在0.5 MPa以上，銷量小的加氣站則更高。槽車有安全閥裝置，安全閥起跳壓力基本在0.7 MPa以上，要讓LNG液體能夠正常流進站內儲罐，槽車罐內的壓力要比儲罐高0.2 MPa左右。如果直接對槽車罐進行增壓，就會出現(xiàn)安全閥起跳噴液的現(xiàn)象。為了安全起見，應先將儲罐壓力降低，然后再對槽車罐進行增壓，同時也能避免儲罐放空，造成不必要的損耗和大氣污染。

平壓也稱為加氣站儲罐和槽車罐的壓力平衡，平壓主要分為兩種：

(1)液相平壓。站內儲罐氣體從槽車底部進入槽車罐內，可以使站內儲罐壓力下降，槽車罐壓力不變，儲罐降壓明顯較快，但是對站內儲罐液體的飽和度(溫度)有影響。

(2)氣相平壓。站內儲罐氣體從槽車的頂部進入槽車罐內，可以使站內儲罐壓力下降，槽車罐的壓力上升，而站內儲罐壓力下降有限，但能在平壓的同時給槽車罐增壓，減少增壓時間。

兩種平壓將會出現(xiàn)不同效果，從槽車罐上部進行氣相平壓時，槽車罐的上部都是氣體，站內儲罐的氣體經管線到達槽車罐上部空間后，槽車罐上方的氣體越來越多，所以壓力也越來越高；而當儲罐的氣體從下部進入槽車時，槽車下部都是液體，儲罐的氣體經過槽車的低溫液體后，氣體就會變成液體，所以槽車罐壓力變化不大。需要注意的是底部平壓時儲罐內的液體和槽車罐的氣體溫差較大，容易出現(xiàn)翻滾的現(xiàn)象，要注意控制流速。

如果無法使用底部液相平壓，頂部氣相平壓可以開啟站內儲罐上進液閥門，開啟出口閥，完成頂部氣相平壓;使用底部液相平壓，可以打開儲罐上進液閥門，打開進口閥，完成底部平壓。

由于每個站管線的設計不一樣，可以通過上面所述的原理來操作。具體如下：

(1)根據(jù)各站內的(實際)壓力情況來判斷。一般來說，當站內儲罐壓力高于0.5 MPa時，可以先使用底部液相平壓，當儲罐壓力降至0.4～0.5 MPa或者更低時再轉換成頂部氣相平壓。大多數(shù)站都比較適用這種方法；如加氣站內銷量較小(3～7t/d)，應盡量將站內儲罐壓力降低，可直接用底部液相平壓。

(2)如站內的銷量較大，平均每天銷量可以達到10 t/d以上，儲罐本身的壓力基本不超過0.4 MPa，液體的溫度基本保持在-135℃以下，可以直接使用頂部氣相平壓。多數(shù)站是先使用底部液相平壓，將儲罐壓力降至0.45～0.5 MPa后，再轉換成頂部氣相平壓。

如何判斷平壓的完成是實際操作中比較重要的問題，可從“一看、二聽”來判斷：

看壓力：查看站內儲罐壓力和槽車罐壓力的情況，平壓完成后，儲罐壓力和槽車罐壓力基本是一致的。

聽聲音：注意聽管道的聲音，剛開始平壓的時候，因兩者的壓差較大，流速也會很大，聲音會比較大且刺耳，當平壓完成后，聲音明顯會變緩變小。如果平壓時出現(xiàn)跑液現(xiàn)象，嚴禁同時關閉增壓軟管兩端閥門，否則增壓軟管內液體汽化升壓后，由于增壓軟管沒有安全閥釋放超壓氣體會引起管道爆裂。

2.2 增壓和卸車

2.2.1 利用內在壓差為槽車罐增壓

卸液前儲罐壓力一般都比槽車罐壓力高0.1～0.6 MPa，槽車液體流動緩慢或者無法流進儲罐，這時需對槽車罐進行增壓，利用提高的壓差加快槽車液體卸進儲罐。增壓方式有自增壓和泵增壓兩種。自增壓是利用槽車卸液系統(tǒng)中的增壓汽化器增壓，泵增壓是利用加氣站中的潛液泵增壓。

2.2.2 增壓與方式流程及操作

(1)自增壓流程及操作。

自增壓流程：一般利用增壓液相管和增壓氣相管完成。槽車液體通過增壓液相管流至增壓汽化器，增壓完成汽化后，再通過增壓氣相管回流至槽車頂部，完成增壓。

自增壓操作：將槽車的增壓液相管和增壓氣相閥門打開，再將站內的卸車液相管和卸車氣相閥門打開，槽車液體流經汽化器，再回流至槽車頂部。

(2)泵增壓流程及操作。

泵增壓流程：泵增壓是指利用站內潛液泵將槽車或者站內儲罐的液體加壓后經過增壓汽化器，增壓完成汽化后，通過增壓氣相管回流至槽車頂部，完成增壓。具體操作有兩種情形：

利用儲罐液體進行泵增壓操作：利用站內儲罐LNG，通過儲罐出液管后，再由潛液泵加壓抽送至增壓汽化器，再通過增壓氣相管回流到槽車頂部，完成增壓。增壓前，加氣站信息操作系統(tǒng)調至手動模式，潛液泵頻率調低(一般為50 Hz)，打開LNG出液閥，其他氣動閥門全部關閉，增壓液相閥關閉，將汽化器進口閥手動擰開少許，注意聽氣體流動的聲音和觀察槽車壓力變化速度，如過快或者過慢可以利用卸車氣相手動閥進行控制。此種槽車增壓方法適用于卸車后期槽車自身液體較少時。

利用槽車罐液體進行泵增壓操作：利用卸車LNG，通過加氣站卸車進液管后，再由潛液泵加壓抽送至增壓汽化器，再通過增壓氣相管回流到槽車頂部，完成增壓。增壓前，加氣站信息操作系統(tǒng)調至手動模式，潛液泵頻率調低(一般為50 Hz)，打開卸車液相手動閥，其他氣動閥門全部關閉，增壓液相閥關閉，將汽化器進口閥手動擰開少許，注意聽氣體流動的聲音和觀察槽車壓力變化速度，如過快或者過慢可以利用卸車氣相手動閥進行控制。此種槽車罐增壓方法適用自增壓困難時或需要快速增壓時。

需要注意的是，由于每個槽車安全閥的起跳壓力不同，要注意增壓后槽車壓力應低于安全閥起跳壓力0.05 MPa，一般槽車安全閥起跳壓力為0.7～0.8MPa。即便如此，槽車壓力也不應該超過0.7 MPa。如果在卸車時，槽車的安全閥出現(xiàn)了起跳，應立即關閉增壓液相閥和增壓氣相閥，停止繼續(xù)對槽車的增壓，并且立即打開增壓液相管和增壓氣相管之間的放空閥，防止管道憋壓破裂。卸車液相閥不要關閉，液體快速流到儲罐內的時候，槽車罐壓力也會快速下降，待降至安全閥自閉壓力時，安全閥自動關閉，停止噴液。

2.2.3 兩類增壓方式的特點

自增壓需要連接增壓液相管和增壓氣相管，操作簡單，壓力穩(wěn)定，在增壓時加液不受影響，但是增壓速度比較慢，從0.3 MPa增至0.6 MPa一般用時20～30 min(每個加氣站的效果不一致，時間會存在差距)，同時該方法會在汽化時吸收熱量，帶進到儲罐中。但在卸車后期槽車液體較少,增壓效果不理想。加氣站都能使用此方法進行增壓，也是普遍使用的增壓方法。

泵增壓可以不連接增壓液相管，利用站內液體或者槽車液體進行增壓，特點是增壓速度快，從0.3 MPa增至0.6 MPa一般只需用時5 min左右，而且加液不受影響。但是該方法用泵需消耗一定電量。同時操作比較復雜，操作人員的操作技能要求較高，同時站內管線設計布置需要支持此方法，壓力波動受變頻器的頻率影響較大。如果站內壓力較低，卸半車時應使用此方法進行增壓。

2.2.4 自增壓和潛液泵有機結合卸車

平壓后儲罐壓力普遍在0.45 MPa左右，一般來說槽車罐比儲罐高0.2 MPa時就可以卸車，即卸車時槽車罐壓力應該增壓并保持在0.60～0.65 MPa，因此卸車時需要給槽車繼續(xù)增壓或者提供動力。具體卸車模式如下：

(1)自增壓模式卸車(不啟動泵)。如圖2所示，在該卸車模式(非啟泵狀態(tài))，開啟閥門SV7、SV8、SV9，槽車液體可通過卸車液相管，經過潛液泵，再通過卸車閥GV5、GV3、SV3經上進液口卸進儲罐內。這種方法比較慢，只能完全通過壓差進行卸車，卸車效率不高，加液不受影響，無公交車加液時，不用啟動潛液泵，節(jié)約電能。

圖2 自增壓模式卸車

(2)啟泵增壓模式卸車。如圖3所示，將加氣站信息操作程序調整為啟泵卸車狀態(tài)，LNG出液閥門GV2和加液閥GV6關閉，卸車閥GV5打開,加氣站信息操作系統(tǒng)進入卸車狀態(tài)，閥門SV9、GV9開啟，LNG從儲罐的上進液或下進液(可根據(jù)站內實際情況選擇)卸進儲罐內。為了加快卸液速度，需要一直啟動潛液泵，消耗部分電能，但卸車時加液不受影響,加液閥GV6在加液時會自動打開，卸車閥在加液時自動關閉)槽車液體可直接加注到用戶車輛。

圖3 啟泵增壓卸車(上下進液可以自由切換)

(3)自增壓和潛液泵結合卸車。如圖4所示，當潛液泵啟動之后，液體通過泵后管道卸入儲罐，同時，汽化器進口閥GV8打開少許讓很小一部分的液體經過，完成對槽車罐增壓。如果開啟位置過大，汽化效果不好，還會有加溫液體返回槽車罐，所以增壓閥門開啟的大小很關鍵，要控制適度，這樣卸液速度會明顯加快。啟泵增壓卸車(結合增壓)見圖4所示。

圖4 啟泵增壓卸車(結合增壓)

(4)卸車方法的選擇。自增壓和潛液泵結合卸車是目前較優(yōu)的操作方式，既使用了潛液泵的動力，還充分利用了儲罐和槽車之間壓力和溫度差異產生的內在能量平衡，縮短了卸車時間(表1)，相對減少了熱交換和冷損失，降低了卸車損耗。尤其是在加氣站加液高峰期時，不建議采用自增壓卸車，主要采用自增壓和潛液泵相結合(或泵)卸車模式，此時不僅卸液速度快，同時也能給公交車加液，而且加液速度快，這就是人們通常所說的邊卸邊發(fā)加液流程。

表1 自增壓卸車和泵卸車時間差異表

(5)LNG進罐方式選擇。通常LNG進入儲罐有兩種方式，包括上進液、下進液。①上進液：槽車罐液體從站內儲罐的上部進入，對儲罐進行噴淋，儲罐氣體越來越少，儲罐壓力會越來越低，槽車和儲罐的壓差越來越大，卸車速度會越來越快，所以，在開始卸車的時候應使用上進液卸車。如果卸車前站內壓力高于0.3 MPa，也應使用上進液卸車。②下進液：槽車罐液體從儲罐底部進入，隨著儲罐液體越來越多，會將一部分氣體變成液體，但是效果不明顯，降壓速度也比較慢。如果站內儲罐壓力低于0.2 MPa，應使用下進液進行卸車，另外在來液溫度較高時也應使用下進液卸車，避免儲罐壓力快速上升。

一般卸車都是先使用上進液卸車，待儲罐壓力降至最低值或者儲罐壓力開始出現(xiàn)上升時可以轉換成下進液卸車，這樣更加平穩(wěn)、安全和快捷，而且有利于防止不同LNG氣源的密度、溫度差異造成儲液分層現(xiàn)象發(fā)生。

2.2.5 最大限度抽盡底液

LNG槽車能否最大限度抽盡罐中底液，直接影響到損耗大小，是進貨卸車損耗管理的主要節(jié)點，具體掃底操作流程如下：

(1) 卸車時槽車罐壓力為0.65 MPa，儲罐壓力為0.45 MPa，一般來說，泵卸車的速度是每小時13～14 t，如果按照來液是20 t算，1 h后槽車罐壓力應該為0.5～0.55 MPa，剩余量為6 t左右，槽車罐液位應為320 mm左右，儲罐壓力應為0.17～0.21 MPa，這時可以關閉增壓閥門。

(2) 當槽車罐剩余2 t時，槽車罐壓力大約為0.3～0.4 MPa，儲罐壓力大約為0.2 MPa時，處于氣液共存狀態(tài)，氣體的流動速度比液體快，儲罐的壓力開始緩慢上升，這時候可以將卸車換成下進液，讓槽車罐內液體從底部卸入儲罐。

(3)將模式調至手動狀態(tài)，把相應的卸車閥門打開，將潛液泵頻率調低至不空載報警狀態(tài)，緩慢將余液抽入儲罐。

(4)利用公交車加氣的高峰期，在公交車高峰加液的同時也能將槽車罐里面的余液抽回儲罐。

(5)卸后抽壓時間比較長，較快時大約半小時即可將壓力抽盡。

一般來說卸后槽車罐壓力應該為0.3～0.35 MPa，槽車罐帶走的LNG在150 kg左右，如果高于0.35 MPa時較容易出現(xiàn)超差約為200 kg。需注意的是，如何判斷是否卸完？需觀察和判斷，以免提前或推遲，造成數(shù)量、安全或能耗上的隱患。

(1)查看槽車罐和站內儲罐液位表，如果槽車罐液位表在“O”位狀態(tài)時，就表示已經沒有液體，并查看站內儲罐液位計的讀數(shù)，計算核對進貨量。

(2)查看槽車罐壓力表，如果槽車罐液位表已經歸“O”，而且槽車罐壓力在0.35 MPa以下，證明基本卸完了。

(3)緩慢打開槽車罐放空閥查看噴氣狀態(tài)，注意觀察槽車罐噴射物，如果呈白霧狀態(tài)，證明已經沒有液體。

(4)緩慢打開站內液相放空閥查看，先將站內的液相卸車閥門關閉，打開槽車罐液相閥和站內液相卸車閥之間的放空閥，觀看放空管的結冰狀態(tài)，如果立即出現(xiàn)結冰，證明槽車罐內還有液體，如果1 mim內放空管只有輕微結霜，說明槽車罐內已沒有液體。

2.3 高度關注LNG氣源溫度對卸車的影響

要確保卸車更加干凈，對來液溫度必須嚴格控制，要求不高于-145 ℃(建議在采購合同中對供應商進行約定)，一旦超過-145 ℃，卸液時間、卸車和儲存損耗會明顯增加。來液溫度越低，儲罐的飽和壓力也就越低，對卸液越有利，可以觀察槽車罐的壓力來判斷溫度，如壓力為0.1 MPa或者更低時，來液溫度大約為 -160～-155 ℃。壓力在0.1～0.15 MPa時來液溫度大約在-155～-150 ℃，這種溫度還比較正常，如壓力高于0.25 MPa或者更高時，溫度為-145 ℃以上時，要密切跟蹤供應商的LNG來源、槽車罐保溫是否出現(xiàn)異常，若發(fā)現(xiàn)異常必須及時采取措施(見圖5)。

圖5 來液溫度、壓力對應關系圖

3 實施效果

3.1 卸車損耗大幅下降

卸車操作和LNG來液溫度會直接影響卸車損耗。本文根據(jù)實際溫度、壓力、工藝等參數(shù)來優(yōu)化卸車方式，并加強相關操作人員培訓和現(xiàn)場交流，確保卸車損耗最小、卸車最快，使卸車損耗明顯降低，下降幅度超過50 %，進貨損耗從2012年的平均每車大約150 kg，到現(xiàn)在平均大約在70 kg。按筆者所在企業(yè)每年進貨約3 000車次，每年可實現(xiàn)降耗240 t，減少碳排放量超過8 000 t。

3.2 卸車時間大幅縮短

基于實時參數(shù)優(yōu)化卸車模式后，卸車時間由原來每車4 h縮短為2.5～3.0 h，大幅減少了潛液泵的運行時間，節(jié)約大約30 %的電力，實現(xiàn)了卸車安全、規(guī)范、節(jié)能“一體化”，罐卸得更干凈、更快捷、更安全、更節(jié)能和環(huán)保。

4 結語

綜上所述，本文探討了基于實時參數(shù)的加氣站LNG卸液模式和流程優(yōu)化，意在拋磚引玉，促進企業(yè)和使用單位共同關注和提升加氣站的LNG卸車工藝、設備和操作，可從設計到操作、從降耗到節(jié)能、從規(guī)范到效率、從安全到環(huán)保等全環(huán)節(jié)全面提升。如通過信息系統(tǒng)全方位實時采集槽車罐和加氣站儲罐、潛液泵、管線等卸車時的壓力、溫度和流量等參數(shù)，并進行自動判斷和優(yōu)化，同時結合加氣站硬件設備的升級和完善實現(xiàn)全過程自動控制和損耗監(jiān)測，將進一步提升較為復雜的LNG加氣站卸車流程的優(yōu)化、標準化和自動化，最終實現(xiàn)槽車能自動實現(xiàn)卸得更干凈、更快捷、更安全、更節(jié)能和環(huán)保。