任金平 于春柳 任永平 馬志鵬 張 琪

（1.隴東學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；3.廣東省特種設(shè)備檢測研究院，廣東 佛山 528000）

0 引言

由于LNG的溫度遠低于環(huán)境溫度，加氣站在運行過程中，LNG會蒸發(fā)產(chǎn)生BOG，隨著BOG的不斷產(chǎn)生，對加氣站的能耗、安全、環(huán)保等會產(chǎn)生不利影響。因此，了解LNG加氣站的結(jié)構(gòu)，分析其運行過程中產(chǎn)生BOG的途徑，提出BOG處理的有效措施，對今后LNG加氣站的發(fā)展及BOG再液化技術(shù)研究具有十分重要的意義。

1 LNG加氣站發(fā)展概況

進入21世紀(jì)以來，LNG加氣站發(fā)展與LNG汽車發(fā)展是相輔相成的，屬于互動發(fā)展的關(guān)系，LNG加氣站的投資建設(shè)必須依賴于足夠數(shù)量的LNG汽車的運行，LNG汽車的大力推廣也離不開LNG加氣站的合理布局。目前全世界有相當(dāng)數(shù)量的LNG加氣站和LNG汽車，其中美國在該方面技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。

我國LNG建設(shè)起步較晚，但近十年來經(jīng)過國家和地方政策性引導(dǎo)和大量研究經(jīng)費的投入，LNG工業(yè)在東部沿海地區(qū)發(fā)展迅速，在許多環(huán)節(jié)上都取得了技術(shù)性突破，尤其是LNG加氣站和LNG汽車技術(shù)發(fā)展最為迅速，目前國內(nèi)發(fā)展已基本成熟。從全國分布來看，我國LNG加氣站主要集中分布在LNG消費大省山東、河北、新疆和LNG產(chǎn)出大省內(nèi)蒙古、陜西、山西等。

目前國內(nèi)LNG加氣站雖然表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭，但從全國范圍來看，LNG加氣站在國內(nèi)發(fā)展水平不均衡，大部分省份擁有LNG加氣站的數(shù)量還較少，該現(xiàn)狀與歐美發(fā)達國家的發(fā)展還存在一定差距，而且與國內(nèi)LNG汽車的發(fā)展也不匹配?？梢妵鴥?nèi)LNG加氣站的發(fā)展尚處在起步階段，未來的發(fā)展有著廣闊的空間和市場前景。

2 LNG加氣站結(jié)構(gòu)

LNG加氣站是為LNG汽車供應(yīng)LNG燃料的加注站，其設(shè)備主要有LNG儲罐、低溫泵、調(diào)壓氣化器、加氣機，另外還有管路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及配套設(shè)施等［1］，圖1為LNG加氣站裝置圖，圖2為橇裝式LNG加氣站的工藝流程圖，分為卸車流程、調(diào)壓流程、加氣流程、卸壓流程4個部分。

LNG儲罐是用來儲存槽車運輸來的LNG，并提供對外加注的LNG氣源。儲罐設(shè)計應(yīng)符合TSG R0004-2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》、GB 150.1～4-2011《壓力容器》、GB/T 18442-2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器》等國家標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。LNG儲罐分為立式和臥式兩種類型，無論立式還是臥式均由內(nèi)罐和外罐及管路組成，內(nèi)罐常選用0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼制成，用來充裝LNG，外罐常選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼Q345R壓力容器，用鋼板制成；內(nèi)罐與外罐之間的夾層抽真空，并布置絕熱材料，起到保冷作用；管道材料的選用常與內(nèi)罐相同。根據(jù)GB 50156-2012《汽車加油加氣站設(shè)計與施工規(guī)范》（2014年版）的規(guī)定，LNG加氣站儲罐的總?cè)莘e和單罐容積應(yīng)根據(jù)加氣站的級別滿足表1所示的要求。

圖1 LNG加氣站裝置圖

圖2 LNG加氣站的工藝流程圖

表1 不同級別LNG加氣站儲罐容積要求表

LNG低溫泵分為外置式和潛液式兩種類型，潛液式LNG泵適宜安裝在泵池內(nèi)，要注意的是須在泵的出口處安裝止回閥，在泵出口管道上設(shè)置全啟封閉式安全閥和緊急切斷閥。LNG調(diào)壓氣化器采用空溫式翅片管氣化器，翅片管采用傳熱效率極高的特種鋁合金制成，將空氣作為熱源，利用空氣的自然對流與LNG進行熱交換使其氣化，從而增大系統(tǒng)內(nèi)的壓力。LNG加氣機設(shè)置在LNG加氣區(qū)的室外，加氣系統(tǒng)的充裝壓力不能大于LNG車載氣瓶的工作壓力，加氣軟管上設(shè)置安全拉斷閥。

管道和管件應(yīng)采用低溫不銹鋼，并對相關(guān)管道和管件采取保冷措施，采用的保冷材料為防潮性能良好的不燃材料，或者選擇外層為不燃、里層為難燃的復(fù)合絕熱保冷材料。

3 加氣站BOG產(chǎn)生分析及處理措施

3.1 BOG產(chǎn)生分析

由于LNG的溫度遠低于環(huán)境溫度，加氣站在運行過程中，LNG蒸發(fā)產(chǎn)生BOG，隨著BOG的不斷產(chǎn)生，對加氣站的能耗、安全、環(huán)保等會產(chǎn)生不利的影響，為了對BOG進行有效處理，分析加氣站BOG產(chǎn)生機理是關(guān)鍵。通過對LNG加氣站的結(jié)構(gòu)和工藝流程分析介紹可以得知，正常情況下LNG加氣站BOG主要來自外界熱量傳入、裝卸車時體積置換和閃蒸、溫度和壓力變化3種途徑［2-5］。

外界熱量傳入引起系統(tǒng)內(nèi)LNG的蒸發(fā)主要是LNG儲罐漏熱、低溫管路漏熱、加氣機預(yù)冷、充液氣瓶預(yù)冷、潛液式LNG泵機械能轉(zhuǎn)化的熱量。LNG是將原料天然氣經(jīng)預(yù)處理后，在常壓（0.1 MPa）下降溫到-162℃時獲得的天然氣液態(tài)產(chǎn)品，由于LNG的溫度遠低于環(huán)境溫度，因此在LNG加氣站運行過程中，盡管對儲罐和管道等設(shè)備采取了很好的保冷措施，但熱量傳入是不可能完全避免的，熱量的傳入引起LNG自然蒸發(fā)產(chǎn)生BOG，該部分產(chǎn)生BOG量的多少除與設(shè)備絕熱性能有關(guān)外還受到環(huán)境溫度的影響，隨著季節(jié)和晝夜變化。加氣站的LNG潛液泵在工作過程中會消耗電能，其中大部分轉(zhuǎn)變?yōu)長NG的機械能，另一小部分因為摩擦等作用則轉(zhuǎn)化成了熱能，該熱能被LNG吸收后則引起LNG蒸發(fā)產(chǎn)生BOG。

裝卸車時體積置換和閃蒸指的是運輸來的LNG在卸車過程中，加氣站儲罐內(nèi)的液相空間增大，相應(yīng)氣相空間減小，為了保證儲罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，儲罐內(nèi)部分BOG被排出；在裝車過程中，LNG槽車罐內(nèi)的液相空間增大，氣相空間減小，為了保證LNG槽車罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，槽車罐內(nèi)部分BOG也會被排出。還有在裝卸車時由于加氣站儲罐和槽車罐內(nèi)的LNG溫度不同，這兩種不同溫度的LNG接觸則會出現(xiàn)瞬間的閃蒸現(xiàn)象，產(chǎn)生BOG。

溫度和壓力變化產(chǎn)生BOG是指加氣站儲罐一般都裝有自動泄壓裝置，當(dāng)外界大氣壓力降低時，壓力表測量的罐內(nèi)表壓就會偏高，這時候自動泄壓裝置泄壓，罐內(nèi)壓力降低又會引起氣液界面處的過熱LNG氣化產(chǎn)生BOG。

3.2 BOG處理措施

目前各類LNG加氣站對BOG的處理措施主要有3種：① 將BOG回收送到站點附近的民用燃氣管網(wǎng)，供給燃氣用戶；② 打開安全閥直接排放BOG或者送至火炬燃燒，這種方法非常不環(huán)保，極易造成污染，并且造成的經(jīng)濟損失較大；③ 采用BOG再液化技術(shù)將天然氣再液化，這種措施可以有效地處理BOG［6］。對于BOG再液化技術(shù)有BOG再冷凝液化、BOG間接熱交換再液化、蓄冷式再液化3種工藝，但是這些再液化工藝只適用于大型LNG加氣站，對于小型LNG加氣站沒有成熟可用的BOG再液化工藝。

近年來，隨著低溫制冷機的發(fā)展，提出了采用主動制冷的辦法，將低溫制冷機與熱交換器耦合，由制冷機提供冷量，實現(xiàn)對儲罐內(nèi)低溫液體的冷卻或者對BOG冷凝再液化。圖3為采用該技術(shù)對小型LNG加氣站BOG再液化回收的兩種方式：圖3a所示為冷凝BOG方式，BOG在低溫制冷機冷頭處冷凝再液化后，在冷凝罐內(nèi)匯集，最后通過低溫泵送回到LNG儲罐；圖3b所示為冷卻LNG方式，通過低溫泵將LNG輸送到低溫制冷機冷頭處，冷卻成過冷LNG，然后噴淋到BOG空間將BOG冷凝再液化。這兩種方式各具優(yōu)勢，都是通過低溫制冷機對LNG加氣站產(chǎn)生的BOG進行處理，實現(xiàn)LNG的無損儲存，較好地解決了LNG加氣站運行過程中的資源浪費和安全環(huán)保問題。

4 結(jié)束語

LNG加氣站是為LNG汽車供應(yīng)LNG燃料的加注站。目前國內(nèi)LNG加氣站技術(shù)已基本成熟，并在全球表現(xiàn)出強勁的發(fā)展勢頭；但從全國范圍來看，各省份LNG加氣站發(fā)展水平很不均衡，該現(xiàn)狀與歐美等發(fā)達國家存在一定差距，而且與國內(nèi)LNG及LNG汽車的發(fā)展明顯不配套，可見國內(nèi)LNG加氣站的發(fā)展尚處在起步階段，未來發(fā)展仍有著廣闊的空間和市場前景。正常情況下LNG加氣站BOG主要來自外界熱量傳入、裝卸車時體積置換和閃蒸、溫度和壓力變化這3種途徑，而外界熱量傳入引起系統(tǒng)內(nèi)LNG的蒸發(fā)主要是LNG儲罐漏熱、低溫管路漏熱、加氣機預(yù)冷、充液氣瓶預(yù)冷、潛液式LNG泵機械能轉(zhuǎn)化的熱量。對BOG的處理則可采用主動制冷的辦法，由低溫制冷機提供冷量，實現(xiàn)對罐內(nèi)LNG的冷卻或者BOG冷凝的再液化。

圖3 LNG加氣站BOG再液化回收方式圖