陳杰

(中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100027)

0 引言

LNG逐漸成為我國(guó)交通運(yùn)輸業(yè)替代傳統(tǒng)汽、柴油的新型燃料，這不僅是中國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、擺脫過(guò)多依賴進(jìn)口石油的宏觀形勢(shì)所需，而且是LNG市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的真實(shí)體現(xiàn)［1］。與汽、柴油相比，LNG清潔環(huán)保、安全可靠和經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)成為推進(jìn)“油改氣”不斷深化的源動(dòng)力。同時(shí)，隨著進(jìn)口LNG與國(guó)內(nèi)自產(chǎn)LNG產(chǎn)量的不斷提高，LNG加注相關(guān)裝備與技術(shù)的不斷成熟，國(guó)家相關(guān)政策法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善，為L(zhǎng)NG汽車(chē)加注快速、蓬勃發(fā)展創(chuàng)造了較好的外部環(huán)境［2］。截至2010年底，天然氣汽車(chē)的保有量超過(guò)100萬(wàn)輛，天然氣加氣站不足200座。目前采用LNG作為燃料的汽車(chē)將以每年3倍的速度激增，到2013年國(guó)內(nèi)配套的加注站數(shù)量將增至2 000多個(gè)，2020年全國(guó)規(guī)劃的車(chē)用天然氣加注站達(dá)到12 000座左右［3］。然而，目前由于市內(nèi)規(guī)劃選址困難，遠(yuǎn)郊、高速、礦區(qū)用電等配套設(shè)施不完善等原因，國(guó)內(nèi)LNG加注站建設(shè)未能順利開(kāi)展，加氣站銷售網(wǎng)絡(luò)形成緩慢，加氣困難、排隊(duì)加氣成為普遍現(xiàn)象［4］。所以，目前LNG汽車(chē)加注主要用于具有固定線路的城市公交、重卡運(yùn)輸。

國(guó)外經(jīng)驗(yàn)表明:無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置可以有效緩解LNG加注站建設(shè)遇到的選址困難、配套用電設(shè)施不完善的問(wèn)題，在高速、碼頭、礦場(chǎng)供電條件困難、市內(nèi)用地緊張等地區(qū)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。另外，利用其可移動(dòng)的特點(diǎn)可用作LNG加注應(yīng)急救援［4］。如圖1所示，無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置在英國(guó)已有成功應(yīng)用。但國(guó)外LNG運(yùn)輸槽車(chē)可允許自帶LNG卸車(chē)泵，使得國(guó)外無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置無(wú)需考慮LNG卸車(chē)、加注過(guò)程中BOG蒸發(fā)排放，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。而我國(guó)法律法規(guī)又禁止LNG運(yùn)輸槽車(chē)自帶卸車(chē)泵［5］，這為國(guó)產(chǎn)新型無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置降低BOG損耗，提高技術(shù)可靠性提出了新的挑戰(zhàn)。為此，本文基于高壓加注瓶進(jìn)行多次增壓加注的新模式，設(shè)計(jì)研究出一種新型無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置，給出了該加注裝置的組成、原理、工藝流程與操作流程，模擬研究了其動(dòng)態(tài)過(guò)程，以便為該裝置在我國(guó)的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 英國(guó)無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置

1 新型加注裝置的流程設(shè)計(jì)

1.1 裝置原理與功能

無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置主要包括:1臺(tái)LNG儲(chǔ)罐，2個(gè)LNG高壓加注瓶、1套LNG加注槍、2臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)、2套空溫式增壓器、EGA空溫式加熱器、放散管、PLC控制系統(tǒng)以及配套的管道、閥門(mén)儀表，可燃?xì)怏w、火焰和低溫監(jiān)測(cè)儀表系統(tǒng)，以及緊急切斷閥門(mén)等安全保障設(shè)施構(gòu)成［6－7］。裝置采用密閉空間下的低溫LNG部分經(jīng)過(guò)空溫式氣化器加熱氣化，達(dá)到自增壓的目的，然后高壓的LNG無(wú)需外在動(dòng)力設(shè)備條件下實(shí)現(xiàn)向低壓的LNG汽車(chē)車(chē)載瓶進(jìn)行加注。儀表控制系統(tǒng)電力依靠太陽(yáng)能或風(fēng)能，配有高壓氮?dú)馄拷M提供儀表用氣，應(yīng)急情況下還起到緊急消防滅火功效。

無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置可實(shí)現(xiàn)LNG裝卸和儲(chǔ)存、系統(tǒng)增壓、對(duì)外加注計(jì)量、系統(tǒng)超壓時(shí)安全泄放等功能，并能實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各部分狀態(tài)，顯示系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，對(duì)突發(fā)情況可實(shí)施應(yīng)急控制。裝置通常具有卸車(chē)模式、待機(jī)模式和加注模式。待機(jī)模式主要用于實(shí)現(xiàn)LNG儲(chǔ)罐向LNG高壓加注瓶充裝等LNG汽車(chē)正式加注的所有準(zhǔn)備工作;加注模式可實(shí)現(xiàn)利用高壓加注瓶加注和LNG儲(chǔ)罐直接加注兩種功能模式。通過(guò)兩個(gè)高壓加注瓶加注與待機(jī)之間的切換操作，裝置可實(shí)現(xiàn)連續(xù)LNG加注和計(jì)量銷售功能。

1.2 新型裝置流程設(shè)計(jì)與操作

基于以上裝置工作的原理和功能，遵照GB50156、GB50058、GB50028等國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)［8－11］，參考國(guó)外NFPA57［12］等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合LNG橇裝加注站的安全技術(shù)特征［13］對(duì)本新型裝置進(jìn)行了工藝流程設(shè)計(jì)，具體工藝流程見(jiàn)圖2。由圖2可知:本裝置流程包括系統(tǒng)待機(jī)、槽車(chē)卸車(chē)、儲(chǔ)罐自增壓和槽車(chē)增壓、LNG加注瓶加注、LNG儲(chǔ)罐高壓加注、安全泄放等功能，下面將分別介紹。

1.2.1 系統(tǒng)待機(jī)

在沒(méi)有選擇控制操作時(shí)，系統(tǒng)一直保持為待機(jī)模式，所有閥門(mén)都關(guān)閉，LNG儲(chǔ)罐內(nèi)的低溫液體不能流入LNG加注瓶，保證整個(gè)系統(tǒng)處于較低蒸發(fā)率。

圖2 裝置工藝流程圖1—LNG儲(chǔ)罐;2a/2b—LNG加注瓶;3a/3b—LNG加注瓶增壓氣化器;4—天然氣放空氣化器;5—LNG槽車(chē);6—LNG加氣座;7—LNG儲(chǔ)罐放空閥;8—卸車(chē)增壓氣相關(guān)斷閥;9—卸車(chē)氣相關(guān)斷閥;10—LNG儲(chǔ)罐液相關(guān)斷閥; 11—卸車(chē)液相關(guān)斷閥;12a/12b—LNG加注瓶出氣閥; 13a/13b—LNG加注瓶進(jìn)液閥;14a/14b—LNG加注瓶加注閥;15a/15b—LNG加注瓶出液閥;16a/16b—LNG加注瓶回氣閥

在LNG加注瓶加注模式時(shí)，保持一個(gè)LNG加注瓶?jī)?nèi)85%的LNG，并增壓到設(shè)定壓力1.3 MPa，等待來(lái)車(chē)加注［14］。

1.2.2 槽車(chē)卸車(chē)過(guò)程

實(shí)現(xiàn)將LNG運(yùn)輸槽車(chē)內(nèi)LNG卸車(chē)到本裝置LNG儲(chǔ)罐內(nèi)。通常有以下三種方式:利用槽車(chē)自帶增壓器卸車(chē)、利用本裝置加注瓶增壓器卸車(chē)和利用槽車(chē)自帶增壓泵進(jìn)行卸車(chē)。其中利用槽車(chē)自帶增壓泵進(jìn)行卸車(chē)目前國(guó)家法規(guī)暫不允許，但也可適用于本裝置，其中利用槽車(chē)自帶增壓器卸車(chē)無(wú)動(dòng)力卸車(chē)操作時(shí)，首先需要槽車(chē)與LNG儲(chǔ)罐均壓，然后隔斷槽車(chē)與裝置LNG儲(chǔ)罐氣相管路，槽車(chē)開(kāi)始自增壓，當(dāng)壓力高于LNG儲(chǔ)罐壓力0.1～0.2 MPa時(shí)，打開(kāi)液相切斷閥進(jìn)行LNG卸車(chē)。當(dāng)LNG槽車(chē)不帶卸車(chē)增壓器時(shí)，需要利用裝置加注瓶增壓氣化器3a/3b，升高槽車(chē)壓力后卸車(chē)。卸車(chē)完成后，關(guān)閉所有閥門(mén)。

1.2.3 LNG加注過(guò)程

上一次對(duì)LNG燃料汽車(chē)加注完成后，一般LNG加注瓶2a/2b的壓力較高，需要向LNG儲(chǔ)罐1泄壓，液化天然氣蒸發(fā)氣從LNG加注瓶2a/2b經(jīng)過(guò)LNG加注瓶回氣閥16a/16b從底部進(jìn)入LNG儲(chǔ)罐1，部分高壓蒸發(fā)氣在LNG儲(chǔ)罐1中再冷凝，從而實(shí)現(xiàn)LNG加注瓶與LNG儲(chǔ)罐均壓并減少LNG蒸發(fā)氣的泄放。

泄壓完成后打開(kāi)LNG儲(chǔ)罐液相關(guān)斷閥10，LNG通過(guò)重力自流入LNG加注瓶，實(shí)現(xiàn)LNG加注瓶充液，充裝達(dá)到設(shè)定液位后關(guān)閉所有閥門(mén)，打LNG加注瓶出液閥15a/15b，LNG經(jīng)過(guò)LNG加注瓶增壓氣化器3a/3b氣化增壓后返回LNG加注瓶2a/2b中，直至增壓至目標(biāo)壓力，關(guān)閉所有閥門(mén)，等待LNG燃料汽車(chē)前來(lái)加注。

1.2.4 利用加注瓶正常加注

當(dāng)需對(duì)LNG燃料車(chē)進(jìn)行加注時(shí)，打開(kāi)LNG加注瓶加注閥14a/14b，通過(guò)LNG加注座對(duì)汽車(chē)進(jìn)行加注，此過(guò)程中需依靠LNG加注瓶2a/2b與LNG燃料車(chē)儲(chǔ)氣鋼瓶的壓差完成LNG的加注。為維持加注過(guò)程中LNG加注瓶與LNG燃料車(chē)儲(chǔ)氣鋼瓶之間的壓差，保證加注速度，加注過(guò)程中可考慮加注瓶自增壓繼續(xù)工作。加注液化天然氣量的計(jì)量依靠安裝于LNG加注瓶加注閥14a/14b的流量計(jì)實(shí)現(xiàn)，流量計(jì)安裝于LNG加注瓶加注閥14a/14b閥前的優(yōu)勢(shì)是流量計(jì)中總是存留有LNG，一直處于預(yù)冷狀態(tài)，加注時(shí)不需要對(duì)其事先進(jìn)行預(yù)冷。

1.2.5 利用LNG儲(chǔ)罐直接加注

如果LNG儲(chǔ)罐1中的壓力隨著加注次數(shù)增多而上升至較高水平，為了減少LNG儲(chǔ)罐1中天然氣的泄放量，則可以利用LNG儲(chǔ)罐1中的壓力進(jìn)行LNG的加注，而不經(jīng)過(guò)LNG加注瓶增壓氣化器3a/ 3b進(jìn)行升壓加注。

2 新型加注裝置動(dòng)態(tài)模擬研究

為深入優(yōu)化裝置的設(shè)計(jì)與操作參數(shù)，利用我們完成的加注裝置，基于ASPEN公司HYSYS7.1商用軟件對(duì)裝置的每一步操作進(jìn)行了嚴(yán)格的動(dòng)態(tài)模擬研究。加注裝置相關(guān)配置見(jiàn)表1。

表1 裝置系統(tǒng)配置清單

LNG槽車(chē)卸車(chē)完作為研究的初始狀態(tài):LNG儲(chǔ)罐初始液位80%，壓力0.4 MPa;高壓加注瓶初始液位80%，壓力1.3 MPa;車(chē)載充裝瓶初始液位10%，壓力0.5 MPa，最終狀態(tài)為L(zhǎng)NG儲(chǔ)罐液位下降為20%時(shí)，LNG槽車(chē)向本裝置再次卸車(chē)。動(dòng)態(tài)模擬研究結(jié)果見(jiàn)表2，表明利用高壓加注瓶多次反復(fù)自增壓加注模式能有效的控制加注過(guò)程中BOG的蒸發(fā)量［15］，LNG儲(chǔ)罐殘余壓力由1.3 MPa下降至7.42 MPa，大大降低BOG的損耗。加注時(shí)間3～6 min與自增壓時(shí)間5～7 min基本相當(dāng)且能基本為用戶接受。值得注意的是利用自增壓一次性提高LNG儲(chǔ)罐壓力進(jìn)行直接加注的方式，其LNG儲(chǔ)罐殘余蒸發(fā)氣壓力要遠(yuǎn)高于利用加注瓶多次增壓正常加注，這也是利用加注瓶正常加注的優(yōu)勢(shì)所在。

表2 裝置動(dòng)態(tài)模擬研究結(jié)果

3 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前LNG加注站建設(shè)市區(qū)選址困難，礦場(chǎng)、高速等遠(yuǎn)郊前沿市場(chǎng)用電等依托條件又不完備的問(wèn)題，設(shè)計(jì)研究了適合我國(guó)LNG運(yùn)輸槽車(chē)嚴(yán)禁自帶卸車(chē)泵的技術(shù)規(guī)定的新型無(wú)動(dòng)力LNG橇裝加注裝置，并對(duì)其加注過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。通過(guò)本文研究可以得到如下結(jié)論:

(1)由于采用了較為合理的流程設(shè)計(jì)，從LNG槽車(chē)卸車(chē)到LNG汽車(chē)加注整個(gè)過(guò)程不需要任何動(dòng)力設(shè)備，安全可靠。

(2)通過(guò)采用高壓加注瓶多次反復(fù)自增壓加注方式，優(yōu)化LNG槽罐容量與工作壓力實(shí)現(xiàn)最大程度上減少或避免操作運(yùn)行中液化天然氣蒸發(fā)氣的泄放。

(3)裝置能實(shí)現(xiàn)連續(xù)充裝和加注，加注時(shí)間、自增壓時(shí)間合理，電力需求較小，占地面積小，安裝快，安全可靠和所有閥門(mén)動(dòng)作及質(zhì)量流量計(jì)量可通過(guò)控制柜實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制和記錄等優(yōu)點(diǎn)。

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