黃理文

〔北京龍禹石油化工有限公司 北京 100011〕

近年來，隨著國家生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進, 傳統(tǒng)的汽車燃料汽油與柴油受到嚴峻挑戰(zhàn)，國內(nèi)部分地區(qū)甚至制定了燃油汽車退出市場的計劃，清潔能源汽車發(fā)展走上快車道。天然氣作為一種清潔的一次能源，車用天然氣加氣站具有較好的發(fā)展前景，特別是在公路物流行業(yè)，柴油貨車污染防治被國家和各級政府列為環(huán)境監(jiān)管的重點內(nèi)容，加之沿海LNG接收站、內(nèi)陸地區(qū)LNG液化工廠的布局和建設(shè)，LNG、CNG運輸車輛的區(qū)域限制逐步破除，新的車用天然氣行業(yè)生態(tài)逐步形成。另一方面，因為充換電技術(shù)、燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，國家對電動汽車、氫能源汽車有一定政策傾向，給車用天然氣市場帶來一定的沖擊。在這種市場環(huán)境下，加氣站經(jīng)營企業(yè)既要找準在行業(yè)生態(tài)中的定位，提前做好經(jīng)營網(wǎng)點布局，通過終端市場的構(gòu)建發(fā)展和培育市場。另一方面，在市場培育期又面臨著較大的經(jīng)營壓力，需要不斷提高精細化管理水平。通過管理和技術(shù)手段，加強節(jié)能降耗管理，降低運營成本，實現(xiàn)高質(zhì)量的經(jīng)營發(fā)展。

本文從加氣站的生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)展開分析，從電能損耗、天然氣異常損耗、運輸能耗等方面分析能耗問題并提出解決方案。

1 主要耗能環(huán)節(jié)及影響因素

1.1 電能損耗

在CNG加氣站生產(chǎn)經(jīng)營中，主要的耗能環(huán)節(jié)是天然氣的壓縮過程。加氣站90%以上電耗是由電驅(qū)往復式壓縮機組給槽車充裝后對儲氣井加壓時消耗的，所以降低壓縮機用電消耗是加氣站節(jié)能降耗的主要途徑，而影響壓縮機能耗的主要因素在于進站壓力、溫度、設(shè)備維保等幾方面。

1.1.1 壓力影響

CNG標準站和母站的管道進站壓力決定了壓縮機的一級進氣壓力，而壓縮機的生產(chǎn)效率直接受一級進氣壓力影響。進站壓力由供氣管網(wǎng)的壓力和加氣站工藝管道及設(shè)施的阻力決定。加氣站運營中的能耗監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，進站壓力對加氣站用電量有較大影響，壓縮機組電耗量與進站壓力呈負相關(guān)。

1.1.2 溫度影響

加氣站溫度影響主要有兩方面，一是環(huán)境溫度，二是各級進氣溫度。管道進氣溫度、壓縮機組散熱效率均受環(huán)境溫度影響，在環(huán)境溫度較低時，壓縮機冷卻系統(tǒng)耗能降低。環(huán)境溫度取決于氣候、季節(jié)等因素，除加強壓縮機機房散熱管理外，暫無其他有效措施。

除環(huán)境溫度外，各級進氣溫度主要取決于冷卻器的冷卻效果。在壓縮機運行中產(chǎn)生大量熱量，這些熱量部分被壓縮介質(zhì)(天然氣)吸收，部分被壓縮機本體的缸套、活塞等部件吸收。被壓縮介質(zhì)吸收的熱量在排管式冷卻器中由冷卻液與壓縮介質(zhì)對流換熱，實現(xiàn)冷卻。被壓縮機本體吸收的熱量由冷卻介質(zhì)在設(shè)備內(nèi)部的冷卻液流動中吸收并導出。加氣站多采用循環(huán)水進行天然氣冷卻，長時間使用導致循環(huán)水中夾雜大量雜質(zhì)，極易在壓縮機氣缸外套和冷卻器排管外壁、冷卻水管、過濾器等部位形成水垢，造成冷卻系統(tǒng)傳熱效率

降低，增加冷卻系統(tǒng)能耗。

1.1.3 設(shè)備維保影響

壓縮機中部分部件在運行中存在高頻的相對運動，如氣缸、缸蓋、活塞、氣閥、活塞環(huán)、填料等，而設(shè)備的潤滑系統(tǒng)可有效減少運動部件的摩擦阻力，從而減少易損件的損傷，延長設(shè)備和部件的使用壽命。電驅(qū)式壓縮機除本體內(nèi)的各部件需要進行注油潤滑外，驅(qū)動電機中軸承部位也需要定期加注潤滑油脂。電機運行過程中，潤滑油脂會因為機械雜質(zhì)、氧化、滲漏、揮發(fā)等原因臟污變質(zhì)和減少，造成軸承轉(zhuǎn)動部位摩擦發(fā)熱升溫和電機軸承損壞。綜上，設(shè)備維保不及時會影響設(shè)備效率和能耗，甚至會減少設(shè)備使用壽命。

1.2 天然氣異常損耗

一方面，LNG加氣站運行中，因系統(tǒng)正常超壓排放、加液操作、槽車卸液軟管吹掃、設(shè)備正常維護、工藝管道置換等因素存在正常損耗，另一方面，工藝設(shè)計不合理、儲罐及工藝管道保溫設(shè)計有缺陷、LNG氣源溫度高、儲存時間過長等因素也會導致異常損耗[1]。

BOG是低溫LNG液體吸收了環(huán)境熱量而蒸發(fā)產(chǎn)生的氣體。在LNG/L-CNG加氣站運營中，LNG低溫儲罐、真空泵池、真空管、加液機、L-CNG高壓柱塞泵、空溫式蒸發(fā)器等設(shè)備設(shè)施及LNG槽車的殘留余壓、加注LNG車輛的回氣是BOG的主要來源。BOG產(chǎn)生后，儲罐和工藝管道壓力隨之上升，當壓力高于安全閥設(shè)定壓力時，安全閥起跳，超壓部分氣體通過低壓放散管向外排放。據(jù)統(tǒng)計，一個LNG加氣站每天可排放100～200 m3(標準狀態(tài))超壓氣體。

在天然氣管網(wǎng)未覆蓋地區(qū)，隨著LNG接收站、LNG液化工廠的建設(shè)，在LNG公路物流輻射半徑內(nèi)，LNG/L-CNG加氣站的逐步建設(shè)構(gòu)建了完整的車用天然氣產(chǎn)業(yè)鏈。但在市場的培育和形成時期，必然存在一個銷量較低階段，導致LNG儲存時間較長，因氣相空間不斷增大，BOG產(chǎn)生量隨之變大，較正常狀態(tài)下發(fā)生更多的儲罐超壓排放，使加氣站LNG損耗率異常升高，最高可達10%，造成較大的經(jīng)濟損失[2]。

以某LNG加注站為例，建設(shè)有50 m3的LNG儲罐1個，儲存LNG約20 t，LNG存儲周轉(zhuǎn)期不超過5 d，其經(jīng)濟效益較優(yōu)。在LNG市場開發(fā)較慢的情況，每車LNG(20 t)銷售周期需要20 d左右，儲罐內(nèi)的LNG隨著儲罐內(nèi)氣相空間的增大和溫度升高，不斷氣化導致壓力升高，當儲罐壓力升高至安全閥設(shè)定壓力(0.9 MPa)時，就需對壓力進行釋放，通過放空管道直接排放到大氣中。從安全閥起跳到停止排放(從0.9 MPa排放到0.5 MPa)，每次超壓排放量約為600 m3。根據(jù)該站銷量，每車LNG至少需排放6次，每年僅LNG損耗就高達5×104m3，造成經(jīng)濟損失10萬余元。

1.3 天然氣運輸能耗

CNG母站與CNG子站間需要使用CNG槽車運輸。槽車的充裝量一方面受環(huán)境溫度的影響，另一方面氣體的充裝是放熱過程。在槽車充裝過程中，槽車儲罐溫度逐漸上升，未有效降溫時，超出環(huán)境溫度10～30 ℃。根據(jù)某CNG母站實測數(shù)據(jù)，夏季壓縮機出口天然氣溫度在40 ℃左右，經(jīng)過充裝放熱至充裝結(jié)束CNG槽車溫度可高達70 ℃左右，在容積和槽車壓力一定的情況下，溫度升高必然導致槽車充裝量降低，使運輸成本增加。

2 節(jié)能降耗措施及效果

2.1 降低壓縮機電耗的措施及效果

2.1.1 針對壓力影響的降耗措施

針對新建CNG母站和標準站項目，建議與上游長輸管道高壓分輸站相連，同時壓縮機機組選型要選擇與進站壓力匹配的進口壓力，減少降壓再升壓過程的重復能源損耗。同時，為降低工藝設(shè)施和管道阻力，建議優(yōu)化過濾器選型，有效匹配壓縮機排氣量，同時應適當減小管道長度、增大管道直徑，減少壓力損失。

在營CNG母站和標準站，可針對部分加氣站現(xiàn)有進氣壓力較高的有利條件，對現(xiàn)用設(shè)備進行技術(shù)改造，如某CNG母站，通過對壓縮機技術(shù)研究，改變內(nèi)部閥室結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)借用管道壓力不啟動壓縮機情況下對槽車進行直接充裝，以降低壓縮機工作時長，延長壓縮機保養(yǎng)周期和壽命，降低能耗。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，技改后每臺槽車可利用管線壓力直充300～400 m3。依照壓縮機功率計算，利用直充后每臺槽車可節(jié)約用電10 kWh。按照母站每天充裝17臺車輛計算，每天可節(jié)約電量近170 kWh，每年可節(jié)約電費5.6萬元左右。

2.1.2 針對溫度影響的降耗措施

為保障壓縮機級間冷卻效果，在新建加氣站時，要重視冷卻系統(tǒng)的選型，宜優(yōu)先選用閉式冷卻塔，使用閉式循環(huán)冷卻水轉(zhuǎn)移和放散熱量，可有效減少外部雜質(zhì)進入冷卻系統(tǒng)；在過濾器的選用上，要選用合適的過濾網(wǎng)，既有效攔截雜質(zhì)又不產(chǎn)生過高阻力，使用便于檢修的三通型冷卻水過濾器，方便定期清理雜質(zhì)；在冷卻水的選擇上，建議使用軟化水，降低形成水垢的可能。

為保障冷卻系統(tǒng)的長期高效運行，需定期進行壓縮機冷卻系統(tǒng)清洗。根據(jù)運行周期和工況進行循環(huán)清洗或深度拆卸清洗，保障冷卻系統(tǒng)的換熱效率，確保壓縮機正常運行時消耗更少的電能，并延長壓縮機的使用壽命。

2.1.3 針對設(shè)備維保影響的措施及效果

為保障壓縮機組運轉(zhuǎn)效率，降低設(shè)備故障率，需強化執(zhí)行潤滑五定管理要求，特別是加強潤滑油加注的自動量化改造。壓縮機系統(tǒng)一般選用自動注油器，潤滑效果有較好保障，所以壓縮機驅(qū)動電機潤滑系統(tǒng)定量潤滑是改進重點。建議配備自動注油器，減少對操作人員經(jīng)驗的依賴，實現(xiàn)定時、定量加注潤滑油，避免注油不足和注油過量對電機造成損壞。通過推廣該措施，某加氣站運營單位全年壓縮機電機因注油不足導致的故障率下降90%，非計劃性停機檢修大大減少，壓縮機安全經(jīng)濟運行得到有效保障。

2.2 降低天然氣異常損耗的措施及效果

一方面，加氣站經(jīng)營單位需加強經(jīng)營管理，嚴格把好合同關(guān)，對可能出現(xiàn)的損溢情況有充分的預判，在合同中明確雙方的利益關(guān)系，盡量規(guī)避損耗風險，爭取溢余的利益。另一方面，更應該通過加強加氣站設(shè)備管理達到有效降耗的目的。一是建站時設(shè)計BOG回收系統(tǒng)，二是對在營站根據(jù)站內(nèi)設(shè)備布局和工藝流程分析主要損耗環(huán)節(jié)，增加全部或局部工藝BOG回收流程。通常BOG回收有兩種方案：一是將BOG就近回收到燃氣管網(wǎng)中。此方案需加氣站周圍有燃氣管網(wǎng)，需與區(qū)域燃氣公司合作；二是將BOG回收到站內(nèi)CNG儲氣井(或氣瓶)中。此方案需加氣站自身有CNG儲氣設(shè)施，一般適用于L-CNG加氣站。常用方案為第二種。

對于在營加氣站，需結(jié)合本站生產(chǎn)工藝確定改造方案。如某加氣站因市場需求，同時具備CNG標準站工藝流程和L-CNG工藝流程，可同時加注LNG和CNG。根據(jù)站內(nèi)實際情況，由LNG儲罐放空管道根部處添加一條放空管道接入氣化器中，將氣化后的氣體通過管道再接入CNG進氣管道(加濕器前段進氣管道，進站管道壓力為0.6 MPa)，經(jīng)壓縮機至儲氣設(shè)施中儲存，以CNG形式下手。為加強損溢分析，需精確統(tǒng)計LNG放散后氣體的回收量，在回收管線安裝流量計用于統(tǒng)計，改造后21個月，該站共計回收LNG約9.3×104m3，LNG異常損耗大大降低。加氣站BOG回收到儲氣設(shè)施工藝流程見圖1。某L-CNG加氣站BOG回收工藝系統(tǒng)照片見圖2。

圖1 LNG/L-CNG加氣站BOG回收到儲氣設(shè)施流程示意圖

圖2 某L-CNG加氣站BOG回收工藝系統(tǒng)照片

2.3 降低天然氣運輸能耗措施及應用效果

針對CNG母站與CNG子站運輸環(huán)節(jié)因充裝溫度過高造成充裝量不足的問題，加氣母站可使用技改措施對CNG槽車進行降溫，設(shè)計建設(shè)了槽車噴淋降溫系統(tǒng)[3]，實現(xiàn)高溫季節(jié)槽車飽和充裝。同時，未降低用水量，設(shè)計修建三級循環(huán)水池對噴淋降溫水進行回收利用。在日常運營中，循環(huán)水池可兼顧加氣站防洪排水、雨水收集循環(huán)利用等功能。CNG槽車噴淋冷卻系統(tǒng)及循環(huán)水池照片見圖3。

圖3 CNG槽車噴淋冷卻系統(tǒng)及循環(huán)水池照片

3 結(jié)束語

(1)通過壓縮機工況分析，從壓力、溫度、設(shè)備維保方面著手，通過使用加氣站直連天然氣管網(wǎng)分輸站、進站壓力直接充裝、提高冷卻系統(tǒng)工作效率、自動定量潤滑等技術(shù)措施，可有效降低壓縮機電耗。

(2)通過對LNG加氣站進行BOG回收工藝改造，可有效降低LNG異常損耗。

(3)利用CNG槽車噴淋降溫系統(tǒng)，在較高的環(huán)境溫度下，可有效增加CNG槽車充裝量，減少運輸成本。

(4)通過加強節(jié)能降耗管理，制定并執(zhí)行有效的技術(shù)措施，加氣站經(jīng)營企業(yè)可有效降低經(jīng)營成本，在市場競爭中取得優(yōu)勢地位。