韓建明 楊曉楠
〔中國(guó)石化江蘇石油分公司 江蘇南京 210003〕
LNG是一種低溫極易氣化的液體。在其處于飽和狀態(tài)的環(huán)境下,溫度或壓力升高將直接導(dǎo)致氣化。在加氣站的應(yīng)用場(chǎng)景下,LNG一旦發(fā)生氣化將再難被液化,由此產(chǎn)生的閃蒸氣體也將無(wú)法再利用。對(duì)于目前工藝條件而言,只能通過(guò)加氣站的放散系統(tǒng)進(jìn)行放散。LNG的主要成分是甲烷。甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體,是一種“短期氣候污染物”,其在大氣中的存續(xù)時(shí)間相對(duì)較短,排放量也比二氧化碳少,但其全球增溫潛勢(shì)(GWP,即甲烷氣體捕捉大氣中熱量的能力)在100年的時(shí)間框架內(nèi)卻是二氧化碳的28倍,在20年的時(shí)間框架內(nèi),這一數(shù)值則上升為84倍。據(jù)測(cè)算,甲烷對(duì)當(dāng)前人類(lèi)感知的全球變暖的貢獻(xiàn)率為 25%[1]。大氣中甲烷含量比二氧化碳低很多,但單位體積甲烷能夠產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)大于二氧化碳。國(guó)際能源署近日發(fā)布的報(bào)告指出,甲烷排放是全球變暖的第二大原因。我國(guó)的甲烷排放已經(jīng)引起高度關(guān)注。《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十四個(gè)五年規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要》中明確,我國(guó)要力爭(zhēng)于2030年前碳達(dá)峰,努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。綱要在“積極應(yīng)對(duì)氣候變化”部分強(qiáng)調(diào),要加大甲烷等其他溫室氣體控制力度,并明確了時(shí)間表和路線(xiàn)圖,因此不僅需要控制住二氧化碳這個(gè)主要因素,更要狠抓甲烷排放的管控。因此,加強(qiáng)LNG加氣站的損耗管理,迅速降低損耗率和排放量,成為企業(yè)降本增效和減碳環(huán)保的必然選擇。
LNG加氣站損耗的成因主要分為兩部分,即運(yùn)行損耗和卸車(chē)損耗。運(yùn)行損耗主要指LNG加氣站管路內(nèi)、泵池內(nèi)LNG與外部環(huán)境換熱氣化所產(chǎn)生的損失;卸車(chē)損耗主要包括LNG液相和氣相殘留在槽車(chē)罐體中無(wú)法有效卸出的槽車(chē)余液、增壓汽化器增壓過(guò)程中以及長(zhǎng)時(shí)間卸車(chē)過(guò)程中軟管傳熱導(dǎo)致的冷量損失。具體來(lái)講,主要有以下幾個(gè)方面。
部分加氣站因場(chǎng)地面積或安全距離的原因,在LNG設(shè)備設(shè)施的擺布上存在先天的缺陷,在設(shè)計(jì)上存在工藝管路走線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題。工藝管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)必然客觀上形成各類(lèi)閥門(mén)、法蘭、彎頭較多。在現(xiàn)有的LNG設(shè)備工藝條件下,LNG潛液泵撬作為整站設(shè)備運(yùn)行的核心,要保證LNG潛液泵正常運(yùn)轉(zhuǎn),必須保持泵池或者柱塞泵泵頭進(jìn)液充分。如果設(shè)計(jì)管彎過(guò)多管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng),LNG液體流動(dòng)不暢或回氣不暢,儲(chǔ)罐出液口與潛液泵進(jìn)液口之間的正壓小,必將導(dǎo)致潛液泵池入口的正壓頭不足形成潛液泵進(jìn)液不足。在這樣的工況下啟動(dòng)潛液泵,泵體瞬間出液量大于進(jìn)液量,泵池內(nèi)產(chǎn)生氣相空間,會(huì)直接導(dǎo)致潛液泵跳停。潛液泵跳停后,泵池內(nèi)的氣相空間壓力增大,需要排散泵池氣相,降壓引流,多次非正常跳泵排氣是導(dǎo)致?lián)p耗上升的主要原因之一。此外,還有部分加氣站在設(shè)計(jì)施工過(guò)程中,由于潛液泵撬與儲(chǔ)罐之間工藝管線(xiàn)安裝的坡度要求不達(dá)標(biāo),也會(huì)導(dǎo)致LNG液體在管線(xiàn)內(nèi)的流速不正常,間接形成潛液泵空轉(zhuǎn),同樣會(huì)形成上述問(wèn)題,同時(shí)也容易形成工藝設(shè)備預(yù)冷時(shí)間過(guò)長(zhǎng),增加氣損的情況。
1.2.1 儲(chǔ)罐
LNG儲(chǔ)罐的保溫絕熱效果是影響泄壓排放的重要因素。目前儲(chǔ)罐的絕熱方式通常有兩類(lèi),即填珠光砂和高真空多層纏繞絕熱。填珠光砂儲(chǔ)罐制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,價(jià)格也相對(duì)較低。高真空多層纏繞絕熱是用錫箔紙、鋁箔紙及保溫紙將儲(chǔ)罐內(nèi)膽反復(fù)纏繞后再對(duì)儲(chǔ)罐抽真空,絕熱效果較前者好,也減輕了罐體質(zhì)量,但價(jià)格相對(duì)較高。無(wú)論哪類(lèi)儲(chǔ)罐,隨著時(shí)間推移真空度會(huì)不斷衰減,絕熱效果變差都將成為必然。
1.2.2 保溫材料
工藝管道保冷設(shè)計(jì)中主要采用絕熱材料保冷或者是真空管道兩種方法。絕熱材料包覆結(jié)構(gòu)形式基本可靠,在選擇材料時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照《GB/T 11790設(shè)備及管道保冷技術(shù)通則》執(zhí)行。但是目前很多加氣站采用的絕熱材料并不是用于保冷的而是用于保溫。保溫材料使用的溫度一般在-50 ℃ 以上,而 LNG 最低溫度在-162 ℃,因此使用保溫材料用于 LNG 工藝管道,均表現(xiàn)為壽命短、效果差;真空管道保冷設(shè)計(jì),目前沒(méi)有可執(zhí)行的技術(shù)規(guī)范,很多廠家都是按照該企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn),生產(chǎn)制造質(zhì)量不高,導(dǎo)致真空度壽命較低,最長(zhǎng)的約在 2 年,有的甚至運(yùn)行數(shù)月就失效,并且現(xiàn)場(chǎng)抽真空難度大,效果差。
1.2.3 工藝系統(tǒng)熱量漏入
LNG加氣站的工藝系統(tǒng)及相關(guān)加注設(shè)備包括低溫泵池、控制閥門(mén)、加氣和卸液軟管、加液槍等均暴露在空氣之中,在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中不可能處于絕熱狀態(tài),通過(guò)工藝系統(tǒng)及設(shè)備表面都可以通過(guò)空氣的熱量交換形成熱量漏入。因此,對(duì)于運(yùn)行一段時(shí)間的加氣站設(shè)備設(shè)施而言,都會(huì)隨著時(shí)間的推移形成越來(lái)越多的熱量漏入源。特別是對(duì)于銷(xiāo)量較小的站點(diǎn),由于傳統(tǒng)設(shè)備工藝加液間隔時(shí)間較長(zhǎng),當(dāng)潛液泵停止運(yùn)行時(shí),泵池及管道中殘留的液體,在泵池進(jìn)液閥門(mén)常開(kāi)的情況下,泵池中LNG會(huì)隨著熱量交換的影響不斷升溫氣化蒸發(fā),壓力不斷升高后,這部分氣體會(huì)通過(guò)泵后回流管回到儲(chǔ)罐的氣相空間,累積形成儲(chǔ)罐壓力上升,最終產(chǎn)生泄壓排放。
1.3.1 運(yùn)營(yíng)方面
在傳統(tǒng)泵撬工藝流程下運(yùn)營(yíng)的LNG加氣站,由于運(yùn)營(yíng)不可能始終處于連續(xù)不間斷的液體加注狀態(tài),在每次間隔加注作業(yè)的過(guò)程中,都必須啟動(dòng)潛液泵撬對(duì)工藝管線(xiàn)、加液機(jī)進(jìn)行加注前的預(yù)冷作業(yè),在預(yù)冷、升溫、預(yù)冷的循環(huán)往復(fù)中,工藝管線(xiàn)中的LNG液體實(shí)際上處于一個(gè)間隙升溫過(guò)程,本身就會(huì)帶來(lái)升壓升溫的損耗增加,同時(shí)由于預(yù)冷升溫帶來(lái)的熱能會(huì)通過(guò)下一次加液時(shí)的預(yù)冷過(guò)程回流到儲(chǔ)罐,無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐壓力上升形成排散。這部分由于工藝流程因素形成的排放增加,固然可以通過(guò)與客戶(hù)協(xié)商盡可能集中加注的方法來(lái)有所改善,但并不能解決經(jīng)營(yíng)周轉(zhuǎn)較慢、儲(chǔ)罐存液周期延長(zhǎng)后液溫不斷升高所帶來(lái)的排放增多、損耗不斷加大的問(wèn)題。
1.3.2 管理方面
管理方面形成的損耗主要有兩個(gè)方面,一是卸車(chē)作業(yè)不規(guī)范。在目前的工藝條件下,只有保持LNG運(yùn)輸槽車(chē)的壓力大于儲(chǔ)罐壓力時(shí),才能將LNG液體卸入儲(chǔ)罐。增壓到高于儲(chǔ)罐壓力時(shí)才能進(jìn)行,但儲(chǔ)罐經(jīng)過(guò)一段運(yùn)行時(shí)一般壓力較高,通常達(dá)到0.8 MPa 以上,而槽車(chē)壓力一般較低,約為 0.2 MPa,甚至更低。如果直接對(duì)槽車(chē)增壓且對(duì)儲(chǔ)罐排放將會(huì)增加大量排放。同時(shí)卸車(chē)完畢后槽車(chē)壓力直接排出或與儲(chǔ)罐上進(jìn)液進(jìn)行壓力平衡,使槽車(chē)泄壓不到位,造成卸車(chē)損失。此外,使用泵增壓卸車(chē),泵的頻率設(shè)置不當(dāng),在卸車(chē)后期容易造成泵池進(jìn)出液流量不平衡,潛液泵的葉輪無(wú)法或少量接觸介質(zhì),發(fā)生空轉(zhuǎn)后需要對(duì)泵池進(jìn)行排空導(dǎo)致?lián)p耗增加。二是加氣站對(duì)設(shè)備設(shè)施的日常保養(yǎng)不及時(shí)、不規(guī)范,導(dǎo)致設(shè)備故障、泄漏、保溫失效等也是加氣站的損耗異常的重要原因。
2.1.1 明確基本原則
加氣站的損耗管控是一個(gè)系統(tǒng)工程,必須用系統(tǒng)觀念進(jìn)行統(tǒng)籌謀劃,形成完整的責(zé)任目標(biāo)體系。要著眼于以擴(kuò)大銷(xiāo)售規(guī)模、規(guī)范管理、工藝優(yōu)化、考核激勵(lì)等幾個(gè)方面作為切入點(diǎn),通過(guò)制定年度降本增效實(shí)施方案,根據(jù)銷(xiāo)量等級(jí)逐站設(shè)定具體損耗管控目標(biāo),量化節(jié)能降耗工作表,層層分解目標(biāo)責(zé)任,落實(shí)考核獎(jiǎng)懲措施,努力做到全員、全過(guò)程、全方位的損耗管控運(yùn)行體系。
2.1.2 確定工作方針
(1)堅(jiān)持科學(xué)化、專(zhuān)業(yè)化、制度化、流程化、規(guī)范化的工作方向,有序推進(jìn)工藝流程再造,解決工藝設(shè)備的根本性問(wèn)題,努力實(shí)現(xiàn)本質(zhì)降耗。
(2)確立職責(zé)明確、權(quán)責(zé)明晰的分工原則。省公司要集中發(fā)揮資源統(tǒng)籌、技術(shù)改造、體系運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì),地市公司要發(fā)揮地方協(xié)調(diào)、政府審批、基層管理方面的優(yōu)勢(shì),上下銜接配合,共同推動(dòng)損耗管理工作體系的建立和有效運(yùn)行。
(3)明確統(tǒng)籌規(guī)劃分步實(shí)施、循序漸進(jìn)的方針。根據(jù)損耗的主要成因分類(lèi)處置,抓住損耗重點(diǎn)站集中資源快速解決,確保在技術(shù)改造實(shí)施過(guò)程中,市場(chǎng)不丟、管理有序。
(4)建立健全激勵(lì)和約束機(jī)制,最大限度調(diào)動(dòng)損耗管控相關(guān)人員工作的主觀能動(dòng)性,實(shí)行損耗管理不達(dá)標(biāo)一票否決制。
2.2.1 優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)
針對(duì)管線(xiàn)距離的長(zhǎng)短是推高損耗至關(guān)重要的決定因素之一的原理,著手開(kāi)展對(duì)管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)的站點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)論證,在符合規(guī)范的前提下,力求對(duì)低溫管道進(jìn)行合理敷設(shè),盡最大可能縮短存儲(chǔ)區(qū)與加液區(qū)的距離、儲(chǔ)罐與泵撬、泵撬與加液機(jī)間的直線(xiàn)距離,減少管線(xiàn)內(nèi)熱交換量。根據(jù)這一原則,一是對(duì)此類(lèi)有設(shè)計(jì)缺陷,損耗不正常的站點(diǎn)制定技改時(shí)間表,推動(dòng)二次設(shè)計(jì)優(yōu)化,技改過(guò)程中充分借助伯努利方程對(duì)有關(guān)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算,降低儲(chǔ)罐與潛液泵間的差值;二是通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì),在改造過(guò)程中對(duì)進(jìn)液管和回氣管敷設(shè)管線(xiàn)時(shí)設(shè)定坡度,以達(dá)到減少管線(xiàn)壓力和流體損失、提高進(jìn)液和回氣速度的目的。加大儲(chǔ)罐與低溫泵的位差,減少液流自然阻力,同時(shí)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),盡可能減少管彎、避免過(guò)多閥門(mén);三是通過(guò)優(yōu)化工藝管線(xiàn)布置、優(yōu)化控制工藝,降低潛液泵或者柱塞泵無(wú)法正常起泵頻次,避免通過(guò)對(duì)回氣管線(xiàn)或者泵池排放才能正常起泵的情況,通過(guò)對(duì)連云港新光路加氣站、吳莊加氣站的改造優(yōu)化,減少了其液位低于50%時(shí)需要經(jīng)常性對(duì)泵池排放才能正常運(yùn)行的情況。
2.2.2 優(yōu)化過(guò)程控制工藝
國(guó)內(nèi)LNG車(chē)用市場(chǎng)在2011-2015年高速發(fā)展,諸多廠家在設(shè)備配置近似,但是系統(tǒng)控制原理不盡相同,參數(shù)設(shè)定亦有差別。通過(guò)不斷加強(qiáng)研究,根據(jù)不同情況優(yōu)化控制邏輯。
(1)柱塞泵后管道每次起泵前的引壓排放工藝參數(shù)設(shè)定值要科學(xué)合理,盡可能減少排放時(shí)間。
(2)PLC控制系統(tǒng)設(shè)置泵池進(jìn)液閥關(guān)閉時(shí)間、潛液泵的頻率設(shè)定建立遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),建立報(bào)警機(jī)制,實(shí)行動(dòng)態(tài)跟蹤,對(duì)作業(yè)不當(dāng)?shù)男袨榧皶r(shí)糾偏。
(3)對(duì)全省控制系統(tǒng)影響損耗的功能模塊進(jìn)行摸排,對(duì)功能存在缺陷的系統(tǒng)及時(shí)修復(fù)完善。
2.3.1 無(wú)泵加注工藝流程
針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)備工藝運(yùn)行中存在的諸多弊端,在某加氣站進(jìn)行無(wú)泵工藝試點(diǎn),從本質(zhì)上解決加氣站損耗問(wèn)題。
無(wú)泵加液技術(shù)利用過(guò)冷液體的吸收機(jī)理,使管路中氣化的BOG(氣態(tài)天然氣)在加氣過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自身再液化,及時(shí)將BOG氣體液化成LNG,采用30~60 m3高壓儲(chǔ)罐的雙罐系統(tǒng),一個(gè)作為儲(chǔ)存罐、一個(gè)作為加注罐,兩罐間可自由切換,可分加氣模式、換罐模式、卸車(chē)模式。加氣模式中需要保持兩個(gè)罐中的一個(gè)罐為高壓狀態(tài),維持壓力在1.40 MPa,另一個(gè)罐為低壓罐。高壓罐可以實(shí)現(xiàn)加氣功能,低壓罐用來(lái)回收預(yù)冷及加氣過(guò)程的回氣[2]。無(wú)泵加流工藝流程見(jiàn)圖1。
圖1 無(wú)泵加注工藝流程
2.3.2 無(wú)泵加氣技術(shù)優(yōu)勢(shì)
(1)低壓罐中產(chǎn)生的BOG可以通過(guò)BOG回收機(jī)抽到高壓罐內(nèi),從而維持高壓罐的壓力。一方面避免了系統(tǒng)中產(chǎn)生的BOG排放造成損失,另一方面有效保障了高壓罐維持在高壓狀態(tài),從而可以順利加氣。
(2)利用BOG回收機(jī)將最大損耗源管路中蒸發(fā)的氣體通過(guò)吹掃從儲(chǔ)存罐轉(zhuǎn)移到加注罐的下進(jìn)液或上進(jìn)氣補(bǔ)壓,熱量就從儲(chǔ)存罐轉(zhuǎn)移到加注罐。通過(guò)壓差將LNG加注到客戶(hù)車(chē)輛,成功將產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到客戶(hù)車(chē)載鋼瓶中,保持了儲(chǔ)罐液體溫度壓力穩(wěn)定,最大化減少熱能發(fā)生。相比于傳統(tǒng)工藝對(duì)管路系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能只能回到儲(chǔ)罐推高儲(chǔ)罐壓力有了顛覆性的技術(shù)變革。
(3)相對(duì)于傳統(tǒng)工藝卸車(chē)時(shí)需對(duì)槽車(chē)進(jìn)行增壓,增壓氣化器產(chǎn)生的熱量吸收及2~3 h的卸車(chē)時(shí)間金屬軟管吸收的熱量最終進(jìn)入儲(chǔ)罐;無(wú)泵工藝采用BOG回收設(shè)備抽取儲(chǔ)罐壓力,冷量損耗減少,卸車(chē)時(shí)間大大減少,液體溫度相對(duì)傳統(tǒng)工藝設(shè)備明顯降低。
(4)預(yù)冷時(shí)間縮短。傳統(tǒng)加氣技術(shù)儲(chǔ)罐和加氣機(jī)之間配備了泵和泵池,儲(chǔ)罐和加氣機(jī)距離通常超過(guò)50 m,預(yù)冷時(shí)間長(zhǎng),BOG產(chǎn)生嚴(yán)重,加氣機(jī)很難完美工作,并且加氣速度慢;而無(wú)泵技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超過(guò)100 m以上的距離,預(yù)冷時(shí)間只需要幾十秒,可以大大提高加液效率,增強(qiáng)站內(nèi)車(chē)輛通過(guò)率。
在傳統(tǒng)工藝條件下,目前LNG 加氣站在卸車(chē)環(huán)節(jié)通常采用泵增壓和自增壓卸液,或者將兩者結(jié)合使用,卸一車(chē)液通常需要花費(fèi)2~3 h的時(shí)間,同時(shí)余液卸不盡的問(wèn)題也非常突出。主要是由于無(wú)論是采用泵增壓卸車(chē)還是自增壓卸車(chē),卸車(chē)完成時(shí)槽車(chē)內(nèi)均留存較高壓力的低溫BOG氣體,而槽車(chē)司機(jī)為了車(chē)輛運(yùn)營(yíng)安全、方便下次裝車(chē)并降低車(chē)重等原因,往往在卸完車(chē)后對(duì)空排放 BOG,這不僅增加了安全隱患,同時(shí)也增加了進(jìn)貨成本以及無(wú)謂的排放。
為解決槽車(chē)余液卸盡以及卸車(chē)自增壓過(guò)程的冷量損耗問(wèn)題,公司引入新型設(shè)備BOG回收機(jī),有選擇的在卸車(chē)頻次高的站點(diǎn)投入使用,通過(guò)在卸液過(guò)程中抽取儲(chǔ)罐中的BOG充入槽車(chē),建立槽車(chē)與儲(chǔ)罐中的壓差進(jìn)行卸車(chē)(見(jiàn)圖2),減少自增壓過(guò)程LNG氣化的冷能損耗,同時(shí)可將卸車(chē)時(shí)間縮短至2 h以?xún)?nèi)。此做法的另一大優(yōu)勢(shì)是可將槽車(chē)余壓壓縮至0.15 MPa以下,最大化做到進(jìn)貨少虧損甚至盈余,同時(shí)能滿(mǎn)足槽車(chē)的裝車(chē)壓力要求。以連云港雙店加氣站為例,其全年配送約840車(chē)次,一年可帶來(lái)92 t的額外收益。
圖2 卸車(chē)工藝示意圖
LNG加氣站損耗管理是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,限制BOG的產(chǎn)生涉及到設(shè)備選型、工藝設(shè)計(jì)、進(jìn)貨調(diào)度、銷(xiāo)售管理、規(guī)范作業(yè)、設(shè)備維保、計(jì)量管理等諸多環(huán)節(jié)。新建站點(diǎn)要從源頭把關(guān),在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要著手在站內(nèi)平面布局、管路走線(xiàn)、管線(xiàn)距離、坡度設(shè)置上嚴(yán)格設(shè)計(jì)審核,在符合規(guī)范的前提下,應(yīng)盡量縮短設(shè)備間距離,減少管線(xiàn)長(zhǎng)度,增加儲(chǔ)罐與泵進(jìn)口的凈正壓頭,禁止采用凹凸型布置管道,儲(chǔ)罐與泵之間的管道要盡可能采用斜坡布置方式,距離盡可能保持在2~2.5 m以?xún)?nèi)。在設(shè)備選型上要選擇保溫絕熱效果優(yōu)良、工藝品質(zhì)穩(wěn)定的儲(chǔ)罐,管線(xiàn)要選擇真空效果上佳真空管或性能好的保溫材料。在傳統(tǒng)加氣工藝設(shè)備條件下,針對(duì)管線(xiàn)頻繁預(yù)冷存在的熱交換現(xiàn)象以及接卸環(huán)節(jié)槽車(chē)余液難以卸盡,以及卸車(chē)自增壓過(guò)程的冷量損耗問(wèn)題,可積極探索無(wú)泵工藝和BOG回收機(jī)試點(diǎn),推動(dòng)技術(shù)升級(jí)、管理升級(jí),開(kāi)辟節(jié)能降耗新路徑。