LNG加注裝置研制開發(fā)及應(yīng)用

張海麗，王 薇

（河北渤海石油裝備專用車有限公司，河北任丘 062550）

1 立項(xiàng)背景

液化天然氣LNG（liquefied natural gas，液化天然氣）是一種清潔、高效、安全的能源，雖然近期受世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展趨緩，國際油價(jià)下跌的影響，LNG 的價(jià)格優(yōu)勢有所減弱，但其清潔、高效、安全能源的特性，依舊是無法替代的。特別是在生態(tài)環(huán)境日益惡化的今天，LNG 的推廣與使用有著極為重要的意義。LNG加注裝置（撬裝式LNG 加注站）彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固定式LNG 加注站的不足。其布站靈活，建設(shè)周期短，符合綠色低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展方向。撬裝式LNG 加注站制造業(yè)務(wù)，具有巨大的市場應(yīng)用前景。

2 主要研究內(nèi)容

研究內(nèi)容包括：停泵自增壓加注功能研究；加注、卸料、計(jì)量等流程優(yōu)化研究；通過整體設(shè)計(jì)布局研究實(shí)現(xiàn)橇裝運(yùn)輸要求；降低LNG 在管路中的熱損失的工藝研究；綜合安全防護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)研究；減少人為誤操作閥門操作自動(dòng)化控制技術(shù)研究；低溫輸液泵防氣蝕工藝研究；數(shù)據(jù)儲(chǔ)存?zhèn)鬏斖ㄐ偶夹g(shù)研究。IC 卡智能管理技術(shù)研究。

3 取得的主要成果

（1）實(shí)現(xiàn)停泵自增壓加注功能。為使撬裝式LNG 加注站在停電或電力不穩(wěn)的情況下保持工作，提高環(huán)境適應(yīng)性，提高低溫泵的使用壽命，設(shè)計(jì)了停泵自增壓加注流程，在主撬內(nèi)部設(shè)置1 臺(tái)3 m3的空溫汽化器作為增壓器，LNG 通過后氣化后形成EAG 注入LNG 儲(chǔ)罐，使儲(chǔ)罐壓力升至1.2 MPa，此時(shí)儲(chǔ)罐壓力大于車載LNG 瓶內(nèi)一般工作壓力（0.8～1）MPa，PLC 控制打開加液管路氣動(dòng)閥門，在低溫泵不啟動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)自增壓加注（圖1）。

圖1 停泵自增壓加注流程

（2）實(shí)現(xiàn)可同時(shí)卸車加注功能。傳統(tǒng)卸車需要用低溫泵將槽車LNG 打入儲(chǔ)罐，無法同時(shí)進(jìn)行加注作業(yè)，為此對卸液系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化：①使用外部增壓器將槽車增壓至0.8 MPa，槽車內(nèi)LNG 通過卸液支路，氣動(dòng)閥1以及儲(chǔ)罐根部閥壓入儲(chǔ)罐（0.6 MPa 以下）內(nèi)；②低溫泵從泵前進(jìn)液管、卸液管以及儲(chǔ)罐進(jìn)液支路，3 處同時(shí)進(jìn)液，注入車載LNG 瓶，完成同時(shí)卸車加注作業(yè)流程（圖2）。

圖2 卸車加注功能流程

（3）采用雙質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量加液量。在傳統(tǒng)的加注系統(tǒng)中，沒有設(shè)置回氣計(jì)量裝置。據(jù)測試1臺(tái)LNG 汽車從空瓶（430 L）到加滿狀態(tài)，會(huì)有約1 kg 的BOG（Boil Off Gas，閃蒸氣）通過回氣管路進(jìn)入儲(chǔ)罐，顧客多支付了這部分金額。為此對加注計(jì)量回路進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保留加注機(jī)加液相回路計(jì)量的同時(shí)，在回氣氣相回路上分別加設(shè)了質(zhì)量流量計(jì)，并拓展編寫加氣機(jī)運(yùn)算軟件將客戶LNG 鋼瓶中返回儲(chǔ)罐的氣態(tài)LNG 量從加液量中減除，達(dá)到精確計(jì)量加液量的目的（圖3）。

圖3 雙質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量加液流程

（4）通過整體設(shè)計(jì)布局研究實(shí)現(xiàn)橇裝化。為解決傳統(tǒng)固定式LNG加氣站的建設(shè)周期長、造價(jià)高、無法遷址的難題，對加注站整體撬裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件，合理對儲(chǔ)罐、工藝管路、加注設(shè)備進(jìn)行布局。實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高度集成，全站采用主副雙撬結(jié)構(gòu)，主撬外部尺寸與40 尺集裝箱相同，付撬集成了工業(yè)控制及工作人員生活設(shè)施，可實(shí)現(xiàn)加氣站的快速安裝和運(yùn)移（圖4，圖5）。

副撬為控制與休息撬，內(nèi)有PLC 控制柜、IC 卡管理系統(tǒng)、上位機(jī)控制系統(tǒng)、員工休息床（上下）、飲水機(jī)、空壓機(jī)、干燥機(jī)等設(shè)備設(shè)施。圖6。

（5）改進(jìn)保溫材料包裹工藝，降低LNG 管路熱損失。LNG溫度升高會(huì)造成LNG 氣化，引起低溫泵氣蝕、BOG 排放增加、管路結(jié)霜等一系列嚴(yán)重后果。而LNG 管路中的熱損失是LNG加氣站熱損失中的主要因素。

圖4 加注撬現(xiàn)場布置

為提高管線的保溫性，需要進(jìn)行保溫處理，在對管道保溫的主要方式進(jìn)行對比。

圖5 主撬整體布局

通過熱量傳遞分析，在綜合考慮了安裝空間、價(jià)格、冷量損失后，采取了管道保溫層用CCPE 多層錯(cuò)縫搭接包裹（保溫層厚度15.4 cm），保溫層外包裹鋁皮防輻射層，最外部用鍍鋅鐵皮做保護(hù)層的工藝。使管道的冷量損失減少了40%。

圖6 副撬內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖7 管道保溫示意

（6）綜合安全防護(hù)技術(shù)。因LNG蒸發(fā)引起壓力過大和泄漏引發(fā)的燃燒爆炸危險(xiǎn)，是加氣站的主要安全隱患。為了降低加氣站爆燃風(fēng)險(xiǎn)，撬裝式LNG 加注站采用了多項(xiàng)安全防護(hù)技術(shù)。①設(shè)計(jì)了專項(xiàng)防爆電路。撬裝式LNG 加注站中使用的所有電氣設(shè)備均采用防爆設(shè)計(jì)。各電氣接口作相應(yīng)的防爆處理；②設(shè)計(jì)了集中放散系統(tǒng)。在工藝管路上設(shè)置了安全附件，閥與閥之間管段設(shè)置放散支管，將各管段氣化的閃蒸氣集中到放散總管，通過阻火器在進(jìn)行放散；③設(shè)計(jì)了緊急停車系統(tǒng)。當(dāng)主撬內(nèi)裝置的監(jiān)測儀表監(jiān)測可燃?xì)怏w濃度超限時(shí)(系統(tǒng)超壓、液位超限、溫度過高、儀表風(fēng)壓低以及火災(zāi)報(bào)警事故時(shí))，能自動(dòng)報(bào)警并切斷系統(tǒng)。

（7）自動(dòng)化控制及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存?zhèn)鬏斖ㄓ嵓夹g(shù)研究。為了提高撬裝式LNG 加注站自動(dòng)化控制程度，設(shè)計(jì)制造了撬裝式LNG 加注站綜合控制系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)編程，實(shí)現(xiàn)了對加氣量和回氣量準(zhǔn)確計(jì)量、顯示、結(jié)算；對各種運(yùn)行參數(shù)采集、顯示，傳輸、儲(chǔ)存與自動(dòng)控制系統(tǒng)完成通信等。自動(dòng)控制系統(tǒng)，可對儲(chǔ)罐、低溫泵、撬內(nèi)工藝閥門及加氣機(jī)進(jìn)行監(jiān)控和管理，完成對卸車、調(diào)壓、加注、卸壓等各種工藝過程的控制、顯示，同時(shí)對加氣站的安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、報(bào)警并緊急停車。

（8）防氣蝕工藝研究。為減小低溫離心泵葉輪進(jìn)口處天然氣壓力降低，降低氣蝕現(xiàn)象發(fā)生概率，采取的設(shè)計(jì)：①帶有防氣蝕功能的低溫離心泵；②將低溫泵下沉，使泵的進(jìn)液口低于儲(chǔ)罐的出液口；③盡可能縮短儲(chǔ)罐道低溫泵的距離，之間不設(shè)置彎頭和三通；④泵前管線采用真空管，減少冷量損失；⑤加粗泵前管線（采用DN50 不銹鋼管）。

（9）IC 卡智能管理技術(shù)研究。為了減少加氣工工作量，便于加氣數(shù)據(jù)管理，編寫了IC 卡智能管理系統(tǒng)軟件，搭建了由通信機(jī)、小票打印機(jī)、IC 卡讀寫器、管理終端組成的IC 卡管理系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了新卡發(fā)售，舊卡儲(chǔ)值，儲(chǔ)值數(shù)據(jù)查詢，交易數(shù)據(jù)查詢，修改密碼，解鎖灰卡、數(shù)據(jù)表格生成、周報(bào)日報(bào)上傳、小票打印等功能。

4 廠內(nèi)試驗(yàn)情況

2014 年12 月撬裝式LNG 加注站在廠內(nèi)進(jìn)行了整機(jī)運(yùn)行，在實(shí)驗(yàn)過程中，用液氮加注LNG 瓶3 次，低溫泵運(yùn)轉(zhuǎn)正常，無任何異響；氣動(dòng)閥開閉靈敏，自動(dòng)控制系統(tǒng)工作靈敏可靠。

5 應(yīng)用效果

（1）工廠研制的撬裝式LNG 加注站陸續(xù)投入市場使用。2015 年1 月，與華港燃?xì)庥邢薰竞献?，在河北省文安縣建成首套撬裝式LNG 加注站，該設(shè)備無故障運(yùn)行48 個(gè)月，累計(jì)加液6400 t（圖8）。

圖8 文安縣的撬裝式LNG 加注站

（2）2015 年3 月與華港燃?xì)庥邢薰竞献髟诤颖笔“灾菔凶蟾髑f建成第二套設(shè)備。目前該站穩(wěn)定運(yùn)行45 個(gè)月，累積加液5800 t。

（3）作為河北省滄州市綠色公交工程的一部分，2015年8 月至10 月，工廠與華港燃?xì)庥邢薰竞献髟跍嬷菔袇^(qū)內(nèi)建成3 座撬裝式LNG 加注站。建站至今設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，3 座站到目前為止共加液7000 多t（圖9）。

圖9 滄州市區(qū)內(nèi)的撬裝式LNG 加注站

改造后的撬裝式LNG 加注站，不僅安全美觀，而且操作方便，受到了華港燃?xì)庥邢薰炯皽嬷菔泄还镜囊恢潞迷u(píng)。