LNG工艺9.docx

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LNG工艺9

LNG撬装汽车加气站工艺流程与设备选型

    LNG汽车具有经济、安全、环保、方便、机动等优势[1～6]，是天然气汽车的发展方向，也是城市规模化发展天然气汽车的理想途径。

测试数据显示：

公交车使用LNG燃料，尾气综合排放与燃油车辆相比可下降80%。

据统计，城市大气环境污染60%来自机动车的尾气，发展LNG汽车、建设LNG汽车加气站是治理机动车辆排放污染，改善大气环境质量的有效举措。

   LNG橇装汽车加气站是将LNG低温储罐、加气机、低温泵、卸车增压器、储罐增压器、管道、控制阀门等设备在制造厂集中固定安装在一个橇块上，具有高度集成、安装简便、机动灵活、安全可靠、操作方便等特点，主要用于LNG汽车加气项目推广和其他小规模客户开发。

LNG橇装汽车加气站的技术和建设在我国处于发展阶段，本文以某公交站场的LNG橇装汽车加气站为例，对典型的LNG橇装汽车加气站的工艺流程与设备选型进行分析。

1技术规范与技术参数

1.1技术规范

   目前，国内尚未发布专门针对LNG汽车加气站的设计、施工和验收规范。

在长沙、贵阳等市的LNG汽车加气站示范项目的设计中，采用控制自身安全性作为设计原则，在保证工艺和设备技术安全可靠的前提下，吸取国外设计理念，在征得消防等有关部门同意后，采用美国消防协会《液化天然气（LNG）车辆燃料系统规范》NFPA57标准。

目前，各地实际执行NFPA57标准有很大难度，需要政府主管部门大力支持[7]。

除《液化天然气（LNG）车辆燃料系统规范》NFPA57外，其他需要遵循的主要标准规范如下。

   ①《汽车加油加气站设计与施工规范》（2006年版）GB50156—2002

   ②《液化天然气（LNG）生产、储存和装运》GB/T20368—2006

   ③《建筑物防雷设计规范》（2000年版）GB50057—94

   ④《建筑设计防火规范》GB50016—2006

   ⑤《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058—2

   ⑥《化工企业静电接地设计规范》HG/T20675—1990

1.2技术参数

   ①设计规模

   a.某公交站场计划一期投运LNG汽车数量为100辆，二期发展到200辆，根据其LNG汽车情况进行LNG橇装站设计。

经测算，每辆车天然气耗量约为90m3/d，则200辆LNG公交车每天需要加天然气18000m3，因此该LNG橇装汽车加气站的设计规模确定为20000m3/d。

b.LNG的储存容积按下式计算：

式中V——储存容积，m3

   t——储存时间，d

   Qr——平均日用气量，kg/d

   ρY——最高工作温度下的液化天然气密度，kg/m3

   θb——最高工作温度下的储罐允许充装率

   根据气源的情况，并综合考虑加气速度、LNG汽车数量、卸车时间等因素，确定储存时间为1d。

经计算，该站LNG储存容积为43.68m3。

因此，取该站的储存规模为50m3，设置1台容积为50m3储罐的LNG转运橇。

   ②设计压力

   根据LNG车辆发动机的工作压力，确定LNG橇装汽车加气站的系统工作压力为0.45～0.80MPa，LNG储罐的设计压力为1.2MPa。

   ③设计温度

   因为工作介质为饱和液体，根据压力确定系统工作时的最低温度为-146℃，系统的设计温度为-196℃。

2工艺流程

   LNG橇装汽车加气站与LNG固定式汽车加气站工艺流程相同，分为卸车流程、升压流程、加气流程以及卸压流程等4部分。

2.1卸车流程

   把集装箱或槽车内的LNG卸至LNG橇装汽车加气站的储罐内，使LNG经过泵从储罐上进液管进入LNG储罐。

卸车有3种方式：

增压器卸车、泵卸车、增压器和泵联合卸车。

1增压器卸车

   通过卸车增压器将气化后的气态天然气送入LNG槽车，增大槽车的气相压力，将槽车内的LNG压入LNG储罐。

此过程给槽车增压，所以卸完车后需要给槽车降压，每卸1辆车排出的气体量约为180m3。

   ②泵卸车

   将LNG槽车和LNG储罐的气相空间连通，通过LNG低温泵将槽车内的LNG卸入LNG储罐。

   ③增压器和泵联合卸车

   先将LNG槽车和LNG储罐的气相空间连通，然后断开，在卸车的过程中通过增压器增大槽车的气相压力，用泵将槽车内的LNG卸入储罐，卸完车后需要给槽车降压。

   第①种卸车方式的优点是节约电能，工艺流程简单，缺点是产生较多的放空气体，卸车时间较长；第②种卸车方式的优点是不产生放空气体，工艺流程简单，缺点是耗电能；第③种卸车方式优点是卸车时间较短，耗电量小于第②种，缺点是工艺流程较复杂。

综合各种因素，本项目采用第③种方式卸车。

2.2升压流程

   LNG的汽车发动机需要车载气瓶内液体压力较高，一般为0.45～0.80MPa，而运输和储存需要LNG液体压力越低越好。

所以在给汽车加气之前须对储罐中的LNG进行升压升温。

LNG橇装汽车加气站储罐升压的目的是得到一定压力的饱和液体，在升压的同时饱和温度相应升高。

LNG橇装汽车加气站的升压采用下进气方式，升压方式有2种：

一种是通过增压器升压，另一种是通过增压器与泵联合使用进行升压。

第一种方式优点是不耗电能，缺点是升压时间长，理论计算需要逾5h。

第二种方式优点是升压时间短，减少放空损失，缺点是需要电耗。

本项目采用第二种方式，并且加大增压器的传热面积，大大缩短升压时间，一般需要逾1h，从而确保加气时间。

2.3加气流程

   LNG橇装汽车加气站储罐中的饱和液体LNG通过泵加压后经过计量由加气枪给汽车加气。

车载储气瓶为上进液喷淋式，加进去的LNG直接吸收车载气瓶内气体的热量，使瓶内压力降低，减少放空气体，并提高了加气速度。

2.4卸压流程

   当系统压力大于设定值时，系统中的安全阀打开，释放系统中的气体，降低压力，保证系统安全。

   通过对目前国内外先进工艺的LNG汽车加气站的调查了解，正常工作状态下，系统的放空与操作过程和流程设计有很大关系。

操作和设计过程中尽量减少使用增压器。

操作过程中如果需要给储罐增压时，应该在车辆加气前2h，根据储罐LNG压力情况进行增压，不宜在卸完车后立即增压。

3主要设备选型

   本项目的主要工艺设备为LNG转运橇。

LNG转运橇上布置1台容积为50in3的卧式低温储罐、2台加气机、1台低温泵、1台卸车增压器和1台储罐增压器，其中低温泵采用进口设备。

以上这些设备通过管道连接，在制造厂集中固定在一个橇块上。

   ①LNG储罐

   LNG储罐按围护结构的隔热方式分类，有以下3种。

   a.真空粉末隔热

   隔热方式为夹层抽真空，填充粉末（珠光砂），常用于小型LNG储罐。

真空粉末绝热储罐由于其生产技术与液氧、液氮等储罐基本一样，因而目前国内生产厂家的制造技术也很成熟，运行维护也相对方便、灵活，目前气化站使用较多。

   b.正压堆积隔热

   采用绝热材料，夹层通氮气，绝热层通常较厚，广泛应用于大中型LNG储罐和储槽。

通常用于立式LNG子母式储罐。

   c.高真空多层隔热

   采用高真空多层缠绕隔热，多用于槽车储罐和LNG汽车加气站储罐。

   该站的LNG储存量不大，保冷性能要求较高，因此选用高真空多层缠绕绝热储罐。

根据LNG储存量，并考虑到橇装设备的运输方便性，LNG转运橇选用50m3的卧式储罐。

LNG储罐设液位计、差压变送器、压力变送器、温度变送器、压力表各1只，以实现对储罐内LNG液位、温度、压力的现场指示及远程控制。

罐体顶部设安全防爆装置，下部设夹层抽接口及温度测试口。

根据系统的工作压力，并考虑经济性，确定储罐内罐的设计压力为1.2MPa，外罐设计压力为-0.1MPa。

设计参数见表1。

表1LNG储罐技术参数

型式

卧式圆筒形、高真空多层缠绕绝热储罐

有效容积/m3

50

充装率/%

90

内罐的工作温度/℃

-146

外罐的工作温度

环境温度

内罐的设计温度/℃

-196

外罐的设计温度/℃

-19～50

内罐的材质

0Cr18Ni9

外罐的材质

16MnR

内罐设计压力/MPa

1.2

外罐设计压力/MPa

-0.1

内罐工作压力/MPa

0.45～0.80

外罐工作压力/MPa

-0.1

蒸发率/%

≤0.2

   ②LNG低温泵

   国内LNG汽车加气站的设备技术发展较晚，目前国内已建成的LNG汽车加气站投入使用的LNG低温泵均采用国外进I：

I泵。

LNG低温泵的流量根据汽车加气站的设计规模及加气机的流量选定，本项目LNG低温泵的设计流量为0～320L/min。

对LNG低温泵进行选型，主要参数见表2。

   ③卸车增压器

   卸车增压器是完成卸车的设备之一，选用空温式换热器，增压器借助于列管外的空气给热，使管内LNG升高温度并气化。

空温式换热器使用空气作为热源，节约能源，运行费用低。

本项目选用处理量为200m3/h的卸车增压器1台，其主要工艺参数见表3。

   ④加气机

   加气机是给车载LNG气瓶加气和计量的设备，主要包括流量计和加气枪。

流量计是计量设备，采用质量流量计，具有温度补偿功能。

加气枪是给车载LNG气瓶加气的快装接头，本项目选用流量为0.15m3/min的加气枪，加气机主要参数见表4。

   ⑤储罐增压器

   储罐增压器是完成储罐升压升温的设备之一，选用空温式换热器，其设计参数计算及设备选型与卸车增压器相同。

表2LNG低温泵技术参数

工作温度/℃

-146

设计温度/℃

-196

设计流量/（L·min-1）

0～320

设计扬程/m

220

最大扬程/m

255

转速范围/（r·min-1）

1500～6000

所需进口净正压头/m

0.7～3.0

表3卸车增压器主要工艺参数

单台处理量/（m3·h-1）

200

进口温度/℃

≥-162

出口温度/℃

＞-146

最高工作压力/MPa

0.8

设计压力/MPa

1.6

设计温度/℃

-196

表4加气机主要参数

最小喷嘴压力/MPa

0.41

流量/（m3·min-1）

0.15

喉管配置

单管计量

计量精度/%

±0.5

工作温度/℃

-146

设计温度/℃

-196

LNG汽车加气站工艺与设备

一、工艺流程

美国休斯敦LNG加气站的工艺流程：

规模为日加气量120辆车。

站内有42m3的深冷储罐2座，储存温度为-176.4℃。

低温离心泵将储罐内LNG经加气机加到车辆上。

泵工作压力为0.28—0.62MPa，排量为114L/min。

加气机使用一部38.1min质量流量计，用于计量由储罐至加气车辆的气量，另一部12.7mm质量漉量计计量从汽车返回储罐的气态天然气量。

LNG加气站工艺流程

①卸车流程：

由LNG低温泵将LNG槽车内LNC卸至LNG储罐。

②加气流程：

储罐内LNG由LNG低温泵抽出，通过加气机向汽车加气。

③压漉程：

卸车完毕后，用LNG低温泵从储罐内抽出部分LNG通过LNG气化调压后进入储罐，当储罐压力达到设定压力时停止气化。

LNG加气站的主要技术指标：

加气能力（气态）：

1.2×104—2.4×104m/d；可加气LNG汽车（公交车）台数：

50—100辆/d；加气时间：

5—10min/辆；加气机加气压力：

1.2MPa；加气机计量精度：

±1.0%。

加气站能实现从槽车卸液，低温储罐上下进液；储罐有液位保护系统、防泄漏系统和自动调压系统；加气机能实现计量加气和定量加气功能；自动控制系统对泵可进行三挡变频调速，以实现低速循环、加气及储罐上进液功能。

二、加气站设备

LNG加气站设备主要包括LNG槽车、LNC储罐、调压气化器、LNG低温泵、加气机及LNG车载系统。

LNG槽车目前单台最大容积为37m3，槽车设计压力0.8MPa，运行压力0.3MPa。

LNC储罐由内、外壳组成，采用真空粉末绝热技术，目前可做到200m3，大多为100m3以下。

调压气化器是空温式气化器。

LNG车载瓶目前国内可生产3种规格，45L，300L和410L，分别用于轿车、中型车和公交车。

LNG储罐内层材质为不锈钢，外层为碳钢，而车载瓶内外层均为不锈钢。

三、LNG汽车特点

因同容积LNG储罐装载天然气是CNG的2.5倍，国外大型LNG货车一次加气可连续行驶l000—1300km，非常适合长距离运输。

LNG加气站占地少，一座加气150辆/d的加气站占地仅几百平方米。

由于LNG是液态，便于运输，建LNG汽车加气站不受天然气管网的制约。

LNG汽车具有经济、安全、环保、机动等优势，是天然气汽车的又一发展方向。

LNC汽车技术在我国正处于起步阶段，关键技术有待研发，相关标准规范有待制定。

为推广和发展LNG汽车奠定基础。