陳浩，陳毅，楊順之，吳瀟，張敏

(厚普清潔能源股份有限公司，四川 成都 610100)

0 引言

在2020年9月22日，國家主席習(xí)近平在聯(lián)合國大會一般性辯論上表示，中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。為了實(shí)現(xiàn)我國提出碳達(dá)峰目標(biāo)、碳中和愿景，天然氣作為最清潔的化石燃料，在為世界提供能源和減少碳排放方面發(fā)揮著重要作用。液化天然氣(liquef ied natural gas, LNG)作為一種優(yōu)質(zhì)清潔能源，由于其具有燃燒發(fā)熱量大，燃燒后對環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，近年來需求量呈快速增長趨勢，目前已廣泛用于城市燃?xì)?、燃料汽車、船舶、發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域，LNG取代燃油后可以減少90%的二氧化硫排放和80%的氮氧化物排放，環(huán)境效益十分明顯，是汽車的優(yōu)質(zhì)代用燃料[1]

因此，LNG加氣站的安全穩(wěn)定運(yùn)行是保障LNG穩(wěn)定供應(yīng)的基礎(chǔ)，安裝于現(xiàn)場的緊急切斷閥在其中發(fā)揮著重要作用。目前LNG加氣站現(xiàn)場使用緊急切斷閥大多數(shù)為氣動型，氣動型閥門的動作依靠LNG加氣站內(nèi)的儀表風(fēng)系統(tǒng)提供的壓縮空氣作為動力，儀表風(fēng)系統(tǒng)能否提供壓力穩(wěn)定且潔凈的壓縮空氣關(guān)系到緊急切斷閥能否及時關(guān)斷、LNG加氣站能否可靠運(yùn)行；如果壓縮空氣水分過多則會導(dǎo)致儀表風(fēng)管路的腐蝕和堵塞，氣動閥門損壞等。壓縮空氣的另一個作用是用于吹掃LNG加氣槍，因?yàn)長NG是低溫液體，加注槍口在經(jīng)過加注后會將空氣中的水分冷凝附著在加氣槍密封圈處，在LNG加氣站通常都會要求操作員在連接LNG加氣槍之前，必須用吹掃槍對加氣槍進(jìn)行徹底吹掃，否則，在加注的過程中，這些水分就會被LNG冷凍成堅(jiān)硬的冰粒，進(jìn)入加注槍密封環(huán)內(nèi)部，影響加注槍的正常使用，嚴(yán)重的情況下會造成LNG的泄漏，甚至導(dǎo)致火災(zāi)、人員凍傷等嚴(yán)重后果。

1 LNG加氣站能耗分析

LNG加氣站是利用LNG作為燃料的一種多功能加氣站，可為LNG車提供車用燃料。LNG汽車加注站由卸車、增壓、儲存、泵送、加注、安全控制等部分組成，主要耗電設(shè)備包括LNG潛液泵、LNG加氣機(jī)、儀表風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四大部分，具體參數(shù)如表1所示。

表1 站內(nèi)主要用電設(shè)備及主要參數(shù)

1.1 低溫潛液泵

在LNG加氣站中，潛液泵由變頻器驅(qū)動，變頻器根據(jù)泵出口的壓力自動調(diào)整潛液泵頻率，以保證加注壓力穩(wěn)定。根據(jù)厚普股份在國內(nèi)站點(diǎn)的實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，在正常加注過程中潛液泵的運(yùn)行頻率在80～90 Hz，加注流量約 50 kg/min，預(yù)冷時間 1～2 min，加注時間約3 min，假設(shè)潛液泵的運(yùn)行頻率90 Hz，根據(jù)變頻器輸出頻率與輸入功率立方成正比可得，在90 Hz時，額定功率為11 kW的潛液泵輸入功率約8 kW。

1.2 LNG加氣機(jī)

LNG加氣機(jī)在LNG加氣站起到LNG充裝和計(jì)量的功能，儲罐內(nèi)的LNG經(jīng)過低溫潛液泵增壓后輸送至LNG加氣機(jī)，經(jīng)LNG加氣機(jī)計(jì)量后充裝至LNG卡車的鋼瓶中。LNG加氣機(jī)在空閑狀態(tài)和加注狀態(tài)耗電量沒有明顯區(qū)別，每臺LNG加氣機(jī)每小時耗電量按照銘牌確定約0.2 kW·h。

1.3 儀表風(fēng)系統(tǒng)

目前大多數(shù)的LNG加氣站中，儀表風(fēng)系統(tǒng)由一臺空壓機(jī)和一臺干燥機(jī)串聯(lián)的方式向外提供壓縮空氣。在LNG行業(yè)最常見的干燥機(jī)有兩種類型，吸附式干燥機(jī)和冷凍式干燥機(jī)，吸附式干燥機(jī)主要是利用吸附劑(活性氧化鋁、硅膠等)利用變壓吸附原理吸附空氣中的水分子，達(dá)到降低空氣中的水分子含量的目的。冷凍式干燥機(jī)主要是利用了降溫結(jié)露的原理，通過降低空氣溫度，將水分從空氣中析出，再經(jīng)過水汽分離，水分經(jīng)過排水器排出，低溫空氣經(jīng)過換熱器升溫后輸出。

儀表風(fēng)系統(tǒng)主要設(shè)備包含一臺空壓機(jī)和一臺干燥機(jī)，吸附式干燥機(jī)的功率通?？梢院雎圆挥?jì)，冷凍式干燥機(jī)功率約2 kW。常規(guī)配置空壓機(jī)的功率約3 kW，空壓機(jī)根據(jù)LNG加氣站的運(yùn)行情況間歇工作。

根據(jù)在某站點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)記錄，在空閑狀態(tài)下，由于干燥機(jī)的吸附塔需要交替工作(默認(rèn)為10 min循環(huán)工作)，干燥機(jī)每兩次循環(huán)工作，空壓機(jī)必須要啟動補(bǔ)充壓力，每次補(bǔ)充壓力工作約1 min，空壓機(jī)每小時工作約6次，全天工作時長約144 min，耗電約7.2 kW·h。由于需要用儀表風(fēng)吹掃LNG加液槍，每一次LNG加注前空壓機(jī)都會啟動一次，平均每次的工作時間約1～1.5 min。

1.4 站控系統(tǒng)

站控系統(tǒng)主要包含PLC控制系統(tǒng)、工控機(jī)顯示器、收費(fèi)系統(tǒng)、燃?xì)鈭缶到y(tǒng)以及現(xiàn)場儀表等電氣裝置。

控制系統(tǒng)實(shí)時檢測現(xiàn)場傳感器、變送器等儀表信號，自動監(jiān)測站內(nèi)儲罐、泵、泵池、管路、氣化器、加氣機(jī)等設(shè)備狀態(tài)，采集包括壓力、溫度、液位、轉(zhuǎn)速、電流、狀態(tài)等參數(shù)。經(jīng)處理分析，按照控制邏輯及參數(shù)，自動控制并驅(qū)動工藝設(shè)備，實(shí)現(xiàn)加氣站安全聯(lián)鎖及設(shè)備智能化運(yùn)營管理?？刂葡到y(tǒng)必須連續(xù)運(yùn)行，每小時平均綜合耗電量按照額定數(shù)據(jù)約1.4 kW·h。

1.5 日均總能耗

假設(shè)站點(diǎn)累計(jì)每天連續(xù)24 h營業(yè)，對外累計(jì)加注100次共15 t LNG?？偤碾娏考s為124.6 kW·h。

2 節(jié)能措施探討

從表1可以看出，LNG加氣站中潛液泵的單位能耗最高，儀表風(fēng)系統(tǒng)耗電量排第三。在實(shí)際LNG加氣站的中，潛液泵采用了變頻器驅(qū)動，潛液泵的功率依據(jù)站的加注需求選擇，除非提升潛液泵本身的效率，其他措施難以降低其能耗；LNG加氣站控制系統(tǒng)由于自身的特點(diǎn)，它們在站內(nèi)必須要連續(xù)運(yùn)行，且無論是在加注狀態(tài)還是待機(jī)狀態(tài)中，能耗沒有明顯區(qū)別，難以有效降低其功耗。

針對以上分析結(jié)果，儀表風(fēng)系統(tǒng)是LNG加氣站節(jié)能降耗的主要潛力，通過對儀表風(fēng)系統(tǒng)的工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以降低儀表風(fēng)系統(tǒng)能耗，同時保證提供充足、穩(wěn)定的壓縮空氣。

3 高分子膜式干燥器的原理與特點(diǎn)

高分子膜式干燥器主要利用了水分子滲透擴(kuò)散原理，如果在高分子膜的兩側(cè)存在水分子濃度不等的空氣，則氣體分子會從高壓側(cè)向低壓側(cè)進(jìn)行分子擴(kuò)散。而經(jīng)過試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn)，一種合成的高分子膜，使得水分子的擴(kuò)散速度是氧氣分子擴(kuò)散速度的2 000倍以上。利用這一點(diǎn)可以快速的將水分子和空氣分離，且在這一過程中不需要額外的能量或者其他催化劑的參加，且其露點(diǎn)溫度可達(dá)-70 ℃。但是在使用過程中，空氣中的其他雜志會堆積到高分子膜上，為了清潔高分子膜，需要用少量的氣體反吹掃高分子膜，保證了高分子膜的長期有效工作[2]。

高分子膜式干燥機(jī)的主要特點(diǎn)；(1)排氣少，僅需要少量的反吹掃氣體清潔高分子膜和帶走水分；(2)壽命長，高分子膜使用壽命可達(dá)8～10年；(3)高效率，高分子膜式干燥機(jī)不需要預(yù)運(yùn)行時間，干燥空氣可立即使用；(4)氣體質(zhì)量保證，經(jīng)過膜式干燥機(jī)后的氣體溫度沒有任何變化，氣體成分沒有任何其他雜質(zhì)，潔凈度可用于醫(yī)藥設(shè)備；(5)節(jié)能，高分子膜在使用過程中，不需要額外能量；(6)環(huán)保，高分子膜沒有任何化學(xué)添加劑和催化劑參與；(7)體積小，高分子膜式干燥機(jī)的體積非常小，部分廠家的高分子膜式干燥機(jī)的體積僅有普通手電筒大?。?8)免維護(hù)，高分子膜式干燥機(jī)使用過程中無轉(zhuǎn)動部件，無電氣部件，在高分子膜的壽命期限內(nèi)不需要任何維護(hù)。

3.1 流程與工作原理

該系統(tǒng)包含了空壓機(jī)、油霧過濾器、微霧過濾器、高分子膜式干燥器、緩沖罐、壓力開關(guān)、電池閥、單向閥、自動排水器等部件。流程圖如圖1所示。

圖1 儀表風(fēng)系統(tǒng)氣路圖

在系統(tǒng)正常工作時，由于后端設(shè)備用氣，二級緩沖罐T2的壓力開始下降，當(dāng)壓力降低到開啟壓力設(shè)定值時，電磁閥SV1打開，一級緩沖罐T1開始通過高分子干燥器往二級緩沖罐補(bǔ)充氣體。同時，當(dāng)一級緩沖罐T1的壓力降低至啟動值時，空壓機(jī)開始工作，當(dāng)二級緩沖罐T2壓力達(dá)到關(guān)閉值時，關(guān)閉電磁閥SV1，當(dāng)一級緩沖罐T1的壓力達(dá)到停機(jī)壓力后，空壓機(jī)停止工作。

系統(tǒng)正常工作后，緩沖罐T1和緩沖罐T2中會存儲有壓縮空氣，而高分子膜式干燥器DA的出口和排氣口均設(shè)置有單向閥，這樣就充分保證了在后端沒有用氣時保證外部氣體不會進(jìn)入到干燥器內(nèi)部，也不會有氣體排出，當(dāng)緩沖罐T2的壓力下降到開啟設(shè)置值時，PLC會控制電磁閥SV1打開，往緩沖罐T2補(bǔ)充氣體，直到緩沖罐T2的壓力達(dá)到關(guān)閉設(shè)定值時電磁閥SV1關(guān)閉。當(dāng)緩沖罐T1的壓力低于啟動值時，空壓機(jī)自動啟動，往T1補(bǔ)充氣體，直到緩沖罐T1的壓力達(dá)到關(guān)閉設(shè)定值，空壓機(jī)自動停止。

3.2 測試結(jié)果

如圖2所示。為使用了節(jié)能型設(shè)計(jì)的儀表風(fēng)系統(tǒng)，采用同一臺空壓機(jī)在待機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行測試的壓力曲線，由于空壓機(jī)的緩沖罐T1需要定期進(jìn)行排水操作，空壓機(jī)大概是每隔70 min啟動一次，每次運(yùn)行時間為1 min，全天實(shí)際運(yùn)行20.5次，按照21次計(jì)算，運(yùn)行時間約 21 m，合 0.35 h，2.1×0.35=1.05 kW·h。

圖2 新型儀表風(fēng)系統(tǒng)的空壓機(jī)壓力曲線

以某一LNG加氣站在同一運(yùn)行情況下，根據(jù)要求儀表風(fēng)的壓力露點(diǎn)為-40 ℃[3]，優(yōu)化后儀表風(fēng)系統(tǒng)總計(jì)耗電約6.05 kW·h，優(yōu)化前的儀表風(fēng)系統(tǒng)每天累計(jì)耗電12.2 kW·h，優(yōu)化后的儀表風(fēng)系統(tǒng)耗電量下降約50.4%,整站耗電量下降約5%。

4 結(jié)語

該儀表風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過現(xiàn)場使用，反饋結(jié)果運(yùn)行穩(wěn)定、可靠性高，減少了空氣損耗、降低了電能消耗，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于目前普遍應(yīng)用的吸附式儀表風(fēng)系統(tǒng)。該新型儀表風(fēng)系統(tǒng)不僅可以在LNG行業(yè)大面積推廣使用，在其他需要高潔凈壓縮空氣的行業(yè)也同樣適用。