何才寧 吳大良 張永輝
〔中國石化廣東石油分公司 廣東 廣州 510620〕
在液化天然氣加氣站運(yùn)營的進(jìn)銷存各環(huán)節(jié)中,大都涉及LNG的低溫特性,包括目前普遍存在的卸車慢、損耗和能耗大、安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)多等諸多問題。為此,本文基于LNG在卸液過程中需控制的溫度和壓力兩個(gè)參數(shù)在工藝各操作部位的實(shí)時(shí)變化,全面剖析了卸車損耗、時(shí)間、能耗等指標(biāo),探討了最優(yōu)的卸車流程和方法,以期促進(jìn)卸車向更加標(biāo)準(zhǔn)化、自動化、智能化的方向發(fā)展。
采用普通卸車方式難于將LNG卸干凈,卸車損耗大。不少加氣站卸車時(shí)只是簡單地啟動潛液泵或者汽化器自增壓卸車,沒有考慮槽車、儲罐、管線中的溫度、壓力等實(shí)時(shí)動態(tài)參數(shù),存在卸車慢、槽車LNG余液多、損耗大等共性問題。平均每車卸車損耗約150 kg,損耗率在0.5%~1.0%之間。按年零售量60 000 t計(jì)算,卸車損耗450 t。折合人民幣約300萬元。
LNG卸不干凈將導(dǎo)致安全環(huán)保的巨大風(fēng)險(xiǎn)。一般來說,LNG卸車作業(yè)完畢后仍有0.3~0.4MPa壓力的LNG殘留在槽車罐體內(nèi),由此造成每次作業(yè)大約有50~200 kg的卸車損耗。由于氣庫一般要求槽罐車降壓到0.1MPa才允許進(jìn)庫裝LNG,因此司機(jī)通常將罐車內(nèi)余氣直接排放到空氣中。LNG排放出來造成的溫室效應(yīng)是CO2當(dāng)量的21倍,這樣既不安全,又不環(huán)保,還造成資源浪費(fèi)。
LNG在加氣站進(jìn)銷存中溫度一般宜保持在-155℃至-145℃,其低溫特性以及儲罐氣液并存的狀態(tài)決定了不同的卸車方式,操作流程將直接影響LNG槽車罐能否卸干凈、卸得快、節(jié)能、安全。這就需要基于卸車時(shí)候的實(shí)時(shí)參數(shù)和工藝,合理優(yōu)化、控制儲罐、槽車的接卸操作流程,最大限度地利用LNG儲罐與槽車罐LNG不同的壓力差、溫度差、液位差來提供卸車動力,減少冷損失和熱交換,并從設(shè)計(jì)-操作、從規(guī)范-效率、從安全-節(jié)能等諸方面全面優(yōu)化,選擇最優(yōu)的卸車模式。下面就從管道吹掃、平壓(壓力平衡)、增壓、卸車各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行分析和優(yōu)化,最終實(shí)現(xiàn)降耗節(jié)能一體化。具體做法如下。
2.1.1 卸液管道充分吹掃
加氣站卸液區(qū)卸液管線在日常管理中,雖然有盲板覆蓋,但是也難免會有水雜沙石等進(jìn)入卸液管道內(nèi)。如果有積水冬季還會出現(xiàn)冰塊、冰堵的現(xiàn)象,造成管道堵塞甚至造成設(shè)備損害,而在管道吹掃的過程中還會有對管線進(jìn)行預(yù)冷的作用。
具體操作如圖1所示:開啟儲罐上進(jìn)液閥門SV3、GV3、卸車閥GV5,卸車增壓閥SV8和卸車氣相閥SV7,以及進(jìn)口閥GV8全部打開,同時(shí)槽車的根部閥要全部處于關(guān)閉狀態(tài),打開槽車的放空閥,利用加氣站內(nèi)儲罐的壓力將管線內(nèi)的雜質(zhì)和空氣吹掃干凈。然后緩慢微開槽車的液相閥,打開放散閥SV9,這樣從槽車放出少許LNG經(jīng)常溫管道汽化后可吹掃卸車液相管道,吹掃完成后關(guān)閉槽車液相閥。LNG卸液管道的吹掃流程詳見圖1所示。
圖1 卸液吹掃流程
需注意的是,個(gè)別槽車增壓液相無放空管,且要關(guān)閉液相閥門。因儲罐下部都是液體,槽車和加氣站儲罐的位置雖有高度差,但儲罐和槽車罐的壓力差更大,一般壓差達(dá)0.4 MPa,如不關(guān)閉加氣站儲罐液相閥門或液相閥門內(nèi)漏,在平壓的過程中就可出現(xiàn)液體跑到槽車的現(xiàn)象。
2.1.2 平壓方式及其選擇
一般來說,卸車前站內(nèi)儲罐壓力都比較高,基本在0.5 MPa以上,銷量小的加氣站則更高。槽車有安全閥裝置,安全閥起跳壓力基本在0.7 MPa以上,要讓LNG液體能夠正常流進(jìn)站內(nèi)儲罐,槽車罐內(nèi)的壓力要比儲罐高0.2 MPa左右。如果直接對槽車罐進(jìn)行增壓,就會出現(xiàn)安全閥起跳噴液的現(xiàn)象。為了安全起見,應(yīng)先將儲罐壓力降低,然后再對槽車罐進(jìn)行增壓,同時(shí)也能避免儲罐放空,造成不必要的損耗和大氣污染。
平壓也稱為加氣站儲罐和槽車罐的壓力平衡,平壓主要分為兩種:
(1)液相平壓。站內(nèi)儲罐氣體從槽車底部進(jìn)入槽車罐內(nèi),可以使站內(nèi)儲罐壓力下降,槽車罐壓力不變,儲罐降壓明顯較快,但是對站內(nèi)儲罐液體的飽和度(溫度)有影響。
(2)氣相平壓。站內(nèi)儲罐氣體從槽車的頂部進(jìn)入槽車罐內(nèi),可以使站內(nèi)儲罐壓力下降,槽車罐的壓力上升,而站內(nèi)儲罐壓力下降有限,但能在平壓的同時(shí)給槽車罐增壓,減少增壓時(shí)間。
兩種平壓將會出現(xiàn)不同效果,從槽車罐上部進(jìn)行氣相平壓時(shí),槽車罐的上部都是氣體,站內(nèi)儲罐的氣體經(jīng)管線到達(dá)槽車罐上部空間后,槽車罐上方的氣體越來越多,所以壓力也越來越高;而當(dāng)儲罐的氣體從下部進(jìn)入槽車時(shí),槽車下部都是液體,儲罐的氣體經(jīng)過槽車的低溫液體后,氣體就會變成液體,所以槽車罐壓力變化不大。需要注意的是底部平壓時(shí)儲罐內(nèi)的液體和槽車罐的氣體溫差較大,容易出現(xiàn)翻滾的現(xiàn)象,要注意控制流速。
如果無法使用底部液相平壓,頂部氣相平壓可以開啟站內(nèi)儲罐上進(jìn)液閥門,開啟出口閥,完成頂部氣相平壓;使用底部液相平壓,可以打開儲罐上進(jìn)液閥門,打開進(jìn)口閥,完成底部平壓。
由于每個(gè)站管線的設(shè)計(jì)不一樣,可以通過上面所述的原理來操作。具體如下:
(1)根據(jù)各站內(nèi)的(實(shí)際)壓力情況來判斷。一般來說,當(dāng)站內(nèi)儲罐壓力高于0.5 MPa時(shí),可以先使用底部液相平壓,當(dāng)儲罐壓力降至0.4~0.5 MPa或者更低時(shí)再轉(zhuǎn)換成頂部氣相平壓。大多數(shù)站都比較適用這種方法;如加氣站內(nèi)銷量較小(3~7t/d),應(yīng)盡量將站內(nèi)儲罐壓力降低,可直接用底部液相平壓。
(2)如站內(nèi)的銷量較大,平均每天銷量可以達(dá)到10 t/d以上,儲罐本身的壓力基本不超過0.4 MPa,液體的溫度基本保持在-135℃以下,可以直接使用頂部氣相平壓。多數(shù)站是先使用底部液相平壓,將儲罐壓力降至0.45~0.5 MPa后,再轉(zhuǎn)換成頂部氣相平壓。
如何判斷平壓的完成是實(shí)際操作中比較重要的問題,可從“一看、二聽”來判斷:
看壓力:查看站內(nèi)儲罐壓力和槽車罐壓力的情況,平壓完成后,儲罐壓力和槽車罐壓力基本是一致的。
聽聲音:注意聽管道的聲音,剛開始平壓的時(shí)候,因兩者的壓差較大,流速也會很大,聲音會比較大且刺耳,當(dāng)平壓完成后,聲音明顯會變緩變小。如果平壓時(shí)出現(xiàn)跑液現(xiàn)象,嚴(yán)禁同時(shí)關(guān)閉增壓軟管兩端閥門,否則增壓軟管內(nèi)液體汽化升壓后,由于增壓軟管沒有安全閥釋放超壓氣體會引起管道爆裂。
2.2.1 利用內(nèi)在壓差為槽車罐增壓
卸液前儲罐壓力一般都比槽車罐壓力高0.1~0.6 MPa,槽車液體流動緩慢或者無法流進(jìn)儲罐,這時(shí)需對槽車罐進(jìn)行增壓,利用提高的壓差加快槽車液體卸進(jìn)儲罐。增壓方式有自增壓和泵增壓兩種。自增壓是利用槽車卸液系統(tǒng)中的增壓汽化器增壓,泵增壓是利用加氣站中的潛液泵增壓。
2.2.2 增壓與方式流程及操作
(1)自增壓流程及操作。
自增壓流程:一般利用增壓液相管和增壓氣相管完成。槽車液體通過增壓液相管流至增壓汽化器,增壓完成汽化后,再通過增壓氣相管回流至槽車頂部,完成增壓。
自增壓操作:將槽車的增壓液相管和增壓氣相閥門打開,再將站內(nèi)的卸車液相管和卸車氣相閥門打開,槽車液體流經(jīng)汽化器,再回流至槽車頂部。
(2)泵增壓流程及操作。
泵增壓流程:泵增壓是指利用站內(nèi)潛液泵將槽車或者站內(nèi)儲罐的液體加壓后經(jīng)過增壓汽化器,增壓完成汽化后,通過增壓氣相管回流至槽車頂部,完成增壓。具體操作有兩種情形:
利用儲罐液體進(jìn)行泵增壓操作:利用站內(nèi)儲罐LNG,通過儲罐出液管后,再由潛液泵加壓抽送至增壓汽化器,再通過增壓氣相管回流到槽車頂部,完成增壓。增壓前,加氣站信息操作系統(tǒng)調(diào)至手動模式,潛液泵頻率調(diào)低(一般為50 Hz),打開LNG出液閥,其他氣動閥門全部關(guān)閉,增壓液相閥關(guān)閉,將汽化器進(jìn)口閥手動擰開少許,注意聽氣體流動的聲音和觀察槽車壓力變化速度,如過快或者過慢可以利用卸車氣相手動閥進(jìn)行控制。此種槽車增壓方法適用于卸車后期槽車自身液體較少時(shí)。
利用槽車罐液體進(jìn)行泵增壓操作:利用卸車LNG,通過加氣站卸車進(jìn)液管后,再由潛液泵加壓抽送至增壓汽化器,再通過增壓氣相管回流到槽車頂部,完成增壓。增壓前,加氣站信息操作系統(tǒng)調(diào)至手動模式,潛液泵頻率調(diào)低(一般為50 Hz),打開卸車液相手動閥,其他氣動閥門全部關(guān)閉,增壓液相閥關(guān)閉,將汽化器進(jìn)口閥手動擰開少許,注意聽氣體流動的聲音和觀察槽車壓力變化速度,如過快或者過慢可以利用卸車氣相手動閥進(jìn)行控制。此種槽車罐增壓方法適用自增壓困難時(shí)或需要快速增壓時(shí)。
需要注意的是,由于每個(gè)槽車安全閥的起跳壓力不同,要注意增壓后槽車壓力應(yīng)低于安全閥起跳壓力0.05 MPa,一般槽車安全閥起跳壓力為0.7~0.8MPa。即便如此,槽車壓力也不應(yīng)該超過0.7 MPa。如果在卸車時(shí),槽車的安全閥出現(xiàn)了起跳,應(yīng)立即關(guān)閉增壓液相閥和增壓氣相閥,停止繼續(xù)對槽車的增壓,并且立即打開增壓液相管和增壓氣相管之間的放空閥,防止管道憋壓破裂。卸車液相閥不要關(guān)閉,液體快速流到儲罐內(nèi)的時(shí)候,槽車罐壓力也會快速下降,待降至安全閥自閉壓力時(shí),安全閥自動關(guān)閉,停止噴液。
2.2.3 兩類增壓方式的特點(diǎn)
自增壓需要連接增壓液相管和增壓氣相管,操作簡單,壓力穩(wěn)定,在增壓時(shí)加液不受影響,但是增壓速度比較慢,從0.3 MPa增至0.6 MPa一般用時(shí)20~30 min(每個(gè)加氣站的效果不一致,時(shí)間會存在差距),同時(shí)該方法會在汽化時(shí)吸收熱量,帶進(jìn)到儲罐中。但在卸車后期槽車液體較少,增壓效果不理想。加氣站都能使用此方法進(jìn)行增壓,也是普遍使用的增壓方法。
泵增壓可以不連接增壓液相管,利用站內(nèi)液體或者槽車液體進(jìn)行增壓,特點(diǎn)是增壓速度快,從0.3 MPa增至0.6 MPa一般只需用時(shí)5 min左右,而且加液不受影響。但是該方法用泵需消耗一定電量。同時(shí)操作比較復(fù)雜,操作人員的操作技能要求較高,同時(shí)站內(nèi)管線設(shè)計(jì)布置需要支持此方法,壓力波動受變頻器的頻率影響較大。如果站內(nèi)壓力較低,卸半車時(shí)應(yīng)使用此方法進(jìn)行增壓。
2.2.4 自增壓和潛液泵有機(jī)結(jié)合卸車
平壓后儲罐壓力普遍在0.45 MPa左右,一般來說槽車罐比儲罐高0.2 MPa時(shí)就可以卸車,即卸車時(shí)槽車罐壓力應(yīng)該增壓并保持在0.60~0.65 MPa,因此卸車時(shí)需要給槽車?yán)^續(xù)增壓或者提供動力。具體卸車模式如下:
(1)自增壓模式卸車(不啟動泵)。如圖2所示,在該卸車模式(非啟泵狀態(tài)),開啟閥門SV7、SV8、SV9,槽車液體可通過卸車液相管,經(jīng)過潛液泵,再通過卸車閥GV5、GV3、SV3經(jīng)上進(jìn)液口卸進(jìn)儲罐內(nèi)。這種方法比較慢,只能完全通過壓差進(jìn)行卸車,卸車效率不高,加液不受影響,無公交車加液時(shí),不用啟動潛液泵,節(jié)約電能。
圖2 自增壓模式卸車
(2)啟泵增壓模式卸車。如圖3所示,將加氣站信息操作程序調(diào)整為啟泵卸車狀態(tài),LNG出液閥門GV2和加液閥GV6關(guān)閉,卸車閥GV5打開,加氣站信息操作系統(tǒng)進(jìn)入卸車狀態(tài),閥門SV9、GV9開啟,LNG從儲罐的上進(jìn)液或下進(jìn)液(可根據(jù)站內(nèi)實(shí)際情況選擇)卸進(jìn)儲罐內(nèi)。為了加快卸液速度,需要一直啟動潛液泵,消耗部分電能,但卸車時(shí)加液不受影響,加液閥GV6在加液時(shí)會自動打開,卸車閥在加液時(shí)自動關(guān)閉)槽車液體可直接加注到用戶車輛。
圖3 啟泵增壓卸車(上下進(jìn)液可以自由切換)
(3)自增壓和潛液泵結(jié)合卸車。如圖4所示,當(dāng)潛液泵啟動之后,液體通過泵后管道卸入儲罐,同時(shí),汽化器進(jìn)口閥GV8打開少許讓很小一部分的液體經(jīng)過,完成對槽車罐增壓。如果開啟位置過大,汽化效果不好,還會有加溫液體返回槽車罐,所以增壓閥門開啟的大小很關(guān)鍵,要控制適度,這樣卸液速度會明顯加快。啟泵增壓卸車(結(jié)合增壓)見圖4所示。
圖4 啟泵增壓卸車(結(jié)合增壓)
(4)卸車方法的選擇。自增壓和潛液泵結(jié)合卸車是目前較優(yōu)的操作方式,既使用了潛液泵的動力,還充分利用了儲罐和槽車之間壓力和溫度差異產(chǎn)生的內(nèi)在能量平衡,縮短了卸車時(shí)間(表1),相對減少了熱交換和冷損失,降低了卸車損耗。尤其是在加氣站加液高峰期時(shí),不建議采用自增壓卸車,主要采用自增壓和潛液泵相結(jié)合(或泵)卸車模式,此時(shí)不僅卸液速度快,同時(shí)也能給公交車加液,而且加液速度快,這就是人們通常所說的邊卸邊發(fā)加液流程。
表1 自增壓卸車和泵卸車時(shí)間差異表
(5)LNG進(jìn)罐方式選擇。通常LNG進(jìn)入儲罐有兩種方式,包括上進(jìn)液、下進(jìn)液。①上進(jìn)液:槽車罐液體從站內(nèi)儲罐的上部進(jìn)入,對儲罐進(jìn)行噴淋,儲罐氣體越來越少,儲罐壓力會越來越低,槽車和儲罐的壓差越來越大,卸車速度會越來越快,所以,在開始卸車的時(shí)候應(yīng)使用上進(jìn)液卸車。如果卸車前站內(nèi)壓力高于0.3 MPa,也應(yīng)使用上進(jìn)液卸車。②下進(jìn)液:槽車罐液體從儲罐底部進(jìn)入,隨著儲罐液體越來越多,會將一部分氣體變成液體,但是效果不明顯,降壓速度也比較慢。如果站內(nèi)儲罐壓力低于0.2 MPa,應(yīng)使用下進(jìn)液進(jìn)行卸車,另外在來液溫度較高時(shí)也應(yīng)使用下進(jìn)液卸車,避免儲罐壓力快速上升。
一般卸車都是先使用上進(jìn)液卸車,待儲罐壓力降至最低值或者儲罐壓力開始出現(xiàn)上升時(shí)可以轉(zhuǎn)換成下進(jìn)液卸車,這樣更加平穩(wěn)、安全和快捷,而且有利于防止不同LNG氣源的密度、溫度差異造成儲液分層現(xiàn)象發(fā)生。
2.2.5 最大限度抽盡底液
LNG槽車能否最大限度抽盡罐中底液,直接影響到損耗大小,是進(jìn)貨卸車損耗管理的主要節(jié)點(diǎn),具體掃底操作流程如下:
(1) 卸車時(shí)槽車罐壓力為0.65 MPa,儲罐壓力為0.45 MPa,一般來說,泵卸車的速度是每小時(shí)13~14 t,如果按照來液是20 t算,1 h后槽車罐壓力應(yīng)該為0.5~0.55 MPa,剩余量為6 t左右,槽車罐液位應(yīng)為320 mm左右,儲罐壓力應(yīng)為0.17~0.21 MPa,這時(shí)可以關(guān)閉增壓閥門。
(2) 當(dāng)槽車罐剩余2 t時(shí),槽車罐壓力大約為0.3~0.4 MPa,儲罐壓力大約為0.2 MPa時(shí),處于氣液共存狀態(tài),氣體的流動速度比液體快,儲罐的壓力開始緩慢上升,這時(shí)候可以將卸車換成下進(jìn)液,讓槽車罐內(nèi)液體從底部卸入儲罐。
(3)將模式調(diào)至手動狀態(tài),把相應(yīng)的卸車閥門打開,將潛液泵頻率調(diào)低至不空載報(bào)警狀態(tài),緩慢將余液抽入儲罐。
(4)利用公交車加氣的高峰期,在公交車高峰加液的同時(shí)也能將槽車罐里面的余液抽回儲罐。
(5)卸后抽壓時(shí)間比較長,較快時(shí)大約半小時(shí)即可將壓力抽盡。
一般來說卸后槽車罐壓力應(yīng)該為0.3~0.35 MPa,槽車罐帶走的LNG在150 kg左右,如果高于0.35 MPa時(shí)較容易出現(xiàn)超差約為200 kg。需注意的是,如何判斷是否卸完?需觀察和判斷,以免提前或推遲,造成數(shù)量、安全或能耗上的隱患。
(1)查看槽車罐和站內(nèi)儲罐液位表,如果槽車罐液位表在“O”位狀態(tài)時(shí),就表示已經(jīng)沒有液體,并查看站內(nèi)儲罐液位計(jì)的讀數(shù),計(jì)算核對進(jìn)貨量。
(2)查看槽車罐壓力表,如果槽車罐液位表已經(jīng)歸“O”,而且槽車罐壓力在0.35 MPa以下,證明基本卸完了。
(3)緩慢打開槽車罐放空閥查看噴氣狀態(tài),注意觀察槽車罐噴射物,如果呈白霧狀態(tài),證明已經(jīng)沒有液體。
(4)緩慢打開站內(nèi)液相放空閥查看,先將站內(nèi)的液相卸車閥門關(guān)閉,打開槽車罐液相閥和站內(nèi)液相卸車閥之間的放空閥,觀看放空管的結(jié)冰狀態(tài),如果立即出現(xiàn)結(jié)冰,證明槽車罐內(nèi)還有液體,如果1 mim內(nèi)放空管只有輕微結(jié)霜,說明槽車罐內(nèi)已沒有液體。
要確保卸車更加干凈,對來液溫度必須嚴(yán)格控制,要求不高于-145 ℃(建議在采購合同中對供應(yīng)商進(jìn)行約定),一旦超過-145 ℃,卸液時(shí)間、卸車和儲存損耗會明顯增加。來液溫度越低,儲罐的飽和壓力也就越低,對卸液越有利,可以觀察槽車罐的壓力來判斷溫度,如壓力為0.1 MPa或者更低時(shí),來液溫度大約為 -160~-155 ℃。壓力在0.1~0.15 MPa時(shí)來液溫度大約在-155~-150 ℃,這種溫度還比較正常,如壓力高于0.25 MPa或者更高時(shí),溫度為-145 ℃以上時(shí),要密切跟蹤供應(yīng)商的LNG來源、槽車罐保溫是否出現(xiàn)異常,若發(fā)現(xiàn)異常必須及時(shí)采取措施(見圖5)。
圖5 來液溫度、壓力對應(yīng)關(guān)系圖
卸車操作和LNG來液溫度會直接影響卸車損耗。本文根據(jù)實(shí)際溫度、壓力、工藝等參數(shù)來優(yōu)化卸車方式,并加強(qiáng)相關(guān)操作人員培訓(xùn)和現(xiàn)場交流,確保卸車損耗最小、卸車最快,使卸車損耗明顯降低,下降幅度超過50 %,進(jìn)貨損耗從2012年的平均每車大約150 kg,到現(xiàn)在平均大約在70 kg。按筆者所在企業(yè)每年進(jìn)貨約3 000車次,每年可實(shí)現(xiàn)降耗240 t,減少碳排放量超過8 000 t。
基于實(shí)時(shí)參數(shù)優(yōu)化卸車模式后,卸車時(shí)間由原來每車4 h縮短為2.5~3.0 h,大幅減少了潛液泵的運(yùn)行時(shí)間,節(jié)約大約30 %的電力,實(shí)現(xiàn)了卸車安全、規(guī)范、節(jié)能“一體化”,罐卸得更干凈、更快捷、更安全、更節(jié)能和環(huán)保。
綜上所述,本文探討了基于實(shí)時(shí)參數(shù)的加氣站LNG卸液模式和流程優(yōu)化,意在拋磚引玉,促進(jìn)企業(yè)和使用單位共同關(guān)注和提升加氣站的LNG卸車工藝、設(shè)備和操作,可從設(shè)計(jì)到操作、從降耗到節(jié)能、從規(guī)范到效率、從安全到環(huán)保等全環(huán)節(jié)全面提升。如通過信息系統(tǒng)全方位實(shí)時(shí)采集槽車罐和加氣站儲罐、潛液泵、管線等卸車時(shí)的壓力、溫度和流量等參數(shù),并進(jìn)行自動判斷和優(yōu)化,同時(shí)結(jié)合加氣站硬件設(shè)備的升級和完善實(shí)現(xiàn)全過程自動控制和損耗監(jiān)測,將進(jìn)一步提升較為復(fù)雜的LNG加氣站卸車流程的優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化和自動化,最終實(shí)現(xiàn)槽車能自動實(shí)現(xiàn)卸得更干凈、更快捷、更安全、更節(jié)能和環(huán)保。